某运营铁路隧道拱顶衬砌背后长大空洞整治技术

2020-12-11樊永杰王立川张致心刘世强仇文革

铁道标准设计 2020年11期

樊永杰,龚伦,王立川,2,张致心,卢锋,刘世强,仇文革

(1.中国铁路成都局集团有限公司,成都 610081； 2.西南交通大学土木工程学院,成都 610031；3.交通隧道工程教育部重点实验室,成都 610031)

引言

衬砌背后空洞作为隧道常见病害之一，对隧道结构及列车运营安全极易造成较大影响，针对衬砌背后空洞及整治加固问题，不少专家学者对其做了研究。王立川、江炳辉等[1-9]建立模型计算分析了1～3 m范围脱空对结构承载能力的影响及衬砌结构内力的变化，并给出回填注浆、锚杆加固、内表面补强或内衬等通用措施，提出综合整治原则；聂子云、余东洋等[10-15]结合工程实例，按岩块松弛程度、衬砌劣化程度、裂缝及变形、是否渗漏水等条件提出空洞背后风险分级标准，采取多种补强措施互相结合的方式对空洞病害进行治理；许多学者[16-19]也相继改善了防治措施，如改进注浆技术的带膜注浆法、回填注浆法、留孔回填注浆法，改进衬砌加固的凿除缺陷部位重新浇筑混凝土衬砌结构的一整套技术、预制拼装波纹板的加固技术等。

可以看出，目前针对整治衬砌脱空病害的研究主要集中在针对小段落空洞及对传统方法的改进上，可归为回填注浆和套衬加固两大类，而新材料、新方法在衬砌背后大型空洞病害的整治加固上较少体现。本文依托西南地区某运营动车隧道拱顶衬砌背后长段落大型空洞整治工程，开展轻质充填型加固技术研究，以确保整治措施的有效性、安全性和可操作性。

1 工程概况

1.1 衬砌背后大型空洞

经查该依托铁路隧道在改建过程中未对线路高程调整及超挖等形成的空洞进行及时回填，而形成了该隧道拱顶衬砌背后长段落大型空洞的施工质量问题，对该运营铁路线路存在一定安全运营隐患。经无损检测和钻孔三维扫描验证，该隧道拱顶衬砌背后有23段(共计475 m)存在不同程度的空洞，其中大型空洞见图1。

钻孔三维激光扫描检测得洞身标1 248 m处空洞横剖面为6 m(横向宽度)×3 m(高度)[20]，见图2。

图2 洞身标高1 248 m处横剖面(单位:m)

由图1知，该隧道在运营约10年后，长段落大型空洞的顶部支护已开始失效，围岩松弛后开始有大量掉块。若发生足够大体量的坍塌，在冲击荷载的作用下，将砸坏拱部衬砌进而危及行车安全。

1.2 衬砌厚度情况

工务段对整座隧道拱顶沿纵向每5～20 m钻孔探测衬砌厚度和背后空洞，得衬砌厚度为16～126 cm(设计厚度为30 cm)、背后空洞0～347 cm，衬砌厚度及背后空洞沿纵向分布见图3。

图3 衬砌厚度及背后空洞纵向分布

2 整治措施的提出

2.1 整治思路

针对本隧道存在衬砌厚度不足和背后长段落大型空洞的实际情况，为避免在整治过程中对既有衬砌产生影响，需在对既有衬砌补强的基础上，采用轻质材料对衬砌背后大型空洞进行充填，以彻底消除缺陷和运营安全风险。

2.2 整治方案

针对衬砌厚度和背后空洞的调查结果，通过资料调研和工程类比，根据拱顶空洞的不同尺度，提出相应的整治方案如下。

(1)水泥浆充填

对于支护背后存在高度≯60 cm空洞：

①采用分层灌浆充填；

②若存在衬砌厚度小于70%设计厚度，则在衬砌表面植筋+网喷混凝土封闭进行结构补强，见图4、图5。

图4 拱顶空洞灌浆及结构补强示意

图5 拱顶空洞分层灌浆示意(单位：cm)

(2)PE球充填

正常情况下，PE球可正常使用50年左右，为惰性材料，具有卓越的耐腐蚀性能和高韧性，抗震性能优良，造价低，可大幅降低工程成本。

对于支护背后存在高度>60 cm空洞：

①采用开“天窗”后，先在空腔内填充直径10～20 cm的PE球；

②在“天窗”植入环向钢筋、网喷混凝土封闭；

③“天窗”四周衬砌表面植筋+网喷混凝土封闭，最后分层灌浆充填PE球间空隙；

④在衬砌厚度<70%设计厚度时，需先进行结构补强：若空洞高度<100 cm，在衬砌表面植筋+网喷混凝土封闭进行结构补强；若空洞高度≥100 cm，则在拱部衬砌外侧立模植筋后喷混凝土进行补强至70 cm；

⑤分层灌浆：当空洞高度≤160 cm时，分2次灌浆；当空洞高度>160 cm时不少于3次灌浆。分层灌注时需在前一层达到一定强度后，再灌注后一层水泥浆，见图6。

图6 拱顶大型空洞PE球充填设计

(3) 泡沫混凝土充填

对于支护背后存在高度>130 cm空洞：

①开“天窗”后，若拱部衬砌厚度小于70%设计厚度时，先立模植筋后喷混凝土进行补强，然后用泡沫混凝土预制成90 cm(长)×30 cm(宽)×30 cm(高)的长方体泡沫混凝土块砌筑；

②在“天窗”植入环向钢筋、网喷混凝土封闭；

③“天窗”四周衬砌表面植筋+网喷混凝土封闭，最后分层灌浆充填空隙，见图7。

图7 拱顶大型空洞泡沫混凝土充填设计

(4)PVC管充填

对于支护背后存在高度>130 cm空洞：

①开“天窗”后，若拱部衬砌厚度<70 cm，先立模植筋后喷混凝土进行补强，先人工将钢筋捆绑直径110 mm的PVC管(两端需封口，以免浆液灌入)，制成拱形作为第一层，然后在上面规则堆放PVC管直至空洞顶部，对于最后较小空隙，可改用直径为32 mm的PVC管；

②在“天窗”植入环向钢筋、网喷混凝土封闭；

③“天窗”四周衬砌表面植筋+网喷混凝土封闭，最后分层灌浆充填空隙，见图8。

图8 拱顶大型空洞PVC管充填设计

3 整治方案可靠性分析

3.1 计算模型及参数

(1)模型介绍

据隧道围岩级别和埋深，以地层-结构模式进行数值计算，按破损阶段法进行强度校核。地层和结构均采用实体单元模拟，不同空洞高度模型见图9。

图9 计算模型(单位:m)

(2) 计算参数

为避免重复及累赘，文中只列出适用范围最广的PE球充填整治措施。围岩和支护材料参数根据实测或规范选取，详见表1。

表1 计算材料参数

(3)计算工况

根据钻孔调查的衬砌厚度及其背后空洞探测结果，确定计算工况见表2。

表2 计算工况

针对每个工况，根据分层充填状态的不同，进行各层充填浆液未达、达到强度分阶段考察。

(4)计算荷载

除自重荷载外，将刚灌注未凝固的水泥浆按最不利情况进行计算，即假设为流体状进行计算。回填浆液未凝固状态时的荷载见表3。

表3 计算荷载

3.2 计算结果分析

(1)结构内力计算结果

工况4的空腔最大，为最危险工况，此处仅列出该工况整治前、第1层注浆未固结、第3层注浆未固结状态的内力计算结果，见图10～图12。

图10 整治前二次衬砌内力

图11 第1层注浆未固结时二次衬砌内力

图12 第3层注浆未固结时二次衬砌内力

(2)各工况下施工状态的安全系数

分析得4种工况在不同状态下隧道各特征部位的安全系数，详见表4。

表4 各状态时隧道安全系数

工况1～工况3最小安全系数为4.5～4.8(满足规范要求)，工况4除在结构未补强及补强后的安全系数分别为3.4，3.5(不满足规范要求，但满足>1.0的承载能力要求)，其余状态均≥3.6，满足规范要求。

3.3 方案可靠性评价

综合分析表4所列安全系数，得到PE球整治方案的可靠性评价如下。

(1)结构补强后，隧道的安全系数逐渐增大。

(2)随回填注浆的不断进行，隧道的安全系数不断增大。

(3)随空腔的回填密实，彻底消除了冲击荷载破坏隧道结构、甚至危及行车安全的风险。

可靠性总评：整治过程中隧道始终处于安全状态，且整治后能彻底消除隧道结构破坏和危及行车安全的隐患。

4 整治方案实施

4.1 施工准备

为了确保整治过程的顺利进行和安全实施，主要和关键的准备工作有：签订隧道安全协议、人员培训、现场标示标牌安设、空压机试运转、平车检查、材料机具准备、隧道内作业项目及作业位置交底等。完成开工前各项检查工作，确保施工组织、行车组织、人身安全三方案到位。

4.2 主要施工工艺及技术措施

(1)作业流程

针对本隧道衬砌背后大型空洞采用开“天窗”并注浆/填充轻型材料措施，其主要作业流程：钻灌注孔和观测孔—安设注浆管和观测孔—注浆—开“天窗”—分段填充轻型材料—分段、分层注浆—喷射混凝土封闭“天窗”—补充注浆。

(2)工艺及技术措施

主要工艺及技术措施：先用双液浆扫射，再分层灌注单液浆至拱顶处，“衬砌+注浆体”总厚度为1.2 m，然后间距50～100 m开“天窗”(1 m×1 m)，每5～10 m用预制泡沫混凝土块砌墙隔断(图13)，填充PE空心球或PVC管或泡沫混凝土预制块(图14)，最后分层灌浆或用发泡泡沫混凝土进行充填(图15)。

图13 预制泡沫混凝土块隔墙

图14 填充空心球或PVC管

图15 隧道拱顶灌浆施作

灌注孔等孔位设置：左右拱腰位置钻孔，钻孔间距为2～4 m，交错布置为灌注孔和溢浆孔，钻孔孔径均为φ42 mm，灌注孔和溢浆孔的分布可视实际情况调整。

(3)注意事项

泡沫混凝土灌注前应进行试验，调整相应的技术参数；灌注过程中，注意记录灌注位置、灌注量及灌注压力等；注浆量以浆液至最高排气孔(溢浆管)满管自溢为结束条件。灌浆完成后对预留灌浆孔进行封闭。

4.3 压力监测

于2018-11-09在泡沫混凝土块砌墙及充填PVC管前，埋设了4个压力盒(图16)开展压力量测，压力稳定后测试结果如下。

图16 压力盒埋设

PVC管充填处压力为0.013～0.015 MPa，泡沫混凝土预制块处压力为0.020～0.022 MPa。从监测压力值知充填空腔后施加到衬砌上的压力很小，远小于塌落拱高度所计算的荷载(0.05 MPa)，也小于3 m高轻质填充自重压力(0.03 MPa)，说明衬砌承受形变压力而非塌落拱荷载，空洞的充填物已与围岩形成一个受力整体，改善了隧道的受力状态。