隧道衬砌拱顶带模注浆新材料的相容性和结合性试验研究.pdf

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隧道衬砌拱顶带模注浆新材料的相容性和结合性试验研究1 隧道衬砌拱顶带模注浆新材料的相容性和结合性试验研究2 隧道衬砌拱顶带模注浆新材料的相容性和结合性试验研究3 隧道衬砌拱顶带模注浆新材料的相容性和结合性试验研究4 隧道衬砌拱顶带模注浆新材料的相容性和结合性试验研究5
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文章编号:10094539(2017)02001804·科技研究·收稿日期:20161202基金项目:国家自然科学基金项目(51478278)作者简介:吕彪(1978-),男,工程师,主要从事混凝土及建筑材料方面试验检测工作。隧道衬砌拱顶带模注浆新材料的相容性和结合性试验研究吕彪(中铁十一局集团第一工程有限公司中心试验室湖北襄阳441104)摘要:针对隧道拱顶脱空问题,采用传统的水泥浆作为回填注浆材料,带来与衬砌混凝土之间因收缩变形、相容性和结合性不足,导致隧道拱顶仍出现脱空、开裂等质量缺陷,项目实验室研发出一种隧道拱顶微膨胀砂浆回填注浆材料,在此基础上系统研究了回填注浆材料与衬砌混凝土之间的相容性和结合性能。结果表明:所研制的高流动性微膨胀充填砂浆与衬砌混凝土在施工性方面完全兼容;微膨胀砂浆和衬砌混凝土之间的结合体的抗压、抗折强度均高于混凝土的强度;微膨胀砂浆的抗裂性能优于混凝土,在衬砌厚度不足时,微膨胀砂浆与混凝土结合体能够替代衬砌混凝土,达到整体的结构性能且满足设计要求。关键词:隧道拱顶带模注浆微膨胀充填材料相容性结合性衬砌混凝土中图分类号:U455文献标识码:ADOI:10.3969/j.issn.1009-4539.2017.02.005ExperimentStudyonCompatibilityandBindingForcePerformanceofNewFillingMaterialsinTunnelVaultwithGroutingLvBiao(CentralLaboratoryofChinaRailway11thBureauGroup1stEngineeringCo.Ltd.,XiangyangHubei441104,China)Abstract:Fortheescapesspatialproblemsoftunnelvault,theuseoftraditionalslurryasbackfillgroutingmaterialstillcau-sesescapesspatial,crackingandotherdefectsduetoinsufficiencyinthecompatibility,theshrinkagedeformationandthebindingforceperformancebetweenliningconcreteandfillingmaterials.Akindofmicro-expansionmortarfillingmaterialwasfirstdevelopedinlaboratory,andthenthecompatibilityandbindingforceperformancebetweenthebackfillgroutingmaterialsandliningconcreteweresystematicallystudied.Theresultsshowedthatthedevelopedmicro-expansionfillingmortarwithhighliquidityandliningconcretewerefullycompatibleinconstruction,thecompressiveandflexuralstrengthofcombinationbetweenmicro-expansionmortarandliningconcretewerehigherthanthestrengthofconcreteandthecrackresistingperformanceofmicro-expansionmortarwasbetterthanthatofconcrete.Whenlackingofliningthickness,thecombinationbetweenthemicro-expansionmortarandfillingconcretecouldreplacetheoriginalconcreteandmeettheoverallstructureperformanceandthedesignrequirements.Keywords:tunnelvaultwithgrouting;micro-expansionfillingmaterial;compatibility;bindingforceperformance;liningconcrete1引言隧道拱部衬砌混凝土在灌注过程中,由于泵送压力不足或因拔管过早等原因易造成拱顶衬砌混凝土出现厚度不足、脱空、开裂等质量缺陷[1-6]。为提高铁路隧道衬砌质量,防止运营过程中出现隧道拱顶混凝土掉块现象,中铁十一局京沈京冀客专指挥部成功研发出隧道拱顶带模注浆施工技术,即通过对衬砌台车进行改造,在衬砌台车模板中心线位置沿台车纵向方向设置一定数量的注浆孔,并安装注浆用固定法兰,预埋活性粉末混凝土(RPC)注浆81铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2017(02)万方数据·科技研究·管。混凝土浇筑结束后及时从预埋注浆管处进行注浆,该施工技术不仅简化了传统注浆工艺,而且显著提高了注浆的质量。然而带模注浆工艺中,要求回填注浆材料与衬砌混凝土之间有良好的相容性、有效的修复性(衬砌厚度不足的部位)和良好的黏结性[7-9],此外,由于浇灌工艺以及浇灌时间过长等原因,还要求回填注浆材料对混凝土有一定的渗透力[10-12]。为此,本文系统开展了微膨胀充填砂浆材料与混凝土之间的相容性试验和结合性能试验研究,并与传统的水泥浆回填注浆材料进行了结合性能对比。2原材料和试验方法拱顶带模注浆充填材料主要组成:基材为P·O42.5普通硅酸盐水泥、石英砂、掺和料、聚羧酸减水剂以及辅助材料等。这里辅助材料主要组分有微膨胀剂、流变控制剂、聚合物、稳定剂等,其作用是提高充填材料的抗裂性能、防水性能、粘结性能及流变性能。要求隧道充填材料的所有原料与衬砌混凝土同类型,本试验研究的高流动性微膨胀充填砂浆(见图1a)(简称微膨胀砂浆)与普通灌浆材料(见图1b)以及水泥浆(见图1c),其硬化后的对比如图1所示。图1硬化后的灌浆材料对比图充填材料-混凝土相容性试验可探明充填材料是否能有效解决注浆材料与隧道二衬拱顶脱空问题,是否能渗入到混凝土内部以及是否有效处理混凝土施工冷缝,为此结合工程实践将新拌混凝土与新拌充填材料按体积比为∶10.2,∶10.1进行混合,测试工作性能及抗压(试件尺寸是150mm×150mm×150mm)和抗折强度(试件尺寸是150mm×150mm×550mm)。其中混凝土为李家店隧道进口衬砌混凝土,其设计强度等级为C30。充填材料-混凝土结合性能试验方法:结合工程实际进行设计结合体试验,即先在试模中先浇灌一半的混凝土,分别间隔0h、2h、4h、8h、24h后,使用充填材料浇灌剩下的一半。充填材料分别使用微膨胀砂浆和∶10.8的水泥浆,分别成型混凝土试件(李家店隧道进口拱顶混凝土)、微膨胀砂浆试件、水泥浆试件(∶10.8)以及结合体试件,测试其7d和28d的抗压和抗折强度。以上试验均依照普通混凝土拌和物性能试验方法(GB/T50080-2002)、普通混凝土力学性能试验方法(GB/T50081-2002)、预应力孔道灌浆剂(GB/T25182-2010)和水泥胶砂强度检验方法(GB/T17671-1999)进行试验测试。3试验结果和分析3.1砂浆-混凝土相容性试验充填材料与衬砌混凝土之间应有良好的相容性,这样充填后才能有效解决拱顶脱空问题,相容性的好坏主要表现为充填料能否渗入衬砌混凝土内部,充填后是否影响衬砌混凝土的工作性能及其硬化后的强度性能。将研制的微膨胀充填砂浆与李家店隧道进口拱顶所用的C30混凝土按照其体积比为∶01、∶0.11和∶0.21进行拌和试验,测试其坍落度、扩展度并观测保水性和充填料的渗透力,试验结果如图2和图3所示。从图2中可以看出,充填砂浆与新拌混凝土之间在施工性方面完全兼容即相容性很好,随着充填材料掺量的增大,衬砌混凝土的流动性显著增加,与未掺充填砂浆相比,其坍落度分别增加30.77%和41.04%,扩展度分别增加69.57%和79.71%,纵然微膨胀砂浆的水胶比小于混凝土,但减水率大且无粗骨料,因此混合后,提高了混合料的流动性能,具有良好的保水性能,无泌水现象。图2充填材料与衬砌混凝土拌和后的工作性为检验充填砂浆对衬砌混凝土硬化后的强度是否有影响,试验增大充填砂浆与混凝土体积比例,按91铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2017(02)万方数据·科技研究·其∶0.51进行拌和,检测其7d的抗压和抗折强度,结果如图4所示,抗压和抗折强度比分别增大158%和114%,说明充填砂浆掺入后显著提高了衬砌混凝土的强度,主要原因可能是微膨胀性充填砂浆改善了混凝土的孔结构并有效地补偿了其收缩裂缝。图3充填料与混凝土拌和后坍落度和扩展度图4充填料与混凝土硬化后强度3.2砂浆-混凝土结合性能强度试验分别成型混凝土试件(李家店隧道进口拱顶混凝土)、微膨胀砂浆试件、水泥浆试件(∶10.8)以及结合体试件,其中微膨胀砂浆、混凝土、水泥浆以及结合体抗压成型试件见图5、图6,抗折成型试件见图7、图8。图5微膨胀砂浆与混凝土结合体抗压试件图6水泥浆与混凝土结合体抗压试件图7微膨胀砂浆与混凝土结合体抗折试件图8水泥浆与混凝土结合体抗折试件3.2.1微膨胀砂浆与混凝土结合体试件的抗压和抗折强度实验混合体抗压抗折试验见图10和图11。混凝土-微膨胀砂浆结合体试件的抗压破坏形貌如图9所示,从图中可以看出微膨胀砂浆和混凝土之间的界面结合处光滑平整,黏合牢固。试验测试的混凝土、微膨胀砂浆以及二者之间的结合体强度如图12a所示,从图中可以看出微膨胀砂浆和结合体的抗压强度均高于混凝土的抗压强度,以相应龄期混凝土抗压强度为基准,结合体在0h、2h、4h、8h和24h浇灌后,在养护7d龄期时其强度比分别增大117%、117%、117%、114%、121%和146%,在养护28d时强度比分别增大111%、111%、115%、112%和111%,说明当衬砌厚度不足时,微膨胀砂浆与混凝土结合体的抗压强度可以满足要求;结合体在进图9微膨胀砂浆与混凝土混合体抗压试验破坏行抗压试验时,8h和24h的结合体试件破坏是在微膨胀砂浆和混凝土界面处分离开,而0h、2h及4h的结合体试件均是整体破坏,说明微膨胀砂浆最好在衬砌混凝土浇筑后0~4h内灌注完毕。图10微膨胀砂浆与混凝土结合体抗折试验图11微膨胀砂浆与混凝土结合体抗折断裂面图12混凝土、微膨胀砂浆及其结合体强度混凝土、微膨胀砂浆及其二者结合体的抗折强度如图12b所示,从图中可以看出微膨胀砂浆和结02铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2017(02)万方数据·科技研究·合体的抗折强度均高于混凝土的抗折强度,微膨胀砂浆7d抗折强度是混凝土的154%,28d强度是混凝土的137%,一方面说明微膨胀砂浆的抗裂性能优于衬砌混凝土,另一方面反映出微膨胀砂浆用于拱顶脱空注浆时,对拱顶抗开裂具有一定的作用,而且在衬砌厚度不足时,微膨胀砂浆与混凝土结合体能够替代混凝土,达到整体的结构性能;此外结合体在进行抗折时,均是整体破坏,进一步反映出结合体之间的界面处结合性能完好。3.2.2水泥浆与混凝土结合体试件的抗压强度水泥浆试件及结合体试件在成型时,均出现较大的收缩(水泥浆试件收缩量达到36%,而且泌水严重(如图6所示),在进行强度计算时,截面积按照收缩后的实际面积计算。进行抗压测试,只有0h图13水泥砂浆与混凝土混合体抗压试验破坏成型的水泥浆结合体试件是整体破坏,其他结合体试件均是分离破坏,反映了水泥浆与混凝土之间的粘接力差,无法形成整体,所以结合体首先是水泥浆破坏,其破坏形貌如图13所示。图14水泥浆与混凝土结合体的强度抗压强度测试的结果如图14a所示,从图中可以看出,以混凝土试件相应龄期强度为基准,无论养护7d还是28d水泥浆的抗压强度约为混凝土值的50%,水泥浆与混凝土结合体的抗压强度也在降低,如在0h、2h、4h、8h和24h浇灌后,在养护7d时其强度比分别是77%、86%、79%、78%和77%,28d时其强度比为71%、91%、77%、91%和86%,说明当衬砌厚度不足时,使用常规的水泥浆进行充填,虽然雷达检测厚度能达到设计要求,但即使浆体的水灰比很低,衬砌的力学性能也很难达到设计要求。抗折强度测试结果如图14b所示,从图中可以看出水泥浆的抗折强度约为混凝土的30%,说明脆性明显大于混凝土,水泥浆7d、28d抗折强度基本相同,而混凝土的抗折强度在28d内持续增长;水泥浆和混凝土结合体的抗折强度低于混凝土的强度。因此当衬砌厚度不足时,使用水泥浆进行充填,虽然雷达检测厚度能达到设计要求,但衬砌的抗开裂性能达不到设计要求。总之,结合体的抗折强度实验表明:使用水泥浆进行充填,水泥浆的抗开裂性能低于混凝土的抗开裂性能,水泥浆的厚度不能替代衬砌混凝土的厚度。4结论(1)所研制的高性能微膨胀充填砂浆与衬砌混凝土在施工性能方面完全兼容;保水性能良好且无泌水现象;通过7d龄期强度对比,渗入微膨胀填充砂浆料的衬砌混凝土,其抗压强度和抗折强度均有所增加。(2)高性能微膨胀充填砂浆与衬砌混凝土的结合性能表明:微膨胀砂浆和结合体的抗压、抗折强度均高于原有衬砌混凝土强度;微膨胀砂浆用于拱顶脱空注浆时,对拱顶抗开裂具有一定的作用,在衬砌厚度不足时,微膨胀砂浆与混凝土结合体能够替代混凝土,达到整体的结构性能且满足设计要求。(3)高流动性微膨胀充填砂浆与衬砌混凝土在间隔0~6h浇筑时,其结合体呈整体破坏,超过6h时后在砂浆和混凝土间界面处破坏。(4)传统的水泥浆回填注浆材料与衬砌混凝土结合性能表明:水泥浆的抗压和抗折强度均低于衬砌混凝土强度,同时,水泥浆硬化体的脆性大,在衬砌厚度不足时,使用水泥浆进行充填,衬砌的抗开裂性能很难达到设计要求。参考文献[1]龚成明,朱嘉斌,代鸿明.一种可带模注浆的新型铁路隧道衬砌台车[J].现代隧道技术,2016,53(4):185-189.(下转第26页)12铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2017(02)万方数据·设计咨询·表3Ibadan站位方案优缺点分析表方案优点缺点Ⅰ靠近城区,方便旅客线路不顺直、拆迁工程巨大、工程投资高、与地方意见不一致、施工协调难度大Ⅱ线路最顺直拆迁工程巨大、工程投资最高、由于IITA反对且该机构隶属联合国,施工协调难度极大Ⅲ受干扰因素最少、拆迁工程量小、工程投资省、与地方意见一致距离城区稍远Ⅳ较靠近城区、拆迁工程量较小工程投资较高,线路第二次与规划的绕城公路交叉时,由于铁路、公路设计标高相差不大,交叉困难,因而交叉协调工作难度大3.3.2推荐意见综合工程投资大小、工程实施的难易程度、地方政府意见等因素,Ibadan站位推荐采用Ibadan城北环城路外侧设站方案(方案Ⅲ)[9]。4结束语本文通过对尼日利亚铁路现代化项目拉各斯至伊巴丹段方案研究,重点从尼日利亚既有铁路现状及新建铁路在枢纽及整个路网中的适应性分析[10-11],本着节省工程投资,发挥铁路运输效率最大化的原则,研究出一条与尼国经济发展相适应的铁路建设方案。本项目的实施,对于加快尼日利亚经济发展乃至整个非洲地区经济发展都具有非常重要的现实意义[12]。参考文献[1]中国土木工程集团有限公司.尼日利亚铁路现代化项目Lagos至Ibadan段可行性研究报告[R].北京:中国土木工程集团有限公司,2015:1.[2]中铁第一勘察设计院集团有限公司.尼日利亚国家铁路网总图规划[R].西安:中铁第一勘察设计院集团有限公司,2010:1.[3]中华人民共和国建设部.GB50090-2006铁路线路设计规范[S].北京:中国计划出版社,2006:7-23.[4]葛猛.谈谈海外铁路施工组织的重难点[J].铁道建筑技术,2016(1):113-116.[5]铁道部第一勘测设计院.铁路工程设计技术手册·线路[M].北京:中国铁道出版社,1994:10-21.[6]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50091-2006铁路车站及枢纽设计规范[S].北京:中国计划出版社,2006:5-10.[7]铁道第四勘察设计院.铁路工程设计技术手册·站场及枢纽[M].北京:中国铁道出版社,2004:22-23.[8]张玉伟.新建杭州至温州铁路走向方案研究[J].铁道建筑技术,2016(1):5-8.[9]中铁第五勘察设计院集团公司.关于尼日利亚铁路现代化项目Lagos至Ibadan段可行性研究报告初步评估意见[R].北京:中铁第五勘察设计院集团公司,2016:1.[10]马桂贞.铁路站场及枢纽[M].成都:西南交通大学出版社,2003:5-14.[11]崔永明.铁路新线引入枢纽有关问题的研究[J].铁道标准设计,2011(5):10-12.[12]丁东兴.非洲四国的铁路现状及市场前景[J].世界机电经贸信息,2004(3):檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪41.(上接第21页)[2]刘人太,李术才,张庆松,等.一种新型动水注浆材料的试验与应用研究[J].岩石力学与工程学报,2011,30(7):1454-1459.[3]李新.隧道衬砌裂缝产生原因分析[J].铁道建筑技术,2005(S1):103-106.[4]孟君祥.乌鞘岭特长隧道注浆堵水施工技术研究[J].铁道建筑技术,2007(3):52-54.[5]郭健.盾构隧道注浆抬升管片的效率研究[J].铁道建筑技术,2016(9):18-20,41.[6]刘长宇,张青,王卓.隧道二次衬砌拱顶脱空分析及注浆处理[J].市政技术,2016,34(5):170-173.[7]郭银波,黄忆龙.注浆技术在地铁土建工程中的应用[J].铁道建筑技术,2002(2):20-22.[8]中华人民共和国铁道部.TB10753-2010高速铁路隧道工程施工质量验收标准[S].北京:中国铁道出版社,2013:76-100.[9]代鸿明.运营铁路隧道水害引发的仰拱起鼓及衬砌开裂防治技术研究[J].现代隧道技术,2016,53(3):202-206.[10]王立华.高铁隧道衬砌裂缝病害与整治技术[J].四川水泥,2015(6):340.[11]梁晓东.深圳地铁区间隧道防水施工技术[J].中国建筑防水,2006(9):35-38.[12]刘红彬,唐伟奇,肖凯璐,等.水泥基注浆材料的研究进展[J].混凝土,2016(3):71-75.62铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2017(02)万方数据
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