徐卓寧

(沈陽(yáng)鐵路局，遼寧沈陽(yáng) 110013)

在遼寧、吉林、黑龍江、內(nèi)蒙古北部等嚴(yán)寒地區(qū)，鐵路運(yùn)營(yíng)隧道水害凍脹是造成圍巖結(jié)構(gòu)破壞的重要原因。水害凍害的不斷重復(fù)，迫使隧道襯砌混凝土產(chǎn)生開裂，導(dǎo)致支撐結(jié)構(gòu)體承載力降低。這在寒冷地區(qū)尤為突出，嚴(yán)重影響到鐵路隧道的運(yùn)營(yíng)安全。本文以沈丹線分水嶺隧道滲漏水治理為例，研究寒區(qū)鐵路隧道滲漏水綜合治理措施，重點(diǎn)探討新型快速堵水加固材料在寒區(qū)隧道滲漏水治理中的應(yīng)用及其施工工藝。

1 沈丹線分水嶺隧道概況

沈丹線分水嶺隧道1910年修建，隧道全長(zhǎng)1 830 m。該隧道曾在戰(zhàn)爭(zhēng)中遭到嚴(yán)重破壞，側(cè)壁、拱頂混凝土風(fēng)化嚴(yán)重，多處漏水。拱頂和邊墻混凝土厚度均為400 mm。采用混凝土仰拱，隧道中部設(shè)排水溝。隧道有900 m長(zhǎng)圍巖為微風(fēng)化灰?guī)r，930 m長(zhǎng)為強(qiáng)風(fēng)化砂巖。巖層裂隙水較發(fā)達(dá)，為隧道漏水的主要原因。由于隧道修建年限久遠(yuǎn)，大部分混凝土出現(xiàn)表面剝離，受水害和凍融破壞作用局部出現(xiàn)了空洞。

分水嶺隧道(下行)滲漏水病害如圖1所示。該隧道埋深較淺，襯砌表面混凝土老化開裂。由于東北地區(qū)冬季寒冷，隧道內(nèi)年氣溫溫差大，加之部分隧道圍巖含地下水，很容易遭受凍融破壞，使得隧道局部襯砌混凝土剝離露出圍巖，許多部位出現(xiàn)蝕洞，局部結(jié)冰，形成懸掛冰柱，有的厚達(dá)幾十厘米，侵入列車限界，對(duì)列車運(yùn)行安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

圖1 分水嶺隧道(下行)滲漏水病害

2 隧道滲漏水檢測(cè)

2.1 地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線布置

為較準(zhǔn)確掌握隧道滲漏水病害分布情況，采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行了檢測(cè)。本次檢測(cè)共分A，B，C，D 4個(gè)測(cè)段。每測(cè)段布置左拱肩、拱頂、右拱肩3條測(cè)線，如圖2所示。

圖2 測(cè)線布置示意

2.2 工程試驗(yàn)段滲漏水病害解析

經(jīng)過對(duì)4個(gè)測(cè)段的數(shù)據(jù)分析，此次隧道滲漏水工程治理主要對(duì)C段(550～590 m處)進(jìn)行整治。測(cè)線長(zhǎng)度為40 m，檢測(cè)結(jié)果如圖3所示，圖中僅標(biāo)出隧道病害明顯的一些異常部位。

圖3 測(cè)段C地質(zhì)雷達(dá)圖像及解釋

根據(jù)測(cè)段C的檢測(cè)結(jié)果并結(jié)合地質(zhì)資料可知，在隧道上部和左拱肩部位巖層面發(fā)育，空洞也較發(fā)育。分水嶺隧道圍巖為微風(fēng)化灰?guī)r和強(qiáng)風(fēng)化砂巖，存在含水構(gòu)造層，且裂隙發(fā)育，是滲漏水的主要渠道。

根據(jù)對(duì)分水嶺隧道(下行)病害探測(cè)結(jié)果，選定570～590 m病害集中的典型區(qū)段，采用注漿填堵空洞對(duì)病害巖層滲漏水進(jìn)行治理。病害治理段展開圖如圖4所示。

圖4 隧道病害治理段展開圖(單位:m)

3 隧道滲漏水治理措施及施工工藝

3.1 隧道滲漏水治理措施

對(duì)分水嶺隧道，以引排為主，結(jié)合堵、截措施，形成一套綜合完整的隧道滲漏水治理體系。隧道內(nèi)一般通風(fēng)較差，須合理選擇防水材料。使用的材料應(yīng)該是無(wú)毒、無(wú)味、無(wú)污染的，宜采用有機(jī)材料(普通水泥凈漿或砂漿)和無(wú)機(jī)材料(馬麗散等)相結(jié)合使用。水溶性聚氨酯遇水迅速膨脹和固化，堵水效果顯著。因其價(jià)格比較貴，流水被封堵后，襯砌結(jié)構(gòu)后部空洞仍使用普通水泥凈漿或砂漿進(jìn)行壓注以堵塞縫隙。施工縫表面采用SDUGC樹脂噴抹堵水材料。嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)施工工藝施工，應(yīng)做到襯砌表面平整，襯砌內(nèi)無(wú)明顯的水流，堵漏必須與引排相結(jié)合，嚴(yán)格控制水灰比和注漿壓力。只有將施工工藝與注漿材料完好結(jié)合，才能達(dá)到工程整治的預(yù)期效果。

3.2 混凝土襯砌老化段裂縫封堵補(bǔ)強(qiáng)措施

3.2.1 裂縫嚴(yán)重滲漏部位埋管排堵結(jié)合治理

對(duì)施工縫及裂縫滲漏較為嚴(yán)重部位采用埋管導(dǎo)水方式，在補(bǔ)水豐富區(qū)段沿拱周部位鉆引水孔，直徑50 mm，長(zhǎng)度2 m，孔上傾45°，如圖5所示?？變?nèi)設(shè)引水管，引水管采用PVC管，用土工布包緊并用鐵絲固定。

圖5 隧道排水槽立面

3.2.2 裂縫及施工縫部位的封補(bǔ)措施

經(jīng)調(diào)查分析，分水嶺隧道有大量滲漏水，主要原因是施工縫已破壞。首先采用“封”的措施，在盡量減少對(duì)原有結(jié)構(gòu)破壞的基礎(chǔ)上，對(duì)襯砌施工縫進(jìn)行注漿封堵。采用馬麗散化學(xué)漿騎縫注漿的方式，減少襯砌結(jié)構(gòu)面的破壞，從而大大提高襯砌水平向抗變形能力。治理施工工藝如圖6所示。按已有的施工縫劃定剔槽線，切割襯砌施工縫混凝土，形成內(nèi)小外大的梯形治理槽，寬度25 mm，深度40 mm。

3.2.3 隧道頂面襯砌結(jié)構(gòu)小型空洞的封堵補(bǔ)強(qiáng)措施

對(duì)于隧道混凝土襯砌因凍融侵害形成連續(xù)小型空洞的區(qū)段，采用空洞內(nèi)注漿處理方法。為防止治理過程中發(fā)生冒頂脫落，需要適當(dāng)劃分區(qū)域面積，分段處理。將段內(nèi)的小型空洞通過剔槽連接，剔槽采用倒八字形槽。在各個(gè)空洞處預(yù)留注漿孔，以便后期對(duì)空洞內(nèi)注漿加固，如圖7所示。

圖6 對(duì)施工縫或環(huán)形縫的修復(fù)加固示意

圖7 小型空洞群加固補(bǔ)強(qiáng)治理

3.2.4 襯砌后巖體大面積空洞的加固補(bǔ)強(qiáng)措施

由于襯砌混凝土因病害已喪失大部分強(qiáng)度，對(duì)襯砌后進(jìn)行注漿前需要對(duì)空洞及剝離部分加固處理，否則易造成結(jié)構(gòu)破壞，甚至引起垮塌。加固處理方法:①處理襯砌面層;②采用錨桿支護(hù)，錨桿采用帶托盤形式固定;③對(duì)空洞周邊區(qū)域采用錨網(wǎng)支護(hù);④采用中空注漿錨桿進(jìn)行注漿施工;⑤對(duì)處理后新舊結(jié)合部位的邊縫處作補(bǔ)充處理。治理措施如圖8所示。

圖8 面積較大空洞及壁后注漿加固治理

對(duì)襯砌壁后圍巖大裂隙或空洞治理時(shí)，通過化學(xué)漿液的擴(kuò)散、滲透和膨脹作用形成一個(gè)隔水帷幕，使襯砌與圍巖結(jié)構(gòu)密實(shí)結(jié)合，有效控制原空洞處的襯砌結(jié)構(gòu)變形，從而大大提高結(jié)構(gòu)的承載力、抗變形能力和整體穩(wěn)定性。

空洞較大時(shí)，為節(jié)約整治成本，先用普通水泥進(jìn)行預(yù)處理，然后在拱頂部安裝長(zhǎng)度0.5～1.0 m的φ42注漿鋼管，接管壓注馬麗散化學(xué)漿液。

4 分水嶺隧道滲漏水堵防加固

4.1 馬麗散化學(xué)注漿堵水加固材料性能

馬麗散高分子聚合物堵水劑由樹脂和催化劑混合而成，遇水膨脹，本身發(fā)生聚合反應(yīng)或發(fā)泡生成多元網(wǎng)狀密彈性體。當(dāng)這種聚合物被高壓推擠注入到巖體或混凝土的裂縫中時(shí)，可沿巖體或混凝土裂縫滲入，直到將所有裂縫充填，從而達(dá)到止漏的目的。該材料具很強(qiáng)的粘合能力，并能夠與地層很好結(jié)合，而且具有相當(dāng)好的柔韌性，能夠有效封堵水流和加固處理區(qū)域。馬麗散高分子聚合物堵水劑主要技術(shù)參數(shù)與其他防水材料對(duì)比見表1。

表1 馬麗散與其他防水材料參數(shù)對(duì)比

馬麗散進(jìn)入有水的裂隙后，發(fā)生膨脹，快速充填孔隙，達(dá)到堵水效果。其膨脹倍數(shù)為2～25倍;材料反應(yīng)時(shí)間可以根據(jù)不同的條件調(diào)節(jié);具有極強(qiáng)的粘結(jié)能力，即使被充填的裂縫水流處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，也會(huì)牢固固結(jié)所填充部分，不影響其性能;可以持久耐酸、堿腐蝕和抵抗微生物的破壞，達(dá)到長(zhǎng)時(shí)間堵水目的。

4.2 馬麗散注漿堵水施工技術(shù)

施工時(shí)使用靜態(tài)攪拌器、均勻混合器以及由單向閥、球閥等組成的雙液注射混合槍。這種施工方法具有安全性高、方便快捷和精準(zhǔn)度高的特點(diǎn)。其中雙液注射混合槍能夠?qū)㈦p組分漿液在孔口自動(dòng)配比混合，由此可達(dá)到將漿液混合和均勻攪拌的雙重目的。馬麗散注漿材料反應(yīng)速度快、膨脹倍數(shù)高，可快速施工。具體施工工藝要求:應(yīng)開深槽(深度不小于50 mm)，以保證灰漿足量且不易溢出，并保持足夠的注漿壓力，同時(shí)避免產(chǎn)生裂縫;鉆孔不易穿透裂縫發(fā)育通道，多采用騎縫鉆孔以保證漿液的有效擴(kuò)散。封孔時(shí)要提供足夠的注漿壓力，應(yīng)密實(shí)、牢固，且封孔長(zhǎng)度在3～5 cm。施工過程中應(yīng)保證穩(wěn)定、少流量、高壓力、均勻灌注，直至注漿區(qū)域出現(xiàn)較多返漿且漿孔已凝固時(shí)，才能停止注漿。分水嶺隧道的二次襯砌承壓力不強(qiáng)，注漿壓力定為0.1～0.3 MPa。

4.3 采用SDUGC修復(fù)襯砌表面

新型樹脂基注漿材料——SDUGC，是由聚氨酯預(yù)聚體與添加劑(增塑劑、緩凝劑、表面活性劑等)組成的化學(xué)漿液(NCO預(yù)聚體)。該材料具有極強(qiáng)的粘結(jié)力，并能夠與地層形成較為緊密的結(jié)合，而且具有很強(qiáng)的柔韌性，能有效地封堵水流和加固處理區(qū)域。用注漿設(shè)備如灌漿泵將此種材料注入混凝土襯砌縫隙或疏松多孔性材料中時(shí)，NCO預(yù)聚體與縫隙或材料中的水分子接觸后發(fā)生聚合反應(yīng)，最終在襯砌的縫隙中或孔隙間形成結(jié)合體。聚氨酯化學(xué)灌漿材料主要有兩大系列:水溶性(親水型)和油溶性(疏水型)。SDUGC屬油溶性聚氨酯，其結(jié)合體有很高的強(qiáng)度、極強(qiáng)的抗?jié)B性以及較小的彈性。這些特點(diǎn)決定了其適合用于靜水環(huán)境下混凝土縫隙的防滲堵漏。而水溶性聚氨酯灌漿材料親水性好、包水量大、彈性大，適合用于動(dòng)水環(huán)境下縫隙的灌漿堵漏。有時(shí)也根據(jù)實(shí)際情況將二者按比例混合使用。

4.4 隧道堵漏治理情況

分水嶺隧道堵排注漿施工整治效果如圖9所示。通過對(duì)分水嶺隧道(下行)治理效果抽樣檢查，主要是是鑿開環(huán)向縫騎縫位置和縱向縫混凝土進(jìn)行鉆孔取芯觀察，發(fā)現(xiàn)壁后空洞注入馬麗散化學(xué)注漿材料以及施工縫表面噴抹SDUGC樹脂防水材料都能很好地填充到裂縫中，說明該材料止水效果明顯。

圖9 分水嶺隧道滲漏水注漿堵水效果

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)沈丹線分水嶺隧道(下行)滲漏水病害予以調(diào)查，利用高精度地質(zhì)雷達(dá)對(duì)病害進(jìn)行了探測(cè)。依據(jù)隧道滲漏水的不同成因，提出了堵、排、截、引相結(jié)合的綜合治理措施。

經(jīng)過嚴(yán)格的注漿材料比選，選定適合東北嚴(yán)寒地區(qū)隧道滲漏水動(dòng)水條件下快速封堵的化學(xué)漿材馬麗散和樹脂基SDUGC表面噴抹材料，取得了良好的整治效果，使隧道滲漏水從根本上得到了治理，冬季再?zèng)]出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象。

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