某鐵路隧道仰拱變形加固處理措施

王景瑞 王永柱 李孟雷 宋 帥 蘭小華

1.天津泰科巖土工程有限公司 天津 300251

2.中鐵十九局集團第三工程有限公司 遼寧 沈陽 111000

正文：

1 工程概況

1.1 工程概況

某鐵路隧道位于遼寧省喀左縣境內，隧道全長9490m。隧道貫通后，經澆筑底座板及自密實混凝土，并完成鋪軌。在進行軌道精調小車靜態數據采集時，發現該隧道仰拱部分區域出現疑似上拱的情況，最大上拱量為9.6mm。

經分析，隧道的施工擾動，改變了隧道圍巖的地層及水文地質環境，打破了原有平衡，基底圍巖主要是凝灰質砂巖，巖體破碎，具有膨脹性，這一環境的變化，從而造成具有一定膨脹性的隧道基底地層發生不均勻變形，引起隧道仰拱變形。

由于高鐵在運行過程中，對路基的平整度要求極高，因此，對出現地基變形的區域，需采取相應的技術措施進行處理，將其變形量控制在規范允許的范圍內。

1.2 工程地質情況

1.2.1 地質構造

隧道巖性復雜，多角度不整合接觸。不整合接觸結構面巖性較差，較破碎，具有膨脹性。

1.2.2 地層巖性

隧道地層巖性如下：

侏羅系中統土城子組（J2t）凝灰質礫巖。褐黃色，褐灰色，全風化～弱風化，細粒結構，薄層狀構造，節理裂隙發育～較發育，巖體破碎，呈塊石碎石狀鑲嵌結構;局部夾凝灰巖、礫巖等。

侏羅系中統藍旗組（J2l）凝灰巖。褐黃色，褐灰色，弱風化，細粒結構，薄層狀構造，節理裂隙較發育，巖體較完整～較破碎;局部夾凝灰質砂巖、礫巖等。

侏羅系中統藍旗組（J2l）凝灰巖，強風化，碎屑結構，層狀構造，裂隙較發育，巖體較破碎。

紅山隧道DK317+830～DK318+080段所在段落地層巖性如下：

侏羅系中統土城子組（J2t）凝灰質礫巖。褐黃色，褐灰色，全風化～弱風化，細粒結構，薄層狀構造，節理裂隙發育～較發育，巖體破碎，呈塊石碎石狀鑲嵌結構;局部夾凝灰巖、礫巖等。

侏羅系中統藍旗組（J2l）凝灰巖。褐黃色，褐灰色，弱風化，細粒結構，薄層狀構造，節理裂隙較發育，巖體較完整～較破碎;局部夾凝灰質砂巖、礫巖等。

侏羅系中統藍旗組（J2l）凝灰巖，強風化，碎屑結構，層狀構造，裂隙較發育，巖體較破碎。

1.2.3 水文地質條件

隧道區地下水類型主要為基巖裂隙水。

基巖裂隙水分布較廣，含于基巖風化帶、風化裂隙及構造節理裂隙中，水位和水量受季節降雨量影響明顯。

隧道區位于丘陵區，該區有凝灰質礫巖及白云質灰巖，巖體節理裂隙較發育，為大氣降水入滲創造了良好條件。

地下水在得到降水等入滲補給后即沿孔隙或裂隙自高而低作水平運移，水力坡度較大，隧道區地下徑流條件較好。

2 總體整治方案

2.1 加固方案

從地質資料可以看出，隧道地質條件復雜，存在不整合接觸帶，基底圍巖主要是凝灰質砂巖，巖體破碎，具有膨脹性，再加上開挖隧道后地下水環境改變，鋪軌后，經檢測有最大上拱量為9.6mm。

為控制仰拱變形量在規范允許范圍內，經相關單位研究后決定采用主要以預應力錨桿和袖閥管注漿相結合的方式進行處理。

先施工預應力錨桿的作用為拉住軌道板，防止注漿壓力作用和泥灰巖膨脹作用上拱；袖閥管注漿的作用是改變地下水環境，降低地基中的含水率，修復基底因施工預應力錨桿對地基結構產生的破壞，同時，采用雙液注漿更能有效加固因開挖隧道后地下水環境改變造成的基底軟弱地層。

具體處理方案為：

1）需要對仰拱變形進行控制，采取預應力錨桿與鋼質袖閥管注漿組合措施。

預應力錨桿的布孔：預應力錨桿結構（全長粘結型預應力錨桿）設計荷載為200kN，錨桿采用φ32 高強精軋螺紋鋼筋，按照錨固端長度深入基巖5m 控制，每個斷面共計4處，縱向布孔間距2m（如圖1所示）。

袖閥管注漿的布孔：仰拱上拱段設置Φ89鋼質袖閥管，按照錨固端長度穿透軟弱層不小于4m控制，分別布設在軌道板兩側，每個斷面共計4處，縱向間距2m（如圖1所示）。

圖1 鉆孔平面布置圖（部分）

2）為增強整體受力，設置縱梁，與預應力錨桿、袖閥管形成共同受力體系。

配合鋼質袖閥管，設置4處縱梁，設置在軌道底座板兩側，縱梁高度30cm，寬30cm。鋼質袖閥管管頂嵌入縱梁20cm，并與縱梁主筋有效焊接。袖閥管注漿采用水泥漿，注漿壓力0.2～0.5MPa。縱梁每12m設置一道施工縫，與仰拱及二襯的縫對齊； 如圖2所示：

圖2 基底縱梁示意圖

3）增強墻腳承載能力，減小仰拱承載壓力，采取控制性注漿措施。

隧道兩側墻腳進行控制性注漿，由兩側水溝分別向下打設注漿孔，深度按入巖1.0m控制，注漿孔按照擴散半徑1.5m設計，注漿孔縱向間距1.5m。注漿管采用Φ50mm袖閥管，注漿采用水泥漿，注漿壓力0.2～0.5MPa。如圖3所示。

4）為防止中心水溝中水由管縫、仰拱、仰拱填充縫處下滲，對該段基底下水環境造成影響，重新施作該段中心水溝，采用現澆工藝。如圖4所示。

5）為防止隧道開挖后，地下水流場改變，沿隧道仰拱底部形成滲流，在上拱段高洞口端頭基底注漿形成止水帷幕，減少地下水順仰拱底部從高端向低端的滲流。

圖3 墻腳控制性注漿示意圖

圖4 現澆中心水溝斷面圖

2.2 施工方法及措施

在以上的措施中，設置縱梁、中心水溝為常規的鋼筋混凝土結構，其做法不在此細述；對預應力錨桿和袖閥管注漿的施工方法及措施介紹如下。

因隧道內已經鋪軌完成，為了滿足鉆機施工作業要求，鉆孔采用潛孔鉆機，吊車配合平板機車運至作業現場。空壓機擺放在平板車上，連接管路到鉆機。注漿設備及材料放置在兩線底座板間，在現場就近進行套殼料、注漿液的制備。

2.2.1 預應力錨桿施工

2.2.1.1 施工工序

確定孔位→鉆孔就位→調整角度→鉆孔→清孔→安裝錨桿→一次注漿→張拉→錨頭鎖定→二次補漿，對錨頭進行保護。

2.2.1.2 施工措施及要求

預應力錨桿結構（全長粘結型預應力錨桿）設計荷載為200kN，錨桿采用φ32高強精軋螺紋鋼筋。高強精軋螺紋鋼的級別為PSB1080，規定非比例延伸強度≥1080MPa，抗拉強度≥1230MPa。如下圖所示（圖5）

圖5 預應力錨桿結構示意圖

沿錨桿軸線方向每隔1.5～2.0m設置一個對中器，對中器綁扎定位，要求保證錨桿的保護層厚度。

預應力錨桿采用兩次注漿方法，即錨固段為第一次注漿，在張拉段和錨固段交接部位通過設置對稱雙止漿袋阻隔，兩止漿袋間隔50cm，間隔段150cm錨桿體采用噴鋅0.2mm、變性環氧涂層0.2mm、外加6mm厚橡膠套管封閉的防腐處理措施。張拉段為第二次注漿，待錨桿張拉鎖定后壓注。

止漿袋內外端頭可密封綁附于兩個對中器的內外端套筒上，且在靠張拉段側套筒與錨桿膠裹密塞。

注漿材料采用M40水泥砂漿。

錨桿的張拉：錨桿的錨固段強度應大于15MPa并達到設計強度的75%后就就行張拉；考慮對鄰近錨桿的影響，事先制定好張拉順序；錨桿張拉時，錨桿桿體應力不超過錨桿桿體強度標準值的0.75倍（922.5MPa）；錨桿張拉至設計荷載的0.9～1.0倍后，再按設計要求鎖定。

錨墊板的安裝：應對錨桿墊板安裝位置以錨桿為中心，切鑿出方形坑槽，坑槽尺寸為：比錨墊板長寬各大1CM，深度約10CM ，其中錨桿外露最大長度為5～7CM，封口砂漿厚度3CM，封口高度與原混凝土基面齊平，封口材料為高強M50修補砂漿；

2.2.2 袖閥管注漿施工

2.2.2.1 施工工序

注漿加固處理施工程序為：施工準備→測量放樣→鉆進成孔→制備注入套殼料→安裝剛性袖閥管→制備注漿液→注漿→注漿效果檢測→（注漿→）封孔。

2.2.2.2 施工方法及要求

在鉆孔過程中，由于地下水含量豐富、地層結構不穩定，受到擾動出現嚴重的塌孔現象，導致錨桿和袖閥管不能一次性下至設計深度，經研究決定采用雙液注漿，分兩到三次成孔的施工方法，具體實施情況如下：

第一次鉆孔后，下套殼料，安裝PVC袖閥管，一般能安裝到設計深度的1/2，然后采用雙液注漿工法注漿。

雙液注漿，即采用水泥漿和水玻璃溶液兩種材料，改變水玻璃濃度和摻量能控制水泥漿的初凝時間，理論可調范圍3S～19500S，此次施工中按照需要調控初凝時間60S～120S。雙液注漿在地下水豐富的地層中能迅速凝固，有效的減小水流動對水泥漿液沖刷和稀釋的影響，從而能在短時間內改變原土體的土性，達到阻水、使原不穩定地層穩定。

注漿完成后，再對原孔位重新鉆孔，下套殼料、安裝PVC袖閥管，注雙液漿；注漿完成后，再進行第三次鉆孔，直至設計深度。

鉆孔孔徑為125mm，注漿采用鋼性袖閥管（規格Φ89*5.0mm）。袖閥管每根長3m，地面以下部分每1m鉆4個Φ1cm溢漿孔，兩兩對稱，安裝特制橡皮套，在鋼質袖閥管安裝橡皮套的位置，做成凹槽，以防止橡皮套滑動移位；每根鋼管連接采用絲扣連接。注漿管管頂以下2.0m深處開始開孔。

套殼料采用膨潤土和水泥配制，配比范圍一般為水泥：粘土：水=1:1.5:1.88（重量比），漿液比重約為1.5，漏斗粘度24～26。

鉆孔完畢后，及時在孔內注入套殼料，并隨即進行鋼性袖閥管安裝。套殼料的作用是在袖閥管周圍形成具有一定強度的保護層，當漿液進入注漿管時，在壓力作用下，橡皮帽被頂起，隨著漿液的聚集，壓力達到一定程度后，注漿管外側的橡皮帽被脹開，套殼料被擠碎，從而漿液被擠壓到地層中，而上部和下部的套殼料仍具有一定強度，可以阻止漿液的上下流動，這樣漿液就只在一定范圍橫向流動，并防止袖閥管在注漿過程中變形、變位造成損壞。

雙液漿選用水泥、水玻璃溶液組成的混合漿液，水泥采用42.5級普通硅酸鹽水泥，水玻璃波美度為25，雙液漿配合比要求：水灰比為0.8，水泥漿和水玻璃以2比1的體積比，利用雙管傳輸系統在孔口混合注漿。

制漿使用不小于20轉/分鐘的制漿機，攪拌時間不低于2分鐘，不宜大于6分鐘。出漿孔設置100目的過濾網。

在施工注漿時，其順序采用先外后內，先下后上，隔孔注漿。注漿方式采用后退式分段注漿，注漿分段步距100cm，采用注漿壓力（0.2～0.5MPa）進行控制，每孔注漿次數，原則上不受限制，一般以1～4次注滿為宜。

按照設計要求，嚴格分批分次、按順序進行注漿。為防止相鄰兩孔竄漿，采用隔孔注漿。

輸漿管及接口連接完好，無破裂、無漏漿，確保輸漿壓力不損失。注漿控制壓力控制在0.2～0.5MPa，注漿漿液濃度以可注性為準，根據氣候溫度，配合比的用水量，以適應泵、注漿管的承受能力為準，增減量不得大于10%，水質要清潔。

單孔注漿結束標準，注漿壓力逐步升高至0.5Mpa，則繼續穩定注漿5min以上即可；周圍有漏漿的馬上停泵，拔管。

每孔灌漿結束后，用砂礫石摻入15%微膨脹水泥與水攪拌封孔，緩慢注入孔內，防止堵塞，出現空段。

3 質量檢測

3.1、錨桿、注漿效果的檢測：

⑴、錨桿的檢測：單根錨桿拉拔試驗值均≥120KN，抽檢頻率為錨桿總根數的20%，滿足設計及規范要求。

⑵、注漿效果檢測：在注漿全部結束14天后，通過鉆芯法對注漿效果進行檢驗，抽取頻率為總孔數量3%，通過分析、試驗所鉆取的芯樣，注漿效果的完整和致密性均良好。

3.2、軌道檢測：經預應力錨桿和袖閥管注漿加固處理后，進行軌道精調小車靜態檢測，所檢測的數據如下表所示（部分區段的數據）：

在處理之前的檢測數據中，最大的上拱量為9.6mm，分析以上檢測數據可以看出，在加固處理一個月的時間后，最大上拱量為0.49mm，測點為0317840S3，最大下沉量為0.34mm，測點為0317864S5，其檢測數據均滿足設計指標。

4 結語

4.1 通過本工程實例，在具有膨脹性凝灰質砂巖等復雜地質條件下，采取預應力錨桿與鋼質袖閥管注漿相接合的處理措施，能有效對鐵路隧道仰拱變形進行處理，使變形達到可控。

4.2 當遇地下水含量豐富、地層結構不穩定，進行袖閥管注漿時，受到擾動易出現嚴重的塌孔現象，導致錨桿和袖閥管很難下至設計深度。

施工時，可采用雙液注漿，即漿液除水泥外，再摻入其它化學漿液，能有效的控制漿液的凝固時間，在極短的時間內能起到快速凝固，通過兩到三次成孔的施工方法，能有效的解決在富水、軟弱、地層結構不穩定土層中的鉆孔難問題，是一項值得推廣的施工技術。