铁路隧道二次衬砌施工技术
铁路隧道二次衬砌施工技术
石峰任杰齐国富
内容提要：随着国民经济的迅速发展,我国铁路建设方兴未艾。铁路隧道工程对二次衬砌的质量提出了较以往更高的要求,二次衬砌结构不允许渗水,二次衬砌结构表面无湿渍，二次衬砌混凝土必须具有高强度、耐久性等。因此,在二次衬砌施工时就必须加强质量控制,以达到设计要求。
关键词:二次衬砌铁路隧道质量控制
1.工程概况
新寨隧道位于甘肃省宕昌县境内,为兰渝线兰州至广元段一双线隧道,全长61０m,最大埋深１22m,最小埋深13~１8m。隧道通过位于西秦岭褶皱系中，岩体受区域构造影响严重，节理裂隙发育，岩体破碎，线路下穿新寨沟,洞身沟谷中最小埋深１8m。覆盖层厚度小于２.5倍洞跨径（35m),属浅埋段。沟谷段长60m,其中有近3０m处于偏压。沟谷段主要岩性为坡积砂质黄土、洪积细角砾土、粗角砾土。围岩稳定性差,工程地质条件差;围岩类别为Ⅵ级，属软弱围岩。沟中流水为季节性自然降水及孔隙潜水补给。水土结合,浅埋偏压综合在一起，给施工带来极大困难。
2．二次衬砌的设计
根据现场实际情况,采取开挖后及时施做二次衬砌。
隧道现场施工采用新奥法施工,复合式结构及初期支护和二次混凝土模筑衬砌相互结合的结构物,适用于各种围岩条件。
图1 衬砌结构断面图(单位:cm）
3.二次衬砌的主要作用
(１）Ⅰ～Ⅲ类围岩:因初期支护的变形很小，很快趋于稳定，故二次衬砌不受地层压力,故其主要作用是防水,利于通风和修饰面层。
（2）Ⅱ~Ⅳ类围岩：虽然初期支护的变形较小,二次初砌承受不大的围岩压力,但考虑到运营
后外露钢件锈蚀,初期支护质量不佳有缺陷等原因故应施做二次衬砌,以提高初期支护的安全度，当然也有防水,利于通风装饰方面的作用。
(3)Ｖ～VI对于类围岩，由于围岩变形较大有膨胀压力，运营中重载车的震动或由于山体浅埋偏压及施工缺陷等原因使围岩变形未趋于稳定。需提前施做二次衬砌时,则二次衬砌是主要的承载结构，需要承受后期围岩变形压力。
4.影响二次衬砌施工质量的主要因素
4.1施工工艺或现场操作不规范
（1)隧道开挖成型差,衬砌混凝土厚度严重不均匀;欠挖或初期支护侵入衬砌限界,造成衬砌混凝土厚度不足;个别隧道衬砌混凝土背后存在脱空现象。
（2)未开展监控量测工作,仅凭经验来确定二次衬砌的施作时间,安全可靠性差,造成二次衬砌超设计荷载承受围岩压力。
(３)混凝土生产时原材料计量误差大,尤其外加剂的掺加随意性大,没有根据砂、石料的实际含水率及时调整施工用水量，造成混凝土水胶比增大。在混凝土运输及泵送过程中加水的现象也时有存在。
(4）采用整体式钢模板台车施工时,混凝土浇筑时不振捣或漏振,混凝土均质性差。
(5）盲目追求施工进度,随意提前脱模时间,使低强度混凝土过量承受荷载，破坏了混凝土结构。脱模后没有进行混凝土的潮湿养护。
5.二次衬砌施工
5.１技术准备
５.1.1二次衬砌施工时间的确定
二次衬砌施工时间应符合以下条件:
(1）隧道周边变形速率明显趋于减缓；
(2)拱脚附件水平收敛速度小于０.2mm／d或拱顶下沉速度小于0.15mm/d；
（3)施作二次衬砌前的累积位移值,已达极限相对位移值的80%以上;
（4)初期支护表面的裂隙不再继续发展。
位移值鱼位移速率是以采用收敛仪实测数据为依据的,水平收敛与拱顶下沉速度,从安全考虑,是指至少7d的平均值,总位移量可由回归分析计算取得。
5．1.２净空检查
在二次衬砌施工前，技术人员应对隧道净空进行检查，以确保二次衬砌厚度。
对于侵入二次衬砌的初期支护或围岩应视其大小进行处理。当围岩完整、石质坚硬是,允许
围岩个别突出部分(每１m２不大于0.1m2）侵入衬砌，侵入厚度不应大于5ｃm。拱脚和拱脚以上１ｍ内端面严禁欠挖。
5.2防水层施工
二次衬砌施工前，应施工防水层，并对其进行检测,检测合格后,方可施工二次衬砌。浇筑二次衬砌前，应清除防水层表面灰层并洒水养护。
５．3钢筋安设
防水层施工结束后，应按设计数量和要求安设衬砌钢筋。钢筋与模板间采用与二次衬砌混凝土相同配比的细石混凝土或砂浆制作垫块,以确保钢筋保护层的厚度;二次衬砌结构两侧和底面
的垫块应至少4个/m2，绑扎垫块和钢筋的铁丝头不得伸入保护层内。
5.4施工工艺
５．4.1工艺流程
复合式二次衬砌施工工艺流程图见图２
图2 复合式二次衬砌施工工艺流程图
5．5台车就位
台车就位前,须找平仰拱填充面,铺设行走轨道。台车就位后启动微调机构用仪器校正模板外轮廓与设计净空相吻合并锁定台车。校正模板外轮廓时应注意复核台车中线是否与隧道中线重合、台车拱顶高程是否考虑预留沉落量软弱围岩段应按规定考虑３～5cm预留沉落量、矮边墙与拱墙混凝土接茬处的隧道净宽是否符合设计要求。
图3 台车横断面和纵断面图
台车安装必须稳固牢靠，接缝严密,不得漏浆；接缝处大于2mm处采用腻子修补严实。模板与混凝土的接触面必须清理干净并涂刷隔离剂。浇筑混凝土前,模板内的积水和杂物应清理干净。
衬砌模板台车就位后,模板尺寸其允许偏差见表1
表1 模板尺寸允许偏差
序号项目允许偏差(mm）检验方法
1 边墙脚平面位置及高程±1５尺量
2 起拱线高程±10 尺量
３拱顶高程＋10>偏差>0 水准测量
4 模板表面平整度５2m靠尺和塞尺
5 相邻浇筑段表面高低差±1０尺量
5.6混凝土的拌合与运送
采用搅拌站集中拌制混凝土运输车运输混凝土用料应严格按照配合比计供料每次拌合时间为1.5２.5分钟以拌合均匀色泽一致为度。盛装混凝土的容器不能漏浆运送时间在环境气温＋２0℃时不应超过45分钟以防混凝土发生初凝。
混凝土拌合物的坍落度应符合理论配合比要求，一般在14~18ｃm,其偏差不得大于±２0mm,且必须满足泵送要求；入模含气量不得小于2％。
5．7衬砌混凝土的浇筑与振捣
二次衬砌混凝土采用混凝土输送泵、输送管末端采用软管连接入模，入模的自由倾落高度应保证其不发生离析,一般不应超过2m。输送管严禁接触模板,以免混凝土压出时对管口产生的强烈震动使模板变形。
衬砌混凝土应左右两侧对称分层进行,两侧灌筑高差最大不超过100ｃm；灌筑混凝土不宜间断进行,若必须终止则不应超过混凝土初凝时间，否则应作间歇灌筑处理。边墙及墙顶部分采用
插入式软轴振捣器振捣,拱顶部分采用附着式振捣器振捣。采用插入式软轴振捣器振捣时,分层厚度一般为30cm,振捣时间宜为１０~30ｓ。附注式振捣器应能单个启动，使用时，应根据需振捣的部位开启振捣器振动约30~50s。
５.７．１封顶
(1）当拱部混凝土浇注至台车最上层窗口时应将泵送管接至拱顶圆形进浆口。从圆形进浆口泵送混凝土进入衬砌台车时应从已衬砌段向未衬砌段进行；混凝土充填满拱部后应暂时停止泵送,开启附着式振捣器及时振捣，以防因压力过大致使台车变形；振捣后继续泵送混凝土，直到混凝土浇注至台车挡头约2m处。
(2)在台车拱部挡头处预留环向长约2m的空间先不安设挡头板,以便进行封顶作业。
（3）当混凝土处浇注至台车挡头时，一边安设挡头板,一边浇注混凝土，并采用插入式振捣器振捣密实，直至封顶完毕。
为保证拱部混凝土的密实性,在拱部预埋φ20压浆管,压浆管按纵向间距２～3m一处埋设,注浆材料采用M10水泥砂浆，其配合比应根据现场试验后确定,待衬砌混凝土强度达到设计强度的70%后再进行压浆处理,初压０．1ＭPa~0．１５MＰa终压0.2MＰa。
5．８衬砌混凝土的养护和拆模
(１）应在浇筑完毕后的12ｈ以内对混凝土加以覆盖并保湿养护。
(2)混凝土浇水养护的时间：对采用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥或矿渣硅酸盐水泥拌制的混凝土,不得少于７d;对掺用缓凝型外加剂或有抗渗等要求的混凝土,不得少于1４ｄ。
(3)浇水次数应能保持混凝土处于湿润状态;混凝土养护用水应与拌合用水相同，水温应与环境气温基本相同。
（4)采用塑料布覆盖养护的混凝土,其敞露的全部表面应覆盖严密,并应保持塑料布内有凝结水。
(5)混凝土强度达到５Ｍpa前,不得在其上踩踏或安装模板及支架。
（6）当日平均气温低于5℃时，不得浇水。
(7）承重模板拆除时，应符合下列要求：在初期支护变形稳定后施作的,二次衬砌混凝土强度达到8.0MPa时以上;初期支护未稳定、二次衬砌提前施作的,混凝土强度应达到设计强度100%及以上；特殊情况下,应根据试验及监控量测结果确定拆模时间。
拆除不承受外荷载的边墙、仰拱及底板等非承重模板时混凝土强度不得低于２.5Mpａ,并应保证其表面及棱角不受损伤。
５.9二次衬砌的施做要点:
（1）初期支护与二次衬砌之间的密贴程度，对复合式衬砌受力状态产生较大的影响。当初
支与二次衬砌之间有空隙尤其拱顶灌注混凝土不密实,或由于混凝土的收缩产生空隙时,其拱部
形成马鞍形围岩压力，拱部小(或无）而拱腰大，此时二次衬砌的拱顶外缘受拉、内缘受挤压，
严重者拱顶内缘分层掉皮，而破坏二次衬砌应有的支护作用。所以施做二次衬砌后。一般应向二次衬砌拱顶压注水泥砂浆填充，使二次衬砌与初衬之间尽量不留空隙,这种措施在V~VI类围岩中的衬砌尤为重要。
（2)二次衬砌的截面厚度必须达到设计要求。二次衬砌的截面厚度及结构形式取决于围岩压力的大小，当断面形状确定以后,保证二次衬砌的厚度是保证复合式衬砌结构安全的重要因素，
这是通过力学计算或大量的实践类比出来的重要参数。其厚度的误差,特别是欠厚的误差，一定
要控制在验收规范规定的范围内。
(3)二次衬砌混凝土的强度必须达到设计要求。保证混凝土的设计强度是保证二次衬砌厚度
的前提，故在一次衬砌混凝土的配制中一定要采用能达到设计强度的合理的配合比，严格控制水泥和标号、用量及粗细骨料的质量。
（4)二次衬砌的密实度是保证混凝土质量及防水标准的重要措施之一，故从应从工作出发混凝土的配制,运送、灌注、振捣等方面严格把关,使已灌注的混凝土各项指标达到设计要求。
（5)二次衬砌内部结构一定要符合设计要求。在本项目各隧道工程中,对于Ｖ～VI围岩的洞口浅埋段,偏压段及围岩较差的地段及特殊要求的结构物段均设计了钢筋混凝土的二次衬砌结构，这是加强二次衬砌承载能力的重要措施,所以二次衬砌中所用的钢筋型号、规格、布置及钢筋和
绑扎、焊接等工艺一定要符合设计及规范规定的要求。
（６)在应施做仰拱的地段必须先施工仰拱的初衬及二次衬砌,拱墙的二次衬砌紧跟使二次
衬砌能及时的成环状结构,以在很短的时间内,二次衬砌约束围岩变形。
(7）在施做二次衬砌前必须对初支的质量进行检查验收。
(8）在施做二次衬砌前必须对二次衬砌所有的排水设施进行检查,以确保防排水各设备的质量，固二次衬砌后，此部分已成隐蔽工程,一但出差错将适成严重的后果。
６.结束语
根据隧道地质条件、围岩的自稳性、地下水情况、地应力高低等条件不同，二次衬砌所起到的作用也不尽相同。
二次衬砌的功能主要是在自稳能力强的围岩条件下提供安全储备；对于在围岩变形没有稳定的情况下施做二次衬砌时,二次衬砌能对持续的变形起到约束作用，这种情况下二次衬砌就作为
承载结构发挥作用。在铁路大断面隧道中二次衬砌的承载作用更应该引起重视。
参考文献：
【1】《铁路混凝土工程施工技术指南》TZ210－2０05
【2】《铁路混凝土与砌体工程施工质量验收标准》TB１０4２4-２０03
【３】TＢ104１7－2０03铁路隧道工程施工质量验收标准[S]。北京:中国铁道出版社，2０03 【4】ＴZ204-200８铁道隧道施工技术指南[S]。北京:中国铁道出版社,200８