铁路隧道衬砌脱空病害整治新材料及新工艺的应用研究

杨富民，孙成晓

(1.中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081；2.北京铁科首钢轨道技术股分有限公司，北京 100024)

隧道衬砌脱空是比较严重的病害之一，由于受到地质、人为和技术3方面综合因素影响，导致了隧道二次衬砌脱空病害的出现。脱空区的存在将严重影响隧道衬砌结构的承载力，导致衬砌结构承载不均匀而产生应力集中现象，致使二次衬砌极易开裂。二衬开裂将进一步引起渗漏水、冻害和钢筋锈蚀等一系列危害，还可能诱发围岩松弛或失稳脱落。严重时会发生突发性崩塌事故，使得隧道的维修保养周期和使用寿命显著缩短，并对交通运营质量和人员生命安全构成严重威胁。针对衬砌脱空病害，施工单位仍大多采用钻孔、预埋注浆管(钢管或PVC管)、回填注入水泥浆(水泥砂浆)的传统方式进行病害整治(图1)，施工效率低下、施工工序繁琐。注入的水泥浆体后期收缩率增大，导致砂浆层与衬砌混凝土脱离，对衬砌结构稳定起不到促进作用，反而增大了结构的自重荷载。基于传统注浆材料与注浆工艺存在的问题，对回填注浆材料与注浆工艺进行优化创新。采用新型注浆材料及配套注浆工艺，提高注浆材料与衬砌混凝土协同工作能力，减少施工间隔时间，提高施工效率。本注浆工艺已在某新建高速铁路客运专线开展应用，并取得显著效果。

图1 隧道衬砌脱空注浆示意

1 施工材料

1.1 注浆材料

传统隧道衬砌脱空病害整治注浆材料多为水泥浆或水泥-水玻璃双浆液，水料比控制在0.50～0.75，通过低压注浆方式对脱空区进行回填注浆，注浆时水泥浆体填满脱空区域后，即可封闭注浆孔完成注浆。通过现场钻芯取样检测结果发现：传统注浆工艺施工的水泥浆体由于收缩率较大，在凝结硬化后与衬砌混凝土和上层防水板脱离，在隧道衬砌结构上形成了“两层皮”现象。传统注浆材料不仅不能提高衬砌结构稳定性，反而增大了衬砌自重，对隧道衬砌结构稳定性和运行安全性起到不利影响。为提高衬砌脱空病害整治效果，注浆材料需满足以下几点要求：①注浆材料浆体应具有良好的流动性和工作性，保证浆体可填充防水板与衬砌混凝土间细微空隙。②注浆材料应具有足够的强度。③注浆材料应具有微膨胀效应，在凝结硬化后体积稳定性良好。④注浆材料应与混凝土具有良好的结合强度。

针对传统注浆材料存在的缺陷，研制新型微膨胀注浆材料，新材料是由普通水泥、石英砂、膨胀剂、聚合物等组成，具有流动性大、早期强度高、与衬砌混凝土黏结性能好、体积微膨胀等优点，具体指标见表1。

表1 隧道衬砌缺陷整治注浆材料性能

1.2 封堵材料

注浆完成后，需对注浆孔及观察孔进行封堵，封堵材料质量的好坏将直接影响后续车辆运行安全。新工艺采用快速封堵材料，该种材料具有凝结时间快、强度高、抗渗性能好等优点，且具有硬化后体积微膨胀效应，用于封堵注浆孔效果良好,见表2。

表2 封堵材料性能

2 注浆设备

2.1 注浆机

传统注浆机一般采用制浆、注浆分离式设备，且注浆压力较小。为保证注浆效率，制浆时需提高水料比，这样操作造成衬砌内部注入大量的水，易形成二次脱空。新型注浆工艺采用制浆、注浆一体机，机器泵内压力最高4.0 MPa，施工过程中可保证连续注浆。机械参数见表3。

2.2 注浆杆

隧道衬砌脱空病害整治一般采用钻孔、预埋注浆管、注浆和清理注浆管的传统注浆工艺，该工艺也是目前铁路隧道脱空病害整治最主要的方式。但从实际工程应用情况来看，传统注浆工艺在施工效率和安全性上具有明显缺陷：①传统注浆方式在衬砌混凝土脱空区域钻孔后，需使用凝胶材料将注浆管预埋至混凝土内部，待注浆管达到注浆要求后方可进行注浆，延迟了注浆时间，降低了施工效率；②注浆结束后施工单位一般将注浆管切除混凝土外露部分，用凝胶材料进行抹面封闭，预埋部分遗留在混凝土内部，可能会给安全带来隐患。为解决上述问题，设计新型注浆杆配套注浆工艺，提高了注浆施工效率和安全性。新型注浆杆具有以下技术优势：

1)新型注浆杆采用自封闭式注浆，注浆完成后即可取出，使用方便。

2)降低了空洞回填注浆施工成本。注浆杆可重复使用，且减少了钢管或PVC管的使用。

3)注浆效率高。注浆杆内径设计为25 mm，注浆可达2～3 t/h。

4)可根据脱空深度调整注浆杆长度。

注浆杆主要由注浆嘴、连接套杆、封闭阀门组成，全部由标准件组装，使用方便，见图2。新型注浆杆技术参数见表4。

3 施工工艺

新型注浆工艺在传统注浆工艺基础上，采用微膨胀注浆材料，通过膨胀注浆杆取代钢管或PVC管，制浆注浆一体机制备流动度良好浆体，在设定注浆压力下进行注浆施工，注浆完成后采用快速封堵材料封闭注浆孔，施工完成后注浆材料与混凝土结合情况良好。

施工注意事项：

1)钻孔。同一脱空区至少钻孔2个(1个为注浆孔，1个为观察孔)，注浆孔直径宜为40～50 mm。

2)注浆杆安装。根据脱空区深度选择合适的连接套杆，注浆嘴上部抵至防水板，同时确保注浆杆膨胀部分全部没入注浆孔内。使用高压注浆机进行打压，当注浆杆与二衬混凝土完全填充固统一体后开始注浆，注浆压力保持在0.4～0.6 MPa，不得高压注浆。在注浆过程中应严格监控注浆压力，当观察孔出现浆液流出后，即可封闭注浆观察口，然后采用0.3～0.5 MPa 压力继续注浆1～2 min，以确保脱空区注满浆液。

3)注浆结束后，待注浆料达到初凝状态时即可拆除注浆杆(时间约为1.5～2 h)。拆除注浆杆时仅打开注水阀即可取下。

4)使用土工布先进行临时封堵养护1 d，待注浆料强度超过1 d强度要求后进行封孔。封堵前先喷涂一遍界面剂，然后使用快速封堵材料封堵。封堵时先按照配比人工搅拌封堵材料，使用送料器将材料推送至空洞内，然后使用封堵工具进行振捣，填压密实。

4 工程应用

2017年7月于某新建高速铁路客专隧道进行新材料和新工艺现场注浆试验。选取Ⅱ级衬砌脱空区(衬砌厚度为设计厚度的50%～80%)，脱空区面积1.2 m×1.0 m，现场使用水钻在脱空区中部与边缘处各取孔1个。微膨胀注浆材料采用制浆注浆一体机进行制备，水料比为0.19，注浆压力为0.6 MPa。脱空区注浆时间为32 min，经检测注浆后衬砌厚度为45 cm，满足衬砌厚度设计要求。养护28 d后现场钻芯取样检测注浆料与混凝土结合强度。注浆料与混凝土黏结强度为1.62 MPa，满足《高速铁路无砟轨道线路维修规划》TG/GW 115—2012)要求。

5 结论

1)微膨胀注浆材料具有良好的流动性，较高的抗压强度和抗折强度，与混凝土黏结强度高，现场使用情况良好。

2)隧道衬砌脱空病害整治工艺改变传统注浆方式，使用注浆杆代替预埋钢管或PVC管，施工效率高，节约施工成本，减少隧道运营阶段安全隐患。

3)从现场应用情况来看，使用微膨胀注浆材料和新工艺进行病害整治，经检测注浆材料与混凝土黏结强度为1.62 MPa，衬砌厚度为45 cm，满足相关技术标准和设计要求。

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