某铁路隧道仰拱变形加固处理措施

王景瑞 王永柱 李孟雷 宋 帅 兰小华

1.天津泰科岩土工程有限公司 天津 300251

2.中铁十九局集团第三工程有限公司 辽宁 沈阳 111000

正文：

1 工程概况

1.1 工程概况

某铁路隧道位于辽宁省喀左县境内，隧道全长9490m。隧道贯通后，经浇筑底座板及自密实混凝土，并完成铺轨。在进行轨道精调小车静态数据采集时，发现该隧道仰拱部分区域出现疑似上拱的情况，最大上拱量为9.6mm。

经分析，隧道的施工扰动，改变了隧道围岩的地层及水文地质环境，打破了原有平衡，基底围岩主要是凝灰质砂岩，岩体破碎，具有膨胀性，这一环境的变化，从而造成具有一定膨胀性的隧道基底地层发生不均匀变形，引起隧道仰拱变形。

由于高铁在运行过程中，对路基的平整度要求极高，因此，对出现地基变形的区域，需采取相应的技术措施进行处理，将其变形量控制在规范允许的范围内。

1.2 工程地质情况

1.2.1 地质构造

隧道岩性复杂，多角度不整合接触。不整合接触结构面岩性较差，较破碎，具有膨胀性。

1.2.2 地层岩性

隧道地层岩性如下：

侏罗系中统土城子组（J2t）凝灰质砾岩。褐黄色，褐灰色，全风化～弱风化，细粒结构，薄层状构造，节理裂隙发育～较发育，岩体破碎，呈块石碎石状镶嵌结构;局部夹凝灰岩、砾岩等。

侏罗系中统蓝旗组（J2l）凝灰岩。褐黄色，褐灰色，弱风化，细粒结构，薄层状构造，节理裂隙较发育，岩体较完整～较破碎;局部夹凝灰质砂岩、砾岩等。

侏罗系中统蓝旗组（J2l）凝灰岩，强风化，碎屑结构，层状构造，裂隙较发育，岩体较破碎。

红山隧道DK317+830～DK318+080段所在段落地层岩性如下：

侏罗系中统土城子组（J2t）凝灰质砾岩。褐黄色，褐灰色，全风化～弱风化，细粒结构，薄层状构造，节理裂隙发育～较发育，岩体破碎，呈块石碎石状镶嵌结构;局部夹凝灰岩、砾岩等。

侏罗系中统蓝旗组（J2l）凝灰岩。褐黄色，褐灰色，弱风化，细粒结构，薄层状构造，节理裂隙较发育，岩体较完整～较破碎;局部夹凝灰质砂岩、砾岩等。

侏罗系中统蓝旗组（J2l）凝灰岩，强风化，碎屑结构，层状构造，裂隙较发育，岩体较破碎。

1.2.3 水文地质条件

隧道区地下水类型主要为基岩裂隙水。

基岩裂隙水分布较广，含于基岩风化带、风化裂隙及构造节理裂隙中，水位和水量受季节降雨量影响明显。

隧道区位于丘陵区，该区有凝灰质砾岩及白云质灰岩，岩体节理裂隙较发育，为大气降水入渗创造了良好条件。

地下水在得到降水等入渗补给后即沿孔隙或裂隙自高而低作水平运移，水力坡度较大，隧道区地下径流条件较好。

2 总体整治方案

2.1 加固方案

从地质资料可以看出，隧道地质条件复杂，存在不整合接触带，基底围岩主要是凝灰质砂岩，岩体破碎，具有膨胀性，再加上开挖隧道后地下水环境改变，铺轨后，经检测有最大上拱量为9.6mm。

为控制仰拱变形量在规范允许范围内，经相关单位研究后决定采用主要以预应力锚杆和袖阀管注浆相结合的方式进行处理。

先施工预应力锚杆的作用为拉住轨道板，防止注浆压力作用和泥灰岩膨胀作用上拱；袖阀管注浆的作用是改变地下水环境，降低地基中的含水率，修复基底因施工预应力锚杆对地基结构产生的破坏，同时，采用双液注浆更能有效加固因开挖隧道后地下水环境改变造成的基底软弱地层。

具体处理方案为：

1）需要对仰拱变形进行控制，采取预应力锚杆与钢质袖阀管注浆组合措施。

预应力锚杆的布孔：预应力锚杆结构（全长粘结型预应力锚杆）设计荷载为200kN，锚杆采用φ32 高强精轧螺纹钢筋，按照锚固端长度深入基岩5m 控制，每个断面共计4处，纵向布孔间距2m（如图1所示）。

袖阀管注浆的布孔：仰拱上拱段设置Φ89钢质袖阀管，按照锚固端长度穿透软弱层不小于4m控制，分别布设在轨道板两侧，每个断面共计4处，纵向间距2m（如图1所示）。

图1 钻孔平面布置图（部分）

2）为增强整体受力，设置纵梁，与预应力锚杆、袖阀管形成共同受力体系。

配合钢质袖阀管，设置4处纵梁，设置在轨道底座板两侧，纵梁高度30cm，宽30cm。钢质袖阀管管顶嵌入纵梁20cm，并与纵梁主筋有效焊接。袖阀管注浆采用水泥浆，注浆压力0.2～0.5MPa。纵梁每12m设置一道施工缝，与仰拱及二衬的缝对齐； 如图2所示：

图2 基底纵梁示意图

3）增强墙脚承载能力，减小仰拱承载压力，采取控制性注浆措施。

隧道两侧墙脚进行控制性注浆，由两侧水沟分别向下打设注浆孔，深度按入岩1.0m控制，注浆孔按照扩散半径1.5m设计，注浆孔纵向间距1.5m。注浆管采用Φ50mm袖阀管，注浆采用水泥浆，注浆压力0.2～0.5MPa。如图3所示。

4）为防止中心水沟中水由管缝、仰拱、仰拱填充缝处下渗，对该段基底下水环境造成影响，重新施作该段中心水沟，采用现浇工艺。如图4所示。

5）为防止隧道开挖后，地下水流场改变，沿隧道仰拱底部形成渗流，在上拱段高洞口端头基底注浆形成止水帷幕，减少地下水顺仰拱底部从高端向低端的渗流。

图3 墙脚控制性注浆示意图

图4 现浇中心水沟断面图

2.2 施工方法及措施

在以上的措施中，设置纵梁、中心水沟为常规的钢筋混凝土结构，其做法不在此细述；对预应力锚杆和袖阀管注浆的施工方法及措施介绍如下。

因隧道内已经铺轨完成，为了满足钻机施工作业要求，钻孔采用潜孔钻机，吊车配合平板机车运至作业现场。空压机摆放在平板车上，连接管路到钻机。注浆设备及材料放置在两线底座板间，在现场就近进行套壳料、注浆液的制备。

2.2.1 预应力锚杆施工

2.2.1.1 施工工序

确定孔位→钻孔就位→调整角度→钻孔→清孔→安装锚杆→一次注浆→张拉→锚头锁定→二次补浆，对锚头进行保护。

2.2.1.2 施工措施及要求

预应力锚杆结构（全长粘结型预应力锚杆）设计荷载为200kN，锚杆采用φ32高强精轧螺纹钢筋。高强精轧螺纹钢的级别为PSB1080，规定非比例延伸强度≥1080MPa，抗拉强度≥1230MPa。如下图所示（图5）

图5 预应力锚杆结构示意图

沿锚杆轴线方向每隔1.5～2.0m设置一个对中器，对中器绑扎定位，要求保证锚杆的保护层厚度。

预应力锚杆采用两次注浆方法，即锚固段为第一次注浆，在张拉段和锚固段交接部位通过设置对称双止浆袋阻隔，两止浆袋间隔50cm，间隔段150cm锚杆体采用喷锌0.2mm、变性环氧涂层0.2mm、外加6mm厚橡胶套管封闭的防腐处理措施。张拉段为第二次注浆，待锚杆张拉锁定后压注。

止浆袋内外端头可密封绑附于两个对中器的内外端套筒上，且在靠张拉段侧套筒与锚杆胶裹密塞。

注浆材料采用M40水泥砂浆。

锚杆的张拉：锚杆的锚固段强度应大于15MPa并达到设计强度的75%后就就行张拉；考虑对邻近锚杆的影响，事先制定好张拉顺序；锚杆张拉时，锚杆杆体应力不超过锚杆杆体强度标准值的0.75倍（922.5MPa）；锚杆张拉至设计荷载的0.9～1.0倍后，再按设计要求锁定。

锚垫板的安装：应对锚杆垫板安装位置以锚杆为中心，切凿出方形坑槽，坑槽尺寸为：比锚垫板长宽各大1CM，深度约10CM ，其中锚杆外露最大长度为5～7CM，封口砂浆厚度3CM，封口高度与原混凝土基面齐平，封口材料为高强M50修补砂浆；

2.2.2 袖阀管注浆施工

2.2.2.1 施工工序

注浆加固处理施工程序为：施工准备→测量放样→钻进成孔→制备注入套壳料→安装刚性袖阀管→制备注浆液→注浆→注浆效果检测→（注浆→）封孔。

2.2.2.2 施工方法及要求

在钻孔过程中，由于地下水含量丰富、地层结构不稳定，受到扰动出现严重的塌孔现象，导致锚杆和袖阀管不能一次性下至设计深度，经研究决定采用双液注浆，分两到三次成孔的施工方法，具体实施情况如下：

第一次钻孔后，下套壳料，安装PVC袖阀管，一般能安装到设计深度的1/2，然后采用双液注浆工法注浆。

双液注浆，即采用水泥浆和水玻璃溶液两种材料，改变水玻璃浓度和掺量能控制水泥浆的初凝时间，理论可调范围3S～19500S，此次施工中按照需要调控初凝时间60S～120S。双液注浆在地下水丰富的地层中能迅速凝固，有效的减小水流动对水泥浆液冲刷和稀释的影响，从而能在短时间内改变原土体的土性，达到阻水、使原不稳定地层稳定。

注浆完成后，再对原孔位重新钻孔，下套壳料、安装PVC袖阀管，注双液浆；注浆完成后，再进行第三次钻孔，直至设计深度。

钻孔孔径为125mm，注浆采用钢性袖阀管（规格Φ89*5.0mm）。袖阀管每根长3m，地面以下部分每1m钻4个Φ1cm溢浆孔，两两对称，安装特制橡皮套，在钢质袖阀管安装橡皮套的位置，做成凹槽，以防止橡皮套滑动移位；每根钢管连接采用丝扣连接。注浆管管顶以下2.0m深处开始开孔。

套壳料采用膨润土和水泥配制，配比范围一般为水泥：粘土：水=1:1.5:1.88（重量比），浆液比重约为1.5，漏斗粘度24～26。

钻孔完毕后，及时在孔内注入套壳料，并随即进行钢性袖阀管安装。套壳料的作用是在袖阀管周围形成具有一定强度的保护层，当浆液进入注浆管时，在压力作用下，橡皮帽被顶起，随着浆液的聚集，压力达到一定程度后，注浆管外侧的橡皮帽被胀开，套壳料被挤碎，从而浆液被挤压到地层中，而上部和下部的套壳料仍具有一定强度，可以阻止浆液的上下流动，这样浆液就只在一定范围横向流动，并防止袖阀管在注浆过程中变形、变位造成损坏。

双液浆选用水泥、水玻璃溶液组成的混合浆液，水泥采用42.5级普通硅酸盐水泥，水玻璃波美度为25，双液浆配合比要求：水灰比为0.8，水泥浆和水玻璃以2比1的体积比，利用双管传输系统在孔口混合注浆。

制浆使用不小于20转/分钟的制浆机，搅拌时间不低于2分钟，不宜大于6分钟。出浆孔设置100目的过滤网。

在施工注浆时，其顺序采用先外后内，先下后上，隔孔注浆。注浆方式采用后退式分段注浆，注浆分段步距100cm，采用注浆压力（0.2～0.5MPa）进行控制，每孔注浆次数，原则上不受限制，一般以1～4次注满为宜。

按照设计要求，严格分批分次、按顺序进行注浆。为防止相邻两孔窜浆，采用隔孔注浆。

输浆管及接口连接完好，无破裂、无漏浆，确保输浆压力不损失。注浆控制压力控制在0.2～0.5MPa，注浆浆液浓度以可注性为准，根据气候温度，配合比的用水量，以适应泵、注浆管的承受能力为准，增减量不得大于10%，水质要清洁。

单孔注浆结束标准，注浆压力逐步升高至0.5Mpa，则继续稳定注浆5min以上即可；周围有漏浆的马上停泵，拔管。

每孔灌浆结束后，用砂砾石掺入15%微膨胀水泥与水搅拌封孔，缓慢注入孔内，防止堵塞，出现空段。

3 质量检测

3.1、锚杆、注浆效果的检测：

⑴、锚杆的检测：单根锚杆拉拔试验值均≥120KN，抽检频率为锚杆总根数的20%，满足设计及规范要求。

⑵、注浆效果检测：在注浆全部结束14天后，通过钻芯法对注浆效果进行检验，抽取频率为总孔数量3%，通过分析、试验所钻取的芯样，注浆效果的完整和致密性均良好。

3.2、轨道检测：经预应力锚杆和袖阀管注浆加固处理后，进行轨道精调小车静态检测，所检测的数据如下表所示（部分区段的数据）：

在处理之前的检测数据中，最大的上拱量为9.6mm，分析以上检测数据可以看出，在加固处理一个月的时间后，最大上拱量为0.49mm，测点为0317840S3，最大下沉量为0.34mm，测点为0317864S5，其检测数据均满足设计指标。

4 结语

4.1 通过本工程实例，在具有膨胀性凝灰质砂岩等复杂地质条件下，采取预应力锚杆与钢质袖阀管注浆相接合的处理措施，能有效对铁路隧道仰拱变形进行处理，使变形达到可控。

4.2 当遇地下水含量丰富、地层结构不稳定，进行袖阀管注浆时，受到扰动易出现严重的塌孔现象，导致锚杆和袖阀管很难下至设计深度。

施工时，可采用双液注浆，即浆液除水泥外，再掺入其它化学浆液，能有效的控制浆液的凝固时间，在极短的时间内能起到快速凝固，通过两到三次成孔的施工方法，能有效的解决在富水、软弱、地层结构不稳定土层中的钻孔难问题，是一项值得推广的施工技术。