1 引 言
隧道二次衬砌常采用液压台车进行整体式浇筑，但由于相关设计和施工工艺选择不当，现场管理不科学、不到位，现行规范（程）不科学和可操作性差等原因，隧道二次衬砌拱部存在不同程度、形态、范围的脱空。二次衬砌脱空会降低支护结构的承载能力，改变支护与围岩的接触状态，蚀化二次衬砌背后的初期支护与围岩，对二次衬砌的受力状态产生不利影响，易引发二次衬砌开裂、掉块、侵限、漏水甚至支护体系压溃等危害，给隧道运营安全带来隐患或威胁。我国隧道已进入维修管理期，因二次衬砌脱空带来的病害、危害、事故并不鲜见，大量资源投入隧道衬砌脱空检测、缺陷与病害治理等工作，给隧道建设和运营带来重大负担。
近年来，业界不断对衬砌脱空致灾机理、脱空产生原因及防治措施等进行多维度研究和总结，形成了径向带模注浆、改进振捣工艺及注浆材料、电子器件实时监控（测）等不同技术路径的脱空预防技术方案及措施，部分研究成果已纳入《高速铁路隧道工程施工技术规程》（Q/CR9604—2015）和《铁路隧道衬砌预防拱顶空洞实施意见》（工管桥隧函[2015]199号文），并在铁路行业推广应用。
但这些脱空预防技术方案和措施尚有瑕疵和不足：受衬砌台车开口制约，径向灌（注）浆管埋设间距大、数量较少，不能实现衬砌拱顶充分覆盖；非收缩浓浆灌浆时浆液扩散不充分，不能完全避免拱部脱空；灌浆时串孔、倒流（回转）严重，不易甚至不能准确判断灌注是否饱满密实；安设的径向注浆管不仅影响衬砌美观，有时会成为衬砌漏水的通道；要求混凝土初凝甚至终凝后灌浆，灌浆浆材胶凝基体与已胶凝的衬砌混凝土形成叠合结构，不能实现衬砌结构整体承载能力达到设计要求的目的；电子器件漏（误）报率较高，不能大幅度避免拱部脱空；监控（测）电子器件价值高且损耗率较高，这些费用不易获得工程计量；基于对衬砌台车刚度、强度不足的怯虑，除极少加强型衬砌台车外，混凝土带压灌注应用鲜见。因此，对隧道二次衬砌拱部灌（注）浆工艺进行构架式改进具有十分显著的工程意义。本文依托兰合铁路曲奥隧道工程，采用数值模拟方法分析二次衬砌拱顶脱空及非同步灌浆对衬砌结构受力的影响，提出隧道二次衬砌拱部纵向同步灌浆技术，采用数值计算分析和多种规格的地质雷达交叉检测验证纵向同步灌浆的施作效果和技术优势。
2 拱部脱空对二次衬砌受力影响
隧道二次衬砌浇筑后拱部存在的问题主要有：拱顶浇筑不密实、脱空；拱顶脱空灌浆在混凝土初凝后施作，浆材与先浇筑混凝土存在薄弱界面。这两种问题对隧道结构受力产生一定影响，通过数值计算定性分析不同工况二次衬砌拱顶脱空对衬砌结构受力的影响，并论证二次衬砌拱部同步纵向灌浆的必要性。
2.1 计算模型和参数
2.1.1 计算模型
依托兰合铁路LHTJ5标曲奥隧道工程，选取典型断面，采用Flac3D软件建立纵长1m的地层-结构模型进行分析，初期支护全环厚度为0.27m，二次衬砌拱部厚度为0.50m、仰拱厚度为0.55m，当拱顶脱空（或灌浆处理）时，根据对拱顶脱空的调研和治理经验，结合文献[9]中对脱空范围的统计，设定脱空（灌浆分界面）高度为二次衬砌厚度的1/3，即0.167m，对应拱顶脱空范围为26.2°。隧道计算模型选取埋深200m、高300m、宽200m，计算模型的几何尺寸如图1所示。
图1 计算模型几何尺寸(单位：m)
网格模型分为无脱空模型和有脱空模型，在对几何模型进行网格划分时，对无脱空模型，将初期支护及二次衬砌分别划分为两层实体单元，方便后期根据各层单元应力合成内力；对有脱空模型，脱空部分单独划分，其余部分按两层单元的方式划分，如图2所示。
图2 计算模型网格划分
网格划分完成后，分割初期支护与二次衬砌间的共用节点来建立接触面，当有薄弱界面时，继续分割并建立灌浆与初期支护及二次衬砌的接触面。
2.1.2 计算参数
（1）围岩参数
围岩参数按《铁路隧道设计规范》（TB10003—2016）中推荐值取值，见表1。
表1 围岩与支护参数
（2）接触面参数
采用具库仑摩擦特性的接触面，主要参数有法向刚度、切向刚度、黏聚力和内摩擦角，接触面的法向和切向刚度采用式（1）计算。
式中：kn、ks为接触面的法向刚度和切向刚度；K、G、Δzmin为接触面邻接单元的体积模量、剪切模量和最小尺寸。
在平面与平面接触时，采用式（1）可较好地模拟接触应力的传递，但在隧道支护这种环形闭合曲面的接触时，不同数量级的法向刚度会严重影响应力结果，此时可借助Abaqus软件标定Flac3D的接触面法向刚度。标定计算采用基于图1的初期支护+二次衬砌+50m×50 m围岩模型，在顶面施加1MPa压应力，其他面施加轴对称约束，初期支护与二次衬砌在Abaqus中设置法向硬接触，在Flac 3D中设置不同数量级的法向刚度，计算并提取衬砌应力，如图3及表2所示。
图3 不同接触下的二次衬砌最小主应力
表2 不同接触下的二次衬砌拱顶最小主应力
由图3和表2可知，若按式（1）设置法向刚度kn=1.5×1012 Pa/m，计算得到的衬砌应力偏大，当kn降至1.0×109 Pa/m时，两软件计算得到的结果基本一致，故后续分析可取ks=kn=1.0×109Pa/m。
对接触面的黏聚力及内摩擦角，在初期支护与二次衬砌接触时，因防水板的存在，可认为此接触面是光滑的且无黏结力（接触面的黏聚力及内摩擦角为零），仅传递法向应力；而在灌浆与已初凝的二次衬砌混凝土接触时，参考国际结构混凝土协会制定的混凝土结构规范[22]相关规定与公式，按有钢筋的未凿毛面对黏聚力及内摩擦角进行换算，最终采用的接触面参数见表3。
表3 接触面参数
2.2 围岩压力释放率
从围岩开挖至二次衬砌施作过程中，每个阶段均发生一定比例的围岩压力释放，参考《公路隧道设计细则》（JTGT-D70—2010）的建议值，设置各阶段围岩压力总释放率，见表4。
表4 隧道围岩压力总释放率
2.3 计算工况
根据计算模型、接触关系的不同设置计算工况，见表5。
表5 计算工况
2.4 计算结果与分析
由工况1~工况3计算求得二次衬砌应力及内力，如图4、图5所示。
图4 不同工况下拱顶最小主应力云图（单位：Pa）
图5 不同工况下二次衬砌内力对比
由图4和图5可知：
（1）拱顶出现脱空后，空腔表现出了让压缓冲层的效果，受空腔和光滑接触面的综合作用，围岩压力得到了一定程度的转移和释放，二次衬砌平均轴力减小了7%，但因二次衬砌截面高度的减少，加之拱顶脱空宽度的3倍长度范围内的弯矩发生大幅波动反转，拱顶最小主应力从密实状态的8.5MPa增加到15.8 MPa，提高了86%。
（2）非同步灌浆时，浇筑混凝土与灌浆体分别换算的轴力之和与密实状态下的轴力基本相等，但因灌浆与浇筑混凝土存在分层，二者形成叠合梁，导致浇筑混凝土承担了大部分轴力，故非同步灌浆虽在一定程度上缓解了脱空造成的不良影响，将最小主应力降低到了11.8MPa，但效果并不理想，最小主应力仍比密实状态下高了39%。
根据计算结果可知，存在脱空的二次衬砌局部应力最高，最易出现病害、安全性最低，而灌浆若与二次衬砌混凝土存在分层，也是二次衬砌安全的薄弱点。故二次衬砌浇筑施工时首先应采取措施避免脱空或不密实，其次对脱空处的灌浆作业应与浇筑混凝土同步完成，保障结构的整体性。
3 拱顶纵向同步灌浆技术特征
目前常用的防脱空技术难以完全避免二次衬砌拱顶脱空，且会使浇筑混凝土与灌浆浆液分层。为避免上述问题，研发纵向同步灌浆的施工方法，不同于通常采用的径向灌浆方法，纵向同步灌浆将侧壁开孔的灌浆管（组）沿纵向布置在拱顶防水板内缘，如图6所示。灌浆管在衬砌模板的端头堵板顶部甩出，在二次衬砌混凝土冲顶浇筑并振捣后，随即通过灌浆管（组）第次灌浆，以堵头罅隙溢浆作为灌满标准完成灌浆工序。
图6 二次衬砌拱顶纵向同步灌浆施工技术示意
拱顶纵向同步灌浆与径向灌浆方法相比，具有如下特征：（1）纵向灌浆消除了径向灌浆盲区，避免了空腔和不密实的缺陷；（2）灌浆可采用泵浆压力较小的工艺，避免了衬砌台车承受过大的灌浆施工荷载；（3）灌入浆液与先浇筑混凝土形成整体，消除了衬砌结构的叠合梁效应，提高了结构整体承载能力。拱顶纵向同步灌浆工艺流程如图7所示。
图7 拱顶纵向同步灌浆工艺流程
4 拱顶纵向同步灌浆施工技术要点
4.1 灌浆管制安
灌浆管采用中低承压材质，在灌浆管底端一定长度范围内靠近防水板侧布设单排同向溢浆孔，孔径6~8 mm，开孔间距20~30cm，溢浆孔具体开孔位置见表6。
表6 灌浆管开孔位置
灌浆管应紧贴布设在拱顶防水板中线极近域，溢浆孔应垂直向上，端部应采用低压冲击可脱落的耐腐临时封堵措施，防止冲顶浇筑混凝土飞溅的砂浆堵塞灌浆管和溢浆孔。灌浆管端部与前一循环二次衬砌端头的距离按10~20cm控制，灌浆管外延出衬砌台车堵头板的长度宜大于50cm。
通过现场工艺性试验，最终选用2根灌浆管，其中长灌浆管（No.1）封堵端头与前一循环衬砌端头的距离为10~20cm，短灌浆管（No.2）有效长度按衬砌循环（台车）长度的2/3控制。灌浆管布设如图8所示。
图8 灌浆管布置示意
4.2 灌浆施工准备
（1）拌合水计量方式改良。为方便制浆操作，根据灌浆料试验配合比，按每50kg和100kg水泥用水量称重确定量水桶固定水位，在量水桶对应的水位线高度均匀钻设4个约ϕ6~ϕ10mm孔，如图9所示，避免操作人员频繁计量，实现现场浆液配合比精准控制或向有利偏差方向控制。
图9 定量计量水桶
（2）添加剂计量与准备。鉴于添加剂的高度敏感性，提前在材料库或实验室等处所，依施工配合比按每50kg水泥需求量精确称量添加剂并形成独立小包装，防止操作人员加错添加剂用量。
（3）双层搅拌桶改造。双层搅拌桶宜增加搅拌叶片（棍）至3~4片（根），底层搅拌叶（棍）距底部和筒壁2cm以内，并在搅拌叶（棍）底部顺向绑扎清底钢丝刷，所有搅拌叶（棍）集成达到旋转全覆盖，以减弱或防止水泥浆快速和过度沉淀；上层搅拌桶放浆孔应增设橡胶密封垫，防止拌合水泄漏至下层储浆桶，以保证制备浆液配合比精准化。
（4）灌浆管路连接。灌浆管进浆端安装塑料球阀。注浆机具（设备）连接的注浆管端头也安装球阀，为方便快速启闭，该阀宜使用金属材质；两球阀间采用短注浆管连接，若人工安设宜采用孔口夹接头，若机械手持力式安设可采用承插式接头，如图10所示。
图10 灌浆管与注浆机连接
4.3 浆液配合比
依据浆液流动度、膨胀性和强度试验结果确定非收缩性浆液配合比。非收缩浆材应具有适宜的流动性、早强、不泌水、无收缩等特性，满足终凝后与二次衬砌混凝土胶凝材料的物理力学性能指标基本一致。通过现场工艺试验和室内浆液试验确定单液水泥浆配合比：水灰比为0.38，减水剂掺量0.4%，流动度约270mm；该浆材胶凝无收缩，100d后将量杯胀破（图11），表明其具有一定的膨胀性。
图11 非收缩单液材的微膨胀后量杯胀裂形貌
4.4 浆液制备
应严格按试验确定的配合比连续或间隔拌制浆液，做到随拌随用。浆液制备填料顺序为先加水、搅拌，再加入减水剂，最后分次倒入水泥，其中首次水泥添加量应按总量的60%~70%控制，否则搅拌桶易被“咬死”。
4.5 灌 浆
（1）二次衬砌混凝土浇筑完成后，应及时进行二次衬砌拱部纵向灌浆。灌浆前应检查灌浆管路，确保其密封和牢固可靠，应同步打开两球阀；灌浆过程中，注浆泵操作人员与衬砌台车上的灌浆作业人员保持清晰的工作联系信号，实现灌浆作业协同；灌浆饱满后，应先关闭灌浆管球阀，再关闭注浆管球阀、最后关闭注浆泵，停顿数秒后打开注浆管球阀，以便于注浆管内浆液倒流，然后解除两球阀间的短注浆管。
（2）根据预测拱部灌注量选择合适的注浆泵。螺杆式注浆泵（图12）浆液扩散效果好、灌浆速度快，舒张和收缩压差幅度较大，溢浆均匀度差，呈明显脉冲状；挤压式注浆泵（图13）浆液扩散效果好、溢浆均匀，压力平稳因而更安全，但灌浆速度略慢。当预测拱部灌浆量较小时，推荐采用螺杆式注浆泵；当拱部灌浆量较大时，推荐采用挤压式注浆泵。
图12 螺杆式注浆泵灌浆
图13 挤压式注浆泵灌浆
（3）灌浆饱满标准。应持续灌浆至堵头罅隙溢浆或灌浆管不再进浆，堵头罅隙溢浆识别要点为：①当间断或持续溢流或脉冲状射流出清水时，继续灌浆；②当间断或持续溢流或脉冲状射流出水泥悬浮液时，应降低灌浆速度，继续灌浆；③当持续溢流或脉冲状射流出水泥浓浆时，应停止灌浆，持压平衡约3 min，继续灌浆至持续溢流或脉冲状射流出水泥浓浆，结束注浆。
5 灌浆效果验证与效益分析
5.1 灌浆效果验证
在曲奥隧道DK119+991~+967段共计24m衬砌段（衬砌类型为Ⅴswa-1）开展2次/2组二次衬砌施工单元的衬砌拱部灌浆工法试验。并对DK119+991~+920 段进行隧道衬砌质量无损检测，其中DK119+967~+920为径向注浆段，DK119+991~+967为纵向灌浆段。
沿隧道纵向分别在拱顶、左拱肩、右拱肩、左拱腰、左边墙和右边墙位置布设6条测线，每条测线分别使用PRFD-400型、PRFD-650型、SIR-20型地质雷达仪交叉检测，缺陷检测结果如图14所示。
图14 DK119+991~+920段缺陷分布平面展示图
由图14可知，纵向灌浆段二次衬砌无缺陷，径向注浆段既有空洞还存在不密实缺陷，检测结果表明采用纵向灌浆消除了径向灌浆盲区，避免了空腔和不密实的缺陷。
5.2 效益分析
以12m/环二次衬砌为例，对二次衬砌径向带模注浆工艺（技术）与衬砌拱部纵向同步灌浆工艺（技术）进行直接经济效益对比分析，对比结果见表7。
表7 径向带模注浆与拱部同步纵向灌浆成本分析
由表7可知，二次衬砌拱部纵向同步灌浆工艺（技术）较衬砌径向带模注浆工艺（技术）节约成本为1 735元/12 m，即145元/m，还可降减隧道衬砌脱空缺陷整治费用，经济效益显著。
6 结 论
针对二次衬砌拱顶脱空及非同步灌浆对衬砌结构受力的影响，提出了隧道二次衬砌拱部纵向同步灌浆技术，并进行了隧道衬砌浇筑与拱部纵向灌浆的现场实践，对衬砌结构进行无损检测的结果验证了纵向同步灌浆的施作效果和技术优势，得到如下几点结论：
（1）在隧道服役期，存在脱空的二次衬砌始终局部应力最高，最易出现病害、安全性最低，而灌浆若与衬砌混凝土存在分层，也是衬砌安全的薄弱点。
（2）隧道二次衬砌混凝土灌注完成后，无需等待混凝土初凝，立即进行纵向灌浆，实现了不间断的连续同步施工，可提高混凝土与浆材的整体性，避免二次衬砌结构叠合现象。
（3）采用非收缩浆材避免了浆材收缩引起的小尺度脱空；回填灌浆管通过两个可独自启闭的球阀与灌浆设备管路相连，避免了拆管泄压和倒流引起的局部再脱空；端头可能的极小尺度的脱空也会在相邻衬砌段灌浆时填充密实。
（4）通过拱部堵头模板罅隙处溢浆的色差、射距、连续性等情况可判断灌浆是否密实，不需借助任何器具即可实现现场验证。
摘自《现代隧道技术》