客运专线隧道工程耐久性施工的关键技术

客运专线隧道工程耐久性施工的关键技术摘要新建铁路客运专线隧道横断面较大，受力比较复杂，且列车运行速度较高，隧道维修有一定的时间限制，故要求提高隧道衬砌的安全性、耐久性和防水性能，如何能够达到一百年的混凝土设计使用年限，目前中国还没有成熟的经验供参考。本文以武广客运专线SDⅠ标五尖大山隧道出口施工为实例，根据现场施工情况，针对各工序施工时对于隧道工程耐久性的影响，对光爆开挖、初期支护、防排水、钢筋保护层、高性能混凝土配合比设计、混凝土施工等几项关键技术进行了总结。关键词客运专线隧道工程耐久性关键技术1、工程概况2、耐久性施工结构耐久性是指结构及其部件在可能引起材料性能劣化的各种条件作用下，能够长期维持其应有性能的能力。混凝土的耐久性指标一般指混凝土的抗裂性、护筋性、耐蚀性、抗冻性、耐磨性及抗碱——骨料反应性等。以往隧道衬砌的裂损、钢筋腐蚀、出现渗漏现象的发生均体现出混凝土耐久性施工的重要性，为确保混凝土结构耐久性达到设计使用年限，应从开挖、初期支护开始，针对设计、施工工艺和施工环境条件特点等因素，制定严密的关于混凝土耐久性能的施工组织设计，建立完善的施工质量保证体系和健全的施工质量检验制度，明确施工质量的检验方法，注重施工细节，严格施工工艺，加强过程控制。 2.1提高隧道光面爆破质量，为初期支护施作奠定基础开挖方法是影响围岩稳定的重要因素之一，同时开挖也将决定断面净空尺寸，影响围岩稳定性，隧道结构的耐久性能。五尖大山隧道主要采用台阶开挖法，上下台阶均采用光面爆破技术，控制超挖和避免大范围扰动围岩。爆破施工采取石变我变的原则，进行爆破设计动态化管理，严格控制开挖断面，努力实现光爆。对中硬岩通过优化钻爆设计和合理的装药工艺，如竹片绑扎小药卷间隔装药、炮泥堵塞、控制周边眼装药量等措施实现一次光爆，围岩较软时采取预留光爆层、控制周边眼间距及装药量、人工风镐配合挖机修凿等措施，减少超挖，保证开挖轮廓圆顺，使初期支护同开挖断面最大限度的密贴。通过优化开挖、爆破方法，减少了对围岩的扰动、变形，同时可以最大限度降低对原山体既有水路的影响，有助于提高隧道防排水性能。锚杆是隧道施工过程中维护围岩稳定，保证施工安全的重要手段，所示在施工时要注意的问题主要有：锚杆的类型、规格和质量必须符合设计要求；锚杆安装数量应符合设计要求；砂浆锚杆应设置垫板，注意锚杆钻孔方向与孔口岩面垂直，这样才能使垫板密贴岩面，同时拧紧尾部螺母；注浆锚杆要注意砂浆的配合比，这将直接影响砂浆强度、注浆密度和施工的顺利进行。钢筋网在铺挂前应先对岩面喷上一层混凝土，这样就可以保证岩层稳定性较差时的作业安全，又可减少围岩表面起伏高差，保证钢筋的保护层厚度，在开挖断面有超挖现象时挂设双层钢筋网，有利于减少喷射作业过程的回弹率，增加钢筋与壁面之间喷射混凝土的密实性。喷射混凝土在施工中应解决四个重点：一是强度，有足够的强度，特别是初期强度；二是厚度，要确保喷射厚度，同时使喷射表面平整；三是附着，与围岩牢固的附着成一体；四是密实，附着层密实、均质、耐久。施工过程中要严格控制原材料的质量，从施工源头来保证工程质量，在喷射混凝土前应检查开挖断面尺寸，清除开挖面和待喷面的松动岩块及拱脚、墙脚处的岩屑等杂物以保证混凝土与围岩的附着，喷射完后要加强对喷射混凝土的养护。2.2隧道防排水施工隧底结构由于在长期列车动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，尤其是高速铁路对隧道底部的强度较普通铁路要求更高，且高速铁路隧道的断面跨度较大，对底板厚度和仰拱、底板混凝土强度要求提高。隧道渗漏水的危害主要会引起洞内金属设备及钢轨锈蚀、隧道衬砌丧失承载力、隧底翻浆冒泥破坏道床或使整体道床下沉开裂、有冻害地区的隧道衬砌背后积水引起衬砌冻涨开裂、衬砌漏水会引起衬砌挂冰而侵入净空。对于隧道防排水的施工我们采取了截、堵、排方式综合治理隧道的渗漏，所谓截就是在隧道以外将地表水和地下水疏导，使其不能进入隧道施工范围以内；堵就是利用防水板、止水带等材料阻隔隧道周围使水不能进入隧道内；排就是人为设置排水沟将隧道施工中的水排出。2.2.1防水板施工防水板作为防排水系统的最重要的环节，不仅能对内衬与围岩渗入水进行隔离，从复合式衬砌改善受力条件考虑，还能起到减少内衬约束，避免内衬受力不均导致开裂，从而降低内称的防水效果，隧道衬砌要求混凝土抗渗等级不小于P8，二次衬砌采用防水混凝土，即拱墙砼掺加防水剂，仰拱砼掺加高效抗裂防水膨胀剂。五尖大山隧道防水板选用耐久性能较好ECB材质，防水板厚度1.5mm。防水板铺装设计采用无钉铺设。设计采用宽幅防水板，系为减少人工焊接造成的质量问题，同时也为简化工序、加快铺装进度考虑。2.2.2纵环向盲沟施工五尖大山隧道内设双侧水沟排水，初期支护与二次衬砌环向设φ50mm打孔波纹管盲沟，边墙墙角纵向设φ160mm打孔波纹管盲沟，段长8m与环向盲沟连通。具体施工控制如下：A、排水盲管的管材、直径应符合设计要求；透水孔的规格、间距符合设计要求。 B、环向排水盲管沿纵向设置的间距应满足设计要求，并应根据洞内渗、漏水的实际情况，在地下水较大的地段应加密设置排水盲管。C、纵向集水盲管应与环向排水盲管、泄水管用变径三通连为一体，形成完整的排水系统。D、排水盲管应紧贴渗水岩壁安设，减小地下水由围岩进入排水盲管的阻力；排水盲管布置应圆顺，不得起伏不平。E、为了保证防水板铺设顺利,确保隧道防水达到设计要求,现将纵向打孔波纹管上部反滤层的施作（如图所示）。双壁打孔波纹管外径为80mm或160mm反虑层坡度为1：1.5，碎石粒径为10～30mm。纵向盲管采用的施工方案2.3混凝土施工改善混凝土和钢筋混凝土结构耐久性需采取根本措施和补充措施。根本措施是从材质本身的性能出发，提高混凝土材料本身的耐久性能，即采用高性能混凝土；再找出破坏作用的主次先后，对主因和导因对症施治，并根据具体情况采取除高性能混凝土以外的补充措施。而二者的有机结合就是综合防腐措施。大量研究实践表明，采用高性能混凝土是提高结构耐久性的基本措施。因此，混凝土结构的耐久性方案的设计遵循的基本方案是：首先，混凝土结构耐久性基本措施是采用高性能混凝土。同时，依据混凝土构件所处结构部位及使用环境条件，采用必要的补充防腐措施，在保证施工质量和原材料品质的前提下，混凝土结构的耐久性将可以达到设计要求。2.3.1高性能混凝土 其技术途径是采用优质混凝土矿物掺和料和新型高效减水剂复合，配以与之相适应的水泥和级配良好的粗细骨料，形成低水胶比，低缺陷，高密实、高耐久的混凝土材料。对于不同的结构部位采取了不同的混凝土强度和辅助设施。高性能混凝土就是能更好地满足结构功能要求和施工工艺的混凝土，能最大限度地延长混凝土结构使用年限，高性能混凝土具有一定的强度和高抗渗能力，具有良好的工作性，具有较高的流动性，在成型过程中不分层、不离析、宜充满模型，具有较高的体积稳定性，在硬化早期应具有较低的水化热、硬化后具有较小的收缩变形2.3.2配合比的选定混凝土配合比设计的目标，是要确定能满足工程技术要求的各种材料用量，配合比设计原理与普通混凝土基本相同，仍然依据三大法则，但也有不同之处：1.水灰比（或灰水比）法则水灰比法则是指混凝土强度与水泥强度成正比，与水灰比成反比，具体可用强度公式表示如根据这一法则确定水灰比，以保证混凝土的强度和耐久性，对高性能混凝土，由于将矿物细掺料当作胶结材的一部分因此计算的应该是水胶比（或胶水比）。2.最大密实度法则该法则的基本思路是各项材料互相填充空隙，以达到混凝土密实度最大，换言之就是各项材料的密实体积总和等于1M3绝对密实的混凝土，即：V水泥+V掺合料+V砂+V石+V水+V气=1M3的混凝土根据这一法则可确定配合比中的浆集比与砂率，以确保混凝土的强度、耐久性与经济性。3.最小单位用水量法则根据这一法则，可在水胶比一定及原材料一定的情况下，确定能满足混凝土工作性的最小用水量，这和普通混凝土中的恒用水量法则相似。对高性能混凝土，由于骨料最大粒径和坍落度的波动范围很小，（分别是10~25mm与18~22cm），而且坍落度还可通过调整高效减水剂来控制，因此普通混凝土的恒用水量法则对高性能混凝土就不太适用，而改用最小单位用水量法则，但出发点两者是相同的。 根据上述三大法则，可以初步确定混凝土配合比中的水胶比、浆集比、砂率与最小单位用水量这四个最基本的参数，再通过一定的方法，根据经验和试配确定外加剂和掺合料的用量。表1五尖大山隧道混凝土设计配合比混凝土等级施工部位水胶比每立方砼中材料用量（kg/m3）水泥掺合料砂石外加剂C25初期支护0.45447/826860速凝剂11.18聚羟酸4.47C25填充0.452491078021108聚羟酸3.56C30拱墙衬砌（Ⅲ级围岩）0.412731177881088聚羟酸3.9C35拱墙衬砌（Ⅳ、Ⅴ级围岩）0.363071327501079聚羟酸4.392.3.3原材料的选定和控制1、水泥宜用硅酸盐水泥或普硅水泥，选用时水泥的流变性比强度更重要，与减水剂兼容性要好，因此C3A与含碱量要低，不宜用立窑水泥、早强水泥或其它掺混合材水泥；2、砂子宜用地质坚硬、级配良好的河砂或人工砂，细度模数Mx≮2.6，含泥量≯1.5%（强度>C70级的混凝土≯1.0%且不容许有泥块存在）；3、石子宜用质地坚硬，级配良好的石灰岩，花岗岩，辉绿岩等碎石或碎卵石，母岩的立方抗压强度fg>1.2fou以上，针、片状≯5%，不得混入软弱颗粒，一般最大粒径Dmax≯25mm，配制C80~C100级时，Dmax≯20mm，对超过C100级以上时，Dmax≯12mm，因为粒径小时，界面周长小，厚度也小，难以形成大缺陷，不仅有利于界面强度，也有利于抗渗性。含泥量≯1%，（配制C80级以上时，≯0.5%），吸水率<1%，石子的粒型、表面性质，石粉含量也很重要，应严格控制。4、外加剂宜选用减水率高（>20%）、与水泥兼容性好，含碱低，坍落度经时损失小的品种，五尖大山隧道采用聚羟基羧酸系，两种复合的效果比单一的好，掺量一般为胶结材总量的1.5~2.0% ，掺量太多，超过饱和点后，不再提高减水率，并延缓凝结时间。5、粉煤灰（1）火山灰反应，强度效应（活性效应），粉煤灰中的活性成分与水泥水化生成的Ca（OH）2及含有的硫酸盐产生碱性激发与硫酸盐激发两种反应，即：碱性：xSiO2+yCa(OH)2+zHzO®yCao•xSiO2•zH2O(CSH)mAl2O3+nCa(OH)2+iH2O®nCao•mAl2O3•iH2O(CAH)硫酸盐性：Al2O3+3Ca(OH)2+3(CaSO4•2H2O)+19H2O®3CaO•Al2O3•3CaSO4•31H2O(AFt)并能改变CSH相的形貌，降低Ca/Si比，有利于后强的发挥与耐久性的改善。（2）形态效应，减水作用，粉煤灰多是园珠型颗粒，表面光滑，微珠润滑，且有吸附分散作用对水泥浆起解絮增塑作用，若保持流动性不变即可起到减水作用。（3）微集料效应，增密作用，研究表明粉煤灰粒度分布合理，总体粒度为0.5~300m，其中玻璃微珠为0.5~100m,大部分<45m，其含量约占50~70%，是粉煤灰中的主体，还有一部分漂珠>45m，及少量粗粒的海绵颗粒10~300m，大部分>45m，可见自身颗粒级配良好，其中比水泥颗粒细的粒子则可填充水泥空隙，增加密实度，细化孔径，改善均匀性。（4）稳定效应，益化作用，通过上述的火山灰反应，大量消耗掉自由态的Ca(OH)2，使变成结合态，大大降低液相的碱度，从而提高混凝土的耐蚀性。另外还可减少放热、收缩和徐变，提高体积稳定性和抗裂性，有利于耐久性。但却降低了抗碳化的能力。通过上述分析，充分说明，粉煤灰在混凝土中能发挥四大功效，起着不亚于水泥的胶凝作用，是混凝土必不可少的第六组分。问题是要选好、用好、控制好粉煤灰，充分发挥它在混凝土中的有利作用。其掺量通常采用超量取代水泥法（超量系数=1.2）进行配制。2.3.4混凝土的拌合、运输、浇注混凝土的原材料应严格按照施工配合比要求进行准确称量，称量的最大偏差应符合下列规定（按重量计）：胶凝材料（水泥、掺合料等）+1%；骨料+2%；拌合用水+ 1%；在搅拌混凝土前，应严格按照粗细骨料的含水率，准确测定因天气变化而引起粗细骨料含水量变化，以便及时调整配合比。一般情况下，含水量每班抽测两次，雨天应随时抽查，并按结果随时调整混凝土施工配合比。混凝土搅拌时，控制措施应先向搅拌机投入细骨料、水泥、矿物掺合料和外加剂，搅拌均匀后，再加入所需用水量，待砂浆充分搅拌后再投入粗骨料，并继续搅拌至均匀为止。每一阶段的搅拌时间不宜少于30s，总搅拌时间不宜少于2min，也不宜超过3min。五尖大山隧道混凝土运输采用混凝土运输罐车，在罐车运达搅拌现场时应使罐车高速旋转20~30s，再将混凝土拌合物喂入料斗。混凝土浇注控制技术：捣固时采用插入的方法，快插慢拔，将混凝土厚度保持在一般为插入式振捣器作用部分长度的1.25倍，然后再采用插入式振捣方法将混凝土捣固密实。捣固作业时插入20～30S，以砼不再沉落，不出现气泡，表面呈现浮浆为度，插入深度以插入前层捣固面下5～10cm为宜。2.4仰拱混凝土一次性成型施工方法仰拱是隧道结构的主要组成部分之一，它是隧道结构的基础。它一方面要将隧道上部的地层压力通过隧道边墙结构或将路面上的荷载有效的传递到地下，而且还有效的抵抗隧道下部地层传来的反力。实际上它是能承受地层永久荷载和路面临时荷载（动荷载）的一种地基梁（板）。为此仰拱的受力状态比较复杂。从国内外的交通隧道工程病害的实例来看，由于隧道仰拱结构的设计、施工原因，而出现隧道结构失稳，路面沉降开裂，翻浆冒泥病害的实例不在少数。为此在施做仰拱结构时必须精细，其结构物一定要符合规范和设计要求。2.4.1仰拱施工断面图2.4.2仰拱施工控制技术1、 按设计要求在施工缝中心处安装中埋式止水带，仰拱模版按照仰拱厚度的1/2加工成上下两片，止水带安装在模版之间，接缝两侧的箍筋加工成U形，便于止水带牢固平顺。纵向施工缝处将老砼凿毛、清理干净和润湿后，涂刮界面剂进行防水。φ100mm的横向导水管，间距30米，安装要圆顺，确保排水畅通。2、仰拱一次浇注施工，如下图所示，为便于后续施工，仰拱施工时将仰拱混凝土一次浇注到中心水沟外缘底面以下1cm处，浇筑形状如下图：3、接茬处理方法（1）仰拱与仰拱接茬处理：拆除与已浇筑仰拱砼一侧的模板，将仰拱砼截面凿毛，用钢丝刷和用水清洗截面，并充分润湿，将纵向连接筋焊接牢固，然后浇筑新仰拱混凝土并加强养护。（2）仰拱与仰拱填充接茬处理：仰拱填充在仰拱砼终凝后浇注，浇注仰拱填充砼前必须将填充底面清理干净。然后支立好填充砼两侧的模板，进行填充砼的浇注并加强养护。（3）仰拱填充与仰拱填充接茬处理：施工完一段仰拱填充后，拆除与老填充砼一侧的模板，将断面清理干净，并用水湿润后浇注填充砼并加强养护、等强。2.5大断面隧道钢筋施工在隧道施工中保证钢筋的绑扎尺寸和保护层厚度提高长大隧道钢筋混凝土使用寿命的最为直接、简单而且经济有效的方法，但是保护层厚度并不能不受限制的任意增加。当保护层厚度过厚时，由于混凝土材料本身的脆性和收缩会导致混凝土保护层出现裂缝反而削弱其对钢筋的保护作用。2.5.1对于钢筋表面采用致密材料涂覆，如采用环氧涂层钢筋。2.5.2钢筋绑扎：1、绑扎时，按照“先外圈，后内圈，再箍筋”的顺序进行。2、钢筋加工规范要求 图1180°弯钩图2直角形弯钩图3弯起钢筋图4箍筋末端弯钩2.5.3长大隧道中控制钢筋保护层厚度和钢筋变形的方案选择1、对于钢筋保护层厚度的保证和控制钢筋下沉，我们采用了每两米一环预先加工好的环向格栅钢筋骨架，环向主筋N1和N2钢筋用角钢进行焊接成钢筋骨架，环向钢筋沿中心线左右各4.5m设置角钢。纵向钢筋用φ8圆钢进行焊接连接；2、Ⅳ、Ⅴ级围岩二衬施工过程中，拱部钢筋会下沉，致使钢筋混凝土保护层厚度小于设计厚度，为了保证钢筋保护层厚度，必须在Ⅳ、Ⅴ级围岩打二衬之前，在拱部钢筋与模板台车之间放置塑料垫片，间距0.25×0.2m（环向×纵向），确保钢筋保护层厚度，防止钢筋下沉；3、钢筋固定：钢筋绑扎过程中，为防止钢筋由于自重或砼灌注过程中发生变形，按照纵向间距2m、环向间距2.5m的要求，将“T”型短钢筋同固定钢筋的骨架焊连，“T”型短钢筋一端支抵在防水板上（支点处用废弃的防水板双层支垫），另一端与钢筋骨架主筋焊接，从而将整个钢筋网固定并加固，防止钢筋整体变形，从而确保钢筋的准确位置。3、结束语通过采取以上措施等对隧道变形、沉降情况进行说明，明确对隧道耐久性的作用，这些控制措施也只是定性的进行分析，还需要深度开展工作，加强隧道施工工艺，提高隧道耐久性。