隧道襯砌檢測判識標準及缺陷處理措施研究

馬為功，石玉霞，竇 順

(中鐵西北科學研究院有限公司，蘭州 730000)

1 概述

由于受到隧道特殊施工環(huán)境的限制，不管是目前正在建設的隧道還是已經(jīng)運營多年的隧道，隧道襯砌缺陷問題十分普遍，特別是隧道襯砌背后的缺陷尤為普遍，主要有不密實、脫空、二襯與初支之間不密貼、存在空洞等問題[1]。復合式襯砌隧道在兩次襯砌的接觸面上，什么情況下是密貼的，什么情況下是不密貼的，或者說兩個接觸面的接觸比例達到多少可以認為是密貼的。在什么情況下地質(zhì)雷達檢測能發(fā)現(xiàn)這種問題，什么情況下該提出這種問題。對于檢測提出的問題在什么情況下需要處理后才能繼續(xù)使用，什么情況下不需要處理或者會由于處理措施的不當使得問題更加嚴重。有些問題的提出主要受施工工藝影響及檢測人員對問題的判識標準的把握。有些問題往往造成雷達圖譜異常，但對隧道結(jié)構受力沒有影響，這種問題則需要在工程施工過程中不斷改進施工工藝及工程材料而盡量避免，在既成事實后則無需進一步處理。但是有些問題比較嚴重的缺陷將改變襯砌結(jié)構的受力狀態(tài)，增大二襯結(jié)構的局部受力，不利于襯砌結(jié)構受力也危及車輛行車安全，吳秀清[2]對空洞對襯砌結(jié)構的影響從結(jié)構受力的角度進行了數(shù)值分析。針對現(xiàn)有檢測現(xiàn)狀，如何使得檢測發(fā)現(xiàn)的缺陷被決策者較為清楚地認識，并根據(jù)判識結(jié)果確定相關處理措施是本文研究的重點。

2 隧道襯砌背后缺陷原因分析

(1)光面爆破效果是造成隧道二襯背后脫空的重要因素[3]。對于初支不設鋼架，無論是否設計有初噴工序，光爆效果不好，由于防水板硬度的原因很難使得防水板與巖面密貼。

(2)因初支鋼架間初噴混凝土欠缺，使得初支表面不平整，造成起伏現(xiàn)象，同時防水板鋪設松弛度難以掌握或固定點數(shù)量不足等原因，在防水板與噴混凝土面之間形成規(guī)則的被鋼拱架斷開的連續(xù)小空腔，防水板局部緊繃在防水板與噴混凝土面之間形成空腔，或鋪設松弛度過大形成褶皺，造成二襯背后不密實。

(3)難以精確掌握混凝土用量及沖頂時混凝土泵的壓力，或者混凝土澆筑過程中未振搗密實和混凝土本身發(fā)生收縮和徐變的特性，澆筑完成后混凝土自重下沉，導致拱部混凝土灌注量不足而形成拱部局部空腔。

(4)混凝土澆筑時沒有嚴格落實分層逐窗澆筑工藝，僅利用個別窗口，導致混凝土流動距離過長，由于輸送距離過大，壓力不足而造成二襯端頭處存在空洞[3]。

(5)沒有嚴格落實帶模注漿工藝[4]，襯砌背后缺陷沒有被及時消除，或者注漿材料與二襯混凝土物理特性差異較大，雖然已經(jīng)注漿，但在檢測時地質(zhì)雷達顯示仍然異常。

3 缺陷判識標準研究

3.1 缺陷判識現(xiàn)狀

《鐵路隧道襯砌質(zhì)量無損檢測規(guī)程》(TB10223—2004)[1]中對襯砌背后回填密實度劃分為密實、不密實、空洞處理。其雷達信號特征如下：當界面反射信號較弱甚至沒有界面反射信號時為密實；當襯砌界面的強反射信號同相軸呈繞射弧形，且不連續(xù)，較分散時不密實；當雷達檢測數(shù)據(jù)中襯砌界面反射信號強，三振相明顯，在其下部仍有強反射界面信號，兩組信號時程差較大時為空洞。

《鐵路運營隧道襯砌安全等級評定暫行規(guī)定》(鐵運函[2004]174號)[5]同樣參照《鐵路隧道襯砌質(zhì)量無損檢測規(guī)程》(TB10223-2004)將隧道襯砌狀態(tài)檢測項目中對隧道背后狀況同樣按照密實、不密實、空洞處理。這種將襯砌背后除了空洞之外的缺陷統(tǒng)一劃分為不密實，不貼合隧道缺陷實際，也不易于歸類劃分并制定處理措施。在檢測工程師看來，這種簡單的描述無法準確區(qū)分雷達發(fā)現(xiàn)的不同問題，都試圖去尋找別的詞語以求更準確描述，以致呈現(xiàn)出目前鐵路檢測行業(yè)中對缺陷描述的多樣性。目前在檢測行業(yè)中對隧道襯砌背后密實情況的描述主要有襯砌背后脫空、二襯與初支之間不密貼，襯砌背后空洞及襯砌背后不密實等多種。同時對什么情況是脫空什么情況是空洞的概念也模糊不清。致使單純從檢測結(jié)果無法準確對缺陷進行分類研究，從而制定相應的處理措施。

表1為鐵路總公司質(zhì)監(jiān)總站帶隊A檢測單位描述在拱頂部位二襯與初支之間縱向長度11.0 m范圍內(nèi)不密貼，那么這種不密貼到底是在11.0 m范圍內(nèi)由一個連通的較薄的空腔引起的，還是由密集的多個的相對封閉的小的空腔引起的，或者是有一個大的空洞(由于空腔厚度較高引起二襯厚度不足)，這是問題的關鍵。無法從檢測結(jié)構的描述中判斷出來，也無法確定進一步的處理措施，也無法知道不密貼到底描述的是怎樣一種狀態(tài)。表2同樣為鐵路總公司質(zhì)監(jiān)總站帶隊的B檢測單位對左拱腰縱向長度4.0 m范圍內(nèi)缺陷的描述，也無法準確確定缺陷的嚴重性。

表1和表2都是檢測發(fā)現(xiàn)隧道襯砌背后缺陷的描述，其缺點是不能準確描述問題的嚴重性，無法根據(jù)描述判斷是否需要處理。如果是一個連通的較薄的空腔，可以通過注漿消除該問題，如果是密集的多個相對封閉的小空腔，那么注漿很難消除，同時其是否存在處理的必要性也待進一步商榷。如果是一個大的空洞，那么通過簡單的注漿能否消除問題隱患或者是否需要整段落返工都是急需解決的問題。

表1 A檢測單位二襯背后缺陷典型描述

表2 B檢測單位二襯背后缺陷典型描述

3.2 襯砌背后空洞缺陷探討

《鐵路隧道襯砌質(zhì)量無損檢測規(guī)程》(TB10223—2004)[1]規(guī)定，當雷達檢測數(shù)據(jù)中襯砌界面反射信號強，三振相明顯，在其下部仍有強反射界面信號，兩組信號時程差較大時為空洞?！惰F路運營隧道襯砌安全等級評定暫行規(guī)定》(鐵運函[2004]174號)[5]定義襯砌背后未回填深度及直徑大于10 cm時屬于空洞。在無損檢測規(guī)程中通過雷達信號特征所定義的不密實到空洞的界限值與“鐵運函[2004]174號文”所定義的襯砌背后未回填深度10 cm的關聯(lián)性尚且不論，但這種對空洞的定義結(jié)合現(xiàn)場檢測實際認為還是合理的。

文獻[6]采用現(xiàn)場試驗與數(shù)值模擬的研究方法，對我國現(xiàn)行的典型含缺陷高鐵隧道襯砌結(jié)構在列車振動荷載作用下襯砌拱圈加速度響應分布特征進行了深入探討。張成平等[7]對襯砌背后雙空洞影響下隧道結(jié)構的安全狀態(tài)進行了分析。檢測發(fā)現(xiàn)的較大的襯砌背后空洞將改變襯砌結(jié)構的受力狀態(tài)，從而危及車輛行車安全。

圖1為在建某高鐵隧道檢測發(fā)現(xiàn)典型空洞雷達圖像，其表現(xiàn)為反射信號強，三振相明顯，在其下部仍有強反射界面信號，兩組信號時程差較大。圖2為空洞處打孔驗證照片，經(jīng)驗證此處為長4 m、深度達54 cm的大空洞，此處二襯厚度僅有8 cm。

圖1 空洞缺陷典型雷達圖像

圖2 空洞驗證照片

檢測只是一種手段，最終的目的是如何將發(fā)現(xiàn)的空洞消除，不影響隧道結(jié)構安全，也就是需要根據(jù)空洞所處位置、大小、是否影響二襯設計厚度等因素，具體確定缺陷處理措施。對于空腔較小的空洞(不影響二襯厚度)，可以通過簡單的注水泥漿措施消除缺陷。如果采用注漿措施處理較大的空洞問題(影響二襯厚度)，那么必須選用高強注漿材料或者相關單位研制的特殊注漿材料。目前正在建設的高鐵隧道正在采用鐵道科學研究院研制的隧道注漿專用材料處理隧道空洞。對于像圖1中這種特大空洞，則必須采取局部返工或者整板返工的方式消除問題對二襯結(jié)構帶來的危害。圖3為某正在建二線鐵路隧道采用普通水泥漿處理空洞問題(影響二襯厚度)后的雷達檢測圖像，圖4為針對該處異常雷達圖像進行的取芯驗證照片。通過圖3、圖4可以看出，由于在分界線處襯砌材料物理特性的差異較大，在該處雷達信號顯示異常。

圖3 空洞注漿后雷達圖像

圖4 驗證芯樣照片

3.3 襯砌背后不密實缺陷的細化

無損檢測規(guī)程中只有密實、不密實及空洞3種雷達信號特征。但在現(xiàn)場實際檢測中經(jīng)常碰到另外一種雷達信號特征，即襯砌界面的強反射信號同相軸呈繞射弧形，且連續(xù)，不分散特征[8-11]。這種情況就是在檢測工作中常見，但在規(guī)范中沒有提出的隧道襯砌背后脫空，介于空洞與不密實之間。其與不密實缺陷的區(qū)別表現(xiàn)在隧道襯砌中，脫空為一個連通的較薄的空腔，而不密實則是密集的多個的相對獨立斷開的小的空腔。兩者的空腔厚度都小于10 cm。

無損檢測規(guī)程中對地質(zhì)雷達儀器的要求其天線的垂直分辨率應高于2 cm[1]，那么雷達檢測能發(fā)現(xiàn)的缺陷其垂直深度hq<2 cm，那么檢測中發(fā)現(xiàn)的不密實與脫空缺陷深度hq應該處于2 cm

表3 隧道襯砌背后缺陷量化指標

注：1.對襯砌背后密實hq≤2 cm時的測線連續(xù)長度不加限制是認為在隧道施工中連續(xù)的長度大于數(shù)米且hq≤2 cm的空腔幾乎不可能存在。
2.Lg指鋼拱架間距；Lk指隧道單循環(huán)開挖進尺。
3.sLci指不密實區(qū)某單個最大空腔體的測線長度，在鋼拱架與開挖進尺限制條件中取小值；Li為雷達測線上空腔圖譜斷開的距離。
4.sLc、kLc分別指脫空與空洞的測線長度。

圖5、圖6同樣為襯砌背后缺陷，圖5中DK0+374.5～DK0+383段二襯背后不密實是由多個處在鋼拱架之間小的空腔組成的，其因初支鋼架間噴混凝土欠噴，形成典型的初支肋骨現(xiàn)象，形成被鋼拱架斷開的連續(xù)小空腔。這種問題如果采用注漿方法處理，因為每個空腔體都是獨立存在的，需要在每榀鋼架間都要開孔注漿，但這種缺陷鋼拱架為主要的受力體系，鋼架與二襯結(jié)構密貼接觸，顯然這種問題處理起來既繁瑣也沒有實質(zhì)必要。這種問題更有必要的是在及時發(fā)現(xiàn)這種問題后，加強后期的監(jiān)督及技術跟進，從而盡量避免類似問題出現(xiàn)。

圖5 襯砌背后不密實雷達圖像

圖6 襯砌背后脫空雷達圖像

圖6中DK230+259～DK230+264段二襯背后脫空缺陷是由一個連通的較薄的空腔組成的，其因二襯混凝土澆筑時混凝土數(shù)量不足、壓力不足及澆筑后要發(fā)生收縮和徐變而造成的。對這種連通的較薄的空腔顯然如果還是和圖5一樣描述為不密實是不貼切的，將其描述為二襯背后脫空(給出具體里程位置)，且如果給出具體的缺陷所處深度，那么通過打一個注漿孔就可以簡單消除掉。

圖7為不布設鋼拱架段落由于光爆效果不佳引起防水板后面不密實的雷達圖像。某在建單線隧道Ⅲ級圍巖段落檢測發(fā)現(xiàn)，平均每100 m段落拱部3條測線總計該種不密實問題達到120多處。《鐵路隧道工程施工質(zhì)量驗收標準》(TB10417—2003)中第5.2.2條規(guī)定[12]：當圍巖完整、石質(zhì)堅硬時，允許巖石個別突出部分(每1 m2不大于0.1 m2)侵入襯砌，整體式襯砌應小于10 cm，其他襯砌不應大于5 cm。只要允許圍巖不平整情況的存在，勢必在防水板后面存在不密實區(qū)域，如果不加區(qū)別對待，統(tǒng)一簡單注漿處理，那將使二襯表面千瘡百孔，治標不治本。

圖7 襯砌背后不密實雷達圖像

圖8和圖9為二襯存在鋼筋段落兩種問題的具體表現(xiàn)。其所不同的是圖8中缺陷區(qū)域襯砌界面的強反射信號同相軸呈繞射弧形，且連續(xù)，不分散特征，圖9中缺陷區(qū)域襯砌界面的強反射信號同相軸呈繞射弧形，不連續(xù)，且分散特征[13-15]。以上兩個缺陷產(chǎn)生原因不同，處理方式不同，同樣在描述中也不能混在一起。將前者描述為襯砌背后不密實，后者描述為襯砌背后脫空[16-17]，這樣更利于根據(jù)檢測結(jié)果選擇不同的處理方式。

圖8 襯砌背后脫空雷達圖像

圖9 襯砌背后不密實雷達圖像

4 結(jié)論與展望

針對現(xiàn)行規(guī)范對隧道襯砌背后缺陷問題的描述不細致問題，結(jié)合某在建鐵路隧道現(xiàn)場地質(zhì)雷達檢測結(jié)果，以及檢測發(fā)現(xiàn)問題是否需要進一步處理的必要性，將襯砌背后脫空缺陷從不密實缺陷中劃分出來。認為當不密實區(qū)某單個最大空腔體的測線長度小于等于鋼拱架間距與開挖進尺限制條件中的小值，同時在雷達測線上空腔圖譜斷開的距離Li≤50 cm時判定為不密實；認為發(fā)現(xiàn)某個空腔體的測線長度大于鋼拱架間距或開挖進尺時，判定為襯砌背后脫空。不密實缺陷只能在以后的施工中通過改善施工工藝避免，而無需返工處理。通過將原來的缺陷為密實、不密實及空洞細化為密實、不密實、脫空及空洞4種情況，并給出相關建議性處理措施，使得結(jié)果更易于理解，便于決策者根據(jù)檢測結(jié)果更加準確地確定隧道缺陷處理措施。

隧道施工極其復雜惡劣的現(xiàn)場環(huán)境，決定混凝土襯砌始終無法達到工廠化預制高質(zhì)量水準，難免存在各種小的缺陷或者瑕疵。所以必須要正視檢測發(fā)現(xiàn)的問題，不是所有檢測發(fā)現(xiàn)的問題都需要處理，也不是只要檢測發(fā)現(xiàn)問題而施工單位沒有處理就是不合格工程，以免造成將“聾子”治成“瞎子”的鬧劇。

雖然以上隧道襯砌混凝土不密實問題不需要進一步處理，但是缺乏理論數(shù)據(jù)的支持。同時對目前檢測發(fā)現(xiàn)的襯砌背后脫空普遍采用簡單的注漿處理方法是否安全可行需要研究[18-19]。

針對不密實與脫空的量化指標，僅是根據(jù)現(xiàn)場施工實際結(jié)合雷達檢測數(shù)據(jù)給出的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，能否得到理論數(shù)據(jù)的支撐且指導施工尚需進一步商榷。