秀宁隧道衬砌劣化病害整治施工技术研究

田伟权

(中铁十六局集团第三工程有限公司,浙江 湖州 313000)

1 概 述

随着我国西部大开发战略的持续深化,西部地区的铁路交通建设也有了前所未有的发展,尤其是在铁路隧道方面。如今的中国铁路隧道约有半数以上分布在云、贵、川、陕4省,其中连接云、川两省的成昆铁路中隧道总延长共342 km,占线路总长1 096 km的31.2%。成昆铁路在建设期间,面临着环境工况复杂、隧道工程量多、技术难度大等特点,同时受限于当时勘察手段少、设计标准不高、施工工艺水平较低以及水文地质的差异,线路内一些隧道在运营期间出现了衬砌结构的劣化病害,类型多见于衬砌空洞、开裂、掉块以及渗漏水等,影响和威胁着铁路运输的安全、舒适和稳定,降低了铁路干线原有设计的运营级别,造成了无形的经济损失。

尽管现在工程行业中针对混凝土劣化病害的研究很多,但对既有隧道衬砌混凝土病害整治的研究却并不多见,而且既有铁路隧道多属正常运营线路,所以其病害整治的研究除了消除缺陷外还要保证施工过程的快速和安全。因此,开展以隧道衬砌病害消缺为主要研究内容,以消缺过程的快速、安全为重要研究方向的既有运营铁路隧道衬砌劣化病害整治施工技术的研究是很有必要的。

2 工程概况

秀宁隧道是改建铁路成昆线广通至昆明段扩能改造工程中最长的隧道和重点控制性工程,起讫里程DK1013+153～DK1026+340,全长13 187 m,最大埋深535 m,类型为铁路双线隧道。隧道位于云南省楚雄自治州禄丰县禄裱镇庄科村附近。隧道工程地质极为复杂,共穿越8条断层、3处向斜、2处背斜,穿越3大富水区,存在着断层破碎带、岩溶富水区、瓦斯及有害气体、软岩变形、滑坡、涌水等不良地质,其中单日最大涌水量更是高达14万 m3。这不仅给隧道贯通施工带来了非常大的技术难题,同时在隧道建成通车后依旧影响着隧道的使用安全和稳定。

秀宁隧道于2007年10月28日正式开挖建设,于2013年3月30日全隧开挖贯通,并于同年12月27日正式通车。2016年12月至2018年1月,当地路局工务段采用强光手电照射观察、器具敲击等检测形式对秀宁隧道进行全覆盖的安全质量隐患排查,共发现隧道衬砌劣化病害4 972个,其中A+类(极严重)问题12个,A类(严重)问题71个,全隧道施工缝开裂、翘壳、掉块病害1 089处,其他一般问题3 800个,过程中并未发现衬砌因劣化而产生较大的变形或位移现象,与原竣工资料或设计无较大偏差。所以当地路局对隐患总结研究后,决定由原施工单位在2个月之内重新安排管理施工力量进驻现场进行秀宁隧道缺陷整治施工,并提供两个天窗时间：下午12∶30～16∶30垂停(双线停运),晚上20∶00～次日凌晨4∶00 V停(单线停运)。对于施工单位而言,该整治任务安排有着工程量大、施工组织困难、天窗时间利用效率低、工期形势异常严峻等特点,必须制订严密的施工组织和科学高效的施工方法。

3 隧道衬砌病害类型及其成因

根据现场排查情况,并结合相关文献资料对隧道病害分类的有关统计和规定,秀宁隧道衬砌劣化缺陷主要包括3种表现类型：

3.1 衬砌背后脱空

隧道背后脱空病害的发生主要见于隧道拱顶,也会发生在侧壁拱腰等部位。主要是由于施工工艺不科学以及施工过程控制不严谨等原因造成,如：1)隧道超挖回填施工不规范；2)衬砌施工中拱顶处混凝土灌注欠饱满,振捣不够密实；3)由于混凝土泵送压力损失,隧道坡度等原因造成衬砌局部空洞；4)混凝土配合比不科学,水灰比偏大,导致工后收缩变形[1]。

3.2 衬砌裂损

隧道衬砌裂损的现场主要表现为衬砌混凝土裂缝、衬砌掉块、施工缝抹面层开裂等。其中衬砌裂缝最为常见,衬砌裂缝一般按走向和与隧道轴线的相互关系,分为纵向、环向以及斜向裂缝。隧道衬砌裂损情况见图1。

图1 隧道衬砌裂缝

3.3 衬砌渗漏水

隧道衬砌渗漏水是隧道工程中最为多发的病害类型,根据渗漏水的流量和发生部位,通常分为点漏、缝漏(渗)、面漏(渗)以及湿渍等。隧道衬砌渗漏水的发生是由主客观两个方面相互作用的结果：客观上是由于隧道穿越富水区,并改变了水体流态,导致水体易往隧道自由面汇集流动；主观上是由于隧道设计与施工不当,例如在勘察设计上对隧道穿越地层的地下水情况所作调查研究不足,导致隧道防排水设计未满足实际需求；施工上存在混凝土衬砌施工质量差，防水层施工控制不足,以及混凝土施工缝、沉降缝等接缝处理不当等。隧道衬砌渗漏水情况见图2。

图2 衬砌渗漏水

4 隧道衬砌病害整治工艺及施工方法

4.1 衬砌脱空整治技术

根据秀宁隧道病害问题库显示,并结合现场复核,秀宁隧道衬砌脱空病害主要是由于二衬与初支之间的局部不连续所导致。于是决定对衬砌背后脱空病害采用速凝水泥砂浆进行二次衬砌背后注浆的方式进行填充补偿,见图3。其施工工艺流程为：确定缺陷参数→凿眼、钻孔→埋管、堵缝→制浆→注浆→检查→清理现场。

图3 二次衬砌背后注浆处治图

主要施工要点为：

1)脱空区域参数核对 在病害整治施工前,须安排技术人员对照已有问题库清单找到相应病害具体位置,利用铁锤、钢管等器具对标注空洞处进行敲击检查,必要时利用手持电钻钻孔进行脱空核对,以明确现场空洞的厚度、面积等参数。以便在有限的垂停时间内开展施工,不至于盲目施工,耽误施工时效[2]。

2)凿眼、钻孔 对衬砌脱空的注浆处治要求钻孔数量不少于2个有效孔,其布孔规则应满足在隧道环向上,注浆孔布置在空洞区域的较低处,排浆孔布置在较高处；在隧道轴向上考虑隧道纵坡的影响,应将注浆孔布置于脱空区域的下坡处,排浆孔布置于上坡处。

3)埋管、堵缝 按要求钻孔完成后埋设φ32镀锌注浆钢管,注浆钢管与孔洞端头缝隙采用膨胀水泥砂浆进行封堵。使用环氧树脂进行注浆时,如果在空洞区域周围存在衬砌裂缝或施工缝的,应对其先做处理或封堵,以免发生跑浆。

4)注浆 压力应控制在0.2～0.5 MPa,注浆过程要尽量一次性完成,避免中途停顿。当发现排浆孔开始出浆后,调小注浆压力至0.2 MPa,直至排浆孔再无空气排出并出浆均匀,随后关闭出浆孔阀门稳压后慢注3 min即可停止注浆。待注浆材料终凝后,采用砂轮机切割打磨外露钢管后进行防锈处理。

5)检查 在施工过程中现场技术人员应进行完整的注浆记录,以供注浆后分析判断注浆效果,必要时,钻检查孔进行注浆效果检查。注浆施工确认无误后,在注浆管处凿出100 mm×100 mm×80 mm的楔形孔,将孔清洗干净后使用φ4钢筋进行植筋并采用膨胀水泥浆封堵注浆孔。

4.2 衬砌裂损整治技术

在秀宁隧道的衬砌裂损病害中,主要是衬砌裂缝、衬砌掉块和施工缝抹面层开裂,其中后两者的处理方式较为简单,主要为人工或者风镐凿除松动,并配以角磨机打磨,再刷防炭化层收面即可。对于衬砌裂缝,其处治需要结合裂缝的成因、形态以及部位等情况,分类选择表面封闭法或者低压针筒注浆法进行处治[3]。

4.2.1 表面封闭法

裂缝宽度b<0.5 mm的细微裂缝,对衬砌的承载能力影响较小,可直接采用表面封闭法进行处治,工序流程为：裂缝表面清理→封闭裂缝→修面,整治方法见图4。主要工艺为：

1)使用钢刷或者小型角磨机将混凝土表面打毛,清除混凝土表面松散及附着物。

2)拌制环氧树脂,并用细毛刷或粉刷滚筒刷抹裂缝表面,利用裂缝毛细作用吸收修补胶液,达到封闭裂缝的效果。

3)待环氧树脂固结并发挥封闭作用后,使用水泥基刷补混凝土表面,使其颜色与周围衬砌混凝土颜色一致。

图4 衬砌裂缝(b<0.5 mm)表面封闭法处治剖面图

4.2.2 低压针筒注浆法

对于裂缝宽度0.5≤b<5 mm的一般裂缝,采用低压针筒注浆法进行处治,主要注浆材料为环氧树脂。

低压针筒注浆法是一种不需要使用空压机、手压泵等配套设备,无需外接能源的裂缝修补技术,施工器具仅由注浆嘴、注浆帽和注浆管组成,具有操作简便、施工快捷、费用经济、渗透性好、效果可靠等优点,非常适合功效要求高、修补工程量大的既有运营铁路隧道衬砌裂缝的修补施工。工序流程为：裂缝表面清理→埋设注浆嘴→封缝并检查密封性→制浆→注浆→清理表面,整治方法见图5。其主要工艺为：

1)清理裂缝表面松散及附着物,并用风枪对吹裂缝以清除内部的粉尘、浮渣；

2)使用封口胶将注浆嘴骑缝粘接固定在混凝土裂缝表面,间距以250 mm为宜；

3)拌制微膨胀速凝水泥浆,沿裂缝的全长涂抹进行封缝处理；

4)配置环氧树脂并注入注浆管,安装注浆帽、连接注浆管即可实现环氧树脂的自动注入；

图5 衬砌裂缝(0.5≤b<5 mm)化学注浆法处治图

5)待注入裂缝的环氧树脂固化后,拆除注射筒,清理注浆嘴,用砂纸或砂轮整平混凝土表面。

4.3 衬砌渗漏水整治技术

隧道渗漏水治理原则为：拱部堵排结合,综合治理；边墙以排为主,局部水量大的区域堵排结合；先拱后墙,先堵后排,循序进行[4]。根据秀宁隧道衬砌渗漏水病害问题库反馈及现场调查结果,其渗漏水形式可分为点漏、缝漏(渗)、面漏(渗)以及湿渍,不同的渗漏形式和渗漏部位决定了不同的方案设计,具体整治方案见表1。

表1 秀宁隧道衬砌渗漏水整治技术方案

5 既有线隧道衬砌病害整治施工台架

既有运营铁路线隧道衬砌病害的施工整治,存在着施工作业时间短、施工高度较高导致安全风险大及施工困难等问题,所以在保证病害整治方案的科学实用之外,再有一个具有安全可靠、安拆快捷、经济实用的施工台架,将大幅度地提高既有铁路线隧道病害整治施工的安全、质量和效率。

秀宁隧道病害整治项目部针对隧道衬砌病害整治的作业环境,设计制作了一种专用的隧道衬砌病害整治施工台架。该作业台架具有结构简单、拆装方便、移动快捷、安全可靠、实用性强、有效加快施工进度等优点,在秀宁隧道的病害整治实际应用中,尤其是在两条回流线之间的拱顶区域的施工中,实现了拓展作业范围,大幅提高作业效率等积极作用。施工台架结构图见图6。

图6 隧道衬砌病害处治施工台架立面图

6 结 语

本文结合既有铁路运营线广昆铁路的秀宁隧道病害整治施工技术为研究背景,分别对衬砌背后脱空、衬砌裂损以及衬砌渗漏水等常见铁路隧道病害整治技术进行了研究,分析了病害成因,以快捷、可靠为原则提出了不同类型的整治方案。与此同时,还针对隧道病害整治的复杂性特点设计了配套的施工作业台架。为提高既有铁路线隧道病害整治的效率和质量提供了有效的技术理论支持,对今后同类型隧道病害整治施工具有一定的借鉴作用。