某運營鐵路隧道拱頂襯砌背后長大空洞整治技術(shù)

樊永杰,龔 倫,王立川,2,張致心,盧 鋒,劉世強,仇文革

(1.中國鐵路成都局集團有限公司,成都 610081； 2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都 610031；3.交通隧道工程教育部重點實驗室,成都 610031)

引言

襯砌背后空洞作為隧道常見病害之一，對隧道結(jié)構(gòu)及列車運營安全極易造成較大影響，針對襯砌背后空洞及整治加固問題，不少專家學(xué)者對其做了研究。王立川、江炳輝等[1-9]建立模型計算分析了1～3 m范圍脫空對結(jié)構(gòu)承載能力的影響及襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化，并給出回填注漿、錨桿加固、內(nèi)表面補強或內(nèi)襯等通用措施，提出綜合整治原則；聶子云、余東洋等[10-15]結(jié)合工程實例，按巖塊松弛程度、襯砌劣化程度、裂縫及變形、是否滲漏水等條件提出空洞背后風(fēng)險分級標(biāo)準(zhǔn)，采取多種補強措施互相結(jié)合的方式對空洞病害進行治理；許多學(xué)者[16-19]也相繼改善了防治措施，如改進注漿技術(shù)的帶膜注漿法、回填注漿法、留孔回填注漿法，改進襯砌加固的鑿除缺陷部位重新澆筑混凝土襯砌結(jié)構(gòu)的一整套技術(shù)、預(yù)制拼裝波紋板的加固技術(shù)等。

可以看出，目前針對整治襯砌脫空病害的研究主要集中在針對小段落空洞及對傳統(tǒng)方法的改進上，可歸為回填注漿和套襯加固兩大類，而新材料、新方法在襯砌背后大型空洞病害的整治加固上較少體現(xiàn)。本文依托西南地區(qū)某運營動車隧道拱頂襯砌背后長段落大型空洞整治工程，開展輕質(zhì)充填型加固技術(shù)研究，以確保整治措施的有效性、安全性和可操作性。

1 工程概況

1.1 襯砌背后大型空洞

經(jīng)查該依托鐵路隧道在改建過程中未對線路高程調(diào)整及超挖等形成的空洞進行及時回填，而形成了該隧道拱頂襯砌背后長段落大型空洞的施工質(zhì)量問題，對該運營鐵路線路存在一定安全運營隱患。經(jīng)無損檢測和鉆孔三維掃描驗證，該隧道拱頂襯砌背后有23段(共計475 m)存在不同程度的空洞，其中大型空洞見圖1。

鉆孔三維激光掃描檢測得洞身標(biāo)1 248 m處空洞橫剖面為6 m(橫向?qū)挾?×3 m(高度)[20]，見圖2。

圖2 洞身標(biāo)高1 248 m處橫剖面(單位:m)

由圖1知，該隧道在運營約10年后，長段落大型空洞的頂部支護已開始失效，圍巖松弛后開始有大量掉塊。若發(fā)生足夠大體量的坍塌，在沖擊荷載的作用下，將砸壞拱部襯砌進而危及行車安全。

1.2 襯砌厚度情況

工務(wù)段對整座隧道拱頂沿縱向每5～20 m鉆孔探測襯砌厚度和背后空洞，得襯砌厚度為16～126 cm(設(shè)計厚度為30 cm)、背后空洞0～347 cm，襯砌厚度及背后空洞沿縱向分布見圖3。

圖3 襯砌厚度及背后空洞縱向分布

2 整治措施的提出

2.1 整治思路

針對本隧道存在襯砌厚度不足和背后長段落大型空洞的實際情況，為避免在整治過程中對既有襯砌產(chǎn)生影響，需在對既有襯砌補強的基礎(chǔ)上，采用輕質(zhì)材料對襯砌背后大型空洞進行充填，以徹底消除缺陷和運營安全風(fēng)險。

2.2 整治方案

針對襯砌厚度和背后空洞的調(diào)查結(jié)果，通過資料調(diào)研和工程類比，根據(jù)拱頂空洞的不同尺度，提出相應(yīng)的整治方案如下。

(1)水泥漿充填

對于支護背后存在高度≯60 cm空洞：

①采用分層灌漿充填；

②若存在襯砌厚度小于70%設(shè)計厚度，則在襯砌表面植筋+網(wǎng)噴混凝土封閉進行結(jié)構(gòu)補強，見圖4、圖5。

圖4 拱頂空洞灌漿及結(jié)構(gòu)補強示意

圖5 拱頂空洞分層灌漿示意(單位：cm)

(2)PE球充填

正常情況下，PE球可正常使用50年左右，為惰性材料，具有卓越的耐腐蝕性能和高韌性，抗震性能優(yōu)良，造價低，可大幅降低工程成本。

對于支護背后存在高度>60 cm空洞：

①采用開“天窗”后，先在空腔內(nèi)填充直徑10～20 cm的PE球；

②在“天窗”植入環(huán)向鋼筋、網(wǎng)噴混凝土封閉；

③“天窗”四周襯砌表面植筋+網(wǎng)噴混凝土封閉，最后分層灌漿充填PE球間空隙；

④在襯砌厚度<70%設(shè)計厚度時，需先進行結(jié)構(gòu)補強：若空洞高度<100 cm，在襯砌表面植筋+網(wǎng)噴混凝土封閉進行結(jié)構(gòu)補強；若空洞高度≥100 cm，則在拱部襯砌外側(cè)立模植筋后噴混凝土進行補強至70 cm；

⑤分層灌漿：當(dāng)空洞高度≤160 cm時，分2次灌漿；當(dāng)空洞高度>160 cm時不少于3次灌漿。分層灌注時需在前一層達到一定強度后，再灌注后一層水泥漿，見圖6。

圖6 拱頂大型空洞PE球充填設(shè)計

(3) 泡沫混凝土充填

對于支護背后存在高度>130 cm空洞：

①開“天窗”后，若拱部襯砌厚度小于70%設(shè)計厚度時，先立模植筋后噴混凝土進行補強，然后用泡沫混凝土預(yù)制成90 cm(長)×30 cm(寬)×30 cm(高)的長方體泡沫混凝土塊砌筑；

②在“天窗”植入環(huán)向鋼筋、網(wǎng)噴混凝土封閉；

③“天窗”四周襯砌表面植筋+網(wǎng)噴混凝土封閉，最后分層灌漿充填空隙，見圖7。

圖7 拱頂大型空洞泡沫混凝土充填設(shè)計

(4)PVC管充填

對于支護背后存在高度>130 cm空洞：

①開“天窗”后，若拱部襯砌厚度<70 cm，先立模植筋后噴混凝土進行補強，先人工將鋼筋捆綁直徑110 mm的PVC管(兩端需封口，以免漿液灌入)，制成拱形作為第一層，然后在上面規(guī)則堆放PVC管直至空洞頂部，對于最后較小空隙，可改用直徑為32 mm的PVC管；

②在“天窗”植入環(huán)向鋼筋、網(wǎng)噴混凝土封閉；

③“天窗”四周襯砌表面植筋+網(wǎng)噴混凝土封閉，最后分層灌漿充填空隙，見圖8。

圖8 拱頂大型空洞PVC管充填設(shè)計

3 整治方案可靠性分析

3.1 計算模型及參數(shù)

(1)模型介紹

據(jù)隧道圍巖級別和埋深，以地層-結(jié)構(gòu)模式進行數(shù)值計算，按破損階段法進行強度校核。地層和結(jié)構(gòu)均采用實體單元模擬，不同空洞高度模型見圖9。

圖9 計算模型(單位:m)

(2) 計算參數(shù)

為避免重復(fù)及累贅，文中只列出適用范圍最廣的PE球充填整治措施。圍巖和支護材料參數(shù)根據(jù)實測或規(guī)范選取，詳見表1。

表1 計算材料參數(shù)

(3)計算工況

根據(jù)鉆孔調(diào)查的襯砌厚度及其背后空洞探測結(jié)果，確定計算工況見表2。

表2 計算工況

針對每個工況，根據(jù)分層充填狀態(tài)的不同，進行各層充填漿液未達、達到強度分階段考察。

(4)計算荷載

除自重荷載外，將剛灌注未凝固的水泥漿按最不利情況進行計算，即假設(shè)為流體狀進行計算。回填漿液未凝固狀態(tài)時的荷載見表3。

表3 計算荷載

3.2 計算結(jié)果分析

(1)結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算結(jié)果

工況4的空腔最大，為最危險工況，此處僅列出該工況整治前、第1層注漿未固結(jié)、第3層注漿未固結(jié)狀態(tài)的內(nèi)力計算結(jié)果，見圖10～圖12。

圖10 整治前二次襯砌內(nèi)力

圖11 第1層注漿未固結(jié)時二次襯砌內(nèi)力

圖12 第3層注漿未固結(jié)時二次襯砌內(nèi)力

(2)各工況下施工狀態(tài)的安全系數(shù)

分析得4種工況在不同狀態(tài)下隧道各特征部位的安全系數(shù)，詳見表4。

表4 各狀態(tài)時隧道安全系數(shù)

工況1～工況3最小安全系數(shù)為4.5～4.8(滿足規(guī)范要求)，工況4除在結(jié)構(gòu)未補強及補強后的安全系數(shù)分別為3.4，3.5(不滿足規(guī)范要求，但滿足>1.0的承載能力要求)，其余狀態(tài)均≥3.6，滿足規(guī)范要求。

3.3 方案可靠性評價

綜合分析表4所列安全系數(shù)，得到PE球整治方案的可靠性評價如下。

(1)結(jié)構(gòu)補強后，隧道的安全系數(shù)逐漸增大。

(2)隨回填注漿的不斷進行，隧道的安全系數(shù)不斷增大。

(3)隨空腔的回填密實，徹底消除了沖擊荷載破壞隧道結(jié)構(gòu)、甚至危及行車安全的風(fēng)險。

可靠性總評：整治過程中隧道始終處于安全狀態(tài)，且整治后能徹底消除隧道結(jié)構(gòu)破壞和危及行車安全的隱患。

4 整治方案實施

4.1 施工準(zhǔn)備

為了確保整治過程的順利進行和安全實施，主要和關(guān)鍵的準(zhǔn)備工作有：簽訂隧道安全協(xié)議、人員培訓(xùn)、現(xiàn)場標(biāo)示標(biāo)牌安設(shè)、空壓機試運轉(zhuǎn)、平車檢查、材料機具準(zhǔn)備、隧道內(nèi)作業(yè)項目及作業(yè)位置交底等。完成開工前各項檢查工作，確保施工組織、行車組織、人身安全三方案到位。

4.2 主要施工工藝及技術(shù)措施

(1)作業(yè)流程

針對本隧道襯砌背后大型空洞采用開“天窗”并注漿/填充輕型材料措施，其主要作業(yè)流程：鉆灌注孔和觀測孔—安設(shè)注漿管和觀測孔—注漿—開“天窗”—分段填充輕型材料—分段、分層注漿—噴射混凝土封閉“天窗”—補充注漿。

(2)工藝及技術(shù)措施

主要工藝及技術(shù)措施：先用雙液漿掃射，再分層灌注單液漿至拱頂處，“襯砌+注漿體”總厚度為1.2 m，然后間距50～100 m開“天窗”(1 m×1 m)，每5～10 m用預(yù)制泡沫混凝土塊砌墻隔斷(圖13)，填充PE空心球或PVC管或泡沫混凝土預(yù)制塊(圖14)，最后分層灌漿或用發(fā)泡泡沫混凝土進行充填(圖15)。

圖13 預(yù)制泡沫混凝土塊隔墻

圖14 填充空心球或PVC管

圖15 隧道拱頂灌漿施作

灌注孔等孔位設(shè)置：左右拱腰位置鉆孔，鉆孔間距為2～4 m，交錯布置為灌注孔和溢漿孔，鉆孔孔徑均為φ42 mm，灌注孔和溢漿孔的分布可視實際情況調(diào)整。

(3)注意事項

泡沫混凝土灌注前應(yīng)進行試驗，調(diào)整相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)；灌注過程中，注意記錄灌注位置、灌注量及灌注壓力等；注漿量以漿液至最高排氣孔(溢漿管)滿管自溢為結(jié)束條件。灌漿完成后對預(yù)留灌漿孔進行封閉。

4.3 壓力監(jiān)測

于2018-11-09在泡沫混凝土塊砌墻及充填PVC管前，埋設(shè)了4個壓力盒(圖16)開展壓力量測，壓力穩(wěn)定后測試結(jié)果如下。

圖16 壓力盒埋設(shè)

PVC管充填處壓力為0.013～0.015 MPa，泡沫混凝土預(yù)制塊處壓力為0.020～0.022 MPa。從監(jiān)測壓力值知充填空腔后施加到襯砌上的壓力很小，遠小于塌落拱高度所計算的荷載(0.05 MPa)，也小于3 m高輕質(zhì)填充自重壓力(0.03 MPa)，說明襯砌承受形變壓力而非塌落拱荷載，空洞的充填物已與圍巖形成一個受力整體，改善了隧道的受力狀態(tài)。

5 結(jié)論與討論

(1)針對拱頂襯砌背后長段落大型空洞整治所面臨的問題，采用新型輕質(zhì)材料進行充填，可有效消除大型空洞對運營鐵路隧道的安全影響，并可降低整治過程中的難度和風(fēng)險。

(2)經(jīng)測試，提出的泡沫混凝土塊+注漿充填、PE球+注漿充填及PVC管+注漿充填等3種有效的措施，具有良好的耐久性，且與地下工程有優(yōu)良的適配性，能確保整治過程中既有隧道的安全，并能徹底消除隧道

結(jié)構(gòu)破壞和危及行車安全的隱患。

(3)經(jīng)工程實踐驗證，3種輕質(zhì)材料充填的整治措施均能滿足要求，并具有操作性強、安全性高、工效高等特點，也能有效改善隧道的受力狀態(tài)，使隧道頂部結(jié)構(gòu)更加科學(xué)合理。