鐵路隧道二襯縱向連續(xù)灌注施工技術(shù)研究

鮮云華 XIAN Yun-hua

（中鐵十二局集團第三工程有限公司，太原 030024）

0 引言

隨著我國隧道建設(shè)網(wǎng)的不斷拓寬和完善，隧道建筑數(shù)量逐年增加。傳統(tǒng)的隧道建設(shè)技術(shù)需要在現(xiàn)有基礎(chǔ)上不斷創(chuàng)新和優(yōu)化，以迎接智能化、高效化、高質(zhì)量化的技術(shù)浪潮。目前，隧道縱向灌漿施工通常是在隧道頂部預(yù)留垂直灌漿孔進行砼注入[1-4]，借助重力作用使混凝土自流填滿。但由于泵送混凝土存在流動性差的特性，使得混凝土在灌注至頂后，灌注效果并不理想。同時，相關(guān)技術(shù)人員通常會因為二襯臺車端模封閉而不能夠正確判定臺車內(nèi)部混凝土的實際灌注進展情況以及停止灌注的時機，易出現(xiàn)不密實、厚度不足、背后脫空等質(zhì)量缺陷[5-7]。

本文依托格萊村隧道工程，首先，分析了隧道縱向連續(xù)灌注施工工藝原理；其次，梳理了施工關(guān)鍵技術(shù)；然后，結(jié)合現(xiàn)場施工效果進行技術(shù)評價；最后，采用數(shù)值模擬法進行技術(shù)驗證，以期為類似工程施工提供一定的參考。

1 工程概況

格萊村隧道位于尋緬縣功山鎮(zhèn)，進口里程DK597+035，出口里程DK600+676，全長3641m，最大埋深為178m，最小埋深8.5m，進口接格萊村大橋，出口接蒲草塘跨待功高速公路特大橋，為設(shè)計速度350km/h 鐵路雙線隧道，是新建的渝昆高速鐵路的控制性工程之一。

2 施工工藝原理

縱向灌注是將原有的垂直灌注改為縱向連續(xù)灌注，改變了原有灌注方向，混凝土的灌入點不再局限于二襯臺車割孔固定的幾點，以拱頂位置水平連續(xù)后退漫淹式來代替垂直沖頂式灌注，能夠在重力作用下自流填充均勻，可有效解決垂直灌注中注漿孔之間由于施工工藝缺陷而造成的襯砌脫空等質(zhì)量問題。

3 施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 施工工藝流程圖

二襯縱向連續(xù)灌注施工工藝流程圖見圖1。

圖1 施工工藝流程圖

3.2 施工關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 安裝防脫空傳感器

采用長16.5m 縱向灌注臺車進行防水層及二襯鋼筋施作，施工防水層過程中安裝好壓力傳感條及壓力傳感器。自粘埋設(shè)式防脫空傳感器見圖2。

圖2 自粘埋設(shè)式防脫空傳感器

3.2.2 臺車就位

完成測量放樣后，進行全液壓襯砌臺車行走、定位及加固，經(jīng)升級報驗合格后澆筑二襯混凝土。

3.2.3 邊模澆筑

在灌注槍澆筑邊模時，將灌注槍升至頂模下方，縱向移動灌注小車帶動灌注槍對二襯臺車多功能布料斗從里到外逐個供料。將混凝土引入邊模對稱分料系統(tǒng)，實現(xiàn)邊模混凝土的對稱連續(xù)快速澆筑。槍頭位置根據(jù)隧道坡度先插入到最低點的布料斗，依次往后退槍到其它布料斗，采用插入式振搗棒逐窗進行振搗，達到相應(yīng)高度后配合高頻低幅平板振搗器進行振搗[8-9]。重復以上工藝，直至完成3層窗位置以下混凝土施工。

3.2.4 拱頂澆筑

①當邊模澆筑完成到第3 層窗口位置后，將灌注槍從臺車內(nèi)部整個退出，再舉升灌注槍高過頂模，灌注槍走行小車帶動拖拉泵管伸長，從端模處插入頂部鋼筋籠里，進行拱頂縱向澆筑。澆筑混凝土過程中混凝土會逐漸掩埋槍頭，形成一定壓力后灌注槍走行小車帶動拖拉泵管退槍，直至混凝土澆注完成方可結(jié)束泵送。

為便于灌注槍從頂拱鋼筋正中插入鋼筋網(wǎng)中，豎向勾筋需向兩邊偏移，預(yù)留出插槍孔洞，孔洞大小為：≥275×275mm。

②灌注過程中適時逐個開啟二襯臺車附著式振搗器及拱頂插入式振搗棒，對二襯混凝土進行分層、分區(qū)域振搗密實，待混凝土流動平穩(wěn)后繼續(xù)灌注至填滿頂部。

③通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)觀察和頂部埋設(shè)的防脫空傳感器，掌握混凝土澆筑至隧道拱頂高位時位置，縱向灌注槍按0.6m 步距適時后退，直至頂部二襯混凝土全部灌注飽滿。

④澆筑過程實現(xiàn)信息化控制，使壓力監(jiān)測點持續(xù)保持一定壓力且防脫空傳感器變色及壓力警報器出現(xiàn)蜂鳴聲前提下進行封閉端部模板，退槍。并利用特殊堵頭盒設(shè)計，實現(xiàn)帶壓插板封堵，確保拱頂澆筑的密實度。二襯臺車堵頭盒見圖3。

圖3 二襯臺車堵頭盒

3.2.5 管路清洗

混凝土澆筑灌注槍下沉到底，留出操作空間，完成澆筑槍和拖拉管路的清洗。

4 現(xiàn)場實施技術(shù)評價

依托格萊村隧道工程，二襯縱向連續(xù)灌注現(xiàn)場實施效果良好，滿足設(shè)計要求，同時也反映出該技術(shù)的優(yōu)點和不足之處。

4.1 技術(shù)優(yōu)勢

采用旋轉(zhuǎn)式灌注孔堵頭封堵裝置，實現(xiàn)了退槍過程的帶壓封堵，確保頂拱澆注的密實性[10]。

4.2 技術(shù)缺陷

①縱向灌注槍頭易與拱頂槽道沖突，在混凝土澆筑過程中灌注槍頭易碰撞槽道，同時灌注槍行走路徑也受到限制，槍頭不能夠到達遠端端頭。槍頭位置示意圖見圖4。

圖4 槍頭位置示意圖

②拱頂縱向灌注時對混凝土性能要求較高，混凝土入泵塌落度在210～220mm 之間，坍落度稍小易造成拱頂混凝土堆積，同時混凝土兩側(cè)易產(chǎn)生不均勻流動。

③新型智能化襯砌臺車系統(tǒng)為機電液一體化設(shè)備，專業(yè)性較強，相關(guān)操作人員需進行專業(yè)培訓。

5 力學驗證

結(jié)合格萊村隧道典型斷面的拱頂二襯縱向連續(xù)灌漿施工實例，采用地層結(jié)構(gòu)法進行力學驗證。

5.1 三維計算模型

為了消除邊界條件的影響，模型邊界取3～5 倍洞徑，整個數(shù)值模型縱向長度為10m，橫向長度為150m，豎向長度總長為132m，隧道底部距離下邊界60m，隧道拱頂距離上邊界60m，隧道埋深100m，在數(shù)值模型頂部外加1MPa的豎向壓力。模型底部進行完全固定，模型前后左右邊界施加法向約束，上邊界為自由邊界。

5.2 參數(shù)設(shè)置

數(shù)值模型中的初期支護、二次襯砌和圍巖采用八結(jié)點線性六面體單元（C3D8R）單元模擬，采用桁架（truss）單元模擬錨桿。分別采用Mohr-Coulomb 屈服準則、線彈性屈服準則對圍巖力學行為、支護結(jié)構(gòu)力學行為進行描述。數(shù)值模型中的力學參數(shù)取值見表1。

表1 力學參數(shù)取值

模型共有225666 個結(jié)點，211600 個單元，網(wǎng)格劃分見圖5。

圖5 網(wǎng)格劃分

5.3 計算結(jié)果

數(shù)值模擬結(jié)果中二襯軸力計算結(jié)果見圖6，二襯彎矩計算結(jié)果見圖7。

圖6 軸力圖

圖7 彎矩圖

5.4 安全性分析

提取二襯的彎矩、軸力，依據(jù)鐵路隧道設(shè)計規(guī)范第8.5節(jié)，計算隧道二襯安全系數(shù)。采用破損階段法[11]對二襯單元進行逐一安全系數(shù)計算。

將二襯不同截面處的安全系數(shù)進行匯總，二襯各截面安全系數(shù)見圖8 所示。

圖8 二襯各截面安全系數(shù)

由圖8 可知，采用二襯縱向連續(xù)灌漿施工，二襯各截面安全系數(shù)均大于規(guī)范規(guī)定的3.6，滿足安全設(shè)計要求。

6 結(jié)束語

①縱向移動灌注小車帶動灌注槍對二襯臺車多功能布料斗從里到外逐個供料，并將混凝土引入邊模對稱分料系統(tǒng)，實現(xiàn)了邊模混凝土對稱連續(xù)快速澆筑。②縱向灌注過程中，通過設(shè)置防脫空傳感器與壓力警報器，結(jié)合現(xiàn)場視頻監(jiān)控，實現(xiàn)了縱向灌注信息化控制。③針對二襯灌注不密實難題，采用了旋轉(zhuǎn)式灌注孔堵頭封堵裝置，實現(xiàn)了退槍過程的帶壓封堵，確保了頂拱澆注的密實性。④采用頂位水平連續(xù)后退漫淹式替換沖頂式灌注的縱向連續(xù)灌注技術(shù)，使混凝土在重力作用下自流填充均勻密實，解決了傳統(tǒng)工藝存在的厚度不足和脫空等技術(shù)難題。