隧道衬砌拱顶脱空与空洞回填工艺优化

唐思伟 石照辉 禹化伟

(中铁隧道集团三处有限公司，广东 深圳 518000)

0 引言

近十几年，我国高铁工程取得了全球瞩目的成绩，其中，作为重要组成部分的隧道工程也取得显著进展，但也存在一些缺陷，如隧道存在拱顶脱空与空洞的现象[1,2]，其严重影响隧道的安全性，危及行车安全，因此，隧道衬砌拱部结构的质量引起广泛关注[3,4]。

按照现有规定[5]，衬砌背后大于10 cm深度的未回填部分认定为空洞[6]。同时，为保证隧道拱顶安全，隧道衬砌背后回填整治工作，在2019年发布普通铁路、高速铁路验收标准与施工规范中均有明确规定[7]，同时在工程界也成为了广泛关注的研究热点[8,9]。

衬砌拱部混凝土的收缩变形是产生脱空与空洞的重要原因。对于常见的公路隧道或高铁隧道，模板台车设计长度多为12 m左右，混凝土单次浇筑方量约在120 m3。隧道衬砌台车浇筑工艺，要求混凝土有很高的流动性，甚至是液态混凝土，衬砌混凝土相对于普通混凝土，其更易于产生收缩(如塑性收缩、化学收缩、自收缩、干燥收缩、温度收缩及碳化收缩等)[10]，导致成品衬砌混凝土体积较浇筑时体积缩小1%～2%，折合每模衬砌约有1.2 m3～2.4 m3背后空隙体积，形成脱空与空洞。

1 注浆材料评价

1.1 水泥净浆

水泥净浆的水灰比通常为0.4～1.0，其性能见表1。随水灰比的降低，浆液的粘性急剧增大，不易搅拌均匀。因此，当水灰比为0.4～0.6时，浆液流动度大幅下降，需要补充减水剂(PCE)以提高流动性。

对于水泥净浆，结石率是重要的评价指标。结石率是指浆液硬化后体积占原液态浆液总体积的百分比。由表1数据可知，浆液的结石率随水灰比的增加快速减小，若采用水灰比1.0的净浆注浆，尽管能完全注满空隙，待浆液硬化后仍有30%新的空隙形成，导致多次补浆的工艺缺陷。

表1 水泥净浆性能分析

选择水泥净浆为注浆材料时，水泥净浆的强度也需关注。因为隧道衬砌强度一般为C30或C35，为减少空洞现象，回填浆液的强度不应低于衬砌本体强度[16]。从表1可以看到，水泥净浆的水灰比应小于0.6。

因此，隧道背后回填注浆采用水泥净浆时，水泥净浆的水灰比不得超过0.6。由于具有流动度好，使用方便，成本低廉的特点，水泥净浆多被现场施工采用。

1.2 水泥砂浆

为预防空洞产生，必须严格控制水泥砂浆的收缩率。从表2可以看到，随着水灰比的减小，水泥砂浆的收缩率逐渐减小，故注浆应尽量选用水灰比小的水泥砂浆。

表2 水泥砂浆性能分析

结合表2中水泥砂浆强度的发展，在进行隧道背后回填注浆时，水泥砂浆的水灰比一般选为0.55以内，以减小回填浆液与衬砌本体的强度差别。

1.3 专用注浆料

某铁路建设公司设计了一种专用注浆材料，其关键参数见表3。

“知人”杂说（吴语） ...................................................................................................................................3-44

从表3可以看到，该专用注浆料为大流动度、大比重、高强膨胀的砂浆，可以解决现有水泥净浆和水泥砂浆强度较低、收缩率较大的问题，在隧道背后回填注浆时可以有效避免空洞现象。

1.4 特种膨胀注浆砂浆

特种膨胀注浆砂浆与普通水泥砂浆相比，具有以下技术要求：

1)砂为特细砂或干法工艺机制砂(未除尘)；

2)必须使用早强型膨胀剂，比如硫铝酸盐水泥、硫铝酸钙类膨胀剂[17]；

3)必须采用消泡型粉体减水剂，减水剂引气性低于1.0%；

4)应添加微量的慢发泡成分，比如铝粉膏等工业特种产品，使浆液在塑性期间产生微量膨胀；

5)应掺加微量的纤维素或木质素纤维，以增加砂浆的粘度。

表3 专用注浆料性能表

从表4数据可以看到，特种膨胀砂浆具有不泌水、微膨胀、后期强度增长幅度大等显著特征，可以避免隧道背后回填注浆产生空洞，逐渐成为理想的回填注浆材料，具有广阔的应用前景。

表4 特种膨胀砂浆性能分析

2 注浆工艺分析

2.1 带模注浆

带模注浆选在衬砌混凝土浇筑结束，且混凝土初凝时间之前，一般在2 h～3 h注浆，以确保浆液与新浇筑混凝土表面融合，以提高整体强度。

2.2 后退式带模注浆

因后退式注浆拔管的需要，后退式带模注浆一般选在衬砌混凝土浇筑结束1.5 h以内，与带模注浆工艺相比，后退式注浆覆盖面大，注浆效果显著提升。

2.3 工后注浆

多数情况下，目前的隧道管理现状往往在衬砌完工后进行检测，检测有缺陷再进行处理，这就使得工后注浆成为最普遍的脱空及空洞缺陷治理方法。

工后注浆采用不同注浆材料时易出现以下技术缺陷：

1)水泥净浆结石率不高，且流失严重；

2)因操作的方便性问题，水泥砂浆较少被采用；

3)专用注浆材料颗粒细小，且类似水泥的包装，使用方便，但实际使用过程中仍有类似净浆的流动性过大易流失的缺陷；

4)特种膨胀砂浆性能较好，对配制的技术和操作水平要求较高，未能广泛应用。

3 注浆工艺优化

结合注浆材料的分析，本文以能完全达到理想的注浆效果为标准，计算一个注浆队伍所承担的约3 km隧道的整治任务的投入，以分析注浆方案的合理性。注浆量按每模12 m衬砌2 m3估算，同时，考虑二次甚至是多次整治的材料、人工投入修正，具体经济分析数据见表5。

表5 注浆方案成本分析 万元

由表5可知，每完成3 km隧道衬砌脱空及空洞整治，按消耗成本从高到低排序为：

工后注浆料注浆>带模注浆>工后净浆注浆>带模砂浆注浆>后退注浆>工后砂浆注浆。成本投入最大值为最小值的6倍。

综上所述，从经济角度出发，优选工后砂浆注浆工艺，砂浆按配合比现场计量。但是砂浆材料组成多样，计量繁琐，且砂需要过筛等问题，造成了现场工人非常抵制这种注浆方法的现状。为避免此情况，可在隧道开工之初选择后退注浆工艺。

4 结论

1)隧道背后回填注浆材料应选用专用注浆料或特种膨胀注浆砂浆；

2)注浆工艺应尽量选择工后注浆工艺，然后再考虑后退注浆工艺。