单线铁路隧道衬砌拱顶纵向带模注浆技术研究

贺兆鹏

摘要：文章针对传统衬砌拱顶带模注浆工艺存在的不足，结合叙毕铁路隧道施工实例，开展了单线铁路隧道衬砌拱顶带模纵向注浆技术研究，介绍了该技术机理与施工工艺要点，并评述了该技术应用的合理性，为后续铁路隧道带模注浆作业提供了可靠的理论依据。

关键词：隧道;衬砌;拱顶;预设;带模;纵向;注浆;施工

中图分类号：U459.1 文献标识码：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.08.037

文章编号：1673-4874（2019）08-0133-05

0引言

叙毕铁路2标位于川滇两省交界山区，正线线路全长36。393km。有隧道8座共29697m，占线路全长的81.6%，均为单线小断面隧道，且斑竹岭、欧家湾等隧道为高瓦斯隧道，穿越瓦斯、煤层以及煤矿采矿区域。瓦斯气体易燃易爆，且存在瓦斯突出、爆炸等不确定性与模糊性，存在极大施工安全风险，对现场动火管理要求严格。为确保安全，最大程度地避免产生火花、明火等安全风险等行为。

传统衬砌拱顶带模注浆工艺存在着自身质量风险：径向注浆存在注浆管顶破防水板的情况，且使用的水浸法需完成通电工作，易产生火花，存在安全风险;纵向注浆常因为没有较好的连接方式而发生浆液局部回旋的假注浆现象，同时注浆时间不明确，水泥浆浆体与衬砌混凝土整体粘结性差，极易发生二次脱空、空洞等情况，存在一定的质量安全风险。

为此，为规避安全质量风险，课题组开展了“衬砌拱顶带模注浆一纵向注浆工艺”研究，本课题从2016年6月份至今，历时2年，经历了两个铁路隧道项目的全生命周期运行，形成了一套独立、成熟、完备的衬砌带模注浆施工工法，从根本上规避了火花等安全风险的发生，杜绝了衬砌拱顶部位工艺性脱空问题，避免径向注浆的注浆管埋设长度问题而导致的防水板破损引发的质量事故风险，解决了纵向注浆无法有效连接问题以及注浆浆液、注浆时间与混凝土土体的整体性粘结性问题和浆液收缩的二次脱空问题，保证衬砌浇筑质量，加快了施工进度，减少后期工务段修复质量缺陷的成本等不必要的资源浪费，提高了注浆材料与衬砌混凝土的整体性，确保结构更加安全。

1工程概况

第一推广应用项目为新建叙永至毕节铁路（川滇段）站前工程施工XZZQSG一2标段（云南威信），位于川滇两省交界的边远山区，施工起讫里程：DK194+516.98～DK230+910，正线线路全长36.393km。隧道一共8座29697m，占线路全长的81.6%，为项目主体工程，且均为单线小断面隧道，施工难度大，衬砌拱顶脱空的频率也会随着隧道施工的推进而增加病害关系，导致项目不必要的资源浪费。且斑竹岭、欧家湾等隧道为高瓦斯隧道，穿越瓦斯、煤层以及煤矿采矿区域。瓦斯气体易燃易爆，且存在瓦斯突出、爆炸风险。第二推广项目为成兰铁路（四川茂县）茂县隧道，起讫里程DKl25+250～D8K131+360，线路全长6 110m，衬砌段全长11078m。主要工程量为茂县隧道单线段。

2当前工程特点及工艺存在的问题

（1）斑竹岭、欧家湾等隧道为高瓦斯隧道，穿越瓦斯、煤层以及煤矿采矿区域。瓦斯气体易燃易爆，伴随瓦斯突出和爆炸风险，传统带模注浆作业中的径向注浆，采用的水浸法完成通电工作，易产生火花，存在安全风险。

（2）径向注浆管埋设注浆，存在着混凝土浇筑中因防水板铺设过紧或防水板坍塌而导致的防水板抵压破损，存在质量安全隐患。

（3）纵向注浆施工技术的主、副注浆管埋设距离较近，在注浆过程中干扰明显，无法形成浆液回路，进行注浆;注浆管溢浆口采用全长打孔，在密闭空间中，浆液受到空气压强的影响形成了类似“止浆墙”的效果，无法进行进浆;溢浆口采用梅花形布设，在浇筑过程中，胶凝材料容易淹没溢浆口堵塞注浆管，无法进行输浆。

（4）纵向注浆管无有效连接接头进行连接，现场各施工辅助设备存在不兼容现象。

（5）标准浆液稠度大，现场无法有效制取。注浆时机不明确，过早注浆，空间还在进行发育;过晚注浆，混凝土土体与水泥浆浆体整体粘结性差。

3衬砌拱顶带模注浆改进工艺及机理

基于项目实际情况（高瓦斯隧道），故将衬砌拱顶带模注浆纵向施工工艺作为课题的研究方向。

工艺改进理论：后退式帷幕注浆，并根据分段分节注浆的特征，从衬砌拱顶底部进行漫流式填充注浆。结合现场时间情况采用多因素叠加原理进行单线隧道小断面衬砌拱顶带模注浆一纵向注浆工艺，进行二次开发，其特点是：

（1）做到本质安全。从整体工艺出发，降低安全风险，做到不动火作业，在瓦斯爆炸范畴的三因素中，隔离了明火、火源的产生。即使在发生故障或操作作业的条件下，仍保證不产生火源。

（2）优化传统工序。在进行现场雷达扫描的数据反馈中，明确理论上频率最高的脱空区域和规避二次质量事故的发生。在保证注浆效果的前提下，最大程度地降低施工质量风险。大胆革新，取消了径向注浆，缩短作业空间长度。

（3）优化纵向预埋注浆管的埋设。采用分级漫流的原理，对管道制作、打孔方式、预埋方式等多位置进行调整，自制注浆接头，保证注浆管与注浆机的有效连接;保证现场有效注浆，杜绝了主副注浆管相互干扰的现象发生，杜绝了左进右出形成密闭空间的情况;保证浆液输送有力，为水泥浆浆液可以平稳的送至衬砌拱顶底部位置提供了保证;避免浆液出现假注浆、浆液注不进去的现象;保证衬砌施工质量，降低了运维期间的安全风险。

（4）明确了注浆时间和调整水胶比。通过对衬砌拱顶部位混凝土的现场实勘和MATLAB软件拟合对比，完成了衬砌带模注浆浆液配合比的优化和注浆时间的确定，保证注浆填充效果以及浆液与混凝土土体的粘结度。

（5）采用隧道注浆注水体系和模块化操作思路，进行预先制作的思维模式，小单元模块式控制，现场按照袋装水泥的50kg单位水泥为浆液制取单位，自制制取桶，标准加水桶，一桶浆液，两袋水泥，合理制取浆液。最大化地利用时间间隙，平行作业，缩小现场作业时间;配置行走机械，减少人员干扰;注浆注水，避免堵塞;在注浆完成后，组织作业人员进行矮边墙排水盲管的注水疏通试验。

4衬砌拱顶带模注浆施工工序流程图（见图1）

5衬砌拱顶带模注浆一纵向施工工艺分解

5.1预埋纵向注浆管的制作

区别于传统衬砌拱顶带模工艺的全管全长打孔、梅花形布设、溢浆孔孔径2～3mm、全环打孔的要求，将纵向注浆管打设方式进行了优化，如图2所示。采取分段打孔埋设，孔口一致、扩大孔径，间隔埋设的办法，保证预埋注浆管管内有压传递和二次推动浆液。

预埋纵向注浆管：选用Ф20mm或Ф25mm的PVC或PPR管，分为主、副注浆管。主注浆管，全长为衬砌长度加外露20cm;副注浆管埋设长度为衬砌全长的2/3长度加预留20cm（不含衬砌台车搭接部分）。

溢浆孔：打孔段为衬砌台车全长的2/3区间段打孔，即注浆管前端1/3后段落。以12m衬砌为例，主纵向注浆管打孔长度为=1200×2/3=800cm;副注浆管打孔长度为=1200×1/3=400cm。在衬砌端部预留300cm为不打孔段，这是由于在衬砌端部需预留300～500cm为不打孔段。溢浆孔孔径在5～8mm，并以一字溢浆孔形式进行布设，孔距50～80cm。

5.2预埋纵向注浆管与注浆机的连接

自制的快速连接接头，采用1mm的孔径差和浆液对其进行填充产生的封闭作用进行自锁固定，利用嵌合段的吸附紧固原理完成紧固目标;利用DN20丝口接头注浆机连接，同时采用135°夹角，用于作业空间的扩充，保证作业空间满足现场施工要求。如图3所示。

完成隧道注水注浆体系的修正，将全隧道进行模块化操作。在完成单线衬砌拱顶带模注浆的工作后，完成整体注浆注水体系的修正，保证现场注浆注水的模块化操作与便捷性操作，方便现场施工。（一种全隧模块化通用型快速注浆注水体系;专利号：201821939869.2）

5.3衬砌拱顶带模注浆，注浆空间的测定

根据设计图提供的铁路隧道单线段设计轮廓图，理论推算出拱顶部位最顶部1cm、2cm、3cm、4cm所形成的轮廓空间，并按照空间大小反推理论注浆量和不同水胶比下的水泥用量（如图4所示）。

衬砌拱顶部位的空间，属于相对密闭空间，它的形成受到台车浇筑前后的弹性变形、混凝土收缩以及衬砌浇筑完成后泵送管道积存应力的瞬间释放和现场封堵不及时而产生的混凝土掉落形成的脱空空间、拱顶部位混凝土无法振捣自密实效果差存在不均匀缝隙以及防水板浇筑中出现的折皱因素的影响。

将单线段马蹄形断面二衬注浆水泥有效用量规定在350kg范围内，不得超过400kg，见下页表1。

当水泥有效用量超过400kg时，应立即停止注浆，分析原因，探究混凝土浇筑过程和施工质量，制定补救措施，及时追责。

5.4带模注浆的时机的确定

传统注浆时间要求在衬砌脱模前进行注浆，即按照规范要求，衬砌脱模的要求是“拆模前的混凝土强度应达到8MPa"的条件。但通过对衬砌混凝土同条件试块的时间比对，混凝土强度达到8MPa的时间（实际超过24h）已经超过了终凝时间，应在这一时间节点进行注浆。

5.5对现场混凝土初凝时间的确定

衬砌带模注浆的目的是为了填充混凝土浇筑产生的空隙。从理论试验中获得：在混凝土初凝时间的第1/2时间点开始进行注浆，于初凝前完成注浆，可以保证混凝土与水泥浆液的整体性，并可以避免二次脱空。但在衬砌拱顶部位的混凝土与衬砌两侧混凝土存在着一定区别，水胶比高，具有较强的保水性和流动性。同时为了保证冲顶成功和浇筑混凝土的饱满度，故坍落度较大，初凝时间长。

在现场进行实际衬砌拱部混凝土和拱顶混凝土的初凝状态的试验中，可以得出：衬砌拱顶部位混凝土初凝时间与常规衬砌混凝土初凝时间相差约1h，实际初凝时间为7h。

同时在对拱顶部位进行勘查得出：拱顶部位混凝土受到现场混凝土振动不足的影响，相对结构较松散，自密实程度差和拱顶衬砌厚度相对全环衬砌相对较薄，相对截面区域面积小，体表面积大，初支围岩面等物体的比热容较大，吸收热量高，混凝土土体温度上升慢。减缓水泥水化反应速率，持续的低温水化环境可以明显地减少，混凝土初凝时间整体延长。

根据混凝土前期水化反应，与MATLAB软件拟合计算，得出持续低温环境以及水胶比对水泥水化各个龄期的水化放热均有较大影响。其结果为：温度降低会减缓水泥水化反应速率。持续的低温水化环境可以明显地减少水泥水化在各个龄期的水化放热，降低各个龄期的水化程度，得出了不同持续低温环境对水泥水化放热的影响变化规律：水泥水化放热受单一变量即持续低温环境的影响变化规律之后，同时又进一步探究了受水胶比以及持续低温双重因素影响的水泥水化放热规律。持续低温环境下，水泥水化水胶比越低，水化速率会随之降低，水化反应相應延缓，其水泥水化放热以及水化程度也相应越低，便于实现考虑不同持续低温以及不同水胶比双重因素影响的水泥水化放热计算。

将衬砌拱顶带模注浆的时间修正，以现场达到初凝状态为考量，以水泥浆浆体与混凝土土体粘结效果为最终目标，浇筑完成混凝土的第7h开始，即理论混凝土初凝时间点进行注浆，1h内完成注浆作业（实际一般在30min内完成），最长不应超过1h。

5.6带模注浆的材料

带模注浆的浆液主要以填充功能为主，故因过高的水胶比易导致浆液凝固时收缩较大。在水泥浆中的水胶比为0.38时，凝固后的收缩率仅为3.8%;而水胶比为1.0时收缩率已超过20%。同时现场注浆用的输浆管为Ф20m注浆管，最大全长为21m，最大高差为10m。现场压力折损明显，现场注浆压力要求高。

基于注浆目的的要求，为保证注浆材料具有良好的结实率，以起到填充效果，避免二次填充注浆。故创造性地引入减水剂，优化其流动性和稠度。掺入常规减水剂，在水胶比不变的前提下，减水剂使得水泥颗粒分散程度增加，加速了水泥颗粒的水化，使部分自由水变为结合水。对水泥颗粒的分散能力增大，改善其工作性能，改善浆液的流动性。经过试验对比，选定配合比为：水泥：水：膨胀剂：减水剂=1：0.4：0.1：0.01，其允许偏差的范围为水泥：水：减水剂：膨胀剂=1：0.38～0.40：0.10～0.12：0.01～0.012。

其中膨胀剂的自由膨胀率为0.3%～2%，因过高的膨胀率会影响强度指标，规定上限为2%。微膨胀剂以水泥重量的12%为佳，最大不宜超过15%，以制取的微膨胀水泥浆不产生收缩为标准。

5.7注浆施工方法和注浆标准

通过快速接头，连接后进行主注浆管的压浆，待浆液从副注浆管管口溢出后，封堵注浆管;再进行副注浆管的压浆，待二衬端头出浆后封堵注浆管，停止注浆。

现场注浆过程中，采用浆液提前制取，两个搅拌桶交替作业的方法，每个搅拌桶以50kg水泥为制浆单位，进行定向标定。一桶50kg水泥制取的浆液，制作量小且方便制取，同时避免了浆液制取不标准的现象。一桶浆液在使用过程中，另一桶浆液开始制取，不间断操作，小型化操作，避免了空间占用和浆液过剩而导致材料浪费。

平均带模注浆循环工序时间有效控制在30min之内，比传统注浆工序的1.5h以及至少1h的注浆机搬运时间节省很多。

注意事项：

在现场注浆过程中，衬砌环向施工缝位置、纵向泄水管道口以及上版襯砌存在硐室的，出现渗水、渗水泥浆液现象，均应立即停止注浆，通知管理人员，分析原因，调整浆液稠度，增大水泥量或制定其他方案，并及时追责。

浆液制取，应做到随取随用，一般超过2h未灌注则必须作废。

6应用实例

本课题研究工法，从2016年7月至今，在叙毕铁路斑竹林隧道、下坪隧道、欧家湾隧道、长岭隧道、下寨隧道和成兰项目茂县隧道进行推广，并获得业主与监理单位的认可。

2018年11月，经西南科技信息中心查新：涉及本项目所述特点的单线铁路隧道衬砌拱顶预设、带模纵向注浆施工技术，在所检文献以及时限范围内，国内未见相同文献报道。关键技术2018年12月经山西省住房与城乡建设厅鉴定，水平达“国内先进”。

本课题工法，于2018-12-06获中铁十七局集团有限公司企业级工法认定。

7结语

（1）本技术研发对象为衬砌拱顶带模注浆纵向注浆施工技术工艺，从2016年7月适用至今，历经了叙毕铁路和成兰铁路两个铁路项目的隧道工程全生命周期运行，对施工工艺的不间断修正，具有良好的适用价值。

（2）本技术对施工现场的施工技术要求较高，施工工艺繁琐。如果对本技术进行引用，则需要现场管理的严格管控，执行落实问题，是本技术的核心。如果没有强有力的执行，则本技术永远处于理论阶段。

（3）现场注浆的确定，本论文从实践反推理论，不断修正的结果，如果需要引用，还需要对论文中的数据进行核对，避免出现引用错误。