1、- 1 -隧道基底类病害整治施工技术方案总结1 引言隧道基底类病害按其所属线路的性质一般可分为既有线隧道基底病害和新建线隧道基底病害。既有线铁路隧道的基床病害主要指由于隧道基底病害和渗漏水等引起的道床下沉、开裂、翻浆冒泥等现象。基床病害容易导致线路几何状态难以保持，制约列车提速，危及行车安全，严重时甚至会造成列车在隧道内脱轨倾覆。新建线隧道基底病害则一般是指由于隧底存在软弱地层（淤泥层、粘土层、湿陷性黄土）等不良地质，造成隧底沉降超限而形成的病害，整治措施一般包括基底换填、小导管注浆和旋喷桩加固等。多年来，北京中铁瑞威基础工程有限公司一直与北方交大隧道中心及各铁路局在路内联合开展各类隧道病害整
2、治工作，致力于深入研究分析病害成因、优选整治方案、合理引用国外和自行研发新材料等方面的工作，成功完成了一批铁路隧道的病害整治项目，取得了满意的施工效果，得到了用户和管理部门的好评。2 既有线隧道基底病害整治施工技术方案2.1 既有线隧道基底病害的主要成因基床病害的成因主要包括：当基底为软弱层（如风化的基岩、断层破碎带、超挖部分为浮碴填充层）时，由于其强度低、结构松散，容易被水浸泡软化或被水冲刷流失，列车动载的反复作用使基底泥水多沿边墙缝、人行道与道床的接缝或其它薄弱环节（如中心及侧水沟）等处涌向道床，形成翻浆冒泥，进而使基底局部淘空，造成道床断裂。另外，还有软岩膨胀底鼓等原因。2.2 病害检测
3、在进行病害整治前，首先采取物探与现场原状土取样化验相结合的方法，确定病害成因，确定病害规模与分布范围。即采用地质雷达、电法等物探手段，查明基床的充泥充水、空穴等状况，再采用原状土取样化验查明填料的种类及孔隙率以及是否铺设垫层，为制定整治方案提供依据。这样做会使整治方案更具有针对性，从而有效保障整治效果。2.3 病害整治方案- 2 -通常，隧道基底和道床的病害整治可视病害程度和具体情况采用加设有效的地下水排导系统、道床翻修、换填、置换、道床基底注浆等措施。中铁瑞威公司针对此类病害采取的整治方法主要有以下两种：1、锚桩+注浆加固法，主要针对病害较为严重的路段；2、T 浆液+化学浆的组合注浆法，一般
4、针对病害相对较轻的路段。2.3.1 锚桩+注浆加固法（以大瑶山隧道病害整治项目为例）这是一种采用聚合物砼灌注锚桩加固和封闭水沟墙及与基底灌浆相结合的方法，使断裂和“吊空”被锚固、充填，通过沟墙封闭将灌浆区段与水隔绝，确保灌浆质量，然后在封闭的灌浆区段进行基底灌浆，从而达到基底完全固结填实的目的。图 1 锚桩平面布置示意图图 2 锚固桩立面布置示意图 图 3 道床基底注浆示意图2.3.1.1 锚桩设计 桩径 d：取决于钻机成孔直径，一般取 d=120150mm； 桩长 L：L=道床厚度 +铺底厚度+嵌岩深度（0.25m） ； 桩间距 a：按承载力计算结果，同时满足 a3d ，并采用错位梅花排列；
5、 PMC 聚合物混凝土：灌桩材料性能具有在 1m/s 的涌水冲刷下不离散、- 3 -30 分钟抗压强度8M Pa，抗折强度在6 MPa，耐冲击性好的特性。由于材料的粘接特性较好，大幅提高了桩身的侧摩阻力。2.3.1.2 注浆设计专用于隧道基底和道床病害整治的灌浆料符合以下几点要求：30 分钟的抗压强度8MPa ；可操作时间（用于灌浆操作的时间）介于 1012 分钟之间；浆液粘度小（10 分钟的净浆流动度250mm） ，可灌性好。试验工程检验和正式施工使用均证明，加固型 TGRM 水泥基特种灌浆料可满足基床病害的整治要求，其突出特点是：在小水灰比（w/c=0.37）的情况下，浆液流动性好，直至初
6、凝前 12 分钟流动性仍保持稳定；初、终凝间隔时间短，只有 23 分钟，从而在保证灌浆后有 30 分钟限定时间的同时，为可操作时间留出了 1012 分钟的时间，也为终凝后的强度快速达到 8MPa/30 分钟以上提供了保证。2.3.1.3 施工工艺（1）钻孔灌注锚桩主要利用其抗压强度强度高的优势支撑“吊空” ，以群桩承载方式传递列车荷载至基岩，达到稳定基床、消除轨道状态变化的目的。施工工序为：钻孔清孔放钢筋笼支模板灌注砼捣固。 钻孔采用小型工程钻机 120mm 金刚石岩芯钻头，孔位中心点距水沟墙边16cm，钻至基岩下 2025cm。 清孔采用风水联合法，将风压机的风管伸入已成孔的锚桩孔内将孔内的
7、沉渣吹起，再用钳式或铲式清孔器将风压吹不起来的大块岩芯取出，并压水冲洗，以保证施工质量。 支模板是针对病害“吊空”严重地段，即成孔后发现锚桩孔与中、侧沟相串通，通过支模板避免灌注锚桩的砼沿“吊空”流失。在灌注砼时进行有效的捣固，尽量使砼在锚桩孔底端向周边“吊空”位置扩散，并保证填充密实。（2）沟墙封闭施工沟墙封闭施工分为中沟墙封闭和边沟墙、沟底封闭。因中心水沟中水的流量较水，中沟封闭需使用 PMC 聚合物砼；边沟窄而浅，且存在着 “烂底”破损- 4 -现象，列车通过时有“抽吸”现象，故采用 TGRM 混凝土和聚合物混凝土凿补结合的方法进行处理，对无“抽吸”现象而比较稳定的边沟，可以采用普通52
8、5#水泥制备的混凝土对“烂底”进行铺底处理。沟墙封闭的施工工序为：清理沟墙（清沟、洗刷、凿毛）支模板灌注混凝土捣固拆模。 中沟大量的淤泥、砂、石彻底清理干净后，再用钢丝刷洗刷沟墙，对沟墙凿毛，使“吊空”充分暴露，以保证灌注时填满“吊空”位置。 考虑到病害的严重程度存在差异，病害严重处吊空深度达 90cm，为使 PMC聚合物砼能够更有效地进入吊空位置，施工中采用两次支模的方法，即先在沟底以上 2030cm 高立模一次，将“吊空”部分填满后再进行第二次立模加高，这样即保证了“吊空”部位充分填满，又达到了堵浆的目的。灌注捣固同锚桩。（3）基底灌浆基底灌浆采用 TGRM 水泥基特种灌注料。施工工序为：
9、钻孔冲孔灌浆补浆。 布孔：布孔的原则是先疏后密，中间插孔，依据施工经验，在每一整治段的中、边沟每隔 3 米布孔一个，布置在挡碴墙外侧，深 1.3m、倾斜 30 度角与深 1.6m、倾斜 50 度角交错分布，这样可有效保证道床中间和靠中、边沟侧“吊空”部分均能有浆液到达。 冲孔：用压风机冲孔，将孔内沉碴淤泥彻底清理干净；通过冲孔，可了解孔位之间的连通关系，从而确定哪些作为压浆孔，哪些作为通气孔。 灌浆：首先将 TGRM 水泥基特种灌注料按 W/C=0.4 的设计水灰比通过高速搅拌机制浆，而后将制好的灌浆料放入贮浆桶，再通过压力泵由管线将浆液送至工作面，压浆工序在“天窗”结束前 30 分钟结束，以
10、保证其凝结强度。2.3.2 T 浆液+化学浆的组合注浆法（以鸡公山隧道病害整治项目为例）所谓 T 浆液+化学浆的综合注浆法是指，在基底表层通过深层渗透注浆方式，使用化学浆液形成浆脉稳固土体结构，吸收孔隙水，从而降低土体的含水率，降低土体再次液化翻浆冒泥的可能，同时在基床底层形成一个隔水层，阻- 5 -止地下水再次渗入。在基底底层通过挤密注浆方式，注入 TGRM 浆液，提高路基的承载力，同时形成密实的浆液固结体，使断裂和“吊空”被锚固、充填，提高基床承载能力。图 1 T 浆液+化学浆的综合注浆法整治原理示意图2.3.2.1 施工方案（1）浆液材料的选择 T 浆液：隧道基床病害整治最突出的难点是“
11、 天窗”时间短，既要求浆液的可灌性好，在“天窗”时间内有较快的工作进度，又要浆液瞬时凝固，在终凝后尽快达到列车通过时荷载要求的抗压强度。否则，基底灌浆将被挤出，不能达到充填“吊空”的目的。加固型 TGRM 水泥具有以下特点：在水灰比为 0.370.45 的条件下，可操作时间为 912 分钟，初凝时间为 10.514.5 分钟，终凝时间为 12.517.5 分钟；浆液流动度为 220250 mm，可采用低压灌注，并且有良好的自密实性；终凝后通过硬化可产生大量的硫铝酸钙，30 分钟龄期抗压强度可达到 8MPa以上。因此，采用 TGRM 水泥做为灌浆材料，既可加快施工进度，又可保证列车通过时的强度。
12、 化学浆液：采用水溶性聚氨脂。该浆液无毒、无污染、对人体无害，具有优良的亲水性，与水产生化学反应后，借助缓慢膨胀及持续压力，可将聚氨酯渗透至微细缝隙。该浆液与混凝土等材料粘结力强，混合后可- 6 -形成高强度固结体。（2）注浆孔的布置由于是在既有线条件下施工，要特别防止灌浆对基床的“抬动” 。灌浆压力不得超过 0.6 MPa，为避免灌浆孔穿透道渣，由路肩两枕木头端部钻设灌浆孔，从挡碴墙钻入基床，并沿垂线倾斜 4560，间隔 1m，行距为 40cm，以使灌浆孔穿越道床中心，使路基下方病害路基得到全面加固，详见下面的图表。 30注 浆 孔 线 路 中 心 线隧 道 中 心 线剖 面 图 排排排 排
13、排正 剖 面 图 30注 浆 孔 轨 顶 面 隧道中线图 2 注浆孔布置图 图 3 注浆孔布置剖面图表 1 注浆孔参数表孔位角度（） 孔深（ m）注浆压力（MPa ）水灰比 材料选择 备注A 排序孔 45 3 0.30.5 0.5:1TGRM 灌浆料B 排序孔 60 2 0.30.5 1 聚氨脂C 排序孔 60 2 0.30.5 1 聚氨脂D 排序孔 45 3 0.30.5 0.5:1TGRM 灌浆料（3）钻孔施工顺序施工顺序为：B 排孔A 排孔C 排孔D 排孔。每排孔施工须按照跳孔施工作业。（4）施工流程埋盒钻孔下管灌浆补浆 掏碴埋盒：因道碴中无法成孔，故注浆孔须在铺底面向下施钻。为此，需采
14、用掏碴埋盒的方式，在保证成孔的同时还要保证行车安全。在天窗- 7 -点内用专用工具把道碴挖至铺底面，再埋入 160*5 的 PVC 管，最后捣固密实。 钻孔：根据设计方案，施做 30mm 钻孔，孔深 23m，间距 1m，行距40cm。 下管：钻孔完成后下入注浆钢管，并进行清孔和封孔。 灌浆：压浆方式采用后退式压浆，即一次钻至压浆孔底，再从孔底利用止浆塞分段压浆后退至孔口，压浆完成后孔口用水泥砂浆抹平。浆液水灰比一般为 0.5，灌浆压力控制在 0.30.5 MPa。 补浆：灌浆完成后，每 100m 随机钻取 3 个孔检查压浆效果，如仍有明显的空洞和孔隙，应重新补浆。3 新建线隧道基底病害整治施工
15、技术方案随着我国铁路的高速发展，对铁路线形要求更加严格，造成了铁路隧道数量日益增多，有些铁路工程的隧线比甚至超过 50%，受铁路线位影响，一些隧道基底的地质条件比较差。此外，根据隧道“早进晚出、保护环境”的原则，隧道明洞应尽可能加长，这就增加了隧道存在软弱地基的几率。在隧道设计过程中，我们经常需要处理一些隧道基底的软弱地层( 如黏土层) ，以提高隧道基底地层承载力，满足隧道衬砌设计要求。隧底病害常用的整治方法主要包括以下几种：3.1 基底换填隧道基底换填是一种比较简便、快速的隧道软弱基底处理措施，在隧道洞口及洞身浅埋段中应用比较广泛，一般铁路隧道采用 C20 片石混凝土换填软弱地基（黏土等），
16、换填应深入基岩不小于 0.5m。但基底换填有一定的局限性，当隧道基底软弱基础层较厚，基底换填量就会比较大，有时开挖基底边坡需要采用临时防护措施，从安全性和经济性考虑，换填就不太合适。一般情况下，当隧道基底黏土层换填深度为 2.0 m5.0m 为宜。隧道基底换填设计如图 4 所示。- 8 -图 4 隧道基底换填横断面图3.2 小导管（钢花管）注浆小导管（钢花管）注浆是利用导管导入浆液，注浆孔均匀分布，高压浆液强行挤压孔周，使黏土层劈裂成缝并充填凝结于其中，从而对黏土层起到挤压加固和增加高强夹层加固作用（称为“劈裂注浆”）。在软弱黏土层中增加的高强夹层，将黏土分割加固，使其整体性和强度大幅提高。小
17、导管（钢花管）注浆适合于隧道基底黏土层或全风化岩层厚（地下水不发育地层）大于 5.0m 地段，小导管（钢花管）注浆对于隧道洞身段小型滑坡体也有很好的加固作用。小导管（钢花管）注浆在黏土层地段有很好的加固效果，加固深度相对基底换填较深，操作方便，地层强度提高大。但是在地下水发育地段效果较差，浆液流失严重，固结较慢，根据工程经验，一般钢花管注浆加固深度在 10m 左右为宜，钢花管注浆加固基底设计如图 5 所示。图 5 隧道基底小导管注浆横断面图小导管（钢花管）注浆一般采用 42 或 50 钢花管，平面采用梅花形布置，- 9 -横纵向间距为 1.5 2.5m；水泥浆液水灰比常采用 1:1.01:1.
18、5（或根据现场试验确定），注浆压力为 0. 51.2MPa。单根钢花管注浆量可参考下式计算：(1)02LRQk其中，R k 为浆液扩散半径，取 Rk=0.6L0，m； 为钢花管中心间距，m；0为钢花管长，m； 为注浆饱满系数，取 0. 85； 为空隙率，岩石破碎带取L5%8%、砂土取 4060%、黏土取 2040%计算。3.3 旋喷桩加固旋喷桩是利用钻机将旋喷注浆管及喷头钻置于桩底设计高程，将预先配制好的浆液通过高压发生装置使液流获得巨大能量后，从注浆管边的喷嘴中高速喷射出来，形成一股能量高度集中的液流，直接破坏土体，喷射过程中，钻杆边旋转边提升，使浆液与土体充分搅拌混合，在土中形成一定直径的
19、柱状固结体，从而使地基达到加固。旋喷桩加固对处理淤泥、淤泥质土、黏性土、粉土、砂土、人工填土和碎石土等有良好的效果，而且施工简便、浆液集中（流失较少）、价格低廉。适合于山岭铁路隧道加固层较深、地下水发育地段。山岭铁路隧道基底采用旋喷桩加固， 桩直径一般为 0.60.8m，桩间距一般取 L= (23)d（d 为旋喷桩设计直径），喷射浆液水灰比一般为 1:11.5:1。旋喷桩的复合地基承载力可根据现场荷载试验确定，当无试验条件时，也可按照下式计算且结合当地情况与其土质相似工程经验确定。(2)peksdkeksp AfRAf ,1其中， 为复合地基承载力标准值，kPa； 为 1 根桩承担的处理面积，
20、kspf, em2； 为桩的平均截面积，m 2； 为桩间天然地基土承载力标准值，kPa；Aksf,为桩间天然地基土承载力折减系数, 可根据实验确定，在无实验资料时，可取 0. 20. 6；当不考虑桩间软土的作用时，可取 0； 为单桩竖向承载力标准dkR值，kN。3.4 地表注浆- 10 -地表注浆是在地面修建一定厚度注浆平台，然后向下钻孔至设计深度，插入孔口管，通过静压注浆的一种加固地表和地基方法。当隧道洞口段为松散堆积体或可治理的小型滑坡体，隧道洞顶覆盖层有一定厚度，明洞难以施工时，通过地表注浆能很好的改善地层条件，增加隧道基底承载力，降低暗洞施工难度及施工风险，加快施工进度。地表注浆平台厚
21、度一般约为 30cm，以保证注浆过程中浆液不溢出地表。注浆孔口管为 89（ 50）钢管，注浆孔平面采用梅花形布置，横纵向间距为 1.02.5m；水泥浆液水灰比常采用 1:1.01:1.5（或根据现场试验确定），注浆压力为 0.51.2MPa。单根管注浆量根据现场试验确定，当无试验条件时可采用式(1) 计算。3.5 袖阀管注浆加固（以雪峰山隧道基底病害整治项目为例）3.5.1 袖阀管注浆工艺的机理及特点袖阀管注浆的机理是通过封管和注浆两种材料进行分次封孔和注浆，以此来实现分次注浆的可能。由于地下工程的地质条件、颗粒粒径、透水性和不同地层之间交互层叠，导致不均匀地层各层浆液的可注入性不同，通过注浆
22、所达到的效果也不尽相同，有针对性地对注浆地层进行分析，可以有针对性地灵活调整浆液配比和注浆终压，有效填补地层的空隙，达到理想效果，使地层趋向各向同性。袖阀管注浆工艺的主要特点如下： 能有效按注浆工程的设计要求，确定注浆的位置和范围； 不易产生注浆盲区和薄弱区，适合高风险注浆施工，通过水囊式止浆塞停留的时间可以实现空隙的地层多注，密实的地层少注； 注浆的位置可根据实际情况上下调整，灵活变动，这点通过水囊式止浆塞的移动就能轻易实现； 同一注入点可以采用不同的注浆材料、不同的浆液配比进行注浆； 注入后，可根据地层的实际情况非常方便的再次注入，保证注浆质量。3.5.2 注浆加固设计一般根据设计扩散半径
23、和垂直钻孔的加固方式来保证注浆加固效果，设计图如下所示。- 11 -图 6 开孔孔位布置图（单位：cm） 图 7 注浆扩散效果示意图（单位：cm）3.5.3 施工工序第一节注浆下芯管注浆注入袖阀套壳料下袖阀管 钻孔末节注浆效果检查 效果好钻孔注浆结束效果不好，补孔 换一个孔作业浆液制备 提升芯管图 8 袖阀管注浆施工工序- 12 -钻孔 下套壳料 施作袖阀管开始注浆 施作第一段注浆 施作第二段注浆图 9 注浆施工示意图3.5.4 注浆参数普通水泥浆水灰比为 0.61:1，注浆压力控制在 45MPa 左右。综合考虑现场其它因素影响，根据现场监测数据及注浆实验确定注浆参数，如表 2 所示。表 2
24、注浆参数表序号 参数名称 设定参数1 扩散半径 1m2 注浆终压 45MPa3 注浆速度 10100L/min- 13 -4 浆液配比（水:灰） 0.61:15 套壳料配比（水:灰:土） 1.6:1:16 袖阀管注浆分段长度 0.51.0m3.5.5 止浆工艺袖阀管施作完成后，下入水囊式止浆塞，向注浆管周边孔内投入套壳料，套颗料采用水泥和膨润土混合液，配合比为水泥:膨润土 :水=1:1:1.5。当套颗料填至离仰拱 1.6m 高的位置时，改为向孔壁内灌注水浆，水泥浆可适当添加速凝剂，将注浆管上部 1.6m 范围内孔口封堵，防止冒浆。浆液通过注浆管冲开阀套进入需注浆加固的地层中。当注浆指标达到技术
25、要求时，停止注浆后退一段，进行下一阶段注浆。同时，刚注过浆的阀套会收缩，紧紧抱住套管防止刚注过的浆液回流到钢性袖阀管中，在需要时，可在套管的适当位置重新下入注浆塞，进行重注。3.5.6 注浆顺序（1）注浆方式施工时采用后退式分段注浆，注浆分段步距 50100cm，注浆速度10100L/min，注浆压力 45MPa。每孔首次注浆完毕后立即用清水冲洗注浆管，确保再次注浆时管道畅通，当首次注浆由于串浆、漏浆，注浆量未达到注浆效果时要进行二次注浆，提高注浆压力使浆液在地层中均匀扩散。（2）注浆顺序为了达到注浆效果，应合理安排注浆顺序，由外向内进行注浆，使整个加固范围内浆液扩散更加均匀。（3）注浆控制注浆时采用注浆压力和注浆量双重控制。注浆过程中，若出现每步距注浆量能满足设计，而注浆压力太低，可采用间歇注浆和减小浆液胶凝时间，同时将浆量增至设计量的两倍，以保证注浆效果。（4）注浆参数注浆参数应根据地层进行试验确认，并在现场施工中不断完善调整。注浆过程中，若出现注浆压力能满足设计，而注浆量不能满足设计时，可在此步距上、下两段各增加 1 倍的注浆量，以保证此段注浆效果。注浆应结合注浆压力- 14 -变化情况，以现场动态调整优化注浆参数。
