隧道衬砌逐层逐窗浇筑及带模注浆技术的应用

张 华

(中铁十二局集团有限公司， 山西 太原 030000)

隧道衬砌逐层逐窗浇筑及带模注浆技术的应用

张 华

(中铁十二局集团有限公司， 山西 太原 030000)

为了解决隧道衬砌拱顶脱空及混凝土厚度不足等质量问题，从工艺原理、工艺特点和操作要点等方面介绍衬砌逐层逐窗浇筑及带模注浆技术。通过在蒙华铁路万荣隧道进行现场应用，发现采用衬砌逐层逐窗浇筑及带模注浆技术浇筑的混凝土饱满、密实，能有效解决拱顶衬砌厚度不足及脱空问题，在很大程度上提高衬砌的整体性。最后，从拱顶衬砌质量和注浆施工工序对带模注浆及回填注浆工艺进行对比。

隧道； 衬砌混凝土； 台车改造； 逐层逐窗浇筑； 拱顶脱空； 带模注浆； RPC管

0 引言

随着国家对建设方面的大量投入，工程建设水平不断提高，发展速度也不断加快，隧道在铁路、公路和水利水电工程中所占的比例越来越大。二次衬砌作为隧道的一种重要支护方式，在隧道开挖并进行支护后，需要尽快修筑，以防止因围岩裸露时间过长而引起风化、松动和塌落的发生[1]。

自2010年以来，隧道衬砌质量问题日益突出，先后有多条铁路隧道出现拱部开裂掉块、修补脱落、敲击空响、渗漏水凿槽修补脱落和涌水等病害，这些问题的存在，极可能造成衬砌荷载增大、围岩松弛增加，加剧地表下沉，严重威胁行车安全。部分线路在静态验收时，因隧道质量问题严重推迟开通，对运营和安全造成了严重影响，经济损失巨大。分析各种不同的围岩类型及隧道传统衬砌[2-3]施工中的主要病害，其产生的主要原因是衬砌厚度不足、空洞及衬砌背后不密实，即拱顶混凝土灌注工艺与预判无方法或标准。

针对这个现状，非常需要研究一项更有效的工艺来解决隧道衬砌拱顶的脱空问题，增强隧道衬砌的稳定性，提高隧道施工质量[4-5]。在2016年，一种可带模注浆的新型铁路隧道衬砌台车出现在隧道衬砌施工中[6-7]，通过使用该衬砌台车进行逐层逐窗灌注混凝土[8-9]，同时进行带模注浆[10-11]作业，有效解决了传统二次衬砌空洞缺陷性整治难的问题，极大地提高了隧道衬砌质量。

在蒙华铁路万荣隧道衬砌施工中，采用了衬砌逐层逐窗浇筑及带模注浆技术。以往传统的注浆工艺多采用纵向注浆，但纵向注浆管操作复杂，实用性差，注浆效果也并不理想。而在这项施工工艺中，带模注浆管既可以当作混凝土浇筑的观察孔，还可作为注浆排气孔、注浆孔和溢浆孔，一孔多用，操作简单，在简化传统注浆工艺的同时，大大提高了注浆质量。通过现场实际应用，发现在衬砌施工中采用逐层逐窗入模浇筑混凝土及对衬砌进行带模注浆，可以有效避免后期脱空的问题，避免注浆的“两层皮”现象，能够对各种原因造成的衬砌厚度不足进行及时补救，并对拱顶衬砌施工冷缝以及环向施工缝进行及时修复，以期为今后隧道的安全运营提供可靠保证。

1 隧道衬砌逐层逐窗浇筑技术

1.1 工艺原理

通过主料斗、主溜槽、“三通”分流槽、分流串筒和入窗溜槽结合的方式，简单操作相应的插板阀门，使混凝土流向各工作窗口，实现二次衬砌拱墙混凝土的逐窗进料浇筑。

1.2 工艺特点

1)实现了衬砌边墙混凝土逐层逐窗入模，有效避免了混凝土离析、骨料堆积、产生“人”字坡冷缝等弊端；提升了衬砌边墙混凝土浇筑的实体质量和外观质量。

2)减少了边墙浇筑换管工序，降低了劳动强度，节约了浇筑时间。

3)滑槽体系经济适用，一次安装重复使用，现场操作简单便捷，一线工人易于接受。

4)滑槽体系采用人性化设计，作业通道畅通有序，安全性高。

1.3 操作要点

1.3.1 衬砌台车滑槽布置

料斗、溜槽和串筒均采用3 mm钢板制作。滑槽装置分3级，第1级为主料斗，第2级为分料斗，第3级为分流串筒，均通过入窗溜槽方式，实现对左、右各3层共计18个窗口的均匀供料。台车混凝土分流串筒布置见图1。

图1 台车混凝土分流串筒布置示意图

1.3.2 混凝土浇筑

1)为满足带模注浆需要及判断拱顶混凝土是否饱满，需埋设注浆管。注浆管必须在浇筑混凝土前安装,注浆管埋设完毕，即可开始浇筑混凝土。具体浇筑步骤为： 浇筑第1层窗口—关闭分流串筒1层阀门，浇筑第2层窗口—浇筑第3层窗口—泵管接入拱顶灌注口，进行冲顶施工。

2)混凝土浇筑时，通过输送泵将混凝土泵入台车顶主料斗，通过各级插板阀门，使混凝土经主滑槽、“三通”分流槽、分流串筒和入窗溜槽，导流至各相应工装窗口，左右两侧混凝土面高差不得超过1.0 m，前后高差不得超过0.5 m，实现混凝土由下而上、逐窗入模分层浇筑的目的。

3)浇筑拱顶混凝土时，通过观察4个出浆口以及监控摄像头，看混凝土是否浇筑到拱顶，注意观察预埋管是否出浆，必要时辅以钝头圆钢筋确定管内出浆情况，以确定混凝土是否达到注浆管出浆口位置。各注浆孔出浆以及端模混凝土饱满后，认为混凝土基本完成冲顶。

4)拱顶混凝土浇筑完毕，及时对注浆口进行清理，避免注浆管堵塞。

2 隧道衬砌带模注浆技术

2.1 工艺原理

通过对衬砌台车进行改造，在衬砌台车模板中心线位置沿台车纵向方向设置一定数量的注浆孔，并安装注浆用固定法兰，在浇筑混凝土前预埋活性粉末混凝土(RPC)注浆管，混凝土浇筑结束后及时从预埋注浆管处进行注浆。

2.2 工艺特点

1)通过简化预埋管及注浆施工工艺、改进注浆工装及衬砌微膨胀注浆结合料，将衬砌拱顶浇筑的隐蔽工程转化为“可见”工程，预防衬砌拱顶缺陷，避免因衬砌厚度不足进行二次回填注浆或破除重建。

2)微膨胀注浆结合料具有修复施工间隙缝、冷缝及混凝土不密实、缺棱掉角等缺陷的作用；通过浆体的渗透堵塞防水板破损，形成“蘑菇”型栓塞，具有堵水功能，减少拱顶部位的渗漏。

3)采用隧道衬砌专用注浆机注浆，该设备集注浆、储浆、压浆多功能为一体，且具有较高的注浆压力，可充分克服低水料比浆体的管道阻力和浆液垂直输送的阻力。

4)利用衬砌台车的支撑，混凝土浇筑完及时注浆。施工时间段，不影响其他工序。

5)统计每环衬砌注浆量，实施过程管理和考核，倒逼施工班组提高衬砌灌注质量。

2.3 操作要点

2.3.1 衬砌台车

2.3.1.1 注浆孔布置

1)在衬砌台车顶模上开孔，按照台车长度设计注浆孔数量，9～12 m台车不少于4个注浆孔。注浆孔孔径为40 mm，沿衬砌台车拱顶中心线开设。如果衬砌中有钢筋网时可适当增加注浆孔数量。

2)12 m台车注浆孔位置布置见图2，主注浆孔距离侧端模为60～100 cm。

3)端模排气孔(也作为注浆孔)距端模边缘100～150 cm。中间排气孔(注浆孔)安置在混凝土灌注口之间平均分布。在初始设计注浆孔位置时，当设计位置与台车钢梁位置有冲突时，可将注浆孔位置进行适当调整。

图2 台车注浆孔纵断面布置示意图(单位： cm)

Fig. 2 Sketch of longitudinal profile of layout of grouting holes in trolley(unit: cm)

2.3.1.2 注浆管定位法兰及固定管

注浆管定位法兰同固定法兰规格，厚度10 mm，外径120 mm，内径40 mm，定位法兰焊接RPC注浆管用套管，套管长度50 mm，内径38 mm。定位法兰采用四周满焊的方式焊接在开孔位置。

2.3.1.3 注浆管安装

从固定法兰处垂直穿入RPC注浆管，上端顶住防水板，以实际深度+2 cm为标准长度，裁切RPC管多余长度，并在穿入衬砌RPC管顶端管口切割“十”字溢流槽，深度0.5 cm，宽度为0.3 cm。将注浆管溢流槽端插入固定法兰，用螺栓拧紧。依次安装其他注浆口处的RPC注浆管，并做好相关记录。具体安装步骤如下： 备好端头带有“+”槽的RPC注浆管—台车顶部预留螺栓(首次安装)—采用注浆管量测二次衬砌模板与防水板之间的距离—量测后对注浆管做好标识—根据标识进行切割(长度为标识长度+2 cm)—安装切割后的RPC注浆管—RPC注浆管安装后，安装法兰固定RPC注浆管—注浆时从上至下依次连接变径接头、压力表及注浆软管。

2.3.2 施工工艺流程及操作要点

2.3.2.1 施工工艺流程

带模注浆施工工艺流程见图3。

图3 带模注浆施工流程图

2.3.2.2 操作要点

一般在混凝土灌注结束1～2 h后，开始带模注浆。

1)注浆过程。对1#主注浆孔进行注浆，控制水料质量比为0.18，当2#注浆孔出浆或压力表读数超过1.0 MPa时停止注浆，依次对2#、3#注浆孔进行注浆，当二次衬砌端模处出浆时，结束注浆。4#注浆孔为备用，根据出浆情况选择使用。

2)操作要点。①注浆顺序由主注浆孔向端模注浆孔依次进行注浆。②每一个注浆孔均需注浆，但在注浆过程中进行其他孔注浆时未注浆的注浆孔流出达到相同密度的浆体时，该孔可以封闭，不进行注浆。③注浆结束标志以排气孔和端头模板流出浓浆即结束注浆。若台车模板处出浆压力达到1.0 MPa，仍未出浓浆，应更换注浆孔注浆，直至端模排气孔流出浓浆时停止注浆。RPC注浆管内须饱满，注浆完毕更换注浆连接件时应及时封堵RPC注浆管。④记录注浆总量、注浆开始时间和结束时间。

3)管路清洗。注浆结束后关闭止浆阀门，卸下注浆机软管及注浆管件，及时封堵RPC注浆管，用清水反复冲洗注浆设备，保障管路畅通。

待衬砌混凝土强度达到8.0 MPa后，敲除外露RPC注浆管，台车脱模前行，进入下一循环施工工序。

2.3.3 材料及设备

1)注浆管材料。由普通硅酸盐水泥、硅砂、矿物掺和料、聚羧酸减水剂、高强钢丝网(steel mesh)和其他助剂[12]等经过高温热合等特定工艺条件生产出来的水泥基复合材料。RPC注浆管材料性能指标见表1。

表1 RPC注浆管材料性能指标

2)注浆材料。注浆采用高流动性微膨胀注浆材料，由普通硅酸盐水泥、超细掺和料、聚羧酸减水剂、微膨胀剂和硅砂等[13]为主要成分，经均匀复合而成的，具有微膨胀性能、良好的流动性和泵送性，与衬砌混凝土具有良好的结合性能，对混凝土具有修复作用，性能指标见表2。浆液要求连续拌制，拌制过程中严格监控材料用量，确保浆液的质量。

表2 充填砂浆性能指标

3)注浆机具。制浆及注浆设备宜采用制浆注浆一体机，制浆、储浆及注浆一体化，施工速度快，使用方便。实践中，管道及垂直输送阻力达2.0 MPa。

制浆部分采用立式双层搅拌机，上层为搅拌桶，下层为储料桶。搅拌速率为50～72 r/min，搅拌桶容量为200 L，储料桶容量为200～400 L。搅拌桶表面有过滤筛及振动下料电机。

注浆部分宜采用活塞式压浆机，电机功率不低于6 kW，注浆活塞可承受压力不低于5.0 MPa。等效垂直输送距离不低于40 m。

2.3.4 带模注浆工艺注意事项

1)混凝土灌注前，分析注浆管预埋长度，通过每循环预埋的4根注浆管长度，基本判断衬砌的平整度、超欠挖情况。尤其对预埋管长度明显小于设计厚度的，需要退出台车，拆除防水板，对支护重新处理，避免留下隐患。

2)混凝土灌注过程中，观察注浆管的出浆情况。原则上要求每根注浆管能够出浆，在此种情况下，能够保证拱顶混凝土饱满，无质量缺陷，注浆量小。对支护不平整的情况，也应确保1～2根注浆管出浆，尤其是远端的注浆管出浆。

3)混凝土灌注后，对带模注浆量进行及时分析。每12 m衬砌拱顶注浆量0.5～1 m3(根据围岩等级不同，空隙体积0.5～1 m3)。

4)在支护平整度满足要求的情况下，如果注浆材料超过正常用量过大，须及时分析原因，调整下一循环衬砌混凝土配合比、浇筑工艺，提高衬砌混凝土浇筑质量。

5)由于支护不平整，端头模板易漏浆，如果端头模板低位漏浆，易造成无法保压和拱顶充满，因此，应对端头模板采取封闭措施，如放置弧形防漏的防水板或防水布[14]等。

6)注浆设备为高压注浆机，其压力远高于常规的水泥浆回填注浆机，因此内部活塞部分精密程度较高，清理不干净易堵塞，应由专人负责清理。

3 工程应用

3.1 项目概况

万荣隧道全长7 683 m，设计为单洞双线。主要工程地质为砂质新黄土、砂质老黄土和粉细砂，Ⅴ、Ⅵ级围岩占97.7%。地表村庄、道路、果林、黄河灌溉渠密布，最大埋深90 m。隧道地层为砂质新黄土、砂质老黄土、粉砂和细砂。地表水不发育，地下水位埋深 300 m 左右。地表沟壑纵横，起伏变化较大。粉细砂层施工地段，极易发生流砂、涌砂，施工安全风险极高，是制约工期的最大风险源，被蒙华铁路列为Ⅰ级高风险及重难点工程。全隧暗洞支护采用Ⅴb土复合式衬砌结构，衬砌厚度50 cm。图4为Vb土支护结构图。

图4 Vb土支护结构图(单位： cm)

3.2 逐层逐窗浇筑及带模注浆技术的应用效果

目前，蒙华铁路万荣隧道已将隧道衬砌逐层逐窗浇筑及带模注浆工艺纳入工序管理，完成了160个循环的二次衬砌拱顶带模注浆，每循环衬砌长度11.9 m，全长 1 904 m，每循环平均注浆量为0.36 m3。

在注浆过程中，通过预埋径向RPC管，对拱顶衬砌厚度进行预判，观察灌注拱顶混凝土时RPC管口的溢浆情况；同时通过对拱顶衬砌混凝土灌注饱满度进行监控，统计每环注浆量判断拱顶混凝土灌注施工质量，形成倒逼机制，有效地提高了作业队的施工质量。避免了人为原因造成的衬砌质量不满足要求；在衬砌施工间隙注浆，不影响整体工期。

经第三方检测单位对已完成施工衬砌段落采取衬砌拱顶取芯、雷达扫描检测(见图5和图6)，实体质量合格。结果证明：

1)逐层逐窗浇筑及带模注浆技术所浇筑的混凝土饱满、密实，衬砌厚度满足设计要求。有效地解决了隧道衬砌拱顶混凝土厚度不足的问题，避免了拱顶脱空。

2)大大提高了衬砌整体稳定性，效果非常明显，极大地减小了隧道不良地质地段的风险。

图5 芯样

图6 拱顶检测波形图

4 带模注浆与回填注浆工艺对比

4.1 拱顶衬砌质量

1)带模注浆。可指导监控衬砌施工；预防衬砌脱空，解决衬砌厚度不足，形成整体的衬砌结构；修复愈合施工缝。

2)回填注浆[15]。 普通注浆液与原衬砌形成“两层皮”，不利于衬砌的整体性；通常一次无法饱满，需多次注浆；衬砌厚度严重不足时，需加固或重建。

4.2 注浆施工工序

1)带模注浆。衬砌施工完毕，利用衬砌台车及时注浆，每循环时间约2 h，不占用其他工序时间，采用本工艺浇筑1个循环衬砌混凝土需要8 h、8个工人。

2)回填注浆。衬砌混凝土达到100%设计强度后，须额外搭设脚手架，因预埋的PVC注浆管易堵塞，须重新钻孔，影响后续工序及施工进度。每循环衬砌混凝土需要12 h、7个工人。

5 结论与讨论

1)二次衬砌滑槽逐窗入模施工技术，减少了换管工序，降低了劳动强度，提高了工作效率。

2)带模注浆解决了衬砌拱顶脱空问题，并使注浆料与衬砌混凝土形成良好的受力整体，通过对注浆量量化考核，倒逼施工班组提高衬砌浇筑质量。带模注浆工艺将传统的隧道衬砌空洞缺陷由后期修补变为前期预防，早期“预防”式治理，及时纠正和改进，将“隐蔽”的“缺陷”工程变为“可见”的“可靠”工程。

3)带模注浆存在的缺陷： 由于注浆后浆液的收缩，拱顶可能还会出现微小的空隙，从而对衬砌的质量造成一定影响。

衬砌逐层逐窗浇筑技术及带模注浆技术作为一项新工艺，对比传统工艺已有了长足的进步。本文就蒙华铁路万荣隧道的实际应用得出的结论出发，在前人研究的基础上更系统化地对这项工艺的工艺特点、施工流程、操作要点以及应用效果等方面做了详细论述及总结。随着这一技术的不断成熟，必将会更多地应用于工程施工中，有效提高工程质量，为我国高铁隧道建设保驾护航。

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ApplicationofCastingLayerbyLayerandWindowbyWindowandGroutingThroughMoldtoTunnelLining

ZHANG Hua

(ChinaRailway12thBureauGroupCo.,Ltd.,Taiyuan030000,Shanxi,China)

During the casting of tunnel lining, the inadequate concrete thicknesses and crown top disengagements often occur. As a result, the technologies of lining casting layer by layer and window by window and grouting through mold used in Wanrong Tunnel on Menghua Railway are put forward in terms of working principle, characteristics and key operation points. The application results of the above-mentioned technologies show that the technologies used are feasible and efficient, which have improved the integrity of the lining. Finally, comparison is made between technology of grouting through mold and that of backfill grouting in terms of lining quality of crown top and grouting procedures.

tunnel; lining concrete; trolley renovation; casting layer by layer and window by window; crown top disengagement; grouting through mold; RPC tube

2017-07-17;

2017-10-20

张华(1980—)，男，山东日照人，2016年毕业于吉林大学，土木工程专业，本科，工程师，主要从事铁路隧道工程技术管理方面的工作。

E-mail： 276556248@qq.com。

10.3973/j.issn.2096-4498.2017.12.015

U 45

B

2096-4498(2017)12-1607-06