公路隧道注浆处治方法的探讨

2022-07-12赵益鑫

科技创新与应用 2022年20期

周雄，张逸，赵益鑫，杨斌

（招商局重庆公路工程检测中心有限公司，重庆 401147）

随着我国经济的飞速发展，公路隧道建设事业取得了突破性的进步，但其投入使用后，在反复的行车作用以及复杂的水文地质条件中，路面不断出现裂缝、坑槽等病害，随即造成交通设施超负荷运行，阻碍了国家和地区经济的发展[1-3]。由于前期存在重建设、轻养护的观念，导致我国在公路隧道养护领域发展较为迟缓。为了保证隧道内的行车安全性和舒适性，也为了按照国家及交通运输部加强公路隧道养护水平的要求，进行隧道路面病害处治十分重要也非常紧迫。

1 工程概况

某隧道为高速公路双向四车道隧道，隧道为左右幅分离式双洞双向四车道特长隧道。属于中纬度亚热带暖湿季风气候区，主要地表水体为隧道进洞口附近的朱衣河和冲沟、出洞口附近的冲沟，场地地貌上属于构造剥蚀低山地貌，隧道区位于朱衣背斜南翼，地层倒转，局部小揉皱发育，隧道区基岩直接裸露，为砂岩夹煤线和三叠系中统巴东组二段、三段和四段的泥灰岩及灰岩和泥岩不等厚互层。

2 病害处治方式的研究与选择

当仰拱结构难以满足实际受力要求时，则需要对病害情况较为严重的区段进行拆换处理，从根本上解决由于基底软化和结构缺陷造成的实际病害。应根据隧底工程地质及水文地质条件、病害等情况，结合施工条件、环境条件确定隧底加固。根据规范JTG/T 5440—2018《公路隧道加固技术规范》第10.1.3条与第10.1.4条：隧道原结构无仰拱需加强隧底时，宜采用隧底注浆、隧底填换、增设仰拱等措施进行加固；隧道原结构有仰拱需加强隧底时，宜采用仰拱补强或重做仰拱方案，并结合隧底注浆、增设桩基等措施进行加固[4-5]。

采用砾石、片状或石灰土对不密实与强度不足的隧道软弱地基结构进行替换，改善其底部的承载能力，实现沉降值满足设计标准要求；通过增加衬砌拱脚以改善承载能力。以上两种方法的治理原理简单，设计和施工不复杂。此外，加设锁脚锚杆也属于常规处治方法，采用直径较大的钢管并予以注浆，对隧道的沉降处治效果十分明显，其本身的高刚度和深入围岩为其形成稳定结合体提供了较大的承载能力[6-8]。

对隧道仰拱结构进行拆换的处治工程中，需将其分成一定间距的浇筑路段，进行及时浇筑。如遇到长时间侵泡的围岩或者围岩中存在软弱地基、地下水积水或者虚渣等均应清理干净，如开挖到路面以下新鲜的基岩表面[9]。隧道底鼓如出现地下水渗漏，应立刻采取封堵措施，以免进一步加大隧道底部病害。

此外，为了保证隧道仰拱结构的力学性能，在其隧道底部设置仰拱架，以使得隧道封闭成环。在隧道仰拱浇筑之前，在拱脚的左右两侧设置连续钢筋，保证隧道的成环整体性，也需做好防排水工程的设计。若隧道仰拱结构四周的围岩不稳定，需要在拆换或者更换仰拱时设置临时支撑提供可靠的工作环境，避免发生较大的变形情况，从而造成倒塌现象，这种处治方式能够有效解决隧道底鼓出现渗漏水、地基承载力不足等病害问题，使隧道整体成环，形成封闭的受力结构，极大地改善了隧道衬砌的受力状态。但是，隧道仰拱拆除更换成本很高，施工时间长，而且需要封路，对交通影响很大，交通组织困难。对于单车道双通道的交通组织形式，由于占路施工只能封闭一小半的隧道路面，所以采用拆除和置换的方式处理占路施工[1，10-11]。

3 注浆材料的研究与选择

注浆材料的性能和品种直接影响工程的质量和成本。大多数注浆原料包括主剂和助剂两部分。常用的添加剂有固化剂、促进剂、催化剂、悬浮剂、缓凝剂和膨胀剂。注浆材料已从最早的粘土、石灰、水泥发展到有机聚合物、水泥-水玻璃浆、各种化学浆料等注浆材料[12-14]。鉴于品种和性质，有许多分类方法。例如，根据浆料的状态，可分为悬浮液、真溶液和乳液；按工艺性质可分为双浆和单浆；根据浆料主剂的性质，可分为有机系列和无机系列两大类；用于基层加固的灌浆材料根据早强和凝结时间的不同，可分为普通型和快凝早强型两种。普通型适用于交通封闭时间1~3 d的路面基层补强加固，快凝早强型适用于交通封闭时间只有4~8 h的路面基层的注浆加固。

3.1 高聚物注浆材料

高聚物也称为聚合物和高分子。聚合物注浆材料是由多异氰酸酯、聚醚多元醇或聚酯多元醇等与各种催化剂或发泡剂按照一定的配合比构成，可以通过改变各组份材料的类别和成分制成不同的形状和性能的产品。根据浆液的成分，高聚物注浆材料分为单组份水反应型和双组份非水反应型两大类。其中，单组份水反应类材料分为亲水型和疏水型两种；双组份非水反应类材料分为双组份发泡体（包括开孔材料和闭孔材料）和双组份弹性体（包括亲水型与疏水型材料）[8，15]。

高聚物注浆材料粘度适中，泵送性好，施工效率较高。它不仅可以填充岩体中相互连通的裂缝，还可以压实封闭的微裂缝和孔隙，起到填充和压实破碎岩体的作用。自弹性模量增加，岩体的抗压强度增加。填充裂缝后，裂缝被填充一定的膨胀压力，显著提高了围岩的强度极限，从而提高了围岩在无振动的情况下抵抗变形和破坏的能力。可通过夯实自动填入设备基础的所有缝隙，满足二次注浆要求，强度高，施工简单。但价格昂贵具有一定毒性。原料生产过程易造成环境污染。无干缩现象，但抗渗性较差[7，16-17]。

3.2 地聚物注浆材料

地聚物注浆材料作为一种具有有机聚合物粘结结构的新型胶凝材料，其主体为无机硅-氧四面体和铝氧四面体，其可以由碱性活化剂激发，例如飞灰、高炉渣、钢渣土工业废料和偏高岭土制备，具有潜在活性的硅铝源材料。其强度高、具有较好的早强性，且拥有防水抗渗、体积稳定性好、耐久性好、处理效果好、生产能耗低的优点。同时，无须高温煅烧、没有干缩、工期短、体积小、见效快，施工设备和工艺简单，施工过程中产生的噪音和振动对环境影响很小，特别是由于注浆材料采用提前拌好的干混料，进一步保证了注浆材料扬尘少，达到更加环保的目的。但是遇到过湿条件时，会影响注浆材料的凝结时间和强度等性能，且注浆效果受地质以及气候因素的制约明显，需要时刻保持养护，且地聚物注浆材料价格比较高[1]。

3.3 水玻璃注浆材料

水玻璃注浆材料是以水玻璃（硅酸钠）溶液为主剂，与各种胶凝剂反应形成不溶于水的硅酸凝胶的化学注浆材料。该注浆材料的价格较低，大部分原料较易获得，主剂毒副作用小，不存在环境污染，粘度较小，注射性好，且胶凝时间可控，在几秒到几十分钟内均可调整。水玻璃注浆材料渗透性好，粘度低，粘度增长曲线存在陡变，但固体砂体和凝胶体强度低[18]。

3.4 材料的选择

为此，基于注浆材料应具有防水、耐腐蚀性、初始粘度低、流动性好、早强、耐老化、环保、与地基较好结合等基本特征，通过对高聚物注浆材料、地聚物注浆材料、水玻璃注浆材料进行调研，选择高聚物注浆材料作为公路隧道病害加固处治为最优选择[19]。

4 注浆处治施工要点及效果分析

4.1 混凝土面层及以上拆换及底部钻孔注浆

采用隧道混凝土面层及以上拆换及钻孔注浆进行处治。具体工序流程如下[20-21]：

（1）拆除路面沥青层、混凝土面层。

（2）注浆路段定位。

（3）标注注浆孔位置：根据高聚物注浆技术要求及注浆孔布置设计，对处理路段使用自喷漆及时进行标注，以便钻孔。在路面底部及边墙布孔，路面按1.0 m（环）×0.5 m（纵）梅花型布置，布设时离中心水沟中线1.5 m；边墙两侧各布置3排钻孔，环向间距0.6 m，纵向间距0.5 m。

（4）注浆前检测：使用落锤式弯沉仪对路面横向裂缝进行检测，纵向裂缝可根据实际情况确定是否需要检测。

（5）钻孔：按事先标记的位置进行钻孔，并及时对钻孔处进行清理，边墙注浆孔径φ16，深度为1.5 m；路面注浆孔径φ25，深度为2.5 m，可依据现场实际情况进行调整。

（6）下注浆管：把PVC注浆管通过注浆孔注入。

（7）安装注射帽：把注射帽凹型边缘使用特制的清洁工具清理干净，使得注射枪可以更好地结合。

（8）注浆：采用夹具把注射枪与注射帽夹牢，根据路面现场情况及工程经验进行注浆，注浆的压力不应超过7 MPa。同时，为了避免出现跑浆状况，钻孔封孔的深度应该≥1 m。

（9）封孔：使用道路密封胶把注浆孔封住。

（10）恢复路面层（10 cm沥青层，26 cm路面面层）。

4.2 路面沥青层拆换及底部钻孔注浆

先对隧道路面沥青层进行拆除。在路面底部及边墙布孔，路面按1.5 m（环）×0.75 m（纵）梅花型布置，布设时离中心水沟中线1.5 m；边墙两侧各布置3排钻孔，环向间距0.6 m，纵向间距0.75 m。最后恢复路面10 cm沥青层。

4.3 现场注浆效果

如图1所示，通过对现场的注浆效果进行钻芯取样与弯沉值的检测，对注浆效果开展分析研究。该项目对4处位置进行了钻芯取样，芯样侧壁上留着高聚物注浆材料，且取芯过程中，随着钻机的冷却水钻孔，高聚物材料不断涌出，证明了高聚物注浆材料的注浆效果良好。同时，对路面注浆前后的弯沉值进行测试发现，注浆后的ISM值得到了增加，离散性降低，说明路面承载能力和均匀性均得到提升。不但证明高聚物注浆对道路路基的缝隙填充是有效可行的，而且高聚物注浆之后与围岩形成的结合体参数得到了提升，选择高聚物注浆材料作为公路隧道病害加固处治为最优选择[22]。