高铁隧道衬砌空洞是高铁运营安全的重大隐患，为确保高铁正常运营，利用高铁夜间维修间隙进行整治，列车在运营时段限速通过施工地段。一般采用拱顶起拱线150°范围换拱或施加全环钢筋混凝土套拱、全断面安装金属波纹板施工。但对于局部小范围空洞缺陷，存在施工周期对列车运营长时间的影响、施工步骤繁琐安全压力大、隧道二衬上既有铁路设备过渡工程多、补强措施侵限等诸多问题，本文研究隧道拱顶局部空洞病害处理，通过缩短施工周期、减少对既有设备影响、简化施工步骤等方式，采用吊模重筑的方式进行空洞处理，在成本、运营、安全及工期方面进行有效整治。

1、工程概况

某高铁隧道位于湖南娄底境内，全长195m，采用斜切式洞门设计，纵坡为3.0‰单面上坡。隧道穿越的主要地质构造为单斜构造，岩层产状为15°∠41°。在DK32+020～DK32+065段，隧道穿越Ⅳb围岩区，采用I18型钢钢架支护，间距1m，二衬采用C35纤维混凝土，设计二衬混凝土厚度40cm，采用短台阶法施工。表层为第四系残坡积粉质黏土，局部含角砾土；下伏石炭系下统大唐阶C1d灰岩，岩溶较发育，岩石较破碎。经检测发现，在距离隧道进口100m至102m处拱顶二衬混凝土存在一处空洞，空洞位于掘进方向尾端板缝位置。在凿除二衬薄层混凝土至10cm厚度后，其空洞开口环向0.86m，纵向0.48m，径向0.4m，整个空响区域环向1.88m，纵向1.2m。如图1所示。

图1拱顶空洞示意图 

2、方案比选

2.1隧道衬砌空洞原因分析

该高铁隧道衬砌发生空洞主要有以下三方面原因：一是该隧道位于湖南娄底喀斯特地貌，地质条件复杂，岩溶发育，岩石破碎[1]，在施工中未处理好二衬背后空腔内填充物，受泵送混凝土时震动影响，空腔内填充物下落挤压防水板，造成二衬混凝土空洞。二是施工中二衬台车拱顶送料孔泵送混凝土时工艺不到位，没有预留出气孔，无法判断拱顶混凝土灌注是否到位。三是因空洞位于掘进方向尾端板缝位置，泵送混凝土浮浆及未有效清理杂物挤压至尾端堆积造成空洞[2]。

针对本次空洞病害，拟采用隧道拱顶起拱线150°范围换拱、全环钢筋混凝土套拱、全断面安装金属波纹板及局部吊模施工四套方案，经研究其主要利弊，进行方案比选。

2.2隧道拱顶起拱线150°范围换拱施工

主要施工步骤为：凿除隧道拱顶起拱线150°范围二衬混凝土，清理围岩表面，在围岩上插打锚杆，安装模板，浇筑混凝土。

该方法需大面积凿除拱顶二衬混凝土，施工周期长，线路长时间慢行，对线路运营有较大影响。凿除混凝土体积过大，易造成对既有线道床污染。隧道二衬上回流线肩架、接触网吊柱悬臂、通信信号电缆均需迁改过渡。插打模板拉杆较多，面积较大，不利于隧道整体防水。凿除混凝土期间二衬背后围岩大面积长时间裸露，施工期间易发生掉块风险，危及既有线运营安全。

2.3全环钢筋混凝土套拱

主要施工步骤为：对既有二衬全环凿毛处理，在既有二衬上采用梅花形布置插打模板锚杆，在既有二衬上植入套拱连接钢筋，全环模板安装，分多次灌注混凝土。

该方法需在既有二衬上植入模板连接钢筋及全环插打模板连接锚杆，破坏既有二衬背后防水板，无法进行有效防水。既有二衬上既有线供电、通信信号等设备均需迁改过渡。施工内容及步骤繁琐对既有线长期慢行，对线路运营有较大影响。在施工期间大体积混凝土运输、混凝土泵送设备等有较高要求。在原二衬基础上施加一环二衬混凝土，其厚度不小于25cm，存在线路侵限，施工后无法满足超级超限车辆通过。

2.4全断面安装金属波纹板

主要施工步骤为：将全断面二衬分为多块拼装，需专业厂家定制。以本次内断面92m2隧道为例，需厂家定制生产每环5块波纹板，单块宽度1.0m，长度5.0m,重量500kg。先安装两侧拱墙单元，再搭设全断面脚手架采用人工提升进行逐块安装成环。各单元间采用螺栓连接，各单元采用化学锚栓及锁脚锚杆固定在二衬及围岩上。施工完成后利用各单元预留注浆孔对金属波纹板后注浆，两侧拱脚施作50cm宽钢筋混凝土基础。

该方法因高铁夜间施工时间短，隧道内场地受限，各单元板运输、吊装、安装等均为既有线天窗点内人工施作，还需搭设全断面脚手架，施工周期长，既有线需慢行运行。金属波纹板安装施工期间既有线设备过渡迁改多，投入人力资源大，施工效能低。金属波纹板在高盐高碱地区易锈蚀，其表层涂层易脱落，后期维修、保养、更换频繁，管养费用较高。

2.5吊模重筑施工

主要施工步骤为：清理空洞内杂物，凿除空洞薄层混凝土至20cm以上厚度，修整表层混凝土为燕尾型，在空洞内加入结构钢筋，插打吊模锚杆，防水处理，测试锚杆拉力，安装吊模模板，埋设注浆管及出气孔，泵送混凝土，拆模，打磨涂刷水泥基。

该方法只在空洞病害范围内进行施工，对既有线路设备影响较小，施工平台脚手架搭设及所使用的材料、工机具材料均为小型设备，对进入线路运输、施工场地要求较小。采用吊模开口面小，施工周期短，对既有线运营影响较小，有效确保施工期间施工安全。经检测，完成施工后隧道处理部位整体结构完整，后背无脱空现象。投入成本低，施工周期短，有较好的经济效益。故本次研究吊模重新构筑工法工艺。

3、隧道衬砌空洞整治技术措施

3.1整体施工工序

该处运营高铁隧道衬砌空洞注浆施工工序为：施工平台脚手架搭设→凿除空洞区域不满足要求砼→锚杆施工及植入锚固钢筋→模板安装→注浆→模板拆除→敲击检查[3]。

3.2施工平台脚手架搭设

3.2.1脚手架选择

由于本次施工为运营线施工，存在施工作业时间短，安全压力大，施工困难等问题。为了提高作业效率，保证施工安全，作业平台必须满足拆装方便且稳定的要求，根据现场实际情况决定采用门式脚手架方案。架体形式如图2所示。

图2门式脚手架示意图  

3.2.2脚手架搭设流程

搭设准备（材料到位、基础准备）→底部铺土工布→门式脚手架拼装→绑扎斜撑等加固措施→安全护栏（顶层不进材料侧）。

3.2.3脚手架基础准备

脚手架搭设时，隧道为有碴道床，为了门架与地面垂直，提前准备厚度不同的木板用于调平。施工区段全幅铺设土工布，土工布向上下行多铺3m，以确保不污染轨道道床。

3.2.4脚手架搭设

脚手架根据当次施工内容进行搭设，顶面施工作业层采用竹排满铺，铺设平整、牢固、不悬空，双股铁丝连接。搭设完成后增加钢管斜撑，在脚手架四角拉设安全绳，斜拉固定在两侧轨道上，确保平台稳定，作业平台四周要设置栏杆防止人员坠落。

脚手架规格为：1.58m×1.2m（高×宽），搭设单元为：1.58m×1.2m×1.75m。架体搭设位置及大小根据空洞部位的范围进行搭设，处理一处搭设一处，具体架体搭设图示如图3所示。

3.3凿除空洞区域不满足要求砼

利用切割机、电镐等工具对衬砌混凝土空洞部位进行凿除，凿除空洞混凝土范围根据现场情况确定，凿除至达到要求深度为止，空洞衬砌边缘最薄处不得小于20cm，以保证设计衬砌厚度要求和衬砌结构强度。

图3脚手架搭设断面图 

凿除混凝土过程中为防止混凝土大块脱落，造成人员伤亡。对凿除混凝土周边及顶部松散层进行清理，边缘应修整平齐，圆顺，不得留有尖角。凿除砼时，缺口应内宽外窄，形成倒梯形；切口表面应粗糙，但结构应致密，不得留有松散、气泡、裂隙等结构，然后采用钢丝刷清理后用水冲洗，并在施工期间保持壁面洁净。凿毛标准为凹凸差不小于6mm的粗糙面；严格按设计要求做好隧道的防排水系统，对损坏的防水板进行重新修复，确保防水板与初期支护密贴。对既有钢筋进行除锈处理。

3.4锚杆施工及植入锚固钢筋

锚杆采用HRB400Φ16钢筋，锚入围岩长度400cm，孔径18mm，间距40cm*40cm梅花形布置，植筋胶采用A级锚固剂锚固，此植筋胶为一种改性环氧树脂。垂直方向锚杆底部15cm进行车丝，以便用于悬挂模板。根据植筋胶的凝固时间，采用木楔对锚固钢筋与孔壁周围空隙进行填塞加固，保证凝胶时间段内锚固钢筋的牢固性。为满足悬灌浆的模板要求，按照锚栓锚固的10%且不小于3根的数量进行拉拔试验，锚栓拉拔力不小于40k N。每根锚栓在靠近防水板与二衬内侧外包一道遇水膨胀橡胶止水条。

为满足注浆后受力强度符合要求，嵌补浆料部位保护层内铺设钢筋网片：纵向钢筋采用HRB400Φ16，间距20cm；环向钢筋采用HRB400Φ16，间距20cm，水平钢筋植入原有混凝土35cm、50cm深交错布置。

新旧砼结合部，刷涂砼界面剂，以增强新旧砼粘结力。施工缝处采用水基泥渗透结晶型防水涂料+止水条（宽*厚=2cm*1cm）防水。如图4所示。

3.5模板安装

吊模采用定型塑料模板，结构稳固、质量轻盈。模板安装采用吊挂方式，四周采用膨胀螺栓固定，中部采用锚杆悬吊。植筋和悬挂钢筋与模板之间用螺栓和双层螺帽紧固，确保模板安装稳固，模板与衬砌混凝土面必须紧贴密实，模板四周与衬砌混凝土面搭接长度不得小于20cm。

模板间采用螺栓连接，模板与模板间隙、吊杆与模板间隙以及模板与原衬砌表面间隙用泡沫双面胶粘贴牢固，接缝严密，避免漏浆。安装模板时，预留注浆管及排气管，尾部安装止浆球阀，并用胶带对管口封堵，施工前仔细检查，合格后再进行浆液灌注。灌注完成后，天窗点结束前进行检查确认。

图4空洞处理措施示意图

3.6注浆

3.6.1注浆一般要求

注浆液采用预应力用孔道压浆料，其7天强度可达35MPa,28天强度达到50MPa。施工以前采用超设计二级标号进行标准砂浆养护试件试验，砂浆试压合格后，取得施工配合比，施工时砂浆按照施工配合比进行现场拌制。注浆时，注浆压力钢筋混凝土衬砌段控制在0.8MPa以内。注浆时将注浆芯管安装在注浆管上，注浆速度一般为30～60L/min。埋设的注浆管应注意避免破坏防水板，灌浆管端头设置防堵设施，注浆结束后应将灌浆管孔封堵密实。

3.6.2注浆方法

采用一次注浆的方式进行，在注浆范围底部设置一根进浆管，并在顶部设置排气孔（出浆孔）。

3.6.3注浆注意事项

(1)注浆时孔口设置孔口管，注浆过程中，相邻注浆孔应设置孔口塞，以免跑浆。(2)施工前应先进行注浆试验，并根据试验结果调整注浆参数。(3)注浆时隧道纵向应由下坡方向向上坡方向进行，横向应先注浆边墙孔，两侧孔，再注拱顶孔。(4)应对钻孔进行编号，钻孔以及注浆过程中应对钻孔，注浆压力，注浆量等进行详细记录，根据钻孔情况确定注浆管长度。(5)注浆过程中严密观察衬砌状况，若发现衬砌有异样，变形，开裂或既有裂隙有加速发展的趋势时，则应立即停止注浆，以确保衬砌安全。(6)施工过程中应做到随钻随注，以免跑浆。(7)注浆完成后，应及时采用封堵措施，防止浆块掉落，影响行车安全。

3.7模板拆除及修补处表面处理

修补浆体达到设计强度后，拆除模板。利用手持电砂轮切割外漏膨胀螺栓和注浆嘴，衬砌表面打磨平整。表面涂刷水基泥渗透结晶材料二遍。

3.8质量检查及表面处理

质量检查，目视、敲击修补处密实度，回弹仪回弹强度；满足要求后进行第三方雷达监测，保证施工质量。

4、技术保证措施

4.1质量保证措施

从组织措施、管理措施和控制措施等方面严格入手来保证工程质量。在单位工程的分部、分项、施工工序技术上严格把关，以达到工程质量目标的实现[4]。(1)高标准进行原材料选用，严格工艺流程，确保施工质量。(2)植筋过程中的数量、布置、间距、孔深及清孔效果严格控制，确保植筋的有效性。(3)错台进行打磨时，应使之与上部混凝土面平顺，不得留有尖角，结构应致密，不得留有松散结构。(4)注入浆料过程中，应加强现场管理，确保分层缝隙密实，保证施工质量。

图5施工区域线路慢行减速标识布置图  

4.2安全保证措施

(1)因施工作业可能影响接触网吊柱、接触网、绝缘子等供电设备，应提前与供电段协调好相关事宜，由供电段安排停电配合，按照停送电配合的有关规定进行施工。严格按照铁路部门批准的施工计划进行施工，不得随意超出封锁范围进行施工，不得随意改变施工内容。(2)所有隧道拱顶空洞整治施工需供电配合，且须在天窗内接触网停电之后进行。施工负责人应于施工前3天与高铁供电车间进行交底。交底时需明确施工地段、内容、受影响的供电设备以及相应的安全控制措施。严禁擅自增加施工作业项目或未纳入施工安全监督计划的施工。(3)接触网停电配合施工，由供电段负责停电要令和消令及现场监督拆挂地线工作，并对作业现场进行安全防护。(4)在停电要令和消令整个过程中，安排1名专职联络员与供电段负责现场配合的工作领导人联系。(5)停电作业时，专职联系人员必须在接触网停电命令下达，现场作业人员接挂地线后，方可通知施工队伍开始施工。接触网送电之后严禁擅自再次进行作业。(6)必须在供电段提供的“要求完成时间”前20分钟结束所有作业，将人员、机具、材料撤至安全地带后方可通知供电段作业结束请求消令。(7)加强施工地段的安全管理，供电段安全监督员未到达现场前，禁止进行施工作业。施工过程中不得侵入接触网2m安全线范围内。(8)吊柱、接触网、绝缘子等供电设备用毛巾被或棉絮包裹，防止钻孔产生的粉尘、碎屑等杂物污染甚至损坏供电设备。作业完毕后，须将棉絮等异物清理干净并带至线路外；隧道整治完毕，对作业点前后200m范围内上下行所有绝缘子进行清扫。供电段配合人员需对粘在吊柱、接触网、绝缘子等杂物、绝缘子清扫情况最后确认，防止供电线路跳闸，影响线路开通运营。(9)移动支架尽量远离接触网、承力索等设备，以防摩擦损坏。当支架超过接触网高度时，在支架周围布设密目安全防护网，以防支架上的机具设备、杂物坠落到接触网或其他设备上造成损坏。作业完毕后，拆除支架应谨慎小心，听从设备管理单位安全监督员的指挥，避免刮碰接触网等设备。(10)施工作业中用到的彩条布、毛巾被、绳等能弹起或吹动的物资必须采取压牢、锁死的安全措施，不得对接触网等供电设备造成影响。11衬砌模板采用吊筋、模板与临时钢架螺栓连接固定。模板与埋入既有二衬内的螺杆以及临时拱架支撑系统连接，为确保模板连接稳固，模板安装前进行螺栓锚固工艺性试验以检验锚固力，确保模板稳固可靠。钢拱架、模板及模板固定螺杆与接触网线保持大于50cm的安全距离，由供电段派专人测量确认。12天窗点内施工期间在接触网附近搭设的脚手架与接触网大于150mm间距，防止磨伤接触网线材。跨越接触网的所有金属构造物（包括钢筋、临时钢架及模板）保持大于50cm间距，并进行接地处理，确保与贯通地线的连接。13冲洗、注浆等作业前对电缆、漏缆进行包裹防护，防止冲洗及漏浆污染电缆。电缆、漏缆钢板防护在施工区段两端各延长2m，施工全部结束前对前后100m的绝缘部件进行清洗。14每天施工天窗结束前，至少预留40分钟的时间，派专人确认临时钢架、模板、注浆管等安装牢固、注浆管及排气管球阀关闭严密，并及时清理隧道上方松散杂物，清洗接触网。15高空作业时，作业人员必须系好安全带，戴好安全帽。高空传递工具或材料时，地面人员用绳索绑好工具或材料，绳索穿过滑轮，滑轮固定在上部作业人员设施的安全部位，下部作业人员拉动绳索至上部作业人员接到工具或材料为止。从事高空作业的人员，衣着轻便，严禁赤脚、穿硬底鞋、拖鞋及易滑的鞋等。从事高空作业的各种小型工具应随手放入工具袋内，上下传递工具材料时，严禁上下抛掷。

4.3高铁既有线施工慢行设置

利用高铁夜间维修窗点线路封锁施工，根据《高速铁路工务安全规则-2014》的要求：在施工期间，线路限速距施工区域前后各1400m，并在相应里程设置减速信号牌。施工作业期间，线路慢行限速80km/h；施工作业结束并验收合格后，线路恢复常速。如图5所示。

5、结束语

本次通过研究吊模重新构筑处理运营高速铁路拱顶空洞的方法，达到了缩短既有线病害整治施工周期、最小化对既有高铁运营影响、优化施工方案、减少病害缺陷整治成本及后期管养投入的目的，该方法已在不同区域完成多例施工，经后期检测及反馈，无再出现缺陷病害情况，取得了显著效果，提高了高铁隧道的运营安全可靠性，也为高铁隧道衬砌空洞整治提供了新的思路和方法，有一定的经验效益，为类似工程的整治提供了有效借鉴。

参考文献:

[1]李健.椒金山隧道衬砌背后空洞成因分析及防治措施研究[J].交通世界,2021(31):4-5,8.

[2]刘文俊.硬岩隧道二衬拱顶脱空原因分析及整治措施研究[J].铁道建筑技术,2021(09):134-139.

[3]刘鹏.高铁隧道工程中的二次衬砌空洞整治施工技术[J].交通世界,2021(14):19-20.

[4]张伟,骆维斌.基于标准施工工艺的隧道二衬背部空洞预防与处置技术[J].中国标准化,2022(12):160-162.

文章来源:丁雪平.某运营高铁隧道衬砌空洞整治技术研究[J].价值工程,2024,43(17):33-36.