下穿铁路顶进箱涵裂缝化学注浆工程实践与思考

朱传俊 中国铁路上海局集团有限公司上海大修段

1 前言

顶进箱涵工艺是下穿既有铁路隧道施工的主要工法，对于此类下穿铁路隧道工程，在混凝土的浇捣预制过程中，以及在箱涵顶进就位过程中，会不可避免产生或多或少的裂缝，很多裂缝是贯穿的，下雨天或有地下水位影响时，就会产生渗漏。如果长期渗漏，导致裂缝处钢筋活化锈蚀明显加快，可能破坏预制铁路箱涵结构的整体性和耐久性，因此引起铁路单位重视和积极治理。

2 裂缝成因

混凝土开裂原因，主要有混凝土施工阶段混凝土塑性收缩、沉降，水泥水化反应自收缩，养护干燥收缩，以及水化热温度开裂等原因；另外在使用阶段过载、钢筋锈胀，以及碱骨料反应膨胀开裂等原因。

铁路顶进箱涵侧墙钢筋混凝土较厚较高较长，水泥水化前期放热量较大，放热速率较快，混凝土内部温升峰值较高，形成内外温差梯度较大，产生较大的收缩量，特别是较长的箱体开裂风险较高，形成较多的垂直环形裂缝。

铁路顶进箱涵到位后列车的振动等早期荷载会加速上面收缩或膨胀裂缝的贯通。

3 铁路箱涵裂缝修补方法选择

裂缝修补工艺很多，但是大体可分为三类：①表面涂膜防水法②缝隙切割崁缝密封法③裂缝化学注浆法。下穿铁路箱涵多为清水混凝土墙面，采用背水面涂膜防水法和缝隙切割崁缝密封法，都会对箱体结构表面形成破坏，影响美观性。

裂缝化学注浆工艺一般可分为“斜钻孔穿截高压注浆法”和“针眼骑缝贴嘴低压注浆法”两种。

铁路箱涵裂缝修补坚持对结构最小损伤，采用“针眼骑缝贴嘴低压注浆法”工艺，灌注粘结性好的耐久性强密封浆液。少量局部的地方补充采用其它的缝隙修补方法。

4 针眼骑缝贴嘴低压注浆法基本原理

首先设计相应的注浆贴嘴，以针尖帮助贴嘴定位，保证贴嘴通道与缝隙对正，通过环氧胶泥等粘接材料，在裂缝线路上间隔200 mm-350 mm粘贴注浆贴嘴，胶泥通过锚固孔的上下锚固原理，使其牢固的粘接在裂缝混凝土表面，同时能够承受注浆器的注浆压力。再采用胶泥或者双快水泥等批刮密封贴嘴之间的袒露裂缝，密封宽度为50 mm-80 mm，从而使得裂缝外部完全封闭。

贴嘴法则是通过注浆器自动完成注入，一般为低压。在注入过程中始终保持约0.3 MPa的压力，能实现将修补材料注入到宽仅0.02 mm的裂缝末端。同时，缓慢均匀的压力可以将裂缝中积存的空气压入混凝土的毛细孔中，并通过混凝土的自然“呼吸”作用排出，有效地避免产生气阻，从而确保填充质量。

该方法让浆液在压力的作用下长时间不断向前浸润，让裂缝的主干道或微细末梢等能较为饱满的填充。高压较难对微细末梢进行填充。因此我们一般优先选用“贴嘴法”进行注浆，优先选用粘度较小的亲水环氧等浆液，以求浆液渗透深入大小裂缝，获得最充分的固结范围效果。

5 “贴嘴低压注浆法”灌注研究及性能影响因素

5.1 浆液在裂缝中的走向

为了更好地实现密封性能，我们首先需要弄清楚浆液的走向性。在箱涵裂缝中，如果缝隙均匀顺畅连续，那么浆液往前后左右上下的灌注深度应该保持一致，

但是在顶进箱涵的裂缝，缝隙宽度不一，即使是一条裂缝，也存在宽度的区别，有时候甚至差异很大，为了达到理想的效果和状态，我们在选择合适工法的基础上，更要着重选择材料，只有工艺材料的双重结合，才能更好的对裂缝进行治理。

5.2 浆液灌注性能的影响因素

每种浆液都有其适用范围，科学合理的使用浆液往往达到事半功倍的效果，而最直观的原因就是不同的浆液，灌注性能不一样，针对的裂缝情形不一样，浆液是否灌得进，灌入的连贯性如何，灌注的是否饱满，和混凝土的粘接是否牢固，都是我们需要着重实验研究的。

（1）浆液粘度

浆液粘度是最表观的体现，通过肉眼和搅拌就能很清晰的反映，一般在相同环境，相同灌注压力下，粘度越低的浆液越容易灌入，灌入速度也相对较快。

在等宽的标准裂缝灌浆，高粘度的浆液，进浆效率低，微小的粘度区别对于效率影响不大，但是在达到某个粘度临界点后，进浆效率开始大幅提高，而这临界点，就是我们用来选择浆液的标准之一。

（2）浆液的表面张力

液体的表面张力决定了附着在固体上的行进速度，在同样的外力作用下，表面张力越大，行进速度越快。例如水和油，水在荷叶上能形成水珠，快速的滚动，而油不行，这就是因为水的表面张力大于油。同样的，浆液的表面张力也是影响浆液灌注速度的因素之一。

张力对于进浆影响较平缓，一般情况下，我们认为表面张力越大的浆液，进浆性能越好。但是这也不是绝对的，因为还有粘度，附着性能等各因素的影响，所以各个指标是一个综合选择的过程。

6 铁路箱涵“贴嘴法”工程实践和创新

6.1 铁路箱涵的浆液工程实践

过去近10年铁路箱涵裂缝贴嘴法注浆工程实践中，铁路箱涵的开裂情况，每个地区，每个工程都不一样。需要对每个工程裂缝情况进行勘测和分析以后，进行现场多次试验，记录进浆量，计算灌浆深度，取芯确认灌浆深度和固结情况，达成设计目标再开展工程。

6.2 潮湿基面的贴嘴创新

对于一条贯穿裂缝，不管现在渗漏的部分，还是现在暂时不渗漏部分，都需要进行全线的灌注。暂时不渗漏的部分，环氧贴嘴非常容易，在加固领域也会采用这样的方法对裂缝灌注环氧浆液，实现对裂缝的补强。

但是潮湿和渗漏状态，贴嘴就会松脱，导致贴嘴注浆的失败。通过反复试验，我们采用潮湿粘结的亲水环氧胶泥，在引流、分步及加快胶泥凝固速度等措施下，可以实现有效的渗漏缝隙贴嘴，使其能承受注浆器的注浆压力，其它部位通过双快水泥也可实现补充封闭。

这样针对铁路箱涵部分渗漏的裂缝，终于可以全线完整的贴嘴封闭从而达到注浆目的。

6.3 现场调解浆液的可灌性

无溶剂亲水环氧浆液，一般对于裂缝宽度大于0.3 mm的裂缝都能实现进浆。在细微渗潮的缝隙，亲水环氧浆液能将水挤出置换，或者推向底土方向。因此大部分贴嘴法灌注不同粘度的亲水环氧浆液，对缝隙实施密封的同时，还可以受力传递补强。因此灌注后取芯试件，压力破坏时，再次破坏面不在原裂缝界面上。

对于越细的缝隙，需要选择粘度极低的亲水环氧浆液，并且能缓凝浆液的凝固时间，能有40 min-80 min的灌浆时间。对于较宽的缝隙，需要选择粘度较大的亲水环氧浆液，凝固速度较快。

但往往是较小的缝隙，浆液可灌性受阻，特别是在冬季，气温较低时，浆液的粘度更大，可灌性更差。现场可能通过加热提高浆液的温度到20℃，甚至25℃，来提高浆液的可灌性，也可同时提高一点灌浆压力。

温度高低会直接影响浆液反应时间的快慢，特别是在低温环境下，浆液活性较差，粘度较高，正常温度下可以灌入的浆液会出现灌不进的情况，所以根据浆液的特性，温度较低时，可以提前预热，温度较高时，要实验反应时间是否来得及施工，及时调整工序。

6.4 多样化的浆液选取

表1 丙烯酸盐浆液性能参数

表2 裂缝宽度对应的浆液及工法选择对应表

由于混凝土原材料的问题，我们也发现缝宽小于0.3 mm的微小缝隙，就像一根细线，但是长期无法自愈，为此一直在寻找粘度较低的亲水环氧浆液，希望能通过低粘度和较大的表面张力，达成灌入到细小缝隙的目的。最终找到一款粘度只有60 cps且具备施工性的环氧浆液。

经过现场的实验和实践，这款环氧浆液的粘度优势的确可以灌入到较小的裂缝中，但是依然会出现极小裂缝灌不进的情况，在此前提下，我们又试验了国外用于结构缝隙修补的粘弹性丙烯酸盐，具有比亲水环氧浆液更低的粘度，而且水为溶剂，具有更大的表面张力和可灌性。通过缓凝剂将浆液凝固时间调整至40 min-60 min，采用贴嘴法对这些亲水环氧浆液无法灌入的细小缝隙实现成功灌注，并观察至今已有3年，未出现渗漏情况。这是一次大胆的尝试，不仅是浆液的更新，更是工法和浆液搭配的成功案例。具体见表1、表2所示。

6.5 裂缝环境浆液的选择

根据多年的铁路下穿箱涵裂缝堵漏实践发现，除了材料本身固结体的自身耐久性能外，所处环境也是影响材料耐久性的关键因素，所以根据箱涵裂缝容易出现的代表性现象，粗略总结以下各环境下的浆液选择，具体见表3所示。

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7 总论

裂缝的化学灌浆是一个值得长期跟进研究的课题，不同工程的裂缝修补，都有其独特的环境和特性，每个项目都是一个独立的课题现场，的确颇有挑战，只有理清了裂缝的基本特征，了解各种浆液的性能特点，在不违背浆液本身的基本原则和标准的前提下，结合现场的实验和后期的总结，积极学习研究国内国外的新型浆液、工法和设备，科学应用，循序渐进，步步为营，才能逐渐找到更好的处理方案和思路，然后在后续的工程项目中加以改进，通过不断的学习和实践，将国内裂缝修补技术提升到更高的层面。