超高性能混凝土在營運軌道項目中的應用

郝 坤

(招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶 400067)

0 引言

近些年隨著城市軌道的迅速崛起，城市路網中軌道交通日益增多，營運中軌道的載客量也趨于飽和，如何在不停運的情況下處治軌道隧道質量缺陷，成為軌道隧道必須考慮的問題，本文針對重慶市軌道三號線某段區間隧道二次襯砌拱頂欠厚的質量缺陷，通過對現場施工風險、施工工期、處治效果和耐久性綜合考慮，引入高性能混凝土材料，經過現場加固初步試驗論證，有效地解決了營運中軌道隧道處治難的問題[1-2]。

1 工程概況

1.1 隧道概況

重慶軌道交通三號線某段區間隧道屬長江南岸侵蝕丘陵斜坡地貌，地勢總體趨勢南高北低。原始地貌發育向北匯入長江的溝谷，溝谷相對高差30 m～60 m，局部巨厚層砂巖形成高10 m～30 m陡崖。后期人工填土改造活動強烈，地勢已大為緩和。

隧道二次襯砌拱頂欠厚的質量缺陷段落地層巖性屬于砂質泥巖，巖層產狀近乎水平，隧道埋深較淺，正上方地表有建筑居民樓。

1.2 原設計概況

隧道內輪廓采用四心圓(曲墻半圓拱)斷面，曲墻半徑為R1=3.10 m,R2=6.90 m,R3=1.40 m和R4=6.624 m，凈空面積為46.21 m2,如圖1，圖2所示。

建筑限界與內輪廓左側最小距離為67.8 cm；建筑限界與內輪廓右側最小距離為58.9 cm。

二次襯砌欠厚處的襯砌類型為Ⅳ級圍巖復合式襯砌：

1)初期支護：15 cm厚C20噴射混凝土+錨桿(間距80 cm×80 cm，L=350 cm)+鋼筋網。

2)二次襯砌：40 cm厚C30鋼筋混凝土。

1.3 原因分析及對策

結合現場情況和檢測報告分析，二次襯砌欠厚產生的原因為初支侵限所致。為最大化還原原設計，首先要鑿除二次襯砌欠厚處混凝土，然后預定位置連續貼不銹鋼鋼帶，最后綁扎鋼筋澆筑高性能混凝土恢復二次襯砌。恢復后的二次襯砌結構侵入內輪廓，但不影響結構安全和運營通風。

2 材料的選用

在軌道隧道營運期間的注漿工程中，對存在空洞的試驗段隧道采用了普通水泥漿和超高性能混凝土進行對比試驗測試。超高性能混凝土與舊混凝土之間的結合能力明顯優于普通水泥漿與舊混凝土之間的結合能力。

超高性能混凝土(Ductal)是一種無配筋的新型綠色結構建筑材料。其抗壓強度是普通混凝土的6倍～8倍，抗折強度是普通混凝土的10倍，耐久性是標準指標的100倍[3]。Ductal在承受持續的彎曲應力或拉伸力時不會突然斷裂。其關鍵在于極大地改善其基材的性能，基材設計結構為纖維的網狀組織，以及控制纖維-基體材料的良好界面。由于其韌性優異，使用Ductal后，施工條件可以極大改善，施工時間可以大量節省。

2.1 高性能混凝土作用機理

利用顆粒體系的緊密堆積原理，Ductal根據其20多年的經驗將多種材料用最優級配結合在一起，才有了表面和內部致密、防腐抗滲，且具有一定韌性的超高性能混凝土。密實的混凝土擁有了更高的強度和更好的耐久性，因為耐久性取決于水或其他化學物質進入混凝土的能力，而在硅灰的幫助下結構密實孔隙不連通Ductal耐久性更好[4-7]。具體效果圖見圖3。

2.2 耐久性研究

Ductal是一種幾乎不滲透的材料，碳化的危險以及氯化物與硫酸鹽滲透的危險幾乎不存在，因而具有很強的耐酸性。至于耐磨性，Ductal可以與巖石類的材料媲美，其抗化學腐蝕有關性能極強。耐酸性介質的水抗性從弱酸性的pH=6.0到強酸pH=2.5，Ductal均能實現無脫落、無氣泡、無重量損失，這一點即使高性能混凝土也難以做到。這得益于Ductal獨有的致密性，其材料的致密性以及低孔隙率造就了它在抗滲防腐方面的優秀性能。

2.3 對環境無污染

Ductal作為一種砂漿類無極材料，是無毒無害生態友好型材料。Ductal預制構件均在預制工廠完成生產，現場安裝不產生粉塵等污染物?，F場澆筑或噴射的施工工藝與普通混凝土或噴射混凝土施工方式類似，不產生額外污染。

2.4 與普通混凝土性能對比

高性能混凝土材料所用材料與普通混凝土有所不同，其組成材料主要包括水泥、細砂、石英砂粉、硅灰等礦物摻合料和高效減水劑[8-10]。當對韌性有較高要求時，還需要摻入微細鋼纖維。高性能混凝土和普通混凝土性能對比見表1。

表1 高性能混凝土和普通混凝土性能指標對比表

綜上所述，超高性能混凝土(Ductal)具有初配流動性好，在可泵期內黏度隨時間逐漸緩慢增長，可泵期后較短時間內發生凝結，早期強度高，結實體性能穩定等特點，更適合于軌道隧道襯砌背后脫空的注漿處治[11-13]。

3 處治設計

考慮到目前軌道交通正在運營，常規泵送混凝土條件受限，綜合結構安全、長期營運等因素，在襯砌背后空洞區采用增設鋼帶+注高性能混凝土處治隧道(見圖4)。

增設鋼帶+注高性能混凝土施工主要步序如下：

1)先鑿除二次襯砌欠厚區域內和區域外30 cm拱墻混凝土(不損壞二次襯砌鋼筋)。

2)按照設計配筋參數植筋并綁扎鋼筋，在起拱線以上拱墻襯砌表面打磨2 cm～3 cm厚二次襯砌混凝土，吹灰清洗，然后在空洞周邊襯砌表面涂刷界面膠，在空洞區段二次襯砌外沿環向連續掛設40 cm寬不銹鋼鋼帶加固襯砌。

3)緊貼不銹鋼鋼帶設置臨時Ⅰ14工字鋼，縱向間距為40 cm(工字鋼應盡量設置在鋼帶接縫處)。在不銹鋼鋼板帶預留孔洞位置對空洞進行注高性能混凝土，空洞應填充密實。

4)待高性能混凝土達到設計強度后拆除臨時工字鋼。

3.1 注漿材料

注漿材料采用超高性能混凝土，拌制超高性能混凝土時，預混料、水、外加劑和鋼纖維配合比偏差不得超過±1%，混凝土應攪拌至各種組成材料混合均勻，顏色一致，超高性能混凝土擴展度應始終保持一致，不得變化組成，現場可根據實際情況靈活調整比例參數。

3.2 注漿設備

注漿設備采用SNS高壓注漿泵，配套高風壓空壓機、高壓注漿管、防震壓力表、水泥漿攪拌桶和自攪拌儲漿桶等。

3.3 注漿參數

注漿孔設置于空洞區域中上部位，并預留頂部導流管?；炷凉嘧M后，會沿導流管溢出，防止泵送壓力直接施加到鋼帶上。初始注漿壓力建議為0.5 MPa～1 MPa，當灌注超高性能混凝土達到拱頂封閉頂部時，應加大泵送壓力(一般為5 MPa～6 MPa)。為保證頂部混凝土的密實性，同時應注意進行二次補壓，有利于防止拱頂殘留空隙。

3.4 注漿工藝及流程

注漿工藝和傳統的注漿工藝類似，注漿施工流程:安裝注漿塞→注漿→封孔→撤出注漿塞。

3.5 注漿結束標準

3.5.1 單孔結束標準

1)注漿壓力達到設計終壓并繼續注漿10 min以上；2)單孔注漿量不小于設計注漿量；3)進漿速度為開始進漿速度的1/4時可結束本孔注漿。

3.5.2 全段結束標準

1)所有注漿孔均已符合單孔結束條件；2)檢查孔鉆取巖芯，漿液充填飽滿，并達到設計強度。

3.6 注漿注意事項

1)注漿過程中，如注漿壓力突然上升，短時間超過設計最大值，應開大回流閥，進行穩壓注漿，在漿液凝結前，查明原因并采取相應措施。如是管路堵塞，則清除故障后繼續注漿，如管路未堵塞，接管注漿時仍舊出現壓力突然上升，可結束該孔注漿。

2)注漿過程中，如發生其他孔串漿、冒漿，可關閉該串漿孔或者調整漿液配比縮短凝結時間繼續注漿，但若發生頻繁時，應加大鉆孔與在注漿孔的間隔或鉆一孔注一孔，減少串漿、冒漿現象。

3)注漿過程中，要保持注漿管路暢通，防止因管路堵塞而影響注漿結束標準的判斷，注漿連接件、注漿變頭應經常清洗干凈，注漿結束后，一定要清洗管路，清洗完以后，把注漿管從注漿法蘭盤上拆掉，并及時把注漿法蘭盤從孔口管上拆掉，以便下一次掃孔。

4 結語

1)對比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動性強、初凝時間短、早期強度高、密實性好等優點，有很好的使用價值[14]。

2)Ductal超高性能混凝土和一般混凝土結合能力比較好，注漿部位鉆孔取芯荷載破壞試驗工況下破裂面位置出現在一般混凝土內部，而非超高性能混凝土和一般混凝土結合部位[15]。

3)Ductal超高性能混凝攪拌設備比較小巧，便于現場展開施工，作業流程簡單快捷，對于施工作業時間限制嚴格的運營軌道項目優越性明顯。