铁路隧道二衬纵向连续灌注施工技术研究

鲜云华 XIAN Yun-hua

（中铁十二局集团第三工程有限公司，太原 030024）

0 引言

随着我国隧道建设网的不断拓宽和完善，隧道建筑数量逐年增加。传统的隧道建设技术需要在现有基础上不断创新和优化，以迎接智能化、高效化、高质量化的技术浪潮。目前，隧道纵向灌浆施工通常是在隧道顶部预留垂直灌浆孔进行砼注入[1-4]，借助重力作用使混凝土自流填满。但由于泵送混凝土存在流动性差的特性，使得混凝土在灌注至顶后，灌注效果并不理想。同时，相关技术人员通常会因为二衬台车端模封闭而不能够正确判定台车内部混凝土的实际灌注进展情况以及停止灌注的时机，易出现不密实、厚度不足、背后脱空等质量缺陷[5-7]。

本文依托格莱村隧道工程，首先，分析了隧道纵向连续灌注施工工艺原理；其次，梳理了施工关键技术；然后，结合现场施工效果进行技术评价；最后，采用数值模拟法进行技术验证，以期为类似工程施工提供一定的参考。

1 工程概况

格莱村隧道位于寻缅县功山镇，进口里程DK597+035，出口里程DK600+676，全长3641m，最大埋深为178m，最小埋深8.5m，进口接格莱村大桥，出口接蒲草塘跨待功高速公路特大桥，为设计速度350km/h 铁路双线隧道，是新建的渝昆高速铁路的控制性工程之一。

2 施工工艺原理

纵向灌注是将原有的垂直灌注改为纵向连续灌注，改变了原有灌注方向，混凝土的灌入点不再局限于二衬台车割孔固定的几点，以拱顶位置水平连续后退漫淹式来代替垂直冲顶式灌注，能够在重力作用下自流填充均匀，可有效解决垂直灌注中注浆孔之间由于施工工艺缺陷而造成的衬砌脱空等质量问题。

3 施工关键技术

3.1 施工工艺流程图

二衬纵向连续灌注施工工艺流程图见图1。

图1 施工工艺流程图

3.2 施工关键技术

3.2.1 安装防脱空传感器

采用长16.5m 纵向灌注台车进行防水层及二衬钢筋施作，施工防水层过程中安装好压力传感条及压力传感器。自粘埋设式防脱空传感器见图2。

图2 自粘埋设式防脱空传感器

3.2.2 台车就位

完成测量放样后，进行全液压衬砌台车行走、定位及加固，经升级报验合格后浇筑二衬混凝土。

3.2.3 边模浇筑

在灌注枪浇筑边模时，将灌注枪升至顶模下方，纵向移动灌注小车带动灌注枪对二衬台车多功能布料斗从里到外逐个供料。将混凝土引入边模对称分料系统，实现边模混凝土的对称连续快速浇筑。枪头位置根据隧道坡度先插入到最低点的布料斗，依次往后退枪到其它布料斗，采用插入式振捣棒逐窗进行振捣，达到相应高度后配合高频低幅平板振捣器进行振捣[8-9]。重复以上工艺，直至完成3层窗位置以下混凝土施工。

3.2.4 拱顶浇筑

①当边模浇筑完成到第3 层窗口位置后，将灌注枪从台车内部整个退出，再举升灌注枪高过顶模，灌注枪走行小车带动拖拉泵管伸长，从端模处插入顶部钢筋笼里，进行拱顶纵向浇筑。浇筑混凝土过程中混凝土会逐渐掩埋枪头，形成一定压力后灌注枪走行小车带动拖拉泵管退枪，直至混凝土浇注完成方可结束泵送。

为便于灌注枪从顶拱钢筋正中插入钢筋网中，竖向勾筋需向两边偏移，预留出插枪孔洞，孔洞大小为：≥275×275mm。

②灌注过程中适时逐个开启二衬台车附着式振捣器及拱顶插入式振捣棒，对二衬混凝土进行分层、分区域振捣密实，待混凝土流动平稳后继续灌注至填满顶部。

③通过视频监控系统观察和顶部埋设的防脱空传感器，掌握混凝土浇筑至隧道拱顶高位时位置，纵向灌注枪按0.6m 步距适时后退，直至顶部二衬混凝土全部灌注饱满。

④浇筑过程实现信息化控制，使压力监测点持续保持一定压力且防脱空传感器变色及压力警报器出现蜂鸣声前提下进行封闭端部模板，退枪。并利用特殊堵头盒设计，实现带压插板封堵，确保拱顶浇筑的密实度。二衬台车堵头盒见图3。

图3 二衬台车堵头盒

3.2.5 管路清洗

混凝土浇筑灌注枪下沉到底，留出操作空间，完成浇筑枪和拖拉管路的清洗。

4 现场实施技术评价

依托格莱村隧道工程，二衬纵向连续灌注现场实施效果良好，满足设计要求，同时也反映出该技术的优点和不足之处。

4.1 技术优势

采用旋转式灌注孔堵头封堵装置，实现了退枪过程的带压封堵，确保顶拱浇注的密实性[10]。

4.2 技术缺陷

①纵向灌注枪头易与拱顶槽道冲突，在混凝土浇筑过程中灌注枪头易碰撞槽道，同时灌注枪行走路径也受到限制，枪头不能够到达远端端头。枪头位置示意图见图4。

图4 枪头位置示意图

②拱顶纵向灌注时对混凝土性能要求较高，混凝土入泵塌落度在210～220mm 之间，坍落度稍小易造成拱顶混凝土堆积，同时混凝土两侧易产生不均匀流动。

③新型智能化衬砌台车系统为机电液一体化设备，专业性较强，相关操作人员需进行专业培训。

5 力学验证

结合格莱村隧道典型断面的拱顶二衬纵向连续灌浆施工实例，采用地层结构法进行力学验证。

5.1 三维计算模型

为了消除边界条件的影响，模型边界取3～5 倍洞径，整个数值模型纵向长度为10m，横向长度为150m，竖向长度总长为132m，隧道底部距离下边界60m，隧道拱顶距离上边界60m，隧道埋深100m，在数值模型顶部外加1MPa的竖向压力。模型底部进行完全固定，模型前后左右边界施加法向约束，上边界为自由边界。

5.2 参数设置

数值模型中的初期支护、二次衬砌和围岩采用八结点线性六面体单元（C3D8R）单元模拟，采用桁架（truss）单元模拟锚杆。分别采用Mohr-Coulomb 屈服准则、线弹性屈服准则对围岩力学行为、支护结构力学行为进行描述。数值模型中的力学参数取值见表1。

表1 力学参数取值

模型共有225666 个结点，211600 个单元，网格划分见图5。

图5 网格划分

5.3 计算结果

数值模拟结果中二衬轴力计算结果见图6，二衬弯矩计算结果见图7。

图6 轴力图

图7 弯矩图

5.4 安全性分析

提取二衬的弯矩、轴力，依据铁路隧道设计规范第8.5节，计算隧道二衬安全系数。采用破损阶段法[11]对二衬单元进行逐一安全系数计算。

将二衬不同截面处的安全系数进行汇总，二衬各截面安全系数见图8 所示。

图8 二衬各截面安全系数

由图8 可知，采用二衬纵向连续灌浆施工，二衬各截面安全系数均大于规范规定的3.6，满足安全设计要求。

6 结束语

①纵向移动灌注小车带动灌注枪对二衬台车多功能布料斗从里到外逐个供料，并将混凝土引入边模对称分料系统，实现了边模混凝土对称连续快速浇筑。②纵向灌注过程中，通过设置防脱空传感器与压力警报器，结合现场视频监控，实现了纵向灌注信息化控制。③针对二衬灌注不密实难题，采用了旋转式灌注孔堵头封堵装置，实现了退枪过程的带压封堵，确保了顶拱浇注的密实性。④采用顶位水平连续后退漫淹式替换冲顶式灌注的纵向连续灌注技术，使混凝土在重力作用下自流填充均匀密实，解决了传统工艺存在的厚度不足和脱空等技术难题。