张邦平
(中铁六局集团北京铁路建设有限公司，北京100036)
摘 要：结合合福高铁某段隧道隧底虚碴、厚度不足两种仰拱缺陷整治，介绍隧底虚碴注浆技术及锚杆加固技术。隧底虚碴段通过注水泥浆，可将虚碴固结，使混凝土与基岩间密实，形成整体。仰拱厚度不足30 cm以内且基底围岩整体性较好地段，通过中空注浆锚杆加固后，能增强地层承载力。利用此两种技术对高铁隧道仰拱施工质量缺陷进行整治后，达到了预期效果，能保证隧道质量及运营安全，对类似工程有一定推广价值。
关键词：隧道；仰拱；缺陷整治；隧底虚碴；厚度不足；注浆；中空锚杆加固
收稿日期：2015-01-06
作者简介：张邦平(1983—)，男，工程师，主要从事铁路隧道施工生产组织工作
DOI：10.13219/j.gjgyat.2015.02.017
中图分类号：U457.2
文献标识码：B
文章编号：1672-3953(2015)02-0060-05
Abstract: With the inverted-arch-defects-treating construction concerning the loose dregs at the tunnel bottom and the deficiency in thickness for the Hefei-Fuzou Railway as a practical example,the slip-casting technique for loose dregs at the bottom of a tunnel and the anchor-rod-reinforcing technique are introduced in the paper.The sections of loose dregs of a tunnel can be solidified by slip-casting cement mortar into them so as to densify the section between the base rock and the concrete and make them into a whole.In the section of the thickness of the inverted arch being less than 30 cm,the bearing capacity of the stratum can be much improved after being consolidated with hollow anchor rods,through which concrete is slip-cast into the stratum.With those two techniques adopted to treat the construction defects in the inverted arch of the high-speed railway tunnel, the expected effects are achieved and the quality of the tunnel and the safe operation of the railway are ensured.The two techniques may be of certain value in popularization in other similar projects.
仰拱是隧道结构的重要组成部分，是隧道结构的基础，与二次衬砌共同构成隧道整体，增加结构稳定性。仰拱由于在列车长期重载作用及地下水侵蚀的影响下极易产生破坏，从而引起基底沉陷、道床翻浆冒泥等病害，不但增加养护维修工作量，而且严重影响运营安全。高铁隧道由于列车速度快、跨度大，对仰拱要求更高，从国内外已开通高铁隧道的工程病害实例来看，由于仰拱施工问题而出现的隧道结构失稳、底板沉降开裂、整体道床开裂的实例不在少数，甚至有个别已开通隧道因仰拱问题而被迫将无砟轨道变为有砟轨道，可见仰拱缺陷不可忽视，施工中应严格控制，避免出现缺陷，一旦出现仰拱缺陷绝不能回避，应坚决整治。
合福铁路客运专线是京福铁路客运通道的重要组成部分，是沟通华中与华南地区的一条大能力客运通道。速度目标值为350 km/h，主体结构使用寿命期限为100 a，隧道比例高，地质情况复杂，所有隧道均为双线隧道，隧道断面大，净空有效面积为100 m 2，施工难度大，技术含量高，质量要求严、标准高。合福六标四分部共承建5座隧道，分别为：笔架山隧道，全长5 948 m，围岩有砂岩、花岗岩；葫芦岭隧道，全长355 m，围岩为花岗岩；梅村隧道，全长634.66 m，围岩为花岗岩；柳山隧道，全长797.52 m，围岩有花岗岩、砂岩；若红岭隧道，全长260 m，围岩有花岗岩、砂岩。
依据第三方检测报告、取芯结果，经排查，标段内仰拱质量缺陷主要有隧底虚碴和仰拱厚度不足两种，共发现仰拱底有虚碴段1 380 m，仰拱厚度不足段277 m，其中两种缺陷共存地段201 m，检查结果如表1、表2所示。
隧底虚碴产生的原因主要有两方面：一方面是架设隧底钢架前或浇注混凝土前未将虚碴、杂物等清除干净；另一方面是隧底超挖部分未采用同级混凝土回填，而是采用虚碴回填 [1]。
表1 仰拱虚碴问题统计表
隧道名称起止里程分段长度/m岩性围岩级别虚碴厚度/cm笔架山隧道DK225+640~DK225+71575砂岩Ⅲ5~7DK225+802~DK226+000198砂岩Ⅲ6~11DK226+482~DK226+52543砂岩Ⅲ5~14DK226+575~DK226+816241砂岩Ⅲ5~9DK226+993~DK227+126133砂岩Ⅲ8~22DK227+867~DK227+88619花岗岩Ⅳ10~19DK227+978~DK228+01537花岗岩Ⅴ7~12葫芦岭隧道DK231+145~DK231+18035花岗岩Ⅴ12~16梅村隧道DK232+278~DK232+36587花岗岩Ⅴ8~18DK232+365~DK232+41348花岗岩Ⅳ5~12DK232+498~DK232+54042花岗岩Ⅲ5~7DK232+582~DK232+65876花岗岩Ⅲ5~13DK232+780~DK232+84060花岗岩Ⅴ6~12柳山隧道DK233+230~DK233+31080花岗岩Ⅴ10~21DK233+589~DK233+65465砂岩Ⅲ5~8DK233+680~DK233+70525砂岩Ⅲ5~14DK233+738~DK233+75012砂岩Ⅳ5~8DK233+750~DK233+81060砂岩Ⅴ5~10DK233+810~DK233+85444砂岩Ⅳ7~11
表2 仰拱厚度不足问题统计表
隧道名称起止里程分段长度/m岩性围岩级别仰拱厚度不足数值/cm梅村隧道DK232+299~DK232+36566花岗岩Ⅴ8~14DK232+790~DK232+81525花岗岩Ⅴ7~12柳山隧道DK233+297~DK233+35356花岗岩Ⅴ6~18DK233+589~DK233+65465砂岩Ⅲ10~20DK233+685~DK233+72035砂岩Ⅲ5~10DK233+720~DK233+75030砂岩Ⅳ5~15
仰拱厚度不足产生的原因主要有两方面：一是隧底开挖时欠挖，未挖到设计基底高程；二是隧底有钢架地段钢架制作不标准，侵入仰拱造成混凝土厚度不足。
根据京福客专安徽公司《隧道衬砌缺陷处理方案研讨会专家意见》，对隧底虚碴地段采用注浆加固处理，仰拱厚度小于设计值30 cm [2]以内、基底围岩整体性较好地段采用隧底锚杆加固处理。
隧底虚碴段通过注水泥浆，可将虚碴固结，形成整体，既能使混凝土与基岩间密实，又能阻止地下水对仰拱混凝土的侵蚀，能满足高铁列车的抗震要求。仰拱厚度不足30 cm以内且基底围岩整体性较好地段，通过中空注浆锚杆加固后，一方面可以将仰拱与围岩在一定程度上成为一体，利用中空锚杆的“挤压加固作用”和“组合梁”作用，增强地层承载力；另一方面注浆时浆液会向围岩裂隙中扩散，从而增加围岩的整体性。通过以上定性分析，认为专家意见中的处理措施能起到整治仰拱质量缺陷的作用。
采用风动凿岩机钻孔，孔径40 mm，孔距1.5 m×1.5 m，梅花型布置，孔位距施工缝0.5～1 m，孔深为打入基岩10～20 cm。注浆必须采用二序注浆，第1次为打设图1中的奇数排孔。
每个孔钻完后都必须采用高压水清孔，冲出孔内碎渣。清孔完成后要逐个验孔，检查孔深、是否堵塞，并形成验孔记录表，对于不合格的孔要补打，直至合格为止。
图1 孔位布置图(单位：cm)
孔内埋设50 cm长?20 mm镀锌钢管作为注浆管，钢管下部用土工布缠裹后塞入注浆孔，上部车丝，埋设时露出仰拱面2 cm，然后采用锚固剂封孔，封孔深度不小于40 cm。
采用BW-150型注浆机注浆，水泥采用42.5普通硅酸盐水泥，水灰比为0.8∶1～1∶1。为了保证注浆连续进行，注浆前应认真检查注浆机的状态是否良好、配件是否齐全，检查制浆的原材料是否齐备、质量是否合格。检查完毕后按以下顺序注浆：
(1)将注浆机的高压注浆管与注浆孔内预埋注浆管采用丝扣连接，做压水试验检测管道是否密封，密封后方可注浆。
(2)采用搅浆机制浆，严格控制水灰比。
(3)开始注浆。初始压力大约0.5～0.8 MPa，注浆一定时间后相邻注浆孔内会冒水，此时持续注浆，相邻注浆孔内会冒水泥浆；当所冒浆液浓度与注浆浆液相当后，用止浆帽将冒浆孔封闭，并持续注浆，此时注浆压力为1 MPa左右，此为浆液扩散阶段，当隔一排的注浆孔冒浆时，注浆机压力会进一步上升，此时停止注浆，用止浆帽封闭该孔。
(4)必须逐孔注浆，重复上述步骤继续注浆。
第1次注浆完成12 h后，重复上述钻孔(图1中的偶数排孔)、清孔、验孔、封孔、注浆。
注浆完成至少7 d后，采用地质钻机对注浆效果进行取芯验证，取芯深度为取出完整基岩，如虚碴固结说明注浆效果较好、已达到整治目的，如虚碴未有效固结，则按上述步骤再次补注浆，直到满足要求。
3.7质量控制关键点
(1)孔深必须满足要求，要穿透虚碴，并打入基岩最少10 cm。
(2)钻完孔后要立即清孔，孔内有虚碴会影响扩散效果。
(3)锚固剂封孔深度必须大于40 cm，否则压力过大时容易顶出注浆管或喷出浆液造成危险。
(4)浆液浓度应根据实际情况适当调整，如地下水丰富时应适当调浓浆液，注浆时浆液扩散较远时也应调浓浆液，扩散半径以不超过2排孔为宜。
(5)注浆压力不宜过大，不能超过1 MPa，若浆液扩散半径过大，会影响固结效果，也容易造成仰拱开裂、隆起，形成新的病害。
(6)必须采用二序注浆，由于水泥收缩等原因一次很难注满，第2次注浆既是补注浆，也能起到初步验证的效果。
(7)注浆时即使串孔也要逐孔注浆，保证效果。
(8)注浆时要注意观察，防止浆液从施工缝、排水管等漏出造成堵塞，形成新的病害。
锚杆加固范围确定后，先用高压水将需加固段冲洗干净。测量组按“中空锚杆布置图”要求测放好孔位，具体参数为：每个断面4根锚杆，纵向间距2 m，锚杆距离施工缝0.5～1 m，锚杆位置与施工缝冲突时，锚杆纵向位置可适当调整，且锚杆应避开隧底横向排水管。中空锚杆布置见图2。
图2 中空锚杆布置图(单位:cm)
中空注浆锚杆?32 mm，长5 m，经比选，决定采用潜孔钻钻孔，孔径76 mm，为确保孔深，钻孔深度5.5 m。钻孔完成后应立即用高压风或高压水清孔，吹出孔内沉渣，每个孔深都必须检查，并形成验孔记录。
验孔合格后，将5 m长中空锚杆送入孔内，安装垫板、垫圈、螺帽，安装垫板时要对仰拱填充表面适当修整，保证垫板与混凝土面密贴，也可以填塞锚固剂封孔。
采用螺杆式注浆机注浆，为了保证注浆连续进行，注浆前应认真检查注浆机的状态是否良好，配件是否齐全，检查制浆的原材料是否齐备、质量是否合格。
(1)注浆量计算。每根锚杆注浆量：Q= π×(Φ/2) 2×L×D。式中：Φ为锚孔孔径(m)；L为钻孔深度(m)；D为锚杆注浆直径范围(依据地层情况决定1～5倍钻孔直径)。锚孔孔径为76 mm，钻孔深度5.5 m，D值取2，计算得Q=0.05 m 3。
(2)利用中空锚杆体作为注浆管注浆，水泥采用42.5普通硅酸盐水泥，水灰比为0.5∶1～1∶1，注浆压力为0.3～0.5 MPa，压力不宜过大，持续注浆至排气孔冒出浓浆并持续一段时间为止。
(3)重复注其余中空锚杆孔。
(4)在所注浆液强度达到预定强度之后，上紧杆端螺母，使其产生一定的预应力，起到更好的加固围岩的作用。锚杆与垫板应保持垂直，并与仰拱面充分接触，螺母务必拧紧。
注浆完成7 d后采用声波物探仪测试锚杆孔水泥体的密实度，密实度应大于85%。
(1)浆液浓度应根据实际情况适当调整，如有少量地下水时应适当调浓浆液，而且应反复注浆，地下水丰富时还应添加水玻璃或速凝剂，掺量应根据试验确定。
(2)中空锚杆注浆只是孔内及锚杆体内注浆，围岩破碎时浆液会适当扩散，所以注浆压力不宜过大，不能超过0.5 MPa，否则会将垫板顶起、喷出浆液，造成危险。
(3)若该整治段既有隧底虚碴注浆又有中空锚杆加固，应先治理隧底虚碴，注浆验证合格后方能开始中空锚杆加固。
合福铁路六标四分部共1 380 m隧底虚碴均严格按照上述隧底虚碴注浆技术整治，花岗岩地段平均每米注0.96 t水泥，砂岩地段平均每米注0.67 t水泥，经取芯验证只有两段共30 m还有少量虚碴，其余地段虚碴固结效果良好，30 m不合格段经再次补注后，取芯效果良好，通过抗压试验检测，水泥浆试件抗压强度可达到35 MPa，虚碴固结体抗压强度可达到30 MPa，达到了预期固结虚碴的整治效果。图3为取芯虚碴固结照片。
图3 隧底虚碴固结照片
仰拱厚度不足段共277 m，按照上述隧底锚杆加固技术整治后，经TD-Anchor型锚杆质量检测仪检测，密实度均大于85%，达到整治效果。其中201 m两种缺陷共存段按照“先注浆、后锚杆”的原则，确保中空锚杆注浆时不串孔、不堵孔。图4为单根锚杆检测时频谱图，表3为梅村隧道部分锚杆检测结果。
图4 单根锚杆时频谱图
表3 梅村隧道仰拱中空锚杆部分检测结果统计表
序号锚杆长度/m注浆密实度/%锚固质量分类锚固质量序号锚杆长度/m锚固饱和度/%锚固质量分类锚固质量14.9789.4良好合格1014.8992.9优秀合格114.9193.3优秀合格1114.9690.6优秀合格214.9487.7良好合格1214.9692.7优秀合格314.9689.7良好合格1314.9292.4优秀合格414.9287.0良好合格1414.8693.8优秀合格514.9894.6优秀合格1514.9587.4良好合格614.9886.7良好合格1614.9887.0良好合格714.8591.5优秀合格1714.8489.1良好合格814.8790.6优秀合格1814.9190.6优秀合格914.9286.8良好合格
(1)隧底虚碴注浆应根据不同岩性、围岩完整性不同、虚碴厚度、地下水发育情况分别进行试验确定参数。根据此次整治经验，花岗岩地段因完整性较好，爆破效果好，虚碴大多比较均匀；而砂岩地段因节理较发育，爆破效果差，仰拱清底效果不好，虚碴大多呈窝状。所以花岗岩地段注浆扩散效果较好，孔距可适当加大，浆液浓度应适当加大；而砂岩地段扩散效果差，孔位应适当加密，浆液浓度应适当减小。虚碴较厚地段，孔深必须满足要求，要穿透虚碴，打入基岩，才能保证浆液扩散效果。地下水发育地段，浆液浓度应适当加大，必要时还可添加水玻璃。
(2)合福铁路六标四分部所有需进行隧底中空锚杆加固地段地下水均不发育，所以按照正常工艺施工就能达到整治效果。但遇到地下水发育且有压力地段，水泥净浆会在凝固前稀释，应添加水玻璃或速凝剂，但掺量应根据现场试验确定。
(3)尽管严格过程控制后能达到整治效果，但缺陷整治毕竟是亡羊补牢，是不得已的措施，还应在施工中加强过程管控，严格按设计文件及规范施工，尽量避免缺陷，创造优质工程。
参考文献
[1]中华人民共和国铁道部.铁建设〔2010〕241号 高速铁路隧道工程施工技术指南[S].北京：中国铁道出版社，2011
[2]中华人民共和国铁道部. TB10753—2010 高速铁路隧道工程施工质量验收标准[S].北京：中国铁道出版社，2011
On the Treating Techniques for Defects in the Construction Quality
of the Inverted Arch of High-Speed Railway Tunnels
ZhangBangping
(The Beijing Railway Construction Co. Ltd. of the 6th Bureau Group of China Railway,Beijing100036,China)
Key words: tunnel;inverted arch;treatment of defects;loose dregs at the bottom of a tunnel;deficiency in thickness;slip-casting;reinforcement of the hollow anchoring rod
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