超高性能混凝土在营运轨道项目中的应用

郝 坤

(招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067)

0 引言

近些年随着城市轨道的迅速崛起，城市路网中轨道交通日益增多，营运中轨道的载客量也趋于饱和，如何在不停运的情况下处治轨道隧道质量缺陷，成为轨道隧道必须考虑的问题，本文针对重庆市轨道三号线某段区间隧道二次衬砌拱顶欠厚的质量缺陷，通过对现场施工风险、施工工期、处治效果和耐久性综合考虑，引入高性能混凝土材料，经过现场加固初步试验论证，有效地解决了营运中轨道隧道处治难的问题[1-2]。

1 工程概况

1.1 隧道概况

重庆轨道交通三号线某段区间隧道属长江南岸侵蚀丘陵斜坡地貌，地势总体趋势南高北低。原始地貌发育向北汇入长江的沟谷，沟谷相对高差30 m～60 m，局部巨厚层砂岩形成高10 m～30 m陡崖。后期人工填土改造活动强烈，地势已大为缓和。

隧道二次衬砌拱顶欠厚的质量缺陷段落地层岩性属于砂质泥岩，岩层产状近乎水平，隧道埋深较浅，正上方地表有建筑居民楼。

1.2 原设计概况

隧道内轮廓采用四心圆(曲墙半圆拱)断面，曲墙半径为R1=3.10 m,R2=6.90 m,R3=1.40 m和R4=6.624 m，净空面积为46.21 m2,如图1，图2所示。

建筑限界与内轮廓左侧最小距离为67.8 cm；建筑限界与内轮廓右侧最小距离为58.9 cm。

二次衬砌欠厚处的衬砌类型为Ⅳ级围岩复合式衬砌：

1)初期支护：15 cm厚C20喷射混凝土+锚杆(间距80 cm×80 cm，L=350 cm)+钢筋网。

2)二次衬砌：40 cm厚C30钢筋混凝土。

1.3 原因分析及对策

结合现场情况和检测报告分析，二次衬砌欠厚产生的原因为初支侵限所致。为最大化还原原设计，首先要凿除二次衬砌欠厚处混凝土，然后预定位置连续贴不锈钢钢带，最后绑扎钢筋浇筑高性能混凝土恢复二次衬砌。恢复后的二次衬砌结构侵入内轮廓，但不影响结构安全和运营通风。

2 材料的选用

在轨道隧道营运期间的注浆工程中，对存在空洞的试验段隧道采用了普通水泥浆和超高性能混凝土进行对比试验测试。超高性能混凝土与旧混凝土之间的结合能力明显优于普通水泥浆与旧混凝土之间的结合能力。

超高性能混凝土(Ductal)是一种无配筋的新型绿色结构建筑材料。其抗压强度是普通混凝土的6倍～8倍，抗折强度是普通混凝土的10倍，耐久性是标准指标的100倍[3]。Ductal在承受持续的弯曲应力或拉伸力时不会突然断裂。其关键在于极大地改善其基材的性能，基材设计结构为纤维的网状组织，以及控制纤维-基体材料的良好界面。由于其韧性优异，使用Ductal后，施工条件可以极大改善，施工时间可以大量节省。

2.1 高性能混凝土作用机理

利用颗粒体系的紧密堆积原理，Ductal根据其20多年的经验将多种材料用最优级配结合在一起，才有了表面和内部致密、防腐抗渗，且具有一定韧性的超高性能混凝土。密实的混凝土拥有了更高的强度和更好的耐久性，因为耐久性取决于水或其他化学物质进入混凝土的能力，而在硅灰的帮助下结构密实孔隙不连通Ductal耐久性更好[4-7]。具体效果图见图3。

2.2 耐久性研究

Ductal是一种几乎不渗透的材料，碳化的危险以及氯化物与硫酸盐渗透的危险几乎不存在，因而具有很强的耐酸性。至于耐磨性，Ductal可以与岩石类的材料媲美，其抗化学腐蚀有关性能极强。耐酸性介质的水抗性从弱酸性的pH=6.0到强酸pH=2.5，Ductal均能实现无脱落、无气泡、无重量损失，这一点即使高性能混凝土也难以做到。这得益于Ductal独有的致密性，其材料的致密性以及低孔隙率造就了它在抗渗防腐方面的优秀性能。

2.3 对环境无污染

Ductal作为一种砂浆类无极材料，是无毒无害生态友好型材料。Ductal预制构件均在预制工厂完成生产，现场安装不产生粉尘等污染物。现场浇筑或喷射的施工工艺与普通混凝土或喷射混凝土施工方式类似，不产生额外污染。

2.4 与普通混凝土性能对比

高性能混凝土材料所用材料与普通混凝土有所不同，其组成材料主要包括水泥、细砂、石英砂粉、硅灰等矿物掺合料和高效减水剂[8-10]。当对韧性有较高要求时，还需要掺入微细钢纤维。高性能混凝土和普通混凝土性能对比见表1。

表1 高性能混凝土和普通混凝土性能指标对比表

综上所述，超高性能混凝土(Ductal)具有初配流动性好，在可泵期内黏度随时间逐渐缓慢增长，可泵期后较短时间内发生凝结，早期强度高，结实体性能稳定等特点，更适合于轨道隧道衬砌背后脱空的注浆处治[11-13]。

3 处治设计

考虑到目前轨道交通正在运营，常规泵送混凝土条件受限，综合结构安全、长期营运等因素，在衬砌背后空洞区采用增设钢带+注高性能混凝土处治隧道(见图4)。

增设钢带+注高性能混凝土施工主要步序如下：

1)先凿除二次衬砌欠厚区域内和区域外30 cm拱墙混凝土(不损坏二次衬砌钢筋)。

2)按照设计配筋参数植筋并绑扎钢筋，在起拱线以上拱墙衬砌表面打磨2 cm～3 cm厚二次衬砌混凝土，吹灰清洗，然后在空洞周边衬砌表面涂刷界面胶，在空洞区段二次衬砌外沿环向连续挂设40 cm宽不锈钢钢带加固衬砌。

3)紧贴不锈钢钢带设置临时Ⅰ14工字钢，纵向间距为40 cm(工字钢应尽量设置在钢带接缝处)。在不锈钢钢板带预留孔洞位置对空洞进行注高性能混凝土，空洞应填充密实。

4)待高性能混凝土达到设计强度后拆除临时工字钢。

3.1 注浆材料

注浆材料采用超高性能混凝土，拌制超高性能混凝土时，预混料、水、外加剂和钢纤维配合比偏差不得超过±1%，混凝土应搅拌至各种组成材料混合均匀，颜色一致，超高性能混凝土扩展度应始终保持一致，不得变化组成，现场可根据实际情况灵活调整比例参数。

3.2 注浆设备

注浆设备采用SNS高压注浆泵，配套高风压空压机、高压注浆管、防震压力表、水泥浆搅拌桶和自搅拌储浆桶等。

3.3 注浆参数

注浆孔设置于空洞区域中上部位，并预留顶部导流管。混凝土灌注满后，会沿导流管溢出，防止泵送压力直接施加到钢带上。初始注浆压力建议为0.5 MPa～1 MPa，当灌注超高性能混凝土达到拱顶封闭顶部时，应加大泵送压力(一般为5 MPa～6 MPa)。为保证顶部混凝土的密实性，同时应注意进行二次补压，有利于防止拱顶残留空隙。

3.4 注浆工艺及流程

注浆工艺和传统的注浆工艺类似，注浆施工流程:安装注浆塞→注浆→封孔→撤出注浆塞。

3.5 注浆结束标准

3.5.1 单孔结束标准

1)注浆压力达到设计终压并继续注浆10 min以上；2)单孔注浆量不小于设计注浆量；3)进浆速度为开始进浆速度的1/4时可结束本孔注浆。

3.5.2 全段结束标准

1)所有注浆孔均已符合单孔结束条件；2)检查孔钻取岩芯，浆液充填饱满，并达到设计强度。

3.6 注浆注意事项

1)注浆过程中，如注浆压力突然上升，短时间超过设计最大值，应开大回流阀，进行稳压注浆，在浆液凝结前，查明原因并采取相应措施。如是管路堵塞，则清除故障后继续注浆，如管路未堵塞，接管注浆时仍旧出现压力突然上升，可结束该孔注浆。

2)注浆过程中，如发生其他孔串浆、冒浆，可关闭该串浆孔或者调整浆液配比缩短凝结时间继续注浆，但若发生频繁时，应加大钻孔与在注浆孔的间隔或钻一孔注一孔，减少串浆、冒浆现象。

3)注浆过程中，要保持注浆管路畅通，防止因管路堵塞而影响注浆结束标准的判断，注浆连接件、注浆变头应经常清洗干净，注浆结束后，一定要清洗管路，清洗完以后，把注浆管从注浆法兰盘上拆掉，并及时把注浆法兰盘从孔口管上拆掉，以便下一次扫孔。

4 结语

1)对比Ductal超高性能混凝土和一般混凝土，Ductal超高性能混凝土具有流动性强、初凝时间短、早期强度高、密实性好等优点，有很好的使用价值[14]。

2)Ductal超高性能混凝土和一般混凝土结合能力比较好，注浆部位钻孔取芯荷载破坏试验工况下破裂面位置出现在一般混凝土内部，而非超高性能混凝土和一般混凝土结合部位[15]。

3)Ductal超高性能混凝搅拌设备比较小巧，便于现场展开施工，作业流程简单快捷，对于施工作业时间限制严格的运营轨道项目优越性明显。