賀兆鵬

摘要：文章針對傳統(tǒng)襯砌拱頂帶模注漿工藝存在的不足，結(jié)合敘畢鐵路隧道施工實例，開展了單線鐵路隧道襯砌拱頂帶模縱向注漿技術(shù)研究，介紹了該技術(shù)機理與施工工藝要點，并評述了該技術(shù)應(yīng)用的合理性，為后續(xù)鐵路隧道帶模注漿作業(yè)提供了可靠的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：隧道;襯砌;拱頂;預(yù)設(shè);帶模;縱向;注漿;施工

中圖分類號：U459.1 文獻標識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.08.037

文章編號：1673-4874（2019）08-0133-05

0引言

敘畢鐵路2標位于川滇兩省交界山區(qū)，正線線路全長36。393km。有隧道8座共29697m，占線路全長的81.6%，均為單線小斷面隧道，且斑竹嶺、歐家灣等隧道為高瓦斯隧道，穿越瓦斯、煤層以及煤礦采礦區(qū)域。瓦斯氣體易燃易爆，且存在瓦斯突出、爆炸等不確定性與模糊性，存在極大施工安全風(fēng)險，對現(xiàn)場動火管理要求嚴格。為確保安全，最大程度地避免產(chǎn)生火花、明火等安全風(fēng)險等行為。

傳統(tǒng)襯砌拱頂帶模注漿工藝存在著自身質(zhì)量風(fēng)險：徑向注漿存在注漿管頂破防水板的情況，且使用的水浸法需完成通電工作，易產(chǎn)生火花，存在安全風(fēng)險;縱向注漿常因為沒有較好的連接方式而發(fā)生漿液局部回旋的假注漿現(xiàn)象，同時注漿時間不明確，水泥漿漿體與襯砌混凝土整體粘結(jié)性差，極易發(fā)生二次脫空、空洞等情況，存在一定的質(zhì)量安全風(fēng)險。

為此，為規(guī)避安全質(zhì)量風(fēng)險，課題組開展了“襯砌拱頂帶模注漿一縱向注漿工藝”研究，本課題從2016年6月份至今，歷時2年，經(jīng)歷了兩個鐵路隧道項目的全生命周期運行，形成了一套獨立、成熟、完備的襯砌帶模注漿施工工法，從根本上規(guī)避了火花等安全風(fēng)險的發(fā)生，杜絕了襯砌拱頂部位工藝性脫空問題，避免徑向注漿的注漿管埋設(shè)長度問題而導(dǎo)致的防水板破損引發(fā)的質(zhì)量事故風(fēng)險，解決了縱向注漿無法有效連接問題以及注漿漿液、注漿時間與混凝土土體的整體性粘結(jié)性問題和漿液收縮的二次脫空問題，保證襯砌澆筑質(zhì)量，加快了施工進度，減少后期工務(wù)段修復(fù)質(zhì)量缺陷的成本等不必要的資源浪費，提高了注漿材料與襯砌混凝土的整體性，確保結(jié)構(gòu)更加安全。

1工程概況

第一推廣應(yīng)用項目為新建敘永至畢節(jié)鐵路（川滇段）站前工程施工XZZQSG一2標段（云南威信），位于川滇兩省交界的邊遠山區(qū)，施工起訖里程：DK194+516.98～DK230+910，正線線路全長36.393km。隧道一共8座29697m，占線路全長的81.6%，為項目主體工程，且均為單線小斷面隧道，施工難度大，襯砌拱頂脫空的頻率也會隨著隧道施工的推進而增加病害關(guān)系，導(dǎo)致項目不必要的資源浪費。且斑竹嶺、歐家灣等隧道為高瓦斯隧道，穿越瓦斯、煤層以及煤礦采礦區(qū)域。瓦斯氣體易燃易爆，且存在瓦斯突出、爆炸風(fēng)險。第二推廣項目為成蘭鐵路（四川茂縣）茂縣隧道，起訖里程DKl25+250～D8K131+360，線路全長6 110m，襯砌段全長11078m。主要工程量為茂縣隧道單線段。

2當前工程特點及工藝存在的問題

（1）斑竹嶺、歐家灣等隧道為高瓦斯隧道，穿越瓦斯、煤層以及煤礦采礦區(qū)域。瓦斯氣體易燃易爆，伴隨瓦斯突出和爆炸風(fēng)險，傳統(tǒng)帶模注漿作業(yè)中的徑向注漿，采用的水浸法完成通電工作，易產(chǎn)生火花，存在安全風(fēng)險。

（2）徑向注漿管埋設(shè)注漿，存在著混凝土澆筑中因防水板鋪設(shè)過緊或防水板坍塌而導(dǎo)致的防水板抵壓破損，存在質(zhì)量安全隱患。

（3）縱向注漿施工技術(shù)的主、副注漿管埋設(shè)距離較近，在注漿過程中干擾明顯，無法形成漿液回路，進行注漿;注漿管溢漿口采用全長打孔，在密閉空間中，漿液受到空氣壓強的影響形成了類似“止?jié){墻”的效果，無法進行進漿;溢漿口采用梅花形布設(shè)，在澆筑過程中，膠凝材料容易淹沒溢漿口堵塞注漿管，無法進行輸漿。

（4）縱向注漿管無有效連接接頭進行連接，現(xiàn)場各施工輔助設(shè)備存在不兼容現(xiàn)象。

（5）標準漿液稠度大，現(xiàn)場無法有效制取。注漿時機不明確，過早注漿，空間還在進行發(fā)育;過晚注漿，混凝土土體與水泥漿漿體整體粘結(jié)性差。

3襯砌拱頂帶模注漿改進工藝及機理

基于項目實際情況（高瓦斯隧道），故將襯砌拱頂帶模注漿縱向施工工藝作為課題的研究方向。

工藝改進理論：后退式帷幕注漿，并根據(jù)分段分節(jié)注漿的特征，從襯砌拱頂?shù)撞窟M行漫流式填充注漿。結(jié)合現(xiàn)場時間情況采用多因素疊加原理進行單線隧道小斷面襯砌拱頂帶模注漿一縱向注漿工藝，進行二次開發(fā)，其特點是：

（1）做到本質(zhì)安全。從整體工藝出發(fā)，降低安全風(fēng)險，做到不動火作業(yè)，在瓦斯爆炸范疇的三因素中，隔離了明火、火源的產(chǎn)生。即使在發(fā)生故障或操作作業(yè)的條件下，仍保證不產(chǎn)生火源。

（2）優(yōu)化傳統(tǒng)工序。在進行現(xiàn)場雷達掃描的數(shù)據(jù)反饋中，明確理論上頻率最高的脫空區(qū)域和規(guī)避二次質(zhì)量事故的發(fā)生。在保證注漿效果的前提下，最大程度地降低施工質(zhì)量風(fēng)險。大膽革新，取消了徑向注漿，縮短作業(yè)空間長度。

（3）優(yōu)化縱向預(yù)埋注漿管的埋設(shè)。采用分級漫流的原理，對管道制作、打孔方式、預(yù)埋方式等多位置進行調(diào)整，自制注漿接頭，保證注漿管與注漿機的有效連接;保證現(xiàn)場有效注漿，杜絕了主副注漿管相互干擾的現(xiàn)象發(fā)生，杜絕了左進右出形成密閉空間的情況;保證漿液輸送有力，為水泥漿漿液可以平穩(wěn)的送至襯砌拱頂?shù)撞课恢锰峁┝吮ＷC;避免漿液出現(xiàn)假注漿、漿液注不進去的現(xiàn)象;保證襯砌施工質(zhì)量，降低了運維期間的安全風(fēng)險。

（4）明確了注漿時間和調(diào)整水膠比。通過對襯砌拱頂部位混凝土的現(xiàn)場實勘和MATLAB軟件擬合對比，完成了襯砌帶模注漿漿液配合比的優(yōu)化和注漿時間的確定，保證注漿填充效果以及漿液與混凝土土體的粘結(jié)度。

（5）采用隧道注漿注水體系和模塊化操作思路，進行預(yù)先制作的思維模式，小單元模塊式控制，現(xiàn)場按照袋裝水泥的50kg單位水泥為漿液制取單位，自制制取桶，標準加水桶，一桶漿液，兩袋水泥，合理制取漿液。最大化地利用時間間隙，平行作業(yè)，縮小現(xiàn)場作業(yè)時間;配置行走機械，減少人員干擾;注漿注水，避免堵塞;在注漿完成后，組織作業(yè)人員進行矮邊墻排水盲管的注水疏通試驗。

4襯砌拱頂帶模注漿施工工序流程圖（見圖1）

5襯砌拱頂帶模注漿一縱向施工工藝分解

5.1預(yù)埋縱向注漿管的制作

區(qū)別于傳統(tǒng)襯砌拱頂帶模工藝的全管全長打孔、梅花形布設(shè)、溢漿孔孔徑2～3mm、全環(huán)打孔的要求，將縱向注漿管打設(shè)方式進行了優(yōu)化，如圖2所示。采取分段打孔埋設(shè)，孔口一致、擴大孔徑，間隔埋設(shè)的辦法，保證預(yù)埋注漿管管內(nèi)有壓傳遞和二次推動漿液。

預(yù)埋縱向注漿管：選用Ф20mm或Ф25mm的PVC或PPR管，分為主、副注漿管。主注漿管，全長為襯砌長度加外露20cm;副注漿管埋設(shè)長度為襯砌全長的2/3長度加預(yù)留20cm（不含襯砌臺車搭接部分）。

溢漿孔：打孔段為襯砌臺車全長的2/3區(qū)間段打孔，即注漿管前端1/3后段落。以12m襯砌為例，主縱向注漿管打孔長度為=1200×2/3=800cm;副注漿管打孔長度為=1200×1/3=400cm。在襯砌端部預(yù)留300cm為不打孔段，這是由于在襯砌端部需預(yù)留300～500cm為不打孔段。溢漿孔孔徑在5～8mm，并以一字溢漿孔形式進行布設(shè)，孔距50～80cm。

5.2預(yù)埋縱向注漿管與注漿機的連接

自制的快速連接接頭，采用1mm的孔徑差和漿液對其進行填充產(chǎn)生的封閉作用進行自鎖固定，利用嵌合段的吸附緊固原理完成緊固目標;利用DN20絲口接頭注漿機連接，同時采用135°夾角，用于作業(yè)空間的擴充，保證作業(yè)空間滿足現(xiàn)場施工要求。如圖3所示。

完成隧道注水注漿體系的修正，將全隧道進行模塊化操作。在完成單線襯砌拱頂帶模注漿的工作后，完成整體注漿注水體系的修正，保證現(xiàn)場注漿注水的模塊化操作與便捷性操作，方便現(xiàn)場施工。（一種全隧模塊化通用型快速注漿注水體系;專利號：201821939869.2）

5.3襯砌拱頂帶模注漿，注漿空間的測定

根據(jù)設(shè)計圖提供的鐵路隧道單線段設(shè)計輪廓圖，理論推算出拱頂部位最頂部1cm、2cm、3cm、4cm所形成的輪廓空間，并按照空間大小反推理論注漿量和不同水膠比下的水泥用量（如圖4所示）。

襯砌拱頂部位的空間，屬于相對密閉空間，它的形成受到臺車澆筑前后的彈性變形、混凝土收縮以及襯砌澆筑完成后泵送管道積存應(yīng)力的瞬間釋放和現(xiàn)場封堵不及時而產(chǎn)生的混凝土掉落形成的脫空空間、拱頂部位混凝土無法振搗自密實效果差存在不均勻縫隙以及防水板澆筑中出現(xiàn)的折皺因素的影響。

將單線段馬蹄形斷面二襯注漿水泥有效用量規(guī)定在350kg范圍內(nèi)，不得超過400kg，見下頁表1。

當水泥有效用量超過400kg時，應(yīng)立即停止注漿，分析原因，探究混凝土澆筑過程和施工質(zhì)量，制定補救措施，及時追責(zé)。

5.4帶模注漿的時機的確定

傳統(tǒng)注漿時間要求在襯砌脫模前進行注漿，即按照規(guī)范要求，襯砌脫模的要求是“拆模前的混凝土強度應(yīng)達到8MPa"的條件。但通過對襯砌混凝土同條件試塊的時間比對，混凝土強度達到8MPa的時間（實際超過24h）已經(jīng)超過了終凝時間，應(yīng)在這一時間節(jié)點進行注漿。

5.5對現(xiàn)場混凝土初凝時間的確定

襯砌帶模注漿的目的是為了填充混凝土澆筑產(chǎn)生的空隙。從理論試驗中獲得：在混凝土初凝時間的第1/2時間點開始進行注漿，于初凝前完成注漿，可以保證混凝土與水泥漿液的整體性，并可以避免二次脫空。但在襯砌拱頂部位的混凝土與襯砌兩側(cè)混凝土存在著一定區(qū)別，水膠比高，具有較強的保水性和流動性。同時為了保證沖頂成功和澆筑混凝土的飽滿度，故坍落度較大，初凝時間長。

在現(xiàn)場進行實際襯砌拱部混凝土和拱頂混凝土的初凝狀態(tài)的試驗中，可以得出：襯砌拱頂部位混凝土初凝時間與常規(guī)襯砌混凝土初凝時間相差約1h，實際初凝時間為7h。

同時在對拱頂部位進行勘查得出：拱頂部位混凝土受到現(xiàn)場混凝土振動不足的影響，相對結(jié)構(gòu)較松散，自密實程度差和拱頂襯砌厚度相對全環(huán)襯砌相對較薄，相對截面區(qū)域面積小，體表面積大，初支圍巖面等物體的比熱容較大，吸收熱量高，混凝土土體溫度上升慢。減緩水泥水化反應(yīng)速率，持續(xù)的低溫水化環(huán)境可以明顯地減少，混凝土初凝時間整體延長。

根據(jù)混凝土前期水化反應(yīng)，與MATLAB軟件擬合計算，得出持續(xù)低溫環(huán)境以及水膠比對水泥水化各個齡期的水化放熱均有較大影響。其結(jié)果為：溫度降低會減緩水泥水化反應(yīng)速率。持續(xù)的低溫水化環(huán)境可以明顯地減少水泥水化在各個齡期的水化放熱，降低各個齡期的水化程度，得出了不同持續(xù)低溫環(huán)境對水泥水化放熱的影響變化規(guī)律：水泥水化放熱受單一變量即持續(xù)低溫環(huán)境的影響變化規(guī)律之后，同時又進一步探究了受水膠比以及持續(xù)低溫雙重因素影響的水泥水化放熱規(guī)律。持續(xù)低溫環(huán)境下，水泥水化水膠比越低，水化速率會隨之降低，水化反應(yīng)相應(yīng)延緩，其水泥水化放熱以及水化程度也相應(yīng)越低，便于實現(xiàn)考慮不同持續(xù)低溫以及不同水膠比雙重因素影響的水泥水化放熱計算。

將襯砌拱頂帶模注漿的時間修正，以現(xiàn)場達到初凝狀態(tài)為考量，以水泥漿漿體與混凝土土體粘結(jié)效果為最終目標，澆筑完成混凝土的第7h開始，即理論混凝土初凝時間點進行注漿，1h內(nèi)完成注漿作業(yè)（實際一般在30min內(nèi)完成），最長不應(yīng)超過1h。

5.6帶模注漿的材料

帶模注漿的漿液主要以填充功能為主，故因過高的水膠比易導(dǎo)致漿液凝固時收縮較大。在水泥漿中的水膠比為0.38時，凝固后的收縮率僅為3.8%;而水膠比為1.0時收縮率已超過20%。同時現(xiàn)場注漿用的輸漿管為Ф20m注漿管，最大全長為21m，最大高差為10m?，F(xiàn)場壓力折損明顯，現(xiàn)場注漿壓力要求高。

基于注漿目的的要求，為保證注漿材料具有良好的結(jié)實率，以起到填充效果，避免二次填充注漿。故創(chuàng)造性地引入減水劑，優(yōu)化其流動性和稠度。摻入常規(guī)減水劑，在水膠比不變的前提下，減水劑使得水泥顆粒分散程度增加，加速了水泥顆粒的水化，使部分自由水變?yōu)榻Y(jié)合水。對水泥顆粒的分散能力增大，改善其工作性能，改善漿液的流動性。經(jīng)過試驗對比，選定配合比為：水泥：水：膨脹劑：減水劑=1：0.4：0.1：0.01，其允許偏差的范圍為水泥：水：減水劑：膨脹劑=1：0.38～0.40：0.10～0.12：0.01～0.012。

其中膨脹劑的自由膨脹率為0.3%～2%，因過高的膨脹率會影響強度指標，規(guī)定上限為2%。微膨脹劑以水泥重量的12%為佳，最大不宜超過15%，以制取的微膨脹水泥漿不產(chǎn)生收縮為標準。

5.7注漿施工方法和注漿標準

通過快速接頭，連接后進行主注漿管的壓漿，待漿液從副注漿管管口溢出后，封堵注漿管;再進行副注漿管的壓漿，待二襯端頭出漿后封堵注漿管，停止注漿。

現(xiàn)場注漿過程中，采用漿液提前制取，兩個攪拌桶交替作業(yè)的方法，每個攪拌桶以50kg水泥為制漿單位，進行定向標定。一桶50kg水泥制取的漿液，制作量小且方便制取，同時避免了漿液制取不標準的現(xiàn)象。一桶漿液在使用過程中，另一桶漿液開始制取，不間斷操作，小型化操作，避免了空間占用和漿液過剩而導(dǎo)致材料浪費。

平均帶模注漿循環(huán)工序時間有效控制在30min之內(nèi)，比傳統(tǒng)注漿工序的1.5h以及至少1h的注漿機搬運時間節(jié)省很多。

注意事項：

在現(xiàn)場注漿過程中，襯砌環(huán)向施工縫位置、縱向泄水管道口以及上版襯砌存在硐室的，出現(xiàn)滲水、滲水泥漿液現(xiàn)象，均應(yīng)立即停止注漿，通知管理人員，分析原因，調(diào)整漿液稠度，增大水泥量或制定其他方案，并及時追責(zé)。

漿液制取，應(yīng)做到隨取隨用，一般超過2h未灌注則必須作廢。

6應(yīng)用實例

本課題研究工法，從2016年7月至今，在敘畢鐵路斑竹林隧道、下坪隧道、歐家灣隧道、長嶺隧道、下寨隧道和成蘭項目茂縣隧道進行推廣，并獲得業(yè)主與監(jiān)理單位的認可。

2018年11月，經(jīng)西南科技信息中心查新：涉及本項目所述特點的單線鐵路隧道襯砌拱頂預(yù)設(shè)、帶?？v向注漿施工技術(shù)，在所檢文獻以及時限范圍內(nèi)，國內(nèi)未見相同文獻報道。關(guān)鍵技術(shù)2018年12月經(jīng)山西省住房與城鄉(xiāng)建設(shè)廳鑒定，水平達“國內(nèi)先進”。

本課題工法，于2018-12-06獲中鐵十七局集團有限公司企業(yè)級工法認定。

7結(jié)語

（1）本技術(shù)研發(fā)對象為襯砌拱頂帶模注漿縱向注漿施工技術(shù)工藝，從2016年7月適用至今，歷經(jīng)了敘畢鐵路和成蘭鐵路兩個鐵路項目的隧道工程全生命周期運行，對施工工藝的不間斷修正，具有良好的適用價值。

（2）本技術(shù)對施工現(xiàn)場的施工技術(shù)要求較高，施工工藝繁瑣。如果對本技術(shù)進行引用，則需要現(xiàn)場管理的嚴格管控，執(zhí)行落實問題，是本技術(shù)的核心。如果沒有強有力的執(zhí)行，則本技術(shù)永遠處于理論階段。

（3）現(xiàn)場注漿的確定，本論文從實踐反推理論，不斷修正的結(jié)果，如果需要引用，還需要對論文中的數(shù)據(jù)進行核對，避免出現(xiàn)引用錯誤。