高速铁路营业线隧道套衬加固施工技术

高速铁路营业线隧道套衬加固施工技术

周远超1王佳2喻奔3

中交三公局北京100000

摘要：随着中国高速铁路跨越式发展，隧道数量逐年增多，但由于施工原因或特殊地址等因素影响，导致隧道在运营期间出现开裂、掉块等现象，严重威胁列车运营安全。本文结合高速铁路隧道衬砌空洞、开裂等病害的特点和套衬加固施工作业安全的要求，介绍了套衬施工技术，提出了隧道衬砌病害整治措施。

关键词：高铁；整治；套衬；套拱；营业线施工

0引言：由于隧道前期施工不规范，衬砌存在开裂、空洞、掉块等病害，危及高铁列车运营安全。高铁套衬，既在隧道衬砌内部再施工25cm的衬砌。但是套衬施工难度大，维修天窗时间短暂，隧道内作业空间有限，加之接触网线等设备需进行安全防护，且每次施工完毕后不影响次日高铁列车正常运行，导致施工安全风险较大。

1病害概况

1.1某高速铁路通车18个月后，铁路局工务部门在巡查过程中，发现某隧道拱部及边墙衬砌存在裂缝、错台及拱顶空洞现象。裂缝宽度10～20mm、离缝深80cm的裂缝，错台最大处17cm，敲击有空响，衬砌开裂边缘处有松散体，有掉块迹象。衬砌拱顶脱空处于施工缝敲开后，发现空响处衬砌内部空洞，脱空尺寸4.2m×2m(环向×纵向)，可见衬砌双层钢筋，衬砌厚度薄弱处存在掉块隐患。

1.2病害段设计为Ⅳ级围岩，施工过程中掌子面揭示为砂岩夹泥岩，无渗水，无变更设计。初期支护采用25cm厚C25锚喷混凝土支护，布置φ6mm钢筋，网格间距20cm×20cm，锚杆长度3m，间距1.2×1.5m；二衬设置Φ18mm及Φ12mm钢筋，间距20cm×25cm，采用45cm厚C40钢筋混凝土浇筑。

1.3为避免衬砌混凝土松散体对列车运营造成影响，及时对松动混凝土进行剔除。

2整治原则

2.1本着“保证结构受力安全，尽量少降低结构使用性能，尽量避免衬砌大拆大换，施工列车不停运”的原则，对病害段采用“格栅钢架+C40模筑钢纤维混凝土”套衬加固。

2.2隧道衬砌整治期间，列车正常运营，施工区段内限速60Km/h。全部施工作业利用维修天窗完成，钢轨、四电等相关设备不得损伤，每日施工完毕后，检查施工部位结构稳定性，确保次日列车正常运营。

3整治方案

根据《高速铁路公务安全规则》（铁总运[2014]170号），施工方案报业主、铁路局审批，经安全评价合格及专家评审通过切实可行后，办理施工安全协议及施工监管、配合等相关手续，并提前上报施工计划。

3.1套衬设置情况

3.1.1在不侵占隧道净空的情况下，既有衬砌内侧设置厚度25cm的C40模筑钢纤维混凝土套衬。钢纤维掺量60kg/m3，钢纤维长度15mm～60mm，直径或者等效直径为0.3mm～1.2mm，长径比为30～100。

3.1.2套衬内拱墙设置4肢格栅，格栅主筋采用Ф22螺纹钢筋，主筋中至中间距15cm；箍筋采用Ф14螺纹钢筋，箍筋中至中间距20cm。

3.1.2.1每榀钢架按7片组装设计，相邻分节之间的连接采用15cm厚钢板与主筋端部和箍筋焊接后，再用M20×70螺栓连接，钢架应与锚杆尾部焊接牢固。

3.1.2.2钢架间距0.5m。为加强钢架的整体性，钢架间纵向采用Ф22钢筋连接，钢筋环向间距0.4m；同时在两榀钢架中间增设1根Ф22环向钢筋，钢架间的纵向、环向钢筋焊接牢固。

3.1.2.3为保证钢架架设要求，须对既有二衬墙脚位置混凝土进行局部凿槽，以保证在钢架底部基础宽度25cm。钢架必须与既有衬砌密贴，背后不得露空。

3.1.3钢架设置锁脚锚杆，锁脚锚杆采用R32N自进式锚杆，每组2根，墙角处长度6m，最大跨及拱腰接头处长度4m；并在每节钢架中部设置2根2m长的Ф22固定钢筋。所有的锁脚锚杆及固定钢筋尾部须采用Ф22的“U”形钢筋与格栅钢架焊接牢固。

3.2四电相关要求

3.2.1综合接地要求

套衬内锚杆、钢拱架、钢筋网片应与既有隧道的综合接地系统可靠焊接，保证综合接地系统的接地性能。所有接地钢筋间的连接均应保证焊接质量，接地电阻≯1Ω。

3.2.2四电设备防护

隧道整治施工过程中，必须对隧道内的既有设施、设备加以保护，不得损坏轨道、接触网线、电缆、应答器等。每次施工完成后检查施工设备、器具清理完毕，避免影响接触网供电及正常运行。

3.2.3四电过渡及恢复

3.2.3.1接触网过渡施工

施工前，改移接触网附加导线（AF、PW）线悬挂点位置，增大接触网线距隧道拱顶的距离。正馈线（AF）距隧道顶最小距离需满足AF线对隧道套衬后接地体距离大于350mm的要求。保护线（PW）高度需下调，施工区域两端保护线悬挂点线夹安装高度降低，导线距原隧道顶部500mm以上。在套衬区段及两端各延伸2米的区段安装AF线绝缘护套，待套衬施工结束后拆除绝缘护套。施工区域如有接触网吊柱，则需将其平移至施工区域以外。

施工完毕后，恢复接触网导线至原有位置，调整保护线高度距离隧道拱顶100mm距离。待套衬强度达到100%后，将改移的接触网吊柱按照原位置安装，吊柱底座采用M24后植化学锚栓固定，锚固深度≮450mm。

3.2.3.2电力过渡施工

将施工区域隧道侧壁上照明电缆、灯具及挂钩等设置拆除，锯断照明电缆，并在其两端头接长一根电缆通过电力电缆槽将照明电缆连接保证正常供电。套衬施工完毕后，恢复隧道照明、指示灯等电力设施。

3.2.3.2通信、信号过渡施工

将施工区域隧道边墙上漏缆拆除，通信电缆槽内布放1/2馈线，制作馈线头与断开漏缆连接，并安装防护钢管。防止对未拆除漏缆造成破坏，拆除漏缆长度超过施工区域3米。套衬施工完毕后，对施工地段通信场强进行测试,要求施工前后场强值不变。

4整治方案的实施

4.1人员组织

项目成立隧道缺陷整治领导小组，由项目经理部担任组长，对工程施工全面负责，均衡组织生产，协调机械配备、人员，合理安排流水作业，确保施工安全、质量、进度和各项技术标准。指派驻站联络员负责在车站办理施工封锁手续及登、销记，并向施工负责人传达调度命令通报列车运行情况。另外配备14名安全员及技术人员全过程跟班作业，对各个工序进行安全防护、技术指导及质量控制。

施工队伍配备190人，按照工序进行细化人员分组，每组设置一名组长进行施工安排及安全防护。进场人员，提前进行安全培训及技术交底，使施工人员从根本上重视安全生产的重要性。

4.2施工协调

施工单位为缺陷整治主体，四电、设备管理单位配合施工，提前沟通协调，合理组织。施工前，到铁路局相关部门办理施工电报、安全协议、施工配合协议及施工计划，明确施工计划时间、天窗点时间及限速要求，完善各项施工手续。制定施工人员职责，细化各工序人员分工和安全质量卡控重点，落实各自责任，确保施工安全。遵守营业线施工要求，严格执行施工登、销记制度，按照批准施工方案中指定的施工场地与时间进行施工，严禁违章作业、超范围、超时间施工，未接到命令严禁上道作业。

严格按照施工调度命令进行施工，车站配备驻站联络员及调度员，由车站组织召开施工协调会议及施工总结会议，对每日施工内容、机具、材料进行上报，并在施工完毕后对当日施工进行总结，加强各配合单位互相协调。施工现场配备现场防护员、安全员及带班人员，采用对讲机进行相互联络，由施工负责人对施工现场进行统一协调，遇到紧急情况立即相互通知。

4.3交通运输

施工人员、材料及机具通过自制轨道平板车运送至施工地点，平板车上下道采用简易龙门架吊装。平板车内外轨道采用绝缘装置，利用功率为9.5KW柴油发动机及变速箱为平板车提供动力，轨道轮采用合金钢一次铸造成型，板车平面采用[10#槽钢作为横、纵梁框架，上铺3mm厚钢板焊接而成，自重0.3t，荷载重量2.5t。平板车外围设置直径为Φ30mm钢管护栏，配备照明车灯、警示灯及喇叭，四周粘贴反光条，速度控制在30km/h以内，并在停车时安装防溜滑止轮器。简易龙门架由I20a工字钢横梁及Φ50mm钢管支腿组成，组装前，工字钢先放置在垫有枕木的钢轨上，将钢管套入工字钢两端限位的卡槽内并锁定。钢管支腿呈“八”字形，且两钢管之间采用2根钢管拉杆控制间距，拉杆与工字钢横梁之间采用钢管可靠连接。组装完成后，利用20名工人将龙门架立起，并用钢丝绳及紧绳器将龙门架固定牢固。工字钢横梁上安装工字钢吊线滑轮及2t电动葫芦，利用电动葫芦对平板车及输送泵等设备进行调头及吊装。

4.4既有设备防护

4.4.1在每个天窗点施工作业前，在作业区及前后10m范围内地面铺设彩条布，防止污染轨道，并在作业区钢轨上增加棉被，以防损伤钢轨。在水沟电缆槽盖板上覆盖3mm的钢板，避免施工时伤害电缆槽内的电力、信号、通信等设施；在作业区前后10米范围内的接触线、承力索、AF线、PW线采用包裹海绵软管进行防护，对绝缘子用无纺布及棉被整体包裹，防止被污染或损坏。做好电务设备、通信信号设备、应答器等轨旁设备的防护，对施工区域设备采用木胶板及彩条布包裹进行防护。

4.4.2在每次天窗点施工结束后，除AF线绝缘套及电缆槽防护钢板外，对其它所有防护进行拆除，并对隧道内既有设置进行检查。

4.5套衬施工方法

4.5.1钢架底部既有衬砌凿除

设置格栅钢架底部，凿除局部既有衬砌混凝土，高度80cm，宽度25cm，厚度自下而上由15cm渐变为0cm。凿除前，进行施工放样画线，按照格栅钢架位置采用墙体切割锯切缝，并用风镐、电镐进行凿除，清理干净。

4.5.2既有衬砌凿毛

施工前，对既有衬砌表面进行凿毛处理，凿毛深度不小于1cm，凿毛后，先用钢丝刷清理凿毛区域，再采用高压水清理干净，并涂刷界面剂后，方可浇筑混凝土。

4.5.3植筋、钻设锚杆

4.5.3.1按照格栅钢架布设位置，利用全站仪在既有衬砌上定位植筋点，植筋布置在格栅钢架两侧，植筋孔径为Φ16mm，深度≮30cm，环向间距0.4m。钻孔完毕后，小型吹风机清孔，注入植筋胶，植入直径为Φ14mm、长度为60cm的螺纹钢筋，待强。

4.5.3.2锚杆型号为R32自进式锚杆，采用YT-28型气腿钻机，排气量为3m3的可移动式空压气提供风源。锚杆位于每节格栅钢架底部，长度分别为6m和4m，锚垫板尺寸为15cm×15cm×0.6cm（长×宽×厚），钻设完毕后，注浆密实。

4.5.4加工及架立格栅钢架

4.5.4.1格栅钢架在洞外工作台上采用人工按照实测隧道二衬断面曲率分节进行加工。按设计格栅钢架分成7节，保证每节的弧度与尺寸均符合设计要求，每节两端均焊连接板。加工完成后，每榀格栅钢架进行试拼检查，检查格栅钢架的尺寸及轮廓是否合格。格栅钢架各单元明确标注类型及单元号，按榀进行堆放在干燥处。

4.5.4.2格栅钢架在架立前对格栅钢架的位置进行施工放样，用红油漆在原二衬上环向每隔2m做上详细标记，确保钢架的垂直度和环向弧度，保证钢架紧贴既有衬砌表面。

采用F扳手将植筋外露格栅钢架部分调成“L”形，并与钢架焊接牢固。每节钢架间连接板采用M20×70高强螺栓连接牢固，并采用Ф22加固钢筋制作U型套，将钢架与锁脚锚杆联接成整体。

4.5.5绑扎环向及水平钢筋

为加强钢架的整体性，钢架间纵向采用Φ22钢筋焊接，钢筋环向间距0.4m。两榀格栅钢架中间增设1根Φ22环向钢筋，钢架间的纵向、环向钢筋绑扎连接。

4.5.6支立模板

4.5.6.1混凝土分环施工，水平分层浇筑，施工缝避免留在受拉、受剪区域，并避开裂缝，相互错开设置。根据天窗点时间及混凝土泵送能力，一般纵向浇筑长度4.5m，环向浇筑高度3m～5m，左右两侧分层交替浇筑。

4.5.6.2模板采用工程上常用尺寸为30cm×150cm（宽×长）的建筑组合钢模板，每块模板对应预留3个孔洞，利用植入直径为Ф14mm的钢筋焊接丝杆，吊挂模板并固定。为控制套衬混凝土厚度满足设计要求，模板内部设置25cm的内撑钢筋，与钢架焊接。外露部分丝杆穿过模板后，外垫5#槽钢进行支撑，并拧紧螺母。安装模板时，严格控制外露丝杆长度，避免侵限。施工结束后，对隧道限界进行测量，并向工务段、供电段、铁路局总工室提交正式的隧道限位界测量数据及报告。

4.5.6.3模板在安装前要进行除锈打磨，并涂刷脱模剂，以保证混凝土的表观质量和顺利脱模。模板采用吊模方式固定。模板间采用螺栓连接，模板与模板间隙、吊杆与模板间隙以及模板与原衬砌表面间隙用泡沫双面胶粘贴牢固，接缝严密，避免漏浆。安装模板时，应预留泵送管、注浆管及排气管，注浆管尾部安装止浆球阀。

4.5.7浇筑混凝土、注浆回填

4.5.7.1混凝土采用施工现场拌合，提前在洞外按照施工配合比将混凝土原材料装袋，斜井内备足混凝土原材料，天窗点施工时利用自制绝缘轨道平板车运至施工现场进行拌合。混凝土采用HBT30砂石输送泵方式浇筑，输送泵尺寸为3.4m×1.2m×1.5m（长×宽×高），自制平板车运输至现场，利用简易龙门架吊装。

4.5.7.2混凝土浇筑前，清理模板内杂物，经现场监理工程师检查合格后，浇筑C40钢纤维细石混凝土。混凝土振捣采用插入式振捣棒及附着式平板振捣器配合使用。拱顶模板设置布料孔及排气管，排气管顶端斜切，并紧贴既有衬砌拱顶。当排气管内流出混凝土后，立即停止泵送，拔除泵送管并封堵严密，避免漏浆。每次混凝土浇筑施工，留置同条件养护试件3组。

4.5.7.3待混凝土强度达到设计强度的80%后，进行回填注浆。水泥浆设计强度为M40，压力为0.3MPa～0.5MPa，当注浆压力达到设计值时，终压并稳定5min，关闭阀门，注浆完毕。

4.5.8拆模

待同条件养护试件抗压强度达到100%时，方可拆模。拆模时，将吊筋螺母逐个松动后拆卸槽钢，贴紧模板切除外露丝杆，模板逐块拆除。拆模后，及时涂刷养护液，并将外露丝杆头切割至与混凝土表面平齐，切断丝杆头表面做防锈蚀处理。检查混凝土外观，并对施工缝错台进行打磨处理。

4.5.9监控量测

整治完成后，测定隧道加固后套衬的净空变形情况，掌握其变化规律。测点采用Ф22mm钢筋植入套衬，植入深度不小于20cm，植筋胶锚固，外露钢筋头斜切45°，粘贴反光贴片牢固，以便测量。采用TCRP1201+型号全站仪进行量测，观测频率暂按照：0～15天，2次/3天；15～45天，2次/7天；以后按1次/周。当量测数据相对稳定时，可适当降低频率；当量测数据出现异常变化时，应加密监测频率。

4.6线路开通运营

4.6.1每日天窗结束前，施工负责人确认植筋、模板、注浆管等构件安装牢固，并确认具备送电、行车条件，将作业人员、机具、材料撤离隧道，拆除地线并消除停电作业命令，封锁作业通道门，办理销记手续。停电命令和行车封锁命令消除后，人员、机具不得再次上道和侵入建筑限界。

4.6.2全部整治施工完毕后，拆除隧道内防护装置及限速牌，向铁路局调度室提出申请，宣告本次整治施工结束，并逐级提速至常速。

5套衬加固施工创新特点

由于高速铁路铁路营业线套衬施工史无前例，无成熟的经验可参考借鉴，使套衬施工困难重重。高铁线路维修天窗时间短暂，隧道内作业空间狭窄，加之接触网线等设备需进行安全防护，且每次施工完毕后不得掉物或侵限，不得影响次日高铁列车正常运行。但是，施工技术人员通过不断的摸索、实践、创新和优化，在施工过程中总结以下技术创新：

5.1自制平板轨道车缩短工作时间

由于线路已经开通运营，无法使用大型机械运输，而施工人员、机械、设备、材料等较多，运输路途较远，且天窗时间有限，影响有效的工作时间。为克服困难，施工人员加工出自带动力系统的平板车，经过多次的试验与改进，并与铁路局工务部门的有效沟通，自制平板车在既有铁路上得以使用。自制平板车配备有强大的动力系统、变速系统、刹车系统、警示系统及停车防溜滑装置，零配件简单易更换，方便操作与维修。平板车套衬施工时候起到关键性作用，特别是混凝土运输。平板车上放置混凝土料斗，每次从洞口可以运输0.6m3混凝土至施工现场，不仅缩短运输时间，而且沿途不会造成混凝土漏浆污染线路。

5.2平板车调头旋转平台节约人力

施工起初，平板车调头都是采用人力，12名人在全力的配合下，将平板车抬起后旋转180°放置钢轨上。经现场施工人员苦心钻研，并经过反复论证，终于发明了一种平板车调头旋转平台。该旋转平台由底座、转盘、转轴、钢管轨道及机械限位器等组成，底座下垫橡胶垫放置于钢轨上，转盘与底座通过转轴及中心轴连接，平板车由钢轨上通过钢管轨道开至转盘上，并用限位器锁定位置，扭动转盘180°，平板车从转盘上开到钢轨，即完成调头。转盘自重100kg，4人即可抬运安装、拆卸，整个过程操作时间不足一分钟，2人即可完成。转盘不仅可以单轨道原地调头，还可以在左右线上各放置转盘，实现平板车跨线移动。旋转平台不仅缩短了平板车调头时间，节省人员，而且最大程度上避免了人力抬运不当造成钢轨磕碰损伤。

5.3液压升降平台搭拆方便

以往洞内脚手架搭设，管件较多，作业人员众多嘈杂，且空间有限、接触网线多等不利因素影响，安装复杂，极易造成安全事故。为使脚手架结构安全可靠、操作方便可控、安拆时间缩短、避免损坏铁路设施，施工作业平台采用液压升降平台。平板车运送液压升降平台至工作面指定地点后锁定，将四组升降平台连接为整体，平台起升至接触网线下50cm位置自动限位停止，关闭进油阀及回油阀并开启液压锁，再由人工安装接触网线上部工作平台。为确保作业平台平稳，左右侧衬砌设置钢筋钩，利用钢丝绳及紧绳器与升降架连接牢固。液压升降平台优点：操作简单、升降平稳、节约人力，确保人身安全及行车安全。

5.4格栅钢架安装固定施工便捷

格栅钢架在套衬中起到骨架作用，同时也是最为关键的工序。钢架分节安装固定过程中会存在连接板螺栓孔对接不准确、弧度与衬砌不密贴、安装扭曲等问题，由于天窗时间短且钢架固定时间长，易造成加固不牢。针对以上问题，采取钢架分节加工时预留连接板，现场分节安装时焊接连接板及钢筋的施工方法，再利用植筋将钢架焊接牢固。该方法在保证钢架安装质量的前提下，有效的加快了钢架安装的进度，从而确保了列车运营安全。

5.5小型混凝土输送泵提高效率

由于施工现场条件所限，大型输送泵无法到达工作面，若采用人工倾倒混凝土入模，无法保证拱顶混凝土密实度，且严重影响施工进度。经市场考察，采取小型混凝土输送泵进行泵送，其优点在于：结构紧凑小巧轻便、便于搬运及安装、液压泵送压力满足要求，从而节省人工成本，降低人工劳动强度，大大的提高了整体施工效率。采用混凝土原材洞外不加水集中拌和、洞内二次加水搅拌、现场小型输送泵进行泵送，保证了混凝土质量，使得套衬结构更加牢固。

5.6吊挂模板安装牢固可靠

营业线套衬混凝土浇筑，无法采用以往整体式衬砌台车施工，为保证列车正常运行，经反复优化方案，采取吊模法安装模板施工。模板利用植入混凝土内部丝杆吊挂，外垫槽钢整体受力，模板相互间连接牢靠。侧面模板则采用2cm厚的木胶板按照隧道弧度切割而成，紧贴钢模板端部，外侧采用Φ14mm钢筋弯钩与钢模板焊接牢固。吊模施工工艺，利用既有衬砌植筋的拉力，在保证模板牢固的同时，便于混凝土浇筑前后安拆操作，为列车运营提供有力的保障。

6套衬施工处理效果

套衬加固施工结束后，通过半年的监控量测数据分析，各监测断面无变化，套衬加固结构稳定，为行车安全提供保障。

7结语

针对营业线隧道衬砌严重病害，采取套衬加固施工技术，改变了传统营业线铁路施工方法，解决了营业线隧道衬砌整治维修的难题，为今后类似工程施工提供了借鉴经验，具有重要的推广意义。

参考文献：

[1]刘世纲,于文涛.铁路营业线隧道套衬加固施工技术[A].工程技术,2016,34：143-144.