隧道二次襯砌質(zhì)量控制新技術(shù)

賈海龍, 張文新, 鄧 川

(1. 中鐵隧道集團(tuán)三處有限公司, 廣東 深圳 518052； 2. 中鐵隧道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司, 廣東 廣州 511458)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和施工技術(shù)的提高，鐵路給交通運(yùn)輸帶來(lái)了極大的便利。但是，部分在建和已開(kāi)通隧道的質(zhì)量問(wèn)題影響隧道施工和運(yùn)營(yíng)安全。因此，對(duì)隧道出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題，必須進(jìn)行針對(duì)性的工裝工藝改進(jìn)和技術(shù)創(chuàng)新。

在隧道施工中會(huì)出現(xiàn)各種質(zhì)量缺陷問(wèn)題： 人工檢查初期支護(hù)斷面測(cè)點(diǎn)間距過(guò)大、斷面之間存在盲區(qū)，高精度儀器投入少，導(dǎo)致二次襯砌厚度不足；防水層鋪設(shè)不規(guī)范，使二次襯砌背后存在空洞；二次襯砌臺(tái)車與已澆筑二次襯砌混凝土硬性搭接不密封，施工縫結(jié)合部位混凝土漏漿，導(dǎo)致混凝土離析、產(chǎn)生蜂窩麻面和不密實(shí)掉塊；二次襯砌臺(tái)車就位過(guò)程中搭接部分的頂力未設(shè)緩沖層，臺(tái)車頂力較大時(shí)壓潰搭接部位的混凝土；拱頂混凝土澆筑沒(méi)有注漿填充導(dǎo)致存在空洞，或注漿回填壓力和數(shù)量控制不嚴(yán)導(dǎo)致二次襯砌開(kāi)裂；二次襯砌混凝土澆筑中采用人工振搗，導(dǎo)致振搗不均勻，強(qiáng)度不均勻；人工灑水養(yǎng)護(hù)質(zhì)量不可控導(dǎo)致混凝土后期強(qiáng)度增加不夠等。隧道各種質(zhì)量缺陷遺留到鐵路運(yùn)營(yíng)時(shí)處理，會(huì)使原施工單位花費(fèi)百倍甚至上千倍的代價(jià)利用“天窗”時(shí)間整治，對(duì)企業(yè)來(lái)說(shuō)是極大的負(fù)擔(dān)。

如何在隧道修建階段不產(chǎn)生或盡可能少產(chǎn)生質(zhì)量缺陷，是隧道建設(shè)者必須研究解決的課題。文獻(xiàn)[1]在京張鐵路隧道襯砌施工中應(yīng)用了帶模注漿新型鐵路隧道襯砌臺(tái)車，有效預(yù)防了隧道二次襯砌拱頂空洞，提高了隧道拱部襯砌施工質(zhì)量。文獻(xiàn)[2]提出了從隧道設(shè)計(jì)、原材料、配合比、施工工藝等方面提高二次襯砌施工質(zhì)量的對(duì)策措施, 通過(guò)在合武客專工程的應(yīng)用，有效減少了襯砌缺陷。文獻(xiàn)[3]以既有鐵路隧道襯砌開(kāi)裂的基本形態(tài)和造成的主要原因?yàn)榛A(chǔ)，通過(guò)理論分析建立既有鐵路隧道襯砌裂損維修方案決策模型并指導(dǎo)施工。文獻(xiàn)[4-5]針對(duì)鐵路隧道工程實(shí)體質(zhì)量缺陷防控情況，對(duì)隧道工程已產(chǎn)生缺陷進(jìn)行分析，針對(duì)隧道仰拱、二次襯砌施工縫質(zhì)量控制提出了相應(yīng)的預(yù)防措施。文獻(xiàn)[6]提出了在鐵路隧道襯砌背后采取注漿施工工藝來(lái)保證鐵路隧道襯砌的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[7-8] 分析了隧道襯砌易產(chǎn)生滲漏的部位及原因，并提出了具體的施工措施，起到了良好效果。文獻(xiàn)[9]分析了人為因素和材料因素，從混凝土施工工藝方面對(duì)鐵路隧道二次襯砌施工質(zhì)量進(jìn)行控制。文獻(xiàn)[10]介紹了蒙華重載鐵路隧道二次襯砌各工序施工質(zhì)量現(xiàn)場(chǎng)控制要點(diǎn)和標(biāo)準(zhǔn)，提高了隧道二次襯砌總體施工質(zhì)量。文獻(xiàn)[11-12]分析了高速鐵路隧道施工縫崩邊崩塊、裂縫(紋)，二次襯砌表面翻砂、離析、露筋等缺陷帶來(lái)的危害，闡述了高速鐵路混凝土缺陷處理的方法。綜上所述，當(dāng)前對(duì)于二次襯砌混凝土施工質(zhì)量主要是對(duì)單項(xiàng)問(wèn)題或者管理方面進(jìn)行研究和采取措施，沒(méi)有從提高設(shè)備性能和施工控制技術(shù)方面進(jìn)行系統(tǒng)性地研究。

本文結(jié)合張吉懷鐵路某隧道工程實(shí)際，按照“聚焦交通強(qiáng)國(guó)、鐵路先行，深化強(qiáng)基達(dá)標(biāo)、提質(zhì)增效，高起點(diǎn)、高標(biāo)準(zhǔn)、高質(zhì)量施工”的原則，遵循“以工裝保工藝、以工藝保質(zhì)量、以質(zhì)量保安全”的理念，從初期支護(hù)平整度、初期支護(hù)侵限管理、防水板施工工藝、臺(tái)車結(jié)構(gòu)改進(jìn)、施工縫、襯砌堵頭板、拱部防空洞監(jiān)測(cè)方式和內(nèi)控管理等方面進(jìn)行隧道襯砌質(zhì)量控制技術(shù)研究，大幅提高二次襯砌施工質(zhì)量和降低隧道缺陷率。

1 依托工程及擬解決的問(wèn)題

1.1 依托工程

新建張吉懷鐵路某隧道全長(zhǎng)12 km，設(shè)置4座輔助坑道，隧道場(chǎng)區(qū)屬剝蝕及溶蝕低山丘陵地貌，總體地勢(shì)為中間高兩端低，中部地勢(shì)陡峭。狹長(zhǎng)溝谷縱橫發(fā)育，多呈“V”字形，隧道Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖占94%以上，洞身穿越4條斷層帶和1處不整合接觸帶。隧道平面如圖1所示。

圖1 隧道平面圖

1.2 擬解決的問(wèn)題

1)如何確保隧道襯砌厚度； 2)如何大幅降低隧道襯砌施工縫開(kāi)裂、掉塊的概率； 3)如何大幅降低隧道拱頂脫空的概率； 4)如何實(shí)現(xiàn)隧道拱墻襯砌分層逐窗澆筑混凝土； 5)如何提升隧道襯砌混凝土密實(shí)度。

2 隧道二次襯砌質(zhì)量控制新技術(shù)

2.1 開(kāi)挖成型控制新技術(shù)

在全線率先引進(jìn)了三維激光隧道掃描測(cè)量系統(tǒng)，與全站儀、二維斷面儀相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)： 掃描速度快，達(dá)100萬(wàn)點(diǎn)/s，能實(shí)現(xiàn)全覆蓋，3 min可掃描20 m； 精度高，能夠快速反饋隧道開(kāi)挖面的成型結(jié)果，及時(shí)進(jìn)行修正，提高開(kāi)挖成型的質(zhì)量。隧道掃描測(cè)量系統(tǒng)及檢測(cè)結(jié)果如圖2—3所示，優(yōu)點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表1。

2.2 初期支護(hù)基面質(zhì)量控制新技術(shù)

將初期支護(hù)基面平整度納入工序管理，采用2 m靠尺，重點(diǎn)檢查拱部，并填寫(xiě)平整度檢查記錄表(見(jiàn)圖4)，達(dá)標(biāo)后由技術(shù)員、施工員、班組長(zhǎng)共同簽字后方可移動(dòng)棧橋進(jìn)行仰拱施工和拱墻防排水施工。該技術(shù)能將質(zhì)量隱患徹底消滅在仰拱前方，從根源上杜絕因基面不達(dá)標(biāo)鋪設(shè)防水層引起的脫空問(wèn)題。

圖2 三維激光隧道掃描測(cè)量系統(tǒng)

圖3三維激光掃描測(cè)量結(jié)果示意圖

Fig. 3 Sketch of 3D laser scanning measurement results

采用三維激光隧道掃描測(cè)量系統(tǒng)及時(shí)掌握隧道初期支護(hù)的凈空斷面，做到無(wú)盲區(qū)。軟件處理速度快，能在1 min內(nèi)生成電子結(jié)果，并及時(shí)提供數(shù)據(jù)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)超欠挖管理。

表1 全站儀、二維斷面儀、隧道掃描檢測(cè)項(xiàng)目對(duì)比表

圖4 初期支護(hù)平整度檢查記錄表

2.3 結(jié)構(gòu)防排水質(zhì)量控制新技術(shù)

2.3.1 改變防水板鋪設(shè)工藝

改變傳統(tǒng)防水板固定應(yīng)松緊適度并根據(jù)基面的圓順程度留足余量的施工理念，使防水板密貼基面，規(guī)避了拱部混凝土澆筑過(guò)程中因富余防水板褶皺引起的混凝土脫空或不密實(shí)。

2.3.2 改變防水板焊接工藝

為保證熱熔墊片數(shù)量、間距滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求，熱熔墊片采用激光定位，具有容易制作、操作簡(jiǎn)單、工效高等優(yōu)點(diǎn)。墊片與防水板采用無(wú)損高強(qiáng)度磁焊機(jī)焊接固定，磁焊槍解決了超聲波焊穿、焊接強(qiáng)度不足等問(wèn)題，且焊接用時(shí)只有超聲波的1/3，大大提高了焊接效率，增大了焊接接觸面，降低了因防水層拱部脫落導(dǎo)致襯砌拱頂脫空的風(fēng)險(xiǎn)。激光定位和磁焊機(jī)焊接如圖5—6所示。

圖5 激光定位

圖6 磁焊機(jī)焊接

2.3.3 改變防水板固定點(diǎn)間距

傳統(tǒng)固定點(diǎn)間距為拱部0.5～0.8 m、邊墻0.8～1.0 m,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況將間距固定為拱部0.5 m、邊墻0.8 m，防止因間距過(guò)大造成澆筑混凝土?xí)r防水板脫落。防水板鋪設(shè)效果如圖7所示。

圖7 防水板鋪設(shè)效果

2.4 模板臺(tái)車改進(jìn)技術(shù)

采用新型襯砌臺(tái)車，增大凈空面積，使隧道通風(fēng)與施工環(huán)境得到改善；并通過(guò)調(diào)整臺(tái)車模板的支撐方式，增強(qiáng)了模板臺(tái)車的整體剛度。利用三角形穩(wěn)定性原理，使模板與底部平臺(tái)形成三角形穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，提高模板整體剛度，增強(qiáng)其抗側(cè)壓能力。襯砌臺(tái)車控制采用信息集成控制系統(tǒng)，通過(guò)PLC智能集成了臺(tái)車澆筑狀況、布料系統(tǒng)、拱頂自動(dòng)振搗、拱頂空洞監(jiān)測(cè)、端部搭接監(jiān)測(cè)、側(cè)部壓力監(jiān)測(cè)、液壓系統(tǒng)、行走系統(tǒng)及襯砌數(shù)據(jù)報(bào)表。新型襯砌臺(tái)車及自動(dòng)布料系統(tǒng)如圖8—9所示。

圖8 新型襯砌臺(tái)車

(a) 臺(tái)車布料監(jiān)控

(b) 布料管路布置

2.5 施工縫控裂技術(shù)

針對(duì)二次襯砌端頭混凝土容易被頂裂、掉塊，采用“V”形橡膠條和橡膠墊板軟搭接2種施工工藝,二次襯砌臺(tái)車就位時(shí)實(shí)現(xiàn)零搭接，有效防止了端頭混凝土被頂裂的質(zhì)量問(wèn)題。

二次襯砌端頭采用“V”形橡膠條技術(shù)，規(guī)避了環(huán)向施工縫不規(guī)則裂紋，將施工縫裂紋控制在V形槽中間，防止了施工縫處混凝土毛刺毛邊；有效防止了施工縫結(jié)合部位混凝土漏漿，降低了由于漏漿導(dǎo)致混凝土離析、蜂窩麻面不密實(shí)產(chǎn)生的掉塊風(fēng)險(xiǎn)；對(duì)襯砌臺(tái)車就位過(guò)程中搭接部分的頂力起到了緩沖作用，防止臺(tái)車擠壓過(guò)緊壓潰搭接部位的混凝土。施工縫與 “V”形橡膠條如圖10所示。

(a) 成型施工縫

(b) “V”形橡膠條

二次襯砌端頭采用橡膠墊板軟搭接技術(shù)。臺(tái)車面板與已襯砌段搭接部位敷設(shè)橡膠等緩沖密封材料，既能緩沖預(yù)防臺(tái)車頂裂端頭混凝土，又能密貼預(yù)防漏漿。橡膠墊板如圖11所示。

圖11 矩形橡膠墊板軟搭接

2.6 橡膠堵頭板工藝

二次襯砌臺(tái)車端頭采用復(fù)合橡膠立桿伸縮堵頭板，該堵頭板具有操作方便、質(zhì)量小、密封性好、可重復(fù)使用、安全可靠和性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了襯砌端部封擋牢固、適度微變，提高了襯砌端頭封堵質(zhì)量。襯砌端頭橡膠模板布設(shè)如圖12所示。

(a) 橡膠模板

(b) 端頭封堵

2.7 拱頂空洞預(yù)防技術(shù)

1)在設(shè)計(jì)模板臺(tái)車時(shí)對(duì)剎尖孔位置進(jìn)行優(yōu)化，距二次襯砌端頭75 cm。

2)因模板臺(tái)車拱頂傳統(tǒng)垂直式剎尖孔泵送混凝土對(duì)臺(tái)車的反作用力較大，導(dǎo)致臺(tái)車易變形，且拱部混凝土自然流動(dòng)，極易造成混凝土不密實(shí)。拱頂位置原設(shè)計(jì)3個(gè)垂直剎尖孔，故將拱頂前后2個(gè)垂直剎尖孔改為60°斜孔，拱頂中間位置剎尖孔方向不變?；炷翝仓r(shí)利用反向回流原理，從已澆筑二次襯砌搭接處開(kāi)始，填充飽滿至灌注孔的位置后，新灌注的混凝土將反向流向掌子面方向，達(dá)到降阻、減壓效果，使二次襯砌端頭混凝土填充密實(shí)。垂直式剎尖孔和傾斜式剎尖孔設(shè)置如圖13—14所示。

3)拱頂安裝分布式密實(shí)度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)拱部混凝土密實(shí)度，以臺(tái)車頂部壓力作為另一個(gè)控制指標(biāo)，通過(guò)雙指標(biāo)來(lái)判斷拱部混凝土澆筑完成的時(shí)機(jī)，防止拱部出現(xiàn)空洞。分布式密實(shí)度傳感器通常設(shè)置在拱頂土工布與防水板之間，當(dāng)檢測(cè)原件的指示燈顯示綠色時(shí)，表明拱頂混凝土飽滿度滿足要求，無(wú)空洞; 當(dāng)指示燈顯示紅色時(shí)，表明有厚度≥5 mm的空洞。分布式密實(shí)度傳感器如圖15所示，壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置在臺(tái)車面板的頂部，縱向平均設(shè)置4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，根據(jù)壓力值判斷拱部混凝土是否飽滿、密實(shí)。

圖13 垂直式剎尖孔設(shè)置圖

圖14 傾斜式剎尖孔設(shè)置圖(單位： cm)

(a) 顯示器

(b) 傳感器

4)因帶模注漿對(duì)二次襯砌早期混凝土結(jié)構(gòu)有一定的破壞作用，現(xiàn)場(chǎng)未采用帶模注漿工藝，襯砌混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后采用了拱頂回填注漿工藝。

2.8 混凝土澆筑及振搗新技術(shù)

1)澆筑。采用臺(tái)車布料系統(tǒng)自動(dòng)控制，布料時(shí)通過(guò)自下而上、左右對(duì)稱、分層逐窗澆筑，克服了傳統(tǒng)跳窗澆筑易導(dǎo)致混凝土離析、產(chǎn)生“人”字坡冷縫等通??；減少了換管施工工序，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。自動(dòng)布料系統(tǒng)如圖9所示。

2)振搗。拱部二次襯砌混凝土采用附著式振搗器具有一定的局限性，故改變傳統(tǒng)方式采用氣動(dòng)振搗器，該設(shè)備采用新型振搗方式，將常規(guī)平板式振動(dòng)改為垂直式振動(dòng)，通過(guò)高壓風(fēng)進(jìn)入振搗器氣缸，實(shí)現(xiàn)活塞式高頻震動(dòng)，最大震動(dòng)半徑為1.3 m； 當(dāng)振搗器完全插入混凝土后，間隔振動(dòng)10～15 s后停止。該設(shè)備使用安全、方便。氣動(dòng)振搗器如圖16所示。

圖16 氣動(dòng)振搗器

2.9 養(yǎng)護(hù)新技術(shù)

初期支護(hù)變形穩(wěn)定后施工的二次襯砌混凝土，脫模時(shí)強(qiáng)度應(yīng)不小于10 MPa。脫模后及時(shí)采用自動(dòng)噴淋養(yǎng)護(hù)臺(tái)車進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，在設(shè)定的養(yǎng)護(hù)范圍、時(shí)間內(nèi)，定時(shí)自動(dòng)往返、根據(jù)濕度自動(dòng)噴淋全覆蓋養(yǎng)護(hù)，保證混凝土強(qiáng)度?；炷磷詣?dòng)噴淋養(yǎng)護(hù)臺(tái)車如圖17所示。

圖17 混凝土自動(dòng)噴淋養(yǎng)護(hù)臺(tái)車

3 隧道二次襯砌質(zhì)量管理新辦法

3.1 開(kāi)展混凝土品質(zhì)提升管理

按照“問(wèn)題導(dǎo)向，查找原因”的宗旨，成立了混凝土品質(zhì)提升管理機(jī)構(gòu)，從原材料(機(jī)制砂)進(jìn)場(chǎng)驗(yàn)收，混凝土配合比設(shè)計(jì)及應(yīng)急糾偏，混凝土試拌(開(kāi)盤(pán)鑒定)、生產(chǎn)、運(yùn)輸、澆筑、養(yǎng)護(hù)、強(qiáng)度檢測(cè)、驗(yàn)證等環(huán)節(jié)制定了責(zé)任人和考核標(biāo)準(zhǔn)，以提升混凝土的品質(zhì)，確?；炷恋膶?shí)體質(zhì)量。

3.2 混凝土澆筑結(jié)束條件確認(rèn)

當(dāng)混凝土澆筑到起拱線位置時(shí)，由工班長(zhǎng)、領(lǐng)工員、值班技術(shù)員和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理4人共同對(duì)拱部混凝土的澆筑結(jié)束條件進(jìn)行確認(rèn)。澆筑結(jié)束后所有確認(rèn)人員在記錄表上簽字、存檔，作為記錄施工過(guò)程的原始資料，同時(shí)也作為竣工資料的組成部分。二次襯砌關(guān)鍵工序?qū)嵜朴涗洏颖砣鐖D18所示。

圖18 二次襯砌關(guān)鍵工序?qū)嵜朴涗洏颖?/p>

3.3 實(shí)行作業(yè)實(shí)名制管理

將二次襯砌作業(yè)關(guān)鍵工序作為管控重點(diǎn), 實(shí)行實(shí)名制管理，脫模后在每組二次襯砌混凝土表面噴涂二次襯砌實(shí)名制銘牌(見(jiàn)圖19)。該方法具有可追溯性，能強(qiáng)化現(xiàn)場(chǎng)主要人員的質(zhì)量意識(shí)和責(zé)任意識(shí)。

4 采用新技術(shù)與傳統(tǒng)方式的效果對(duì)比

通過(guò)工裝工藝改進(jìn)和管控措施細(xì)化等方法實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)管理全覆蓋、關(guān)鍵工序環(huán)節(jié)過(guò)程全監(jiān)控，規(guī)范固化了安全質(zhì)量管控行為，有效減少了質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)對(duì)已施工襯砌段落的實(shí)體檢測(cè)，已徹底杜絕欠挖，二次襯砌厚度滿足設(shè)計(jì)要求，拱頂?shù)拿摽章室呀档椭?%以下。新技術(shù)與傳統(tǒng)方式缺陷率對(duì)比見(jiàn)表2。

表2新技術(shù)與傳統(tǒng)方式缺陷率對(duì)比表

Table2Comparisonofdefectratebetweennewtechnologyandtraditionalmethod

%

5 結(jié)論與建議

1)采用三維激光隧道掃描測(cè)量系統(tǒng)高效、快捷、全角度掌握隧道初期支護(hù)的凈空斷面，杜絕了初期支護(hù)侵限，確保初期支護(hù)表面平整；紅外線防水板鋪設(shè)定位與焊接工藝優(yōu)化，確保防水板與基面密貼，規(guī)避了隧道拱部防水板出現(xiàn)褶皺，保證了二次襯砌不欠厚。

2)采用臺(tái)車分層逐窗自動(dòng)布料系統(tǒng)、改進(jìn)的氣動(dòng)振搗器和自動(dòng)噴淋養(yǎng)護(hù)臺(tái)車,有效保證了二次襯砌混凝土強(qiáng)度。

3)通過(guò)在臺(tái)車拱頂設(shè)置剎尖孔、安裝分布式密實(shí)度傳感器和臺(tái)車頂部壓力傳感器，采用雙指標(biāo)準(zhǔn)確判斷拱部混凝土澆筑完成的時(shí)機(jī)，防止了拱部因澆筑不密實(shí)而形成空洞。

4)通過(guò)在拱墻混凝土施工縫處采用“V”形橡膠條和橡膠墊板軟搭接2種施工工藝，保證了結(jié)構(gòu)混凝土的完整性。

二次襯砌背后脫空率雖然較傳統(tǒng)施工工藝有大幅降低，但仍未杜絕；氣動(dòng)振搗器的振搗深度還有限，在今后的施工還需進(jìn)一步研究、改進(jìn)。