高速铁路隧道二次衬砌机械化施工质量控制技术

陈明金

(中铁三局集团第五工程有限公司，山西 晋中 030600)

1 工程概况

新建川南城际铁路自贡至宜宾线站前工程ZYZQ-3 标共有3 座双线隧道，隧道全长5 107m，隧道洞身采用复合式衬砌，混凝土等级为C35 或C40；其中Vc 补强型复合衬砌263m，Vb 型复合衬砌1 370m，Ⅳb型复合衬砌1 457m，IVaw 型复合衬砌1 436m，Ⅲaw 型复合衬砌360m；IVaw 和Ⅲaw 复合衬砌为素混凝土加钢筋网片，Ⅴc、Ⅴb和Ⅳb 型复合衬砌为钢筋混凝土。

传统的隧道二衬台车采用一窗或三窗浇筑混凝土很容易造成二衬混凝土厚度不足、混凝土不密实、背后脱空、止水带切割混凝土、施工缝漏浆不密实和混凝土外观质量差等问题。过去二衬防排水施工、钢筋绑扎、中埋式止水带安装、保护层厚度控制、混凝土浇筑、拱顶注浆防脱空工艺相对落后造成了混凝土二衬质量存在一定的问题。

2 二衬施工质量的控制技术

2.1 采用机械化工装控制二衬施工质量

通过配置新型液压自行式自动浇筑衬砌台车提高混凝土施工质量。如图1 所示，新型台车由分层布料窗和振捣窗、拱顶浇筑口和RPC 径向注浆孔、分层布料浇筑系统、自动振捣系统、纵向环向施工缝软搭接装置和端头封堵模板组成。

图1 新型液压自行式自动浇筑衬砌台车结构示意图

2.1.1 二衬台车浇筑振捣窗口和注浆孔的设置

1）二衬台车拱顶两侧工作窗总数量52 个（图2），规格为500×450mm。工作窗分入料窗和振捣窗，窗口对称布置，入料窗单侧12 个，振捣窗14 个。拱顶设置浇筑口4 个，浇筑管内径为∅125mm；RPC 注浆孔4 个，注浆孔径为∅40mm。

图2 新型液压自行式自动浇筑衬砌台车窗口布置展示图

2）浇筑窗和振捣窗台车左右侧分别布置3层，起到逐窗分层布料和逐窗振捣，保证单层混凝土的浇筑面齐平。

3）拱顶设置浇筑口保证了三窗以上混凝土的浇筑。

4）拱顶RPC 注浆孔的设置目的是为了防止混凝土浇筑完成后，混凝土自重下沉拱顶出现脱空现象，通过注浆来填充脱空部分空间，确保了衬砌混凝土的密实。

2.1.2 分层布料机浇筑系统

1）混凝土分层布料浇筑系统由混凝土输送管路、布料车、布料杆、液压系统、电气系统组成。

2）布料小车可纵向行走换位、左右摆动分流和上下升降对位完成泵送管路自动切换对接（图3），将混凝土分流到所需位置。

图3 自动布料小车

3）混凝土分层布料机采用闭式管路输送方式（图4），结合布料分配小车上的布料杆、布料车，并通过智能控制系统实现混凝土轻便快捷分层浇筑，大幅度提高了施工效率，保证了混凝土衬砌浇筑质量。

图4 混凝土分层布料管线布设方式

2.1.3 自动振捣系统

1）混凝土自动振捣系统由32 个附着式振捣器+25个插入式振捣棒+12个气动式振捣器组成。

2）气动式振捣器主要布置在距施工缝两侧85cm 的拱部范围内，确保施工缝处混凝土密实。

3）插入式振捣棒拱部两侧各布置两排，配合附着式（电动式）振捣器加强拱部混凝土的密实度。

2.1.4 纵环向施工缝软搭接装置

1）台车加工时长度方向增加10cm，环向矮边墙两侧搭接处各加宽10cm。

2）模板纵、环向施工缝处均设置10cm 的软搭接（图5），保证衬砌搭接端头混凝土质量及衬砌台车与混凝土面密贴，防止因台车丝杠压力作用致使搭接处混凝土疏松、脱落现象及施工缝浆液流失导致混凝土不密实。软搭接材料为10cm宽25mm 厚的橡胶板，橡胶板压缩量为5mm。

图5 施工缝软搭接示意图

2.1.5 端头封堵模板

1）台车端头模板由钢端模+塑钢端模组成，中埋式止水带下面是钢端模，与台车底模可靠连接。

2）中埋式止水带上面是塑钢端模（图6），塑钢模板有调节螺栓，可顶紧背贴式橡胶止水带和中埋式橡胶止水带，确保了止水带的位置准确。通过可视窗口观察混凝土的浇筑位置，确定混凝土是否浇筑完成。

图6 端头模板示意图

2.2 通过施工工艺控制二衬施工质量

2.2.1 初支断面复测

1）初支平整度控制 初期支护喷浆采用湿喷工艺，采喷机械手按照分段、分片、分层、由下而上进行，喷射过程中通过钢筋头严格控制喷射厚度及平整度，喷射完成及时清理拱脚回弹积料。喷射混凝土表面平整度符合两突出物之间的深长比D/L≤1/20 的规定，控制在L不大于lm时初期支护基面相邻两凸面之间凹进去的深度D小于5cm。

2）初支净空检测 防排水施工前，测量人员采用天宝SX10 三维扫描仪对初期支护断面进行复测，对净空不满足部位进行处理，确保满足净空尺寸满足设计要求。

2.2.2 防排水系统施工

1）土工布铺设 首先用作业台车将单幅无纺布固定到预定位置，然后用长度3.5cm 射钉将无纺布固定在喷射混凝土上。专用热熔衬垫及射钉按梅花型布置，拱部间距50cm，边墙80cm。无纺布与初支喷混凝土表面密贴，铺设平顺、无隆起、无褶皱。无纺布搭接宽度为50mm。

2）排水盲管安装 环向排水盲管间距8m，采用∅50 波纹管，外裹无纺布，采用铆钉加压条固定，沿墙脚处直接伸入隧道纵向排水管内，连接方式采用三通方式连接。根据地下水发育情况，局部渗水严重段应加密；盲管外包土工布采用铆钉加压条沿隧道环向固定在初支上，固定间距0.5～1m。纵向盲管低于侧沟盖板顶面50cm 位置设置，纵向盲管采用铆钉加压条间距50cm 进行固定。

3）防水板铺设 利用作业台车将防水板固定到预定位置，然后用手动电热熔接器加热，使防水板焊接在固定土工布的专用热熔衬垫上。防水板搭接采用双缝爬进行焊接，搭接长度15cm、焊缝宽度1.5cm，经现场试验，电磁焊机温度250℃、焊接时间每处5s。防水板铺设要松紧适度，防水板铺设从拱部向两侧边墙进行，下部防水板应压住上部防水板，铺设好的防水板应与基面凹凸起伏一致，保持自然、平整、伏贴。要防止过紧撕裂、浇筑和振捣混凝土时防水板脱落，以保证防水质量；要避免松动鼓包导致人为储水或侵入衬砌、影响二衬尺寸等情况。

2.2.3 拱顶防脱空装置安装

防脱空装置采用分布式压密传感器，设置在土工布与防水板之间（图7）、拱部中心位置（布设时注意错开定位钢筋位置），当混凝土未产生压力时，只显示红灯（图8）；当混凝土产生压力时，绿灯亮。

图7 分布式压密传感器布置图

图8 当砼未产生压力 显示红灯

2.2.4 钢筋安装

1）二衬钢筋按 “9 步”施工顺序组织施工，确保隧道二衬钢筋保护层施工满足设计和验标要求，同时避免二衬混凝土出现空洞：①每2m 选取一根二衬外侧（靠围岩侧，以下同）环向主钢筋作为衬筋，将防水板向外侧顶紧并密贴初期支护喷射混凝土，以防防水板坍落切割二衬混凝土或者造成二衬混凝土出现空洞；②在每根衬筋的同一位置上，每2m 一道增设N 排“L 型”钢筋，将“L 型”钢筋的一端绑扎固定在衬筋上，并通过测量在“L 型”钢筋的另一端上定位标识双层环向主筋的准确位置；以确保钢筋施工位置准确，确保钢筋保护层厚度满足设计及验标要求；③在每排“L 型”钢筋定位标识外侧环向主筋的位置，安装一根外侧纵向钢筋，以确保下一步施工的每一根外侧环向主钢筋位置准确；④完成二衬外侧其它环向主钢筋的绑扎施工；⑤完成二衬外侧其它纵向主钢筋的绑扎施工；⑥在每排“L型”钢筋定位标识内侧（靠模板侧，以下同）环向主筋的位置，安装一根内侧纵向钢筋；以确保下一步施工的每根内侧环向主钢筋位置准确；⑦完成二衬内侧其它环向主钢筋的绑扎施工；⑧完成二衬内侧其它纵向主钢筋的绑扎施工；⑨完成所有衬筋的绑扎施工，确保双层钢筋形成整体和双层钢筋层间距满足设计要求。

2）为防止台车移动过程中定位过程中，混凝土垫块受台车挤压易翻转、破损、移位，浇筑混凝土过程中受冲击脱落等现象，造成保护层厚度偏差过大。在内层钢筋拱部范围内采用“轮型混凝土垫块”，设置在拱部中线、中线左右偏2m、左右起拱线位置，采用∅14 钢筋穿过轮式垫块中心孔内，垫块按照1m 间距均匀布置，再将穿有垫块的钢筋绑扎在衬砌环向主筋内侧，有效解决台车定位过程中不稳固，浇筑混凝土过程中受冲击脱落等现象；衬砌边墙每平方米布置4 个梅花形垫块。

2.2.5 台车定位

台车在进行定位时，必须先将顶模中心与隧道中心线对齐，且保证左右顶模下边（与侧模饺接处）处于同一水平高度后，再将侧模支撑到位。台车立模浇筑前，各支撑千斤必须支撑紧固，撑地千斤必须支撑到位。

2.2.6 混凝土浇筑

1）台车三窗以下浇筑：混凝土浇筑采用分层逐窗入料，分层厚度按0.5m 控制。台车浇筑左右混凝土顶面高差不得超过0.5m。浇筑腰线以下位置时浇筑速度不大于0.8m/h，浇筑腰线以上时浇筑速度不大于1m/h。拱腰以下混凝土坍落度控制在160～200mm。

2）拱顶浇筑：从已浇筑段向未浇筑段依次封顶。第一浇筑孔距搭接端头75cm，径向衬砌台车布置，从第一个浇筑窗口浇筑（过程中专人观察进料饱满度），依次浇筑封顶，封顶混凝土坍落度控制在180～220mm；封顶结束时间由值班技术人员根据注浆孔溢浆情况、端头最高点溢浆情况、分布式压密传感器显示情况综合确定。

3）带模注浆：拱顶注浆采用RPC 带模注浆工艺。衬砌浇筑前，在衬砌台车拱顶纵向预埋1组注浆管/排气管，RPC 管设置在4 个预留注浆孔内，在注浆管端头切深1.5cm 十字槽，现场尺量注浆孔距防水板深度，结合尺量数据裁剪注浆管长度，保证注浆管紧贴防水板。

4）混凝土浇筑完成时，应对RPC 注浆管进行清理，防止堵塞影响正常注浆。衬砌拱顶充填采用预留管道法，设置注浆管与排气管，采用∅30PVC 管，外露20cm，本循环二次衬砌施作完成、下循环二次衬砌施作前，并在孔口封堵材料达到一定强度后，进行衬砌拱顶充填注桨，注浆达到0.2MPa 或排气管出浆时即可终止注浆，注浆材料采用高强度微膨胀注浆料。

2.2.7 衬砌养护

衬砌混凝土养护采用轮胎式自动养护台车，养护台车带自动喷淋系统及自动行走装置，衬砌浇筑完成后强度到达10MPa 拆模进行养护，养护时间不少于14 天。

3 结语

通过新型液压自行式自动浇筑衬砌台车的应用，结合布料分配小车上的布料杆、布料车，并通过智能控制系统实现混凝土轻便快捷分层浇筑，大幅度提高了施工效率，保证了混凝土衬砌浇筑质量；同时通过强化隧道二次衬砌施工过程控制，采用分布式压密传感器对拱顶混凝土灌注情况进行报警，进一步保证了隧道二衬混凝土灌注质量，有效降低了铁路隧道运营期隧道安全风险。