基于组合支撑和注浆模板的整体道床及隧底病害整治方法
技术领域
本发明属于既有长大铁路隧道整体道床沉降控制及隧道底部注浆加固施工领域,具体涉及一种铁路整体道床及隧底病害整治注浆加固施工方法。
背景技术
铁路隧道整体道床具有运行平稳、线路平顺性好、刚度均匀、耐久性强及维修工程量小等优点,在我国铁路长大隧道及城市轨道交通中应用越来越多。
但随着隧道运营时间的推移、铁路运量的增加、列车反复动荷载、地下水的影响等诸多因素,整体道床出现了诸如道床与底板分离、道床翻浆冒泥、道床裂缝等病害,隧道道床病害段往往伴随着道床与底板张合、病害段出水等问题,在列车的反复荷载作用下,道床板与底板的抽吸作用,不断地将底板混凝土内的细骨料带出,长期作用可导致底板抽空、道床板悬空,病害发生至一定程度可导致轨道板断裂,危及列车安全。
目前针对道床病害的整治措施主要有堵疏地下水、注浆加固底板破碎区、翻修病害道床等方法。在道床及隧底部病害的治理中采用注浆加固底板破碎区的方法实用性强、操作简单、且加固效果显著,因而被广泛应用于注浆整治施工中。
常用的注浆法道床病害整治施工中,多数采用在隧道底部两侧边沟内或者水沟内进行注浆加固,依靠浆液自身的流动性充填和加固整体道床与隧底及隧底破碎区域,由于受到既有线道床安全施工控制的影响,对于注浆压力、浆液特性等均有较高的要求,需达到既要充填密实、又需控制注浆压力过高,以免影响线路线形及道床板安全;既要保证浆液良好的流动性,又需对浆液的早凝时间、强度及耐久性提出较高要求,所以常用的注浆方法作业过程中对一些相关配套工艺、工装等要求较高。
目前存在的主要问题是,病害整治施工多数属于天窗点施工,天窗点施工的时间短、安全控制压力大、对注浆施工的工艺要求高,即在短时间内、高标准下使得整治施工既要达到抢修线路、保证通行的目的,又需满足长期性安全通行的目标。这就对病害整治施工提出了很高的要求,这就要求病害整治施工前期必须采取措施,确保和控制病害不继续发展,为后续注浆加固工序提供必要的时间和空间。后期注浆加固施工的质量也是确保施工整体效果的又一重要环节,二者需协调统一,才能产生良好的效果。
首先:在进行注浆加固施工前,为有效控制由于道床板的张和作用给整体道床结构稳定、道床板底部混凝土完整性、列车运营安全带来的不利影响,需在注浆施工前期对道床板采用支撑,以缓解列车通过对道床结构等带来的影响。施工过程中多数采用木楔子或钢板进行支撑。木楔子由于其本身抗腐蚀性能差、抗压强度低、插打和换填不方便、耐久性差等原因,施工过程中普遍不被大面积采用。而在注浆加固施工中,这些支撑最终可能作为一种永久支护结构被运用于道床板底部加固施工,因此必须选择刚度大、耐腐蚀、易操作的刚性材质。采用一般的钢板作为临时支撑多数情况下存在钢板厚度小,插打施工不方便,钢板之间相互咬合不紧,钢板容易被挤出等问题,影响***钢板的支撑效果。
再者:目前常用的注浆施工方法均是在水沟、边沟内施工,对于道床与隧底接触区域、仰拱或其充填区域的注浆缺少针对性;注浆过程中浆液的流动性控制难度大,尤其是在一些富水地区,注浆过程中浆液随意流动,既不能保证注浆效果,而且还污染作业环境,造成浆液的浪费。同时,道床病害的整治施工通常需根据天窗点进行要点施工,天窗点时间短,既有线安全运营压力大;现场施工需做到快速进场、快速施工、快速撤场,对于施工方法、工装安设需满足安全、快速、可靠的要求。
发明内容
本发明为了能安全、快速、高效地对道床及隧底病害段进行注浆加固,进而提供了一种基于组合支撑和注浆模板的整体道床及隧底病害整治方法。
本发明采用如下技术方案:
一种基于组合支撑和注浆模板的整体道床及隧底病害整治方法,采用先支撑、后注浆加固的施工方法,具体施工过程为:
A、首先调查道床病害区域的概况,确定道床病害段的总长度,并在病害段道床底板两侧连续安装若干组合钢板支撑所述组合钢板支撑利用锤击或油缸千斤顶顶进安装,且顶进过程中各组合钢板支撑相互平行;
B、通过组合钢板支撑的横向位移以及道床板的动态沉降值判断各组合钢板支撑的稳定性;
C、待各组合钢板支撑安装完成并稳定后,根据浆液的扩散半径确定待加固段的注浆孔间隔,然后按照设计钻孔深度钻注浆孔;
D、根据天窗点时间、浆液凝结时间、浆液扩散半径确定一次分段加固长度,并在相应分段加固长度的道床两侧安装若干用于封闭道床底部待注浆区域的注浆模板,所述注浆模板的另一侧支撑于水沟上;
E、待注浆模板安装完成后,通过注浆泵将浆液通过道床上部的注浆孔,按照设计注浆压力进行注浆,注浆前将道床板进行竖向固定,并通过注浆模板处的浆液溢流情况判断注浆效果,若浆液持续流出,或注浆压力不断增大,停止注浆;
F、注浆结束后,将道床两侧的注浆模板拆除并保养,再按照步骤D、E进行下一分段长度的注浆加固施工,直至完成对所有道床病害段的注浆加固施工。
所述的组合钢板支撑包括相连接的长度相等的上层钢板和下层钢板,所述的上层钢板包括两块形状尺寸相同的小钢板,两小钢板相对下层钢板的长度方向中心线间隔对称布置,且两小钢板的外侧面分别与下层钢板的两侧面对齐,上层钢板的上表面和下层钢板的下表面开凿有相连通的锯齿槽。
所述组合钢板支撑长度方向的一端设有45度的插打坡口,另一端的上表面设有刻度。
所述的注浆模板包括卡槽、若干支撑装置以及设于卡槽内的若干分割模板,所述的卡槽和分割模板均为“]”型结构,卡槽的敞口端朝向道床并与道床侧壁紧密贴合,分割模板沿卡槽槽口宽度方向连续安装于卡槽的槽口内,且各分割模板的槽口与卡槽的槽口相对,各支撑装置的一端作用于卡槽底板外侧,支撑装置的另一端作用于水沟的侧墙上。
所述卡槽的高度比道床病害段的最大深度值高10~20cm,分割模板的高度大于卡槽的高度,分割模板的厚度与卡槽的槽口深度相等。
所述卡槽的槽口宽度为分割模板宽度的3n倍,分割模板的宽度与组合钢板支撑的上层钢板宽度相等,上层钢板的宽度为下层钢板宽度的1/3,n为不小于1的整数。
所述的支撑装置包括调节旋转框,调节旋转框的两端连接有调节杆,两调节杆的自由端分别作用于卡槽的底板外侧的加强肋板、水沟侧墙上。
所述调节杆为丝扣螺纹钢,调节旋转框与调节杆通过丝扣连接。
所述各分割模板的上部开有若干孔径为10~20mm的排水孔。
所述注浆模板的安装过程为:
第一步,待各组合钢板支撑安装完成并稳定后,将卡槽紧贴该分段道床两侧布置,卡槽的开口侧朝向道床,并在卡槽的外侧按一定间隔设置若干加强肋板;
第二步,将分割模板连续安装于卡槽的槽口内,安装时开有排水孔的一端朝上,且分割模板和卡槽的槽口相对;
第三步,将各支撑装置的一调节杆的端头顶住对应的加强肋板,另一调节杆的端头顶住水沟的侧墙,调节丝扣螺纹,使卡槽以及各分割模板与道床板侧面紧密贴合,完成对注浆模板的安装。
本发明具有如下有益效果:
1、本发明将病害整治施工前期的支撑与后期注浆效果的提升有机结合起来,减缓了列车通过前后对于道床的破环和底板的冲击作用,有效充填了隧底破碎区、组合钢板支撑,确保了浆液与支撑钢板的完全包裹,达到了快速支撑隧底破坏区域道床、控制病害发展速度、快速高效注浆加固病害区的目的;
2、组合支撑钢板与分割式小模板相结合,小尺寸分割模板克服了大模板在架设过程中,由于病害区域形状不规则,封闭不密实的缺点,可根据病害区域底部形状灵活调整小尺寸分割模板的尺寸,显著提高了模板对于待注病害区域密封效果的适应性,实现了不规则病害区域注浆良好封闭,改善了传统病害区域注浆加固过程中浆液流动及加固效果不易控制难等问题;
3、本发明是采用在道床板上直接钻孔注浆的方式进行注浆,注浆作业的针对性强,浆液的扩散及充填效果好;
4、支撑钢板的上下面均设置有锯齿槽,可提高支撑钢板之间、支撑钢板与顶底面混凝土的衔接性;同时注浆加固过程中也可作为出水及浆液溢浆的通道,并实现了浆液与钢板的有效包裹,提高了注浆加固的整体效果;
5、由于采用组合钢板,钢板的厚度有所提高,在采用锤击或千斤顶顶进过程中,受力面积有所提高,提高了钢板的插打效率,也提高了作业的安全性;
6、上层钢板采用了多块钢板间隔布置的组合方式,提高了钢板的整体刚度及抗弯曲能力,保证了其支撑效果;
7、组合钢板的上表面留有一定长度的刻度表,方便监控组合钢板横向位移及***长度;
8、本发明所使用的注浆模板采用卡槽式设计,可有效提高模板的安装效果,减少模板横向固定支撑杆数量,提高了模板的整体性控制效果及模板安装拆卸的工作效率,尤其是在既有线要点施工过程中,其优点突出;
9、小尺寸分割模板上部设置有排水及浆液溢流孔,可通过排水及溢流状况来调整注浆压力、注浆压力和速度等参数,以便提高注浆效果;
10、本发明采用长度可调节的支撑装置,可靠性高,施工效率高,适应性强,模板及支撑杆件可灵活拆卸,重复使用,材料利用率高,经济效益明显,且通过丝扣螺纹能调节预紧力,有利于控制模板支撑效果;
11、本发明施工过程中采用的设备简单,取材广泛,易操作,能满足既有线施工空闲狭小、作业时间短的要求。
附图说明
图1为安装支撑后的结构状态图;
图2、图3分别为模板安装完成后的结构主视图、俯视图;
图4、图5为组合钢板支撑的结构主视图和俯视图;
图6、图7为分别为注浆模板的结构主视图和俯视图;
图8为分割模板与组合钢板支撑的连接示意图;
图9为卡槽的结构示意图;
图中:1-道床、2-水沟、3-组合钢板支撑、4-注浆模板、5-注浆孔;
31-上层钢板、32-下层钢板、33-锯齿槽、34-插打坡口、35-刻度;
41-分割模板、42-卡槽、43-调节杆、44-调节旋转框、45-排水孔、46-加强肋板。
具体实施方式
本发明是采用先利用组合钢板支撑3对病害段道床进行支撑,再在病害段道床两侧安装注浆模板4的施工方式对道床及隧底进行病害整治。
所述组合钢板支撑3的结构如图4、5所示,包括相连接的长度相等的上层钢板31和下层钢板32,所述的上层钢板31包括两块形状尺寸相同的小钢板,两小钢板相对下层钢板32的长度方向中心线间隔对称布置焊接,焊接采用坡口焊接,两块小钢板与下层钢板边缘均对齐焊接。上层钢板31的上表面和下层钢板32的下表面开凿有相连通的锯齿槽33,锯齿槽33的主要作用是实现该组合钢板与道床顶底面、周围的咬合,同时为注浆过程中的浆液提供通道,便于该组合钢板与浆液的包裹,提高二者的整体性。
在制作支撑用组合钢板时,首先应调查道床病害区域的概况,确定合理的钢板长度,下层钢板的长度一般为道床宽度的1/3~2/5,取在30~50cm为宜,为了方便现场施工并保证单块钢板的刚度,同时为了保证后续分割模板的安装间隔与此处两小钢板的间隔一致(或与两小钢板的跨度一致),使分割模板与组合支撑钢板密贴,上层小钢板的宽度可直接取下层钢板宽度的1/3,两小钢板之间的预留宽度也为下层钢板的1/3,且上下层钢板均需进行防腐处理。
为了方便***组合钢板支撑3,在组合钢板长度方向的一端开凿了45度的插打坡口34,同时为了方便在支撑组合钢板施工后,监测钢板的水平方向位移,量测钢板的打入长度、判断钢板是否稳定及浆液注浆效果,在组合钢板的另一端上表面刻制了以组合钢板的插打坡口为零点的刻度35,刻度刻制于上层钢板31的上表面。
组合钢板制作完成后,采用锤击或油缸千斤顶进行顶进,顶进到设计位置后,根据钢板上的刻度记录组合钢板相对于道床边缘的位置;后期进行道床及隧道底部注浆加固过程中,通过观察前后天窗点支撑钢板的位置变化及道床板的动态沉降值,判断支撑组合钢板的稳定性及加固效果,组合钢板***后的状态如图1所示。其中,组合钢板的插打方向如图1中的箭头方向所示。
所述的注浆模板4的结构如图6、7所示,包括卡槽42、若干支撑装置以及设于卡槽42内的若干分割模板41,所述卡槽42和分割模板41的形状如图9所示,用刚度较大的钢板制作而成,均为“]”型结构,卡槽42的敞口端朝向道床1并与道床1侧壁紧密贴合,分割模板41沿卡槽42槽口宽度方向连续安装于卡槽42的槽口内,且各分割模板41的槽口与卡槽42的槽口相对,各支撑装置的一端作用于卡槽42底板外侧,支撑装置的另一端作用于水沟2的侧墙上。卡槽42可一次成型,也可由三段钢板组合焊接安装成类似图3所示的结构,利用两端头的短板对分割模板进行封堵,而长板起主体支撑作用。
因分割模板是安装于卡槽42的槽口内,则分割模板41的厚度应与卡槽42的槽口深度相等,保证小尺寸分割模板41安装后与道床侧板之间的密贴性。所述卡槽42的高度根据病害区域底板破碎情况确定,为了保证加固注浆区域的完整性,卡槽42的高度以现场实际调研病害段深度最大值(以道床板底部为基准)为参考,大于最大值10~20cm,而分割模板41的高度比卡槽2的高度大5cm即可。卡槽42的宽度(沿道床长度方向的长度)以保证整体刚度为宜,同时为了满足后续分割模板41的安装数量和尺寸,并配合上层钢板31,使卡槽42的槽口宽度取分割模板41宽度的3n倍(n≥1),分割模板41的宽度与上层钢板31宽度相等,上层钢板31的宽度为下层钢板32宽度的1/3,此时,分割模板41与组合钢板支撑3之间的配合连接关系为图8所示。其中,小尺寸分割模板所用材料及制作要求与常规混凝土模板相同,而分割模板上部所开的两个孔径为10~20mm的排水孔45是为了在注浆过程能及时排水。
卡槽42、分割模板41与道床1侧面的密贴是通过支撑装置实现,所述的支撑装置包括调节旋转框44,调节旋转框44的两端连接有调节杆43,一根调节杆43的自由端作用于卡槽42的底板外侧的加强肋板46上,另一根调节杆43的自由端作用于水沟2侧墙上。调节杆43为丝扣螺纹钢,调节旋转框44与调节杆43通过丝扣连接,根据道床与水沟间的实际距离,利用丝扣螺纹调整调节旋转框44与调节杆43的连接长度,使该支撑装置能适应于卡槽42与水沟2边墙之间的距离,保证注浆模板与道床侧面的密贴性。其中,加强肋板46是为了提高卡槽底板的强度。
利用组合钢板支撑3和注浆模板4对道床及隧底病害段进行主架加固的具体施工过程为:
A、首先调查道床1病害区域的概况,确定道床病害段的总长度,并在病害段道床底板两侧连续安装若干组合钢板支撑3,所述组合钢板支撑3利用锤击或油缸千斤顶顶进安装,且顶进过程中各组合钢板支撑3相互平行,组合钢板支撑3的顶进长度根据组合支撑钢板的插打难易程度及道床底部病害情况确定,图1为安装组合钢板支撑后的示意图。
B、通过组合钢板支撑的横向位移以及道床板的动态沉降值判断各组合钢板支撑的稳定性,组合钢板支撑的横向位移监测值连续3天变化范围控制在±1mm,道床板的动态沉降监测值连续3天变化范围控制在±2mm,则可判定组合钢板支撑安装稳定。
C、待各组合钢板支撑3安装完成并稳定后,根据浆液的扩散半径确定待加固段的注浆孔间隔,然后按照设计钻孔深度钻如图2、3中所示的注浆孔5,其中,注浆孔8的钻孔设计位置还应考虑整体道床内钢筋布置情况,保证在道床板上钻孔作业不破断道床板上下层钢筋。
D、根据天窗点时间、浆液凝结时间、浆液扩散半径确定一次分段加固长度,并在相应分段加固长度的道床两侧安装若干用于封闭道床底部待注浆区域的注浆模板4,所述注浆模板4的具体安装步骤为:
第一步,待各组合钢板支撑3安装完成并稳定后,将卡槽42紧贴该分段道床两侧布置,卡槽42的开口侧朝向道床1,并在卡槽42的外侧按一定间隔设置若干加强肋板46;
第二步,将分割模板41连续安装于卡槽42的槽口内,安装时开有排水孔45的一端应朝上,且分割模板41的拼接位置应与组合钢板上层的小钢板边缘对齐,保证分割模板41与组合钢板的密贴性;
第三步,将各支撑装置的一调节杆43的端头顶住对应的加强肋板46,另一调节杆43的端头顶住水沟2的侧墙,调节丝扣螺纹,使卡槽42以及各分割模板41与道床板侧面紧密贴合,完成对注浆模板的安装,如图1、2所示,达到封闭道床底部待注浆区域(病害段)的目的。其中,支撑装置的总长度可在安装前根据卡槽与水沟的设计距离进行粗调固定,将支撑装置放置到位后再利用丝扣螺纹进行微调。
E、待注浆模板4安装完成后,通过注浆泵将浆液通过道床上部的注浆孔5,按照设计注浆压力进行注浆,注浆前应将道床板进行竖向固定。注浆过程中,可根据小尺寸分割模板41上预留的排水孔45的浆液流出情况,结合注浆压力等判断注浆效果是否满足要求,若浆液持续流出,或注浆压力不断增大,可停止注浆;
F、注浆结束后,将道床两侧的注浆模板4拆除并保养,再按照步骤D、E进行下一分段长度的注浆加固施工,直至完成对所有道床病害段的注浆加固施工。
本发明主要是针对既有富水长大隧道整体道床沉降、道床与隧道底部出现张合、隧底冒水等病害特点而采用的整治施工方法,内容涵盖前期为确保道床板的结构稳定、控制病害发展速度,保证既有线列车运营安全采用道床组合支撑方法;中期为适应病害段底板不平整特点,采用专用注浆模板的注浆加固施工方法。解决了整体道床及隧底病害施工过程中,病害整治施工前期临时支撑钢板插打、支撑钢板与上下层的咬合、支撑钢板与浆液的包裹、支撑钢板稳定性动态监测等问题;以及中后期支撑注浆方法的选择、浆液的控制、注浆区域封闭、模板的研制、破碎区域模板的快速安装及拆除等问题。达到了提高支撑钢板施作效率、支撑效果、支撑钢板的稳定性,以及安全、快速、高效进行注浆整治的目的。
本发明中未作特殊说明的设备或构件均为现有技术。