京沈客运专线梨花顶隧道复合式衬砌施工技术

王 涛，李 强，何先虎，祝和权，杜存山

(1.中国铁道科学研究院集团有限公司 金属及化学研究所，北京 100081；2.京沈铁路客运专线京冀有限公司，北京 100161；3.中铁二十二局集团 第一工程有限公司，北京 100040)

我国铁路隧道多采用防水型复合式衬砌，但渗漏水、衬砌开裂等病害时有发生[1-3]。个别线路因隧道质量问题严重推迟验收和开通，甚至影响运营安全。在总结铁路隧道建设经验与教训基础上，京沈铁路客运专线京冀有限公司全面落实《高速铁路隧道工程施工技术规程》及相关管理文件，结合课题技术成果，通过科学研究，小心论证，对隧道衬砌施工技术进行了系列创新。

本文结合京沈铁路客运专线京冀段梨花顶隧道工程建设，介绍复合式衬砌采用的反粘式防水板、混凝土分层逐窗浇筑、拱顶带模注浆等成套施工技术。

1 反粘式防水板施工技术

防水板是隧道复合式衬砌防排水系统的核心。采用传统工艺施工防水板时刺破、搭接部位焊接不牢或焊穿等现象时有发生。防水板一旦出现破损，山体水系将快速充满防水板与二次衬砌混凝土之间的空隙，此时破损部位已无法修补，由防水板构成的防水体系基本失效，导致隧道渗漏水。类似工程案例[4-7]屡见不鲜。

反粘式防水板研究于2015年立项，2016年评审，2017年至2018年反粘式防水板在梨花顶隧道中试用。反粘式防水板具有自粘功能，采用预铺反粘法施工：高分子胶面向二次衬砌混凝土，光面紧贴初期支护，二次衬砌混凝土浇筑后其硬化过程中能与自粘胶层发生化学反应，形成机械互锁式界面黏结。反粘式防水板与后浇的二次衬砌混凝土迎水面形成整体防水。该复合式衬砌具有不易窜流、渗漏水点可确定等优点，可防止二次衬砌混凝土表面水渗透及窜流。反粘式防水板结构如图1所示。

图1 反粘式防水板结构

反粘式防水板由耐候防粘涂膜层、高分子自粘胶层、乙烯-醋酸乙烯酯(Ethylene-Vinyl Acetate,EVA)基体片材组成，即在EVA片材表面复合丁基橡胶高分子自粘胶层，耐候防粘涂膜层覆在自粘胶层表面，可与后浇的二次衬砌混凝土反应实现黏结。施工时配套有盖口条，其一面采用隔离膜防粘，便于局部修补及穿透性固定时覆盖密封。

EVA片材是反粘式防水板的主体结构，其力学性能决定防水板整体物理性能，性能指标不能低于TB/T 3360.1—2014《铁路隧道防水材料 第1部分：防水板》中的要求。反粘式防水板总厚1.5 mm(EVA片材厚1.0 mm)，每卷宽2.8 m，长度大于20 m。

1.1 拱顶模拟窜流试验

正式施工前，采用2片模板模拟二次衬砌拱顶混凝土浇筑，验证反粘式防水板的防窜流能力。模型试验安装见图2，上模板和下模板中间预设30 cm厚的空腔。先在上模板预铺反粘式防水板(胶面向下)，并在顶部预埋注水管(管道出口与防水板胶层间用无纺布隔离，防止水泥浆堵塞，加压时水从黏结界面流出)，再浇筑二次衬砌混凝土，养护7 d后拆上模板，加压注水以观察窜流情况，见图3。

图2 模型试验安装图3 拆上模板后注水

透过顶部防水板清晰可见预埋注水管，水压小于0.3 MPa时水不能在自粘胶层与混凝土黏结界面流动；水压大于0.3 MPa时，水将自粘胶层与混凝土黏结界面冲开，在黏结薄弱部位快速流淌，即无初期支护时黏结界面可抵抗0.3 MPa水压而不窜流。

1.2 反粘式防水板预铺施工

反粘式防水板铺设方式与EVA防水板相同，用自动台车可直接铺设，只需将反粘式防水板胶面向外，无胶面紧贴缓冲层铺挂，可用射钉直接穿透垫片和防水板进行固定，与喷射混凝土层固定后用盖口条封闭钉孔。射钉的分布及间距参考热熔垫片，裁剪10 cm×10 cm 盖口条覆盖密封射钉穿孔处。射钉直接固定的初期支护必须采用湿喷混凝土工艺施工，以免防水板固定不牢而脱落。反粘式防水板固定后应松紧适度，便于其与初期支护表面密贴。定位卡具和盖口条见图4 和图5。10 cm×10 cm盖口条四周裁剪成圆形。

图4 定位卡具图5 盖口条

相邻防水板搭接宽度不小于10 cm，因反粘式防水板一面覆有高分子自粘胶层、耐候防粘涂膜层，主要采用自动热熔爬焊机双缝焊接，焊缝宽1.5 cm，修补或细部处理时可用手持焊枪。正式焊接时设定的温度及速度应根据小块防水板试焊得出。试焊质量评定标准：对焊缝进行剪切检验时只允许自粘胶层被撕坏，不能出现焊口破坏。温度过低自粘胶不易熔化，过高则自粘胶易流淌，温度宜控制在220～250 ℃。防水板分段铺设时，边缘部位搭接宽度应不小于60 cm，防水板搭接缝距施工缝不小于100 cm，并对预留边缘部位进行有效保护，宜采用宽不小于1 m的防尘膜。

反粘式防水板多层焊接时，不能出现3层以上接缝重叠，必须将焊缝错开，并在接缝处采用盖口条密封处理。

防水板上存在穿透性破损点及焊接缺陷时，钢筋绑扎前必须及时修补。单一破损点可用专用盖口条直接粘贴修补；破损面必须用同型号卷材焊接修补，可用热风焊枪焊接，破损周边应有宽度大于10 cm的完整搭接，周边接缝用盖口条完全盖住。

2 边墙串筒溜槽分层逐窗浇筑技术

串筒溜槽可实现边墙分层逐窗浇筑。串筒溜槽分为3层。自上而下依次为主料斗、左右分料斗和分流串筒，均用溜槽方式入窗，实现各个窗口均匀进料(见图6)。串筒溜槽装置组成部件较多，主要安装顺序：台车顶平台主料斗→主溜槽→分溜槽→分流串筒→各级窗口分溜槽→泵管。

图6 串筒溜槽布置示意

边墙混凝土浇筑时，先将混凝土泵入台车顶平台主料斗，混凝土依次经三通分溜槽、分流串筒和溜槽至对应窗口，通过抽插各级挡板调节混凝土在分流串筒中的流量，实现一、二、三级工作窗口混凝土流入量可控，且便于逐窗振捣，达到混凝土分层逐窗入模的目的。浇筑过程中台车模板两侧混凝土高差小于1.0 m，前后混凝土水平高差小于0.5 m。

采用串筒溜槽分层逐窗浇筑技术可有效避免传统工艺中常出现的衬砌混凝土离析、裂缝等病害，最终可大幅提升边墙混凝土实体质量，同时该技术操作简单便捷，可降低劳动强度及成本。

梨花顶隧道斜井在铺设反粘式防水板后，分层逐窗浇筑边墙混凝土，到14 d龄期后进行注水试验(在反粘式防水板两侧均已预埋注水管)及钻芯取样，见图7和图8。

图7 注水试验图8 钻芯取样

注水试验发现：反粘式防水板与土工布间的注水压力较小，即在土工布和防水板间易窜流；在防水板与二次衬砌混凝土间的预埋管道注水，压力增至0.6 MPa 后水进入缓慢，压力逐渐增至1.3 MPa时仅施工缝有水缓慢渗出。钻芯取样发现自粘胶与混凝土黏结良好，表明在边墙采用串筒溜槽分层逐窗浇筑技术可实现反粘式防水板与混凝土的良好黏结。

3 拱顶带模注浆施工技术

隧道拱顶混凝土采用传统工艺浇筑不能保证衬砌厚度，易形成衬砌孔洞、背后不密实等缺陷[8-10]。为此，采用新型隧道衬砌台车进行带模注浆，台车顶部预留垂直注浆管(排气管)，拱顶混凝土施工完成2 h后及时通过该注浆管注浆。注浆料由普通硅酸盐水泥、超细掺合料、高性能减水剂、膨胀剂、细骨料等组分搅拌均匀而成，具有高流动性、无泌水、微膨胀等特征。经台车顶部预留注浆管注入注浆料至二次衬砌混凝土与防水板间，该注浆料可与二次衬砌混凝土同步硬化形成整体。带模注浆不仅能修复拱顶二次衬砌混凝土塌陷及厚度不足的缺陷，而且该注浆料还能与防水板自粘胶层反应，确保反粘式防水板与衬砌混凝土黏结成整体。

注浆管采用活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，RPC)制备，其强度较高，能在顶住防水板时不被后浇混凝土挤压折断；脱模时可直接敲击将其折断拆除，无需专业工具切割，对预埋注浆管周边混凝土无影响；与PVC管、钢管相比，其与衬砌混凝土黏结性能更好，使用方便。

3.1 安装RPC注浆管

通过台车顶部预留孔，用RPC注浆管“试穿”量测拟浇筑二次衬砌混凝土厚度。RPC注浆管顶住防水板后，标记注浆管与二次衬砌混凝土模板外侧齐平时的长度，并复核二次衬砌混凝土厚度是否满足设计要求；按标记长度+2 cm确定注浆管长度，安装切好的RPC注浆管并通过法兰固定，自上而下依次安装变径接头、压力表和高压注浆管。

3.2 拱顶混凝土浇筑

在台车端模上部安装摄像头，数据传输至视频监控室，实时观察拱顶混凝土浇筑过程，掌握拱顶混凝土的流动状态和注浆饱满情况，同时防止进料口填塞杂物，对拱顶混凝土浇筑质量实现有效监控。预留径向注浆管作为窗口，观察拱顶混凝土是否泌浆以判断其到达位置，待各注浆孔出浆且端模混凝土饱满后，混凝土冲顶完成，并及时清理注浆口，避免浆液凝固堵塞注浆管。

视频监控混凝土浇筑过程将隐蔽的缺陷工程变为可见的可靠工程，通过早期带模注浆预防性治理，衬砌缺陷由后期被动式修补变为前期预防性修正，实现二次衬砌混凝土质量的根本性提升。

3.3 注浆材料制备与施工

二次衬砌混凝土浇筑完成2～3 h后进行带模注浆，从低端向高端逐步注浆。浆液水灰比0.18，出机流动度380～410 mm，90 min流动度保留值≥320 mm，泌水率0，塑性膨胀率0.3%～2.0%，12 h抗折强度≥1.0 MPa，抗压强度≥3.5 MPa。浆液需连续拌制，拌制过程中严控各组分用量，以保证浆液质量稳定。

注浆孔主要位于混凝土浇筑口下方，中间排气孔作为备用注浆孔，位于台车顶板中间。注浆孔注浆完毕后再用备用注浆孔进行注浆，直至端模流出浓浆后终止注浆。

若注浆压力达到1.0 MPa，排气孔和端模仍未流出浓浆，应更换排气孔继续注浆，排气孔与端模有浓浆流出时停止注浆；注浆结束时卸下软管，并将注浆孔封堵密实，定位法兰在浆液初凝后即可卸除。

3.4 质量效果

采用地质雷达或敲击法检测拱顶混凝土衬砌，结果合格后用角磨机切割打磨注浆管外露部位至平整。对于内部完全密实的注浆孔，以注浆孔为中心涂刷环氧树脂漆，涂刷半径10 cm；对于未完全密实的注浆孔，先使用环氧树脂砂浆封堵注浆孔，封堵深度≥5 cm，然后在表面涂刷环氧树脂漆，涂刷半径10 cm。

雷达检测结果(见图9)显示采用拱顶带模注浆技术后二次衬砌混凝土饱满、密实，效果明显。

图9 拱顶混凝土雷达检测结果

带模注浆不占用衬砌施工时间，对整体工期无影响，可在混凝土初凝后开始。通过较高的注浆压力充分密实衬砌孔洞，修复衬砌缺陷，能使拱顶二次衬砌混凝土与反粘式防水板黏结在一起，真正实现隧道二次衬砌混凝土的“皮肤式防水”。同时，带模注浆从根本上解决了隧道二次衬砌混凝土常见缺陷，节省大量后期成本，经济效益显著。

4 结论

1)反粘式防水板铺挂简单，与混凝土黏结良好，具有良好防窜流性能，利于后期隧道加固及病害整治。

2)在边墙通过串筒溜槽实现分层逐窗浇筑，可避免发生混凝土离析、裂缝等病害，提升衬砌混凝土实体质量，实现边墙混凝土与反粘式防水板的良好黏结。

3)带模注浆不仅能从根本上解决拱顶混凝土常见缺陷，保证拱顶衬砌厚度，而且注浆料可与防水板自粘胶层反应，确保反粘式防水板与拱顶混凝土迎水面黏结成整体。