高速鐵路隧道二次襯砌脫空原因和整治及預(yù)防措施

杜鵬亮

（中鐵二十二局集團(tuán)第四工程有限公司 天津 301700）

1 引言

高速鐵路隧道復(fù)合襯砌是隧道運(yùn)營(yíng)安全的最后一道屏障。在存在復(fù)合襯砌脫空的情況下隨著地質(zhì)應(yīng)力的改變極易產(chǎn)生集中應(yīng)力造成復(fù)合襯砌開(kāi)裂，進(jìn)而發(fā)生隧道拱部掉塊，嚴(yán)重威脅行車(chē)安全的情況。隨著工程技術(shù)的發(fā)展，一次襯砌脫空問(wèn)題已基本得到有效控制，但隧道二次襯砌由于工序把控不嚴(yán)、工藝設(shè)備改進(jìn)緩慢等原因造成脫空問(wèn)題仍未得到徹底解決［1-3］。

2 二次襯砌脫空產(chǎn)生的直接原因

防水板安裝質(zhì)量差、澆筑過(guò)程振搗不到位、襯砌臺(tái)車(chē)承載力低、缺少拱頂泵滿(mǎn)監(jiān)控設(shè)備等問(wèn)題都可能造成二次襯砌脫空。但究其根本，工藝設(shè)備改進(jìn)緩慢和施工過(guò)程工序把控不嚴(yán)才是造成二次襯砌脫空的直接原因［4］。

2．1 工藝設(shè)備改進(jìn)緩慢

目前國(guó)內(nèi)還未研發(fā)出較為先進(jìn)的綜合性襯砌臺(tái)車(chē)，施工現(xiàn)場(chǎng)采用的大部分襯砌臺(tái)車(chē)不同程度存在較難實(shí)現(xiàn)分窗分層澆筑、難以監(jiān)控拱頂混凝土是否泵滿(mǎn)、無(wú)法振搗拱頂混凝土、端模承載力低等問(wèn)題，且施工過(guò)程人為因素較多，難以保證各施工工序得到有效控制，最終形成施工冷縫、人字坡、骨料堆積及強(qiáng)度不足、滲漏水、襯砌脫空、裂紋等質(zhì)量缺陷［5-7］。

2．2 施工過(guò)程工序把控不嚴(yán)

造成二次襯砌脫空的主要原因包括掘進(jìn)超欠挖、防水板掛設(shè)質(zhì)量差、未測(cè)算泵滿(mǎn)所需的混凝土方量、缺少精確判斷拱頂是否泵滿(mǎn)的有效手段、拱頂注漿質(zhì)量差等幾個(gè)方面［8］。

（1）掘進(jìn)超欠挖

隧道掘進(jìn)未嚴(yán)格按照規(guī)范或設(shè)計(jì)要求采用超前支護(hù)、光面爆破、打設(shè)系統(tǒng)錨桿等措施，造成開(kāi)挖輪廓平整度差，局部超欠挖嚴(yán)重，進(jìn)而造成防水板安裝困難。

（2）防水板掛設(shè)質(zhì)量差

防水板掛設(shè)質(zhì)量問(wèn)題包括三個(gè)方面：一是防水板掛設(shè)過(guò)緊導(dǎo)致在澆筑過(guò)程中防水板不斷繃緊，造成防水板熱熔焊焊點(diǎn)脫焊，脫焊防水板上部形成脫空，嚴(yán)重情況下可能造成仰拱和襯砌防水板在邊墻搭接焊位置脫焊，形成防水板切割二次襯砌混凝土；二是防水板掛設(shè)過(guò)松導(dǎo)致防水板“堆積疊加”，形成假象“脫空”［9-10］；三是防水板未隨一次襯砌凹槽表面密貼布設(shè)，導(dǎo)致二次襯砌混凝土無(wú)法填充凹槽形成脫空。

（3）未對(duì)一次襯砌斷面進(jìn)行測(cè)量，不掌握澆筑混凝土總方量

在進(jìn)行防水板掛設(shè)前未對(duì)一次襯砌輪廓線進(jìn)行量測(cè)，并結(jié)合二次襯砌設(shè)計(jì)內(nèi)輪廓線計(jì)算該段二次襯砌應(yīng)澆筑混凝土方量，導(dǎo)致無(wú)法與實(shí)際澆筑方量進(jìn)行對(duì)比，判斷拱頂混凝土是否泵滿(mǎn)。

（4）缺少精確判斷拱部混凝土是否泵滿(mǎn)的回饋手段

目前施工現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員一般通過(guò)泵送壓力增大、端模頂部開(kāi)始流漿等表面現(xiàn)象進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)性判斷拱頂混凝土是否泵滿(mǎn)，并未采取在拱頂位置安裝攝像頭、傳感器等檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行精確判斷，無(wú)法排除泵送管堵管、端模密閉性差、作業(yè)人員經(jīng)驗(yàn)不足等因素造成的“假滿(mǎn)”現(xiàn)象。

（5）拱頂回填注漿質(zhì)量差

目前大部分施工項(xiàng)目拱頂回填注漿采取的是隧道二次襯砌全部成型后在預(yù)埋注漿管位置進(jìn)行純水泥漿注漿。存在的問(wèn)題：一是如果注漿管埋設(shè)不當(dāng)或在混凝土澆筑過(guò)程中發(fā)生位移，則注漿前需重新鉆設(shè)注漿孔，增加了作業(yè)內(nèi)容，同時(shí)存在鉆穿防水板的風(fēng)險(xiǎn)；二是二次襯砌全部成型后再進(jìn)行拱頂回填注漿，此時(shí)原二次襯砌混凝土已達(dá)到一定強(qiáng)度，注入的水泥漿與原二次襯砌混凝土收縮徐變不一致導(dǎo)致混凝土整體性差。

3 二次襯砌脫空的處理措施

目前處理二次襯砌脫空的有效措施包括回填注漿法和開(kāi)窗二次澆筑法。進(jìn)行脫空處理時(shí)應(yīng)首選回填注漿法。

3．1 回填注漿法

選用回填注漿法進(jìn)行隧道二次襯砌脫空整治的判斷依據(jù)：在二次襯砌脫空位置采用敲擊錘進(jìn)行敲擊檢查，在最薄弱位置選取三個(gè)點(diǎn)位（三角形布置）鉆穿二次襯砌，用盒尺測(cè)量二次襯砌砼品質(zhì)合格厚度。根據(jù)相關(guān)鐵路局要求，二次襯砌砼品質(zhì)合格厚度大于20 cm，且襯砌合成厚度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的可采用間歇式無(wú)收縮漿材（水灰比0.38以下）回填灌注工藝進(jìn)行注漿處理。

回填注漿法與開(kāi)窗二次澆筑法相比具有施工簡(jiǎn)便、工期短、原二次襯砌受力結(jié)構(gòu)基本不受影響、施工安全性高等優(yōu)勢(shì)。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，個(gè)別部位注漿后仍存在小型襯砌脫空，再次注漿較困難。此時(shí)可采用鉆孔壓入環(huán)氧樹(shù)脂材料達(dá)到治理脫空的目的，但需要注意的是由于環(huán)氧樹(shù)脂成本較高不適用于存在較大脫空部位的處理［11-12］。

3．2 開(kāi)窗二次澆筑法

選用開(kāi)窗二次澆筑法進(jìn)行隧道二次襯砌脫空整治的判斷依據(jù)：在二次襯砌脫空位置采用敲擊錘進(jìn)行敲擊檢查，在最薄弱位置選取三個(gè)點(diǎn)位（三角形布置）鉆穿二次襯砌，用盒尺測(cè)量二次襯砌砼品質(zhì)合格厚度。根據(jù)相關(guān)鐵路局要求，二次襯砌砼品質(zhì)合格厚度小于20 cm，且襯砌合成厚度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的采用開(kāi)窗二次澆筑法。施工步驟包括開(kāi)窗、重構(gòu)防排水系統(tǒng)、打設(shè)錨桿、植筋、關(guān)模、泵送混凝土、注漿等工序。

該方法避免了因隧道二次襯砌過(guò)薄造成注漿過(guò)程或運(yùn)營(yíng)過(guò)程的整塊脫落風(fēng)險(xiǎn)。但該方法工序復(fù)雜、施工成本高、工期長(zhǎng)、安全風(fēng)險(xiǎn)高，且如果線路已經(jīng)開(kāi)通運(yùn)營(yíng)，施工天窗時(shí)間不固定，隧道拱部二次襯砌質(zhì)量缺陷整治將非常困難。

采用該方法施工時(shí)需注意：開(kāi)窗形狀應(yīng)為正方形、長(zhǎng)方形、梯形等規(guī)則形狀或組合形狀；開(kāi)口應(yīng)為內(nèi)大外小的倒八字形，以確保將二次澆筑的混凝土牢固鎖定在原二次襯砌上；重構(gòu)防排水系統(tǒng)應(yīng)注意環(huán)向盲管的連接；在進(jìn)行植筋焊接作業(yè)時(shí)應(yīng)在鋼筋和防水板之間用防火材料臨時(shí)隔開(kāi)，防止飛濺焊渣燒透防水板；二次澆筑的混凝土應(yīng)為微膨脹細(xì)石混凝土，標(biāo)號(hào)比原二次襯砌混凝土提高一個(gè)強(qiáng)度等級(jí)；關(guān)模前應(yīng)預(yù)留回填注漿孔，二次澆筑后及時(shí)回填注漿。如模板采用支架支撐時(shí)，應(yīng)提前進(jìn)行承載力計(jì)算，確保施工安全。針對(duì)相關(guān)鐵路局打設(shè)錨桿要求，由于打設(shè)錨桿需要穿透防水板，設(shè)計(jì)中雖有錨桿穿透防水板位置防水措施，但防水施工質(zhì)量較難控制，反而增加了滲漏水的可能性，因此打設(shè)錨桿是一把雙刃劍應(yīng)謹(jǐn)慎選擇。

4 二次襯砌脫空的預(yù)防措施

二次襯砌脫空的有效預(yù)防措施分兩個(gè)方面，一是應(yīng)優(yōu)先選用先進(jìn)工藝設(shè)備；二是采取加強(qiáng)過(guò)程控制和適度改進(jìn)現(xiàn)有工藝設(shè)備的措施。

4．1 優(yōu)先選用先進(jìn)工藝設(shè)備

隨著中國(guó)人口老齡化時(shí)代的到來(lái)和施工工人薪酬水平的逐步提高，施工企業(yè)如繼續(xù)采用較低的機(jī)械化水平模式進(jìn)行施工作業(yè)，一是難以降低施工安全風(fēng)險(xiǎn)，二是難以有效提高施工質(zhì)量，三是難以降低施工企業(yè)綜合成本。因此施工企業(yè)勢(shì)必要提高施工機(jī)械化水平，優(yōu)先選用先進(jìn)工藝設(shè)備。下面對(duì)兩種目前比較先進(jìn)的工藝設(shè)備進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

（1）數(shù)控防水板臺(tái)車(chē)的優(yōu)勢(shì)

目前可采用的數(shù)控防水板臺(tái)車(chē)，不需要事先剪裁防水板，而是直接將整卷防水板安裝在臺(tái)車(chē)的爬行小車(chē)上，操作人員只需站在工作吊籃內(nèi)便可完成對(duì)防水板的安裝和焊接，增強(qiáng)了施工安全性。同時(shí)減少了整平以及校準(zhǔn)防水板的工序，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了防水板安裝質(zhì)量。同時(shí)該臺(tái)車(chē)還可加裝二次襯砌鋼筋安裝功能。

（2）綜合性隧道二次襯砌臺(tái)車(chē)的優(yōu)勢(shì)

目前中國(guó)鐵路總公司正在研發(fā)一款綜合性隧道二次襯砌臺(tái)車(chē)。該臺(tái)車(chē)采用了帶壓灌注、灌滿(mǎn)提醒、密實(shí)振搗等關(guān)鍵技術(shù)，試驗(yàn)效果良好。

帶壓灌注：下灌注系統(tǒng)采用機(jī)械手分窗分層自然流下澆筑；上灌注系統(tǒng)采用“拱頂部水平壓入澆筑工法”實(shí)現(xiàn)帶壓澆筑。

灌滿(mǎn)提醒：通過(guò)在臺(tái)車(chē)模板安裝壓力傳感器和防水板低洼處預(yù)埋反饋裝置的雙重手段監(jiān)測(cè)灌滿(mǎn)信號(hào)。

密實(shí)振搗：采用高頻氣動(dòng)附著式振動(dòng)器，配合氣罐堵頭，實(shí)現(xiàn)混凝土的充分振搗，提高襯砌施工質(zhì)量，降低作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度。

4．2 加強(qiáng)施工過(guò)程控制和適度改進(jìn)現(xiàn)有工藝設(shè)備措施

由于其他原因采用先進(jìn)工藝設(shè)備較難實(shí)現(xiàn)的，應(yīng)采取加強(qiáng)過(guò)程控制和適度改進(jìn)現(xiàn)有工藝設(shè)備的措施。

（1）嚴(yán)格控制隧道超欠挖

隧道超挖和欠挖會(huì)給后期防水板的安裝質(zhì)量和襯砌臺(tái)車(chē)承載力產(chǎn)生一定影響。因此黃土隧道在進(jìn)洞后應(yīng)根據(jù)實(shí)際沉降量對(duì)預(yù)留沉降量作出適當(dāng)調(diào)整，在保證一次襯砌不侵限的情況下盡量減少預(yù)留沉降量；巖石隧道應(yīng)盡量采用光面爆破，既能提高開(kāi)挖面平整度利于防水板安裝，又能提高隧道圍巖的整體穩(wěn)定性。

（2）測(cè)算混凝土方量

在安裝防水板前應(yīng)使用測(cè)量設(shè)備對(duì)一次襯砌輪廓進(jìn)行測(cè)量，結(jié)合二次襯砌設(shè)計(jì)輪廓線計(jì)算本段二次襯砌應(yīng)澆筑的混凝土總方量，并與實(shí)際澆筑方量進(jìn)行對(duì)比，判斷拱頂混凝土是否泵滿(mǎn)。

（3）提高防水板安裝質(zhì)量

安裝防水板松弛度應(yīng)達(dá)到規(guī)范要求，松緊適宜、掛設(shè)牢固，且防水板的掛設(shè)必須隨一次襯砌輪廓線進(jìn)行，尤其是超挖的“凹形”部位必須凹形布設(shè)。

（4）采用簡(jiǎn)易分窗、分層澆筑工藝

對(duì)現(xiàn)有襯砌臺(tái)車(chē)進(jìn)行分窗、分層澆筑改裝。安裝主料斗、主溜槽、“三通”分流槽、分流串筒和入窗溜槽結(jié)合的方式，通過(guò)操作對(duì)應(yīng)的插板閥門(mén)，使混凝土流入各工作窗口，實(shí)現(xiàn)二次襯砌拱墻混凝土的逐窗澆筑。采用以上措施能有效避免臺(tái)車(chē)側(cè)重，以及提高混凝土外觀及實(shí)體質(zhì)量。

（5）采用拱頂灌滿(mǎn)回饋裝置

該回饋裝置采用電流原理，使用12 V燈泡進(jìn)行檢測(cè)。裝置原理為在二襯大里程和小里程拱頂防水板上分別粘貼一個(gè)鐵片，利用混凝土中水的導(dǎo)電作用接通電路，當(dāng)燈泡亮起時(shí)表示拱頂混凝土已經(jīng)灌滿(mǎn)。

（6）采用帶模注漿工藝

帶模注漿工藝是在二襯澆筑完成2～6 h后，在不脫模的情況下，對(duì)二次襯砌拱頂脫空部位進(jìn)行注漿處理，注漿料采用結(jié)合力良好的微膨脹注漿料（水灰比1∶5.55）。該方法的優(yōu)勢(shì)是可使注漿料與二次襯砌混凝土形成一個(gè)良好的整體。

5 工程應(yīng)用

2018年3月對(duì)某高速鐵路隧道工程已經(jīng)施工完成的500 m二次襯砌5處脫空質(zhì)量缺陷采用了回填注漿法和開(kāi)窗二次澆筑法進(jìn)行質(zhì)量缺陷整治，待砼強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后邀請(qǐng)第三方檢測(cè)單位進(jìn)行了檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果均合格。

2018年4～5月對(duì)某高速鐵路隧道工程采取了加強(qiáng)施工過(guò)程控制和適度改進(jìn)現(xiàn)有工藝設(shè)備的6條措施。在此期間共完成二次襯砌108 m，待強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后邀請(qǐng)第三方檢測(cè)單位對(duì)已施工完成的二次襯砌進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)檢測(cè)該段二次襯砌背后脫空合格率達(dá)到100%。

6 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，高速鐵路隧道二次襯砌脫空是影響鐵路運(yùn)營(yíng)安全的極大質(zhì)量和安全隱患，只有找準(zhǔn)問(wèn)題的根本原因，并結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，采用合理的整治措施、提高機(jī)械化水平、加強(qiáng)過(guò)程管控、適度改進(jìn)現(xiàn)有工藝設(shè)備的預(yù)防措施才能有效避免隧道二次襯砌背后脫空質(zhì)量缺陷，進(jìn)而提高隧道二次襯砌施工質(zhì)量。