营业线高速铁路隧道衬砌空洞整治技术分析

营业线 高速铁路隧道衬砌空洞整治技术分析

杨永峰

中铁二十四局集团江苏工程有限公司

摘要：目前我国高速铁路隧道工程范围不断扩大，面对营业线高速铁路复杂突变的隧道病害，如何提高整治水平、及时消除安全隐患是当前刻不容缓的一个问题。本文针对营业线高速铁路隧道运营过程中存在的二衬空洞这一突出问题，在结合病害成因和风险分类的基础上，对处理方法与关键技术要点分析，可供类似工程参考。

关键词：营业线高速铁路；衬砌空洞；整治技术

引言

隧道衬砌是隧道安全、列车运行的根本保证，对其安全要求随运行速度呈同比上升，故空洞病害显得尤为显著，分析和判断好地质情况，掌握衬砌类型并制定合理整治技术方法，做好空洞病害整治工作有着重要意义，也是隧道安全运营的前提条件。

1 工程概况

杉木墩隧道全长982.49m，起讫里程DK151+778.51-DK152+761.00，隧道最大埋深约136m。经隧道敲击检查和无损检测，确定DK152+501、DK152+572两处为空洞点，空洞面积分别约0.7m²、0.8m²,衬砌类型Ⅴb、Ⅲb复合式衬砌，局部不良地质属于F2断层及影响带，岩体破碎，岩溶发育，地下水主要为构造裂隙水及岩溶水。

2 营业线高速铁路隧道空洞危害及成因

2.1 衬砌空洞危害

二衬空洞是导致隧道长期运营中引发多种病害的原因之一，可导致衬砌结构受力不均，增加受拉力矩，不利于继续承受荷载，约束围岩变形，加之隧道地质条件复杂多变，多处不良地段，极有可能诱发衬砌裂损、渗漏水、掉块甚至坍塌，病害恶化，形成连锁反应。

2.2 空洞产生原因

隧道二次衬砌拱顶混凝土是自下而上浇筑的，受混凝土自重作用，拱顶混凝土很难浇筑密实，容易产生空洞、空响，主要原因概括以下几条：

（1）初支不平顺及防水层松弛度不足造成脱空

初支多采用分层喷射技术，若喷射不当，使其表层凹凸不平，或者存在混凝土掉层脱落等，极易形成坑洼；后期施作防水层松弛度不足，未能与初支表层形成有效紧密贴合，形成一定空隙，那么，混凝土浇筑时也就容易引起防水层紧绷而脱空。

（2）钢筋、预埋件密集，混凝土无法完全进入将模板填满

衬砌方式常伴随双层螺纹钢密集支护类型，另接触网槽道基础预埋件交错布置，极大缩小了浇筑空间，导致混凝土流通不畅，无法及时填满模板，振捣不及时，振捣不触及等外在因素叠加，产生漏振，形成脱空。

（3）泵送压力不足或混凝土流动性不足等造成脱空

二衬混凝土是通过混凝土输送泵压入模板，若输送压力不足或距离过长也会导致模板内混凝土不能充分填充，同时，混凝土和易性也是关键保证，塌落度过小，扩散度不足，混凝土流动的动力也随之减小，则相当于预留了空洞。其他供应中断、人力设备等原因均能成为形成脱空的突发因素。

3 隧道空洞的整治技术

利用高速铁路营业线天窗点对空洞处进行钻孔配合内窥镜进行探测，验证厚度及内壁情况，此处就拿该隧道两处不同空洞作例。若衬砌厚度≥20cm或钢筋混凝土，则采用回填注浆处理；若衬砌厚度＜20cm的素混凝土，仅回填注浆很难达到原设计强度的90％，整治效果不佳，衬砌可靠性不强，采用模筑灌浆。根据营业线隧道常见病害，划定如下风险等级。

表1 风险等级划分

3.1 衬砌厚度≥20cm的处理

DK152+501处二衬有效厚度≥20cm，风险等级Ⅰ级，采取回填注浆。此工艺简单，操作便捷，已被广泛采用，暂不作介绍。

3.2 衬砌厚度＜20cm的处理

DK152+572处二衬有效厚度＜20cm及原设计为素混凝土，风险等级Ⅱ级，

采用拱部局部模筑工艺。

（1） 工艺流程

施工准备--断电--接地--作业平台搭设--电镐凿除厚度不足部分--打设锚杆--植筋--界面防水--模板安装--灌浆--补充注浆--拆模及整修。

（2） 营业线既有设备保护

采用土工布覆盖下部轨道结构，可用PVC套管对接触网线进行裹腹，加强施工监测，避免意外事故的发生。

（3） 凿除衬砌薄层，植筋

预先切割边缘缝，控制空洞边缘线10cm范围内，缺口应内宽外窄，形成倒梯形，切口及内壁凿毛成凹凸差≥6mm的粗糙面，结构致密，保障防排水。在空洞四周中部纵、环向植入φ16钢筋，间距20cm，植入深度按30cm、50cm交替布置，采用A级锚固剂锚固。结合悬吊回灌要求，在凿除后的空洞范围打设φ22自进式中空注浆锚杆锚固，锚杆长3.0m，锚栓间距60cm×60cm，并按照锚栓锚固的10%且不小于3根的数量进行拉拔试验，通过以下计算，满足条件。每根锚栓在靠近二次衬砌内侧外包两道遇水膨胀橡胶止水条。

（4）模板固定

在沿新旧混凝土结合部，刷涂界面剂，以增强粘结力，采用水泥基渗透结晶型防水涂料和止水条防水。采用钢模板，厚2mm，预留灌料孔、螺栓孔，采用锚栓固定，锚固深度≥15cm，锚固点距离切口≥50cm，防止引起原二次衬砌开裂或崩落。这里注意，为确保模板与衬砌密贴、稳固，实现二次加强效果，锚杆与再植钢筋网焊连，并用膨胀螺栓与衬砌进行固定，必要时设置拉筋或加密锚栓对模板进行加固。

（5）灌浆

灌浆采用高于原设计一个强度等级的微膨胀自密实混凝土，通过小型地泵经灌料孔灌入，采用插入式震捣器捣固,充分回填。特殊设定封口模板，在靠近顶端预留30×30mm孔洞，以活动板方式浇筑最后一块板。孔洞部位采用传统“刹尖”方式封口。封口处预埋一根φ42mm马牙扣形钢花管,钢花管顶端距空腔项面不大于2cm，作补充注浆。

根据《混凝土结构后锚固技术规程》,混凝土界面受拉力临界值计算公式：

N_upc=5.6h_efD√f_cu=5.6×280×25×√14.3≈149KN

式中：h_ef为锚固深（mm);D为锚孔直径（mm);f_cu为1m³混凝土抗压强度（MP_a)

灌浆后锚杆所受荷载P=灌浆料P₁+模板P₂+压力P₃

P₁=0.4m×0.8m²×2285kg/m³×9.8=7165N,0.4m为最大衬砌厚度；

P₂=0.8m²×0.002m×7850kg/m³×9.8=123N；

P₃=0.3MP_a/1m²=300000N；

P=P₁+P₂+P₃=307288N≈307KN＜149KN×4=596KN，这里根据面积采用4根锚杆锚固；

图1 荷载平均分布示意图

通过计算，锚杆受力是安全的。

（6）拆模整修

混凝土强度达到预定强度后拆除防护模板，遵循先支后拆、先非承重后承重部分、自上而下的原则。待拆除完毕后，切除表面外露多余部分，并对表面打磨处理，在新混凝土表面并向既有混凝土四周延伸100cm范围内刮涂水泥基渗透结晶型防水涂料二遍，厚度不小于2mm。

（7）补充注浆

为保障灌浆施工密实性，运用预留注浆孔进行压力注浆，采用新型微膨胀注浆材料，参加灌浆剂和细沙或超细水泥基无收缩灌浆材料，必要的时候需加环氧灌浆材料。可参照回填注浆工艺进行，注浆压力不应过大，适当增至0.3MPa,稳定5分钟后当继续加压不再进桨时结束注浆。

图2 隧道二次衬砌空洞示意

图3 Ⅰ-Ⅰ剖面示意

4 工艺优点

较传统工艺相比，此隧道两处不同风险等级空洞，分别用回填注浆及模筑灌浆施工，虽前者病害较轻，后者措施加强，其优点却毋庸置疑。

1. 利用凿除打开方式，能够详细了解空洞内部的具体病害范围和状态，空腔是否被侵蚀、内壁裂缝发展及防水系统破坏程度等，均能查视，及时处理。

2. 注浆材料的选用加强，比传统的水泥砂浆更具和易性、流动性，耐水耐潮湿，固化后不会因溶剂挥发后而收缩，固化率达95％，有一定的韧性，早期强度高。

3. 新旧混凝土接合面的处理方式中，采用倒梯形的楔形口，涂刷水泥基渗透结晶型防水涂料和止水条，对比一般凿毛和涂混凝土界面剂而言，使结合面更稳定，更不易漏水。

4. 整治彻底，效果优良，各类防护精准及时，受力稳定，整个过程不留二次隐患，后期验收便捷，有效满足了营业线隧道整治要求高、难度大、工期紧等特点。

5 结束语

综上所述，衬砌空洞作为隧道病害类型中较为突出、典型的病害，其处理方法是关键，故根据空洞状态演变和风险等级递增，采取多种互补措施相结合，以解决单一性的弊端，发挥重要支撑作用。实践证明，所采用的措施达到了预期效果，稳定性良好，从而验证了空洞整治的必要性和可行性。

[1]郭建强,贺清.《高速铁路隧道二次衬砌空洞整治与预防》[J];交通世界;2019

[2]张锦浩.《隧道二次衬砌空洞整治施工技术》[J];建材与装饰;2016

[3]江炳辉,邓鹏飞,刘寅禹.《隧道衬砌背后空洞破坏机理及防治措施研究》[A];公路与汽运;2014

[4]孙春雷.《铁路隧道二次衬砌施工技术及常见问题处理方法分析》[J];建筑技术开发;2018

[5]雷科. 铁路隧道二衬空响,不密实与空洞的成因及其处理技术探究[J]. 绿色环保建材, 2020