铁路隧道衬砌脱空病害整治新材料及新工艺的应用研究

张洪宾

中铁十五局一公司 云南西双版纳 666399

1 隧道衬砌脱空病害

隧道衬砌脱空是比较严重的病害之一，由于受到地质、人为和技术3方面综合因素影响，导致了隧道二次衬砌脱空病害的出现。脱空区的存在将严重影响隧道衬砌结构的承载力，导致衬砌结构承载不均匀而产生应力集中现象，致使二次衬砌极易开裂。二衬开裂将进一步引起渗漏水、冻害和钢筋锈蚀等一系列危害，还可能诱发围岩松弛或失稳脱落。严重时会发生突发性崩塌事故，使得隧道的维修保养周期和使用寿命显著缩短，并对交通运营质量和人员生命安全构成严重威胁。针对衬砌脱空病害，施工单位仍大多采用钻孔、预埋注浆管（钢管或PVC管）、回填注入水泥浆（水泥砂浆）的传统方式进行病害整治，施工效率低下、施工工序繁琐。注入的水泥浆体后期收缩率增大，导致砂浆层与衬砌混凝土脱离，对衬砌结构稳定起不到促进作用，反而增大了结构的自重荷载。基于传统注浆材料与注浆工艺存在的问题，对回填注浆材料与注浆工艺进行优化创新。采用新型注浆材料及配套注浆工艺，提高注浆材料与衬砌混凝土协同工作能力，减少施工间隔时间，提高施工效率。本注浆工艺已在沪昆高速铁路开展应用，并取得显著效果。

2 施工材料

2.1 注浆材料

传统隧道衬砌脱空病害整治注浆材料多为水泥浆或水泥-水玻璃双浆液，水料比控制在0.50-0.75，通过低压注浆方式对脱空区进行回填注浆，注浆时水泥浆体填满脱空区域后，即可封闭注浆孔完成注浆。通过现场钻芯取样检测结果发现：传统注浆工艺施工的水泥浆体由于收缩率较大，在凝结硬化后与衬砌混凝土和上层防水板脱离，在隧道衬砌结构上形成了“两层皮”现象。传统注浆材料不仅不能提高衬砌结构稳定性，反而增大了衬砌自重，对隧道衬砌结构稳定性和运行安全性起到不利影响。为提高衬砌脱空病害整治效果，注浆材料需满足以下几点要求：①注浆材料浆体应具有良好的流动性和工作性，保证浆体可填充防水板与衬砌混凝土间细微空隙。②注浆材料应具有足够的强度。③注浆材料应具有微膨胀效应，在凝结硬化后体积稳定性良好。④注浆材料应与混凝土具有良好的结合强度。针对传统注浆材料存在的缺陷，研制新型微膨胀注浆材料，新材料是由普通水泥、石英砂、膨胀剂、聚合物等组成，具有流动性大、早期强度高、与衬砌混凝土黏结性能好、体积微膨胀等优点。

2.2 封堵材料

注浆完成后，需对注浆孔及观察孔进行封堵，封堵材料质量的好坏将直接影响后续车辆运行安全。新工艺采用快速封堵材料（由普通水泥、石英砂、膨胀剂、聚合物等组成），该种材料具有凝结时间快、强度高、抗渗性能好等优点，且具有硬化后体积微膨胀效应，用于封堵注浆孔效果良好。

3 施工工艺

新型注浆工艺在传统注浆工艺基础上，采用微膨胀注浆材料，通过膨胀注浆杆取代钢管或PVC管，制浆注浆一体机制备流动度良好浆体，在设定注浆压力下进行注浆施工，注浆完成后采用快速封堵材料封闭注浆孔，施工完成后注浆材料与混凝土结合情况良好。施工注意事项：（1）钻孔。同一脱空区至少钻孔2个（1个为注浆孔，1个为观察孔），注浆孔直径宜为40-50mm。（2）注浆杆安装。根据脱空区深度选择合适的连接套杆，注浆嘴上部抵至防水板，同时确保注浆杆膨胀部分全部没入注浆孔内。使用高压注浆机进行打压，当注浆杆与二衬混凝土完全填充后开始注浆，注浆压力保持在0.4-0.6MPa，不得高压注浆。在注浆过程中应严格监控注浆压力，当观察孔出现浆液流出后，即可封闭注浆观察口，然后采用0.3-0.5MPa压力继续注浆1-2min，以确保脱空区注满浆液。（3）注浆结束后，待注浆料达到初凝状态时即可拆除注浆杆（时间约为1.5-2h）。拆除注浆杆时仅打开注水阀即可取下。

4 工程应用

2017年7月于某新建高速铁路客专隧道进行新材料和新工艺现场注浆试验。选取Ⅱ级衬砌脱空区（衬砌厚度为设计厚度的50%-80%），脱空区面积1.2m×1.0m，现场使用水钻在脱空区中部与边缘处各取孔1个。微膨胀注浆材料采用制浆注浆一体机进行制备，水料比为0.19，注浆压力为0.6MPa。脱空区注浆时间为32min，经检测注浆后衬砌厚度为45cm，满足衬砌厚度设计要求。养护28d后现场钻芯取样检测注浆料与混凝土结合强度。注浆料与混凝土黏结强度为1.62MPa，满足《高速铁路无砟轨道线路维修规划》TG/GW115-2012）要求。

5 结语

微膨胀注浆材料具有良好的流动性，较高的抗压强度和抗折强度，与混凝土黏结强度高，现场使用情况良好。隧道衬砌脱空病害整治工艺改变传统注浆方式，使用注浆杆代替预埋钢管或PVC管，施工效率高，节约施工成本，减少隧道运营阶段安全隐患。从现场应用情况来看，使用微膨胀注浆材料和新工艺进行病害整治，经检测注浆材料与混凝土黏结强度为1.62MPa，衬砌厚度为45cm，满足相关技术标准和设计要求。