高速铁路隧道二次衬砌脱空预防措施研究

高速铁路隧道二次衬砌脱空预防措施研究

刘鑫凌

中国水利水电第七工程局有限公司四川成都610000

摘要：高速铁路是我国基础设施建设的重要组成部分，铁路隧道的二次衬砌施工质量直接影响后期列车运营安全及工程使用寿命。隧道二次衬砌脱空是隧道施工中较为常见的质量问题，施工过程中质量控制难度大。作者根据实际工作经验，对铁路隧道施工二次衬砌顶部脱空现象产生的主要原因进行分析，并简要归纳整理出相应的处理措施，以供学习交流。

关键词：高速铁路；二次衬砌；脱空；预防

一、概述

随着我国高速铁路的飞速发展，铁路隧道在线路中的比重日趋增大。同时在铁路隧道施工过程中，存在的质量问题（混凝土空洞、脱空、厚度不足等）也逐步显露出来，其中二次衬砌顶部脱空现象已成为较为严重的质量问题。通过近些年来高速铁路隧道工程施工发现，几乎所有的铁路隧道均存在不同程度的二次衬砌顶部脱空现象。对于目前隧道衬砌施工过程中存在的问题，必须引起铁路建设者的高度重视。本文简要分析了铁路隧道二次衬砌顶部脱空现象产生的主要原因，并简要归纳整理出相应的处理措施，以供学习交流。

二、二次衬砌空洞原因分析

（一）混凝土灌注工艺不合理

高速铁路隧道拱墙衬砌通常采用衬砌台车分段进行整体衬砌混凝土施工作业，施工一般使用长度12m衬砌台车，利用混凝土输送泵泵送混凝土入模，台车拱部每2～3m预留一个灌注孔。混凝土灌注现场施工工艺未严格按照相关规范、标准、规程等要求控制，是产生拱部脱空的一个重要原因。

1.现场多采用单孔灌注。现场施工多采用衬砌台车两个端头的灌注孔注入拱部混凝土，甚至只使用台车中部的灌注孔“一灌到底”。工艺控制不到位直接导致混凝土密实度和衬砌厚度不满足要求，特别是钢筋混凝土衬砌，模板内部钢筋阻挡了混凝土流动，混凝土不能在模型内自由流动、填充，形成拱部脱空。

2.未设置排气孔。在先浇筑衬砌段落，封模时未设置排气孔，导致新浇混凝土将空气密闭在模型内形成气囊，混凝土不能有效填充气囊，形成拱部脱空。

3.未连续灌注。因拌合站机械配置、原材料不足、运输车辆不足等原因造成混凝土供应不及时，影响混凝土的浇筑连续性，上、下两层混凝土浇筑间隔时间过长，且在上层混凝土浇筑前（后）未及时对下层混凝土进行振捣，造成下层混凝土初凝，与上层混凝土出现分层，也是产生拱部脱空的原因。

（二）工序交接未履行验收程序，初期支护平整度不足

岩质隧道未采用光面爆破或光面爆破效果差，开挖轮廓平顺度不满足要求，突变部分未处理；初期支护平整度较差，防水板挂设松弛度未根据现场实际情况进行调整，防水板与初支表面不密贴、都是形成拱部脱空的原因。

（三）防水板铺设存在缺陷

1.防水板挂点间距较大、挂点不牢靠。混凝土浇筑过程中受混凝土自重影响，防水板受到挤压，导致局部防水板脱落，原混凝土位置被防水板侵占，背部产生空洞。

2.防水板挂设时没有考虑预留一定程度的松紧度，导致防水板挂设过紧。同时，由于隧道初支混凝土喷射完毕之后，未及时进行表面修整，致使表面出现凹凸不平现象，防水板在衬砌混凝土浇筑之前就已经在坑洞部位绷紧，且混凝土浇筑前由于工作疏忽，现场施工人员未对该部位及时进行处理，导致产生拱部脱空。

（四）工装缺陷、设备故障

衬砌台车在进场组装前，拱部未设置固定的混凝土入料窗口，且混凝土入料窗口未设置有效地封堵装置，在混凝土浇筑至拱顶之后出现泄漏现象。同时，拱部附着式振捣器未按施工方案要求设置或设置数量不足，也是造成混凝土不密实或产生拱部脱空的原因。混凝土浇筑过程中混凝土输送泵、拌合站、运输车辆等设备故障导致中途等待时间过长，未能实现连续浇筑，也会造成拱部脱空。

（五）拱部注浆预埋管及补注浆施工工艺不到位

二次衬砌混凝土浇筑完成后，因混凝土自身的材料特性会出现不可避免的收缩，造成拱部混凝土与防水板之间出现空隙，从而在一定程度上出现拱部脱空问题。目前，大多数设计单位已经把混凝土强度达到设计强度的100％时进行衬砌拱顶回填注浆优化为待混凝土初凝后立即进行。但现场施工过程中对拱部回填注浆的作用没有充分认识，不能正确把握注浆时间、注浆压力；还有部分隧道在注浆管材料采购时不能正确进行选择，注浆管的预埋位置存在不规范现象，拱部没有沿衬砌进行通长埋设，并采取有效地保护措施。竖向注浆管埋设长度不足，导致注浆管堵塞，或因注浆管长度过长与防水板密贴，导致浆液无法注入，形成拱部脱空。

三、防范措施及建议

（一）加强工序控制，从源头上消除

①防水板铺设前，采用地质雷达扫描初支脱空情况，发现脱空立即采取技术措施进行处理，拱部及不良地质地段是重点；②利用专业性的检测测量仪器对开挖完成后的隧道净空进行检测，对局部净空不满足要求的及时安排人员进行处理；对初支表面平整度不满足要求的部位进行处理，避免突变，达到平顺过渡要求；③防水板严格按照规范要求的1:1.2松弛度铺设，并根据现场实际情况进行微调，防水板吊点要牢靠，防止混凝土浇筑工程中混凝土的挤压防水板造成脱落、绷紧产生空洞；④加强混凝土振捣，衬砌台车混凝土入料口纵向、环向间距不能太大，一般控制在2.5m～3m。附着式振动器安装通过工艺性试验确定安装间距及安装数量，安装完成后由现场技术人员进行复查，确保安装位置及质量符合要求。

（二）衬砌混凝土浇筑严格按照既定工艺实施

①拱部混凝土浇筑，应在台车上牢固固定进料管，进料管每2.5～3m布置一个，另还需设置备用进料管；②拱部混凝土浇筑前在拱顶预埋放脱空报警装置，达到自动提示灌满效果，此外还应设置观察口，在浇筑过程中观察模内是否正常，并加强排气；③合理布置混凝土进料窗口，边墙进料口一般纵向间距按3m控制，环向间距按2m控制；④严格按照施工图纸、与隧道施工有关的验收标准及技术规程等技术要求，以及隧道施工过程中积累的相关经验，在隧道衬砌拱部预先安装纵向注浆管和竖向注浆管，并对注浆预留孔和注浆孔采取有效的保护措施。同时，在衬砌混凝土初凝以后，立即安排专业注浆队伍进行拱顶回填注浆，方向应由先浇筑端向后浇筑端，注浆压力符合设计要求。

四、国内行业相关经验交流和研讨

（一）拱顶预埋注浆管注浆施工范例

为最大限度降低隧道拱部衬砌混凝土脱空比例，新建京张铁路某隧道采取了拱部预注浆施工工艺，取得了较好的效果，以下是对该施工工艺的主要施工工艺流程及施工效果的简要归纳整理，以供学习交流。

1.施工工艺流程

①注浆管制作

注浆管根据现场施工情况采取现场加工制作的方式，注浆管采用直径20cm的PVC管，注浆管每隔10cm设置螺旋切口，切口长度为管周长的1/2～1/3，安装时切口朝上。注浆管外露部分采用直径20cm的镀锌钢管螺纹连接注浆管，在镀锌管尾部安装止回阀及压力表。在注浆管底部安装排气连接管，以确保在注浆时排出因混凝土浇筑过程中形成气囊中的空气。注浆管和排气管采用电工胶带捆绑在一起。

②注浆管固定

衬砌钢筋安装结束后，将纵向注浆管置于外层钢筋外侧，并紧贴防水板，采用宽50mm、长150mm的防水板焊接固定注浆管，防水板固定位置纵向间距为1m，纵向注浆管布置长度应超出模板台车长度50cm。在纵向注浆管预埋过程中，需要将止回阀一端预留至衬砌端头模板外部，以满足在混凝土初凝之后能够及时对衬砌进行拱部回填注浆处理。

③注浆及质量控制

待拱部混凝土初凝以后，及时安排专业注浆队伍对衬砌拱部进行注浆作业。注浆过程中排气管及竖向注浆管采用止浆塞封闭，注浆压力稳定在1MPa时，再持续压浆3分钟后即可停止注浆。注浆结束后待混凝土强度达到8MPa后方可脱模，脱模后及时采用地质雷达对衬砌混凝土质量进行扫描检查。如果扫描结果显示衬砌混凝土质量合格，则可以进行下一施工段衬砌施工：若存在局部脱空现象，则需根据扫描分析结果对该段衬砌脱空部位进行二次注浆处理，二次注浆施工方式为通过竖向注浆管注浆，并辅以局部开孔注浆方式处理。

2.注浆效果对比

以新建京张铁路某隧道为例，在采用预注浆前，隧道拱部脱空比例为23.5%，采用拱部衬砌预注浆施工工艺后，拱顶脱空比例减少为0.38％，隧道衬砌施工质量得到了有效的提高。同时，因为该项施工工艺简单，施工过程中操作简便，在目前高速铁路隧道衬砌施工领域具有较好地推广应用前景。

（二）国外高速铁路隧道拱部混凝土浇筑施工工艺

借鉴日本、德国等较先发展高速铁路国家的相关规范对设备性能及施工工艺的要求，可通过对衬砌台车拱部入料口进行改进和调整混凝土自身性能，以便更好地解決隧道衬砌拱部出现脱空的质量问题。有关具体要求和措施摘录如下：

1.衬砌台车拱部进料口需设置仰角45～60°的固定管孔，管孔向已浇筑二衬倾斜，浇筑管孔需设置止回封堵开关。

2.选取衬砌台车长度12m为例，浇筑孔应设置4～5个，衬砌钢筋密度较大的，设置5个。台车两端孔位置距模板端头为75cm。在先浇筑衬砌端头设置排气管；在端模位置设置检査窗口，检查窗口，监控拱顶浇筑情况。

3.拱部混凝土拌制需根据原材料含水量等技术指标及时进行调整，以确保混凝土在浇筑过程中有较好的和易性，细骨料比例宜比一般混凝土大2％，且拱部混凝土塌落度应比边墙混凝土略大。

4.拱部混凝土必须确保连续浇筑，拱部混凝土浇筑应随浇筑进度控制附着式振捣器的振捣频率及时长。

五、结束语

随着我国工程施工技术标准的不断更新、提高，特别是高速铁路隧道工程相关施工工艺的更新，隧道衬砌的一些质量通病得到了一定程度的控制和解决。本文中隧道拱顶预注浆施工工艺与传统注浆施工工艺相比较而言，不需要单独设置专用注浆台架，而是直接利用二衬台车完成拱部注浆作业。通过现场施工实践表明，该施工工艺具有明显地防脱空效果，大大降低了后期的处理费用，省工省时，一定程度上提高了经济效益。但还需要进一步的优化，来适应工程建设发展的需要。

参考文献

[1]TB10753-2010,高速铁路隧道工程施工质量验收标准[S].北京：中国铁道出版社,2011.

[2]Q/CR9604-2015,高速铁路隧道工程施工技术规程[S].北京:中国铁道出版社,2015.

[3]高速与客运专线铁路施工工艺手册[M].北京:科学技术文献出版社,2006.

作者简介

刘鑫凌；（1976.10--），男，四川双流，高级经济师、工程师，硕士，从事铁路建设工程施工技术管理工作。