京張高鐵隧道隱蔽工程施工質(zhì)量控制及效果評價方法研究

吳 軍

(中國國家鐵路集團有限公司建設(shè)管理部,北京 100844)

根據(jù)《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》(發(fā)改基礎(chǔ)[2016]1536號)，到2025年，我國鐵路網(wǎng)規(guī)模將達到17.5萬km左右，其中高速鐵路達到3.8萬km[1]。路網(wǎng)規(guī)模快速擴大[2-4]，對于施工、設(shè)計、驗收的質(zhì)量水平都提出了更高的要求，而隱蔽工程的施工質(zhì)量是關(guān)乎鐵路工程質(zhì)量的核心問題。

隱蔽工程是指在施工過程中某一項工序所完成的工程實物，被后續(xù)的工序或分項形成的工程實物所覆蓋、包裹、遮擋，而且不可以逆向作業(yè)，包括不易直接檢查或量測的工程[5-7]。隱蔽工程施工質(zhì)量對整個鐵路工程建設(shè)質(zhì)量至關(guān)重要，施工過程中隱蔽工程質(zhì)量一旦失控，整個鐵路工程極易出現(xiàn)質(zhì)量問題，如隧道工程中出現(xiàn)的滲漏水、襯砌開裂掉塊、無砟軌道上鼓等。當(dāng)前，我國鐵路工程建設(shè)隱蔽工程施工質(zhì)量參差不齊，存在因隱蔽工程施工質(zhì)量問題導(dǎo)致鐵路工程質(zhì)量惡化、服役狀態(tài)差的情況[8]。

我國鐵路橋涵、隧道、路基等工程施工技術(shù)規(guī)范對于隱蔽工程的施工均有相關(guān)要求，鐵路工程施工質(zhì)量驗收標(biāo)準中對于隱蔽工程的檢查和驗收有相關(guān)規(guī)定。但隱蔽工程質(zhì)量控制仍存在檢查技術(shù)落后、把控不嚴、檢驗不到位等情況，例如鐵路隧道工程由于防排水板原材料檢驗、鋪掛、焊接等施工環(huán)節(jié)質(zhì)量控制不到位導(dǎo)致隧道滲漏水。此外，鐵路隱蔽工程施工質(zhì)量效果評價量化程度不夠，施工質(zhì)量缺少量化評價，也不利于提升鐵路工程施工質(zhì)量。

本文對鐵路隧道初期支護、仰拱及填充和拱墻襯砌等隧道隱蔽工程施工質(zhì)量現(xiàn)狀進行闡述，在此基礎(chǔ)上，就應(yīng)用信息化手段來加強鐵路隧道隱蔽工程施工質(zhì)量控制進行探討，并針對隧道爆破開挖、錨桿支護的質(zhì)量效果評價量化方法進行探討，以期為鐵路隧道隱蔽工程施工質(zhì)量控制提供參考。

1 鐵路隧道隱蔽工程施工質(zhì)量控制現(xiàn)狀

鐵路隧道建設(shè)工程施工質(zhì)量的影響因素有很多[6]，要保證鐵路隧道工程的質(zhì)量，就要對這些影響因素實施有效的質(zhì)量控制。本節(jié)以鐵路隧道初期支護、仰拱和填充、拱墻襯砌結(jié)構(gòu)等隱蔽工程為例，分析其施工質(zhì)量控制現(xiàn)狀。

1.1 初期支護

初期支護是為了解決隧道在施工期間的穩(wěn)定和安全的工程措施[9]，主要采用錨桿、噴射混凝土、鋼架等支護形式。施工過程中，若質(zhì)量控制不嚴，容易出現(xiàn)：(1)錨桿施作質(zhì)量不合格，主要表現(xiàn)錨桿安裝數(shù)量、長度等與設(shè)計要求不符；(2)噴射混凝土表面的平整度較差，易脫落，厚度、強度難以達到設(shè)計要求；(3)鋼筋網(wǎng)間距超過標(biāo)準，保護層厚度不足，搭接的長度不能滿足相關(guān)規(guī)范要求；(4)鋼架安裝質(zhì)量不達標(biāo)，鋼架間距過寬，與圍巖、連接鋼板之間連接不緊密。

初期支護作為鐵路隧道隱蔽工程在施工過程中由于施工質(zhì)量評價體系不成熟，導(dǎo)致錨桿施作不合格，噴射混凝土不飽滿等情況均會影響到隱蔽工程的質(zhì)量。

1.2 仰拱和填充

仰拱結(jié)構(gòu)是為改善上部支護結(jié)構(gòu)受力條件而設(shè)置在隧道底部的反向拱形結(jié)構(gòu)，是隧道結(jié)構(gòu)的主要組成部分之一。仰拱和填充施工過程中，若質(zhì)量控制不嚴，容易出現(xiàn)：(1)仰拱局部不平整、基底虛碴清理不徹底、輪廓線不完全符合設(shè)計要求；(2)仰拱填充混凝土存在漏搗或搗固強度不足等。

鐵路隧道底部結(jié)構(gòu)作為主要承載部位，若施工質(zhì)量控制出現(xiàn)問題，存在虛砟及積水，不僅影響仰拱與基巖粘結(jié)，還可能導(dǎo)致仰拱底部存有壓力水影響隧底穩(wěn)定性，一旦發(fā)生病害會對隧道結(jié)構(gòu)的受力性能和后期運營產(chǎn)生較大影響[10]。

1.3 拱墻襯砌結(jié)構(gòu)

拱墻襯砌結(jié)構(gòu)是隧道上部結(jié)構(gòu)，與仰拱共同組成二次襯砌，確保了車輛運行、設(shè)備運作使用空間。拱墻襯砌結(jié)構(gòu)施工過程中，若質(zhì)量控制不嚴，容易出現(xiàn)：(1)襯砌混凝土同噴射混凝土接觸不緊密，襯砌在局部應(yīng)力作用下產(chǎn)生開裂、剝落；(2)襯砌混凝土施工不到位，拱頂混凝土灌注不飽滿，振搗不足，混凝土強度、抗?jié)B等性能指標(biāo)不符合設(shè)計要求；(3)鋼架間距不規(guī)范，襯砌混凝土鋼筋保護層厚度小。

鐵路隧道中拱墻襯砌結(jié)構(gòu)作為安全儲備，對鐵路安全運營具有重要作用。如果混凝土施工控制不嚴，會導(dǎo)致混凝土品質(zhì)下降，這也是造成混凝土裂縫、剝落、滲漏的原因之一。此外，鋼筋保護層厚度不夠，隨著時間的推移，混凝土炭化深度逐步加深，鋼筋保護層失去作用，導(dǎo)致鋼筋銹蝕，混凝土剝落，襯砌結(jié)構(gòu)失去作用，對隧道安全運營尤為不利[11-13]。

2 以信息化手段加強鐵路隧道隱蔽工程施工質(zhì)量控制

目前，隱蔽工程施工質(zhì)量控制一般采用施工全過程質(zhì)量管理的方法，即事前控制、事中控制、事后控制，往往從技術(shù)手段、制度規(guī)范等方面進行質(zhì)量控制。事前控制是指對隱蔽工程準備階段的控制，如施工原材料質(zhì)量控制；事中、事后控制是指隱蔽工程施工過程中及竣工后質(zhì)量控制，如事中人為監(jiān)督，事后質(zhì)量檢查等。

隨著施工機械化、信息化不斷發(fā)展，施工質(zhì)量得到了很大提升，從施工信息化的角度對隱蔽工程施工質(zhì)量控制進行研究。

2.1 鐵路隧道隱蔽工程施工前質(zhì)量控制

為了有效地保障鐵路隧道施工質(zhì)量，需在施工期做好準備工作，施工材料對工程施工質(zhì)量影響較大，更應(yīng)高度重視。目前追溯管理數(shù)據(jù)的采集，大多仍以手工為主，追溯數(shù)據(jù)常記錄于紙上，難以追蹤和溯源，使得追溯管理適用性、準確性與實時性差。通過信息化手段，加強材料的質(zhì)量控制，有效地進行材料管理，采用合理的追溯管理模式，制定高效的追溯管理方案，是保證高效的材料管理的關(guān)鍵。

鐵路隧道工程所用的混凝土、噴射混凝土、鋼筋等所用原材料的技術(shù)指標(biāo)應(yīng)進行嚴格把控，做好質(zhì)量源頭控制。錨桿、鋼架等支護材料及防排水板、止水帶等防排水材料應(yīng)嚴格實行工廠化生產(chǎn)，并按照品種、規(guī)格等分別標(biāo)識、存放，進行信息編碼，以便溯源管理。

2.2 鐵路隧道隱蔽工程施工驗收質(zhì)量控制

由于隱蔽工程的特殊性，隱蔽工程施工質(zhì)量控制的關(guān)鍵便是讓隱蔽工程“去隱蔽化”。對隱蔽工程施工留存照片、視頻資料，是加強隱蔽工程質(zhì)量控制和責(zé)任追溯的重要手段。據(jù)調(diào)查，日本對于隱蔽工程的檢查有拍照留存記錄資料的要求，國內(nèi)公路等行業(yè)驗工計價時需要檢查照片資料[14]。

影像資料管理主要做好3個環(huán)節(jié)，影像資料的拍攝、語音和標(biāo)識牌制作、影像資料的整理。

工程影像資料拍攝的工作收集、整理工作，可根據(jù)項目實際情況在最初工作安排中將影像資料的拍攝、收集、整理工作落實到人，并做好以下幾個方面工作：選擇分辨率不低于1 080×720像素的照相機或攝像機，由專人進行工程影像資料的拍攝，做到施工照片清晰，能反映施工過程實際狀況；拍攝照片，需按照工序逐一進行，還應(yīng)包括實驗、檢測等照片。

標(biāo)識牌應(yīng)包括檢驗參與單位名稱、單位工程、分部工程、驗收部位、工點里程位置、檢驗人員姓名、檢驗日期等信息。標(biāo)識牌式樣如表1所示。

表1 XX鐵路XX標(biāo)段視頻采集標(biāo)識牌(示樣)

工程影像資料應(yīng)按照分項工程分類收集，并且注明施工名稱等，對于施工過程、施工工藝、流程以及施工問題的解決等，要附有簡單的文字說明，要求照片和文字說明一一對應(yīng)。可以直觀地還原當(dāng)時施工現(xiàn)場，方便及時發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，保證施工質(zhì)量。對于施工中的隱蔽工程做好最初的影像資料存儲，主要以照片或者視頻短片為主。工程影像資料要做到及時、清晰、連續(xù)、完整，能反映整個工程施工過程和工程特點。質(zhì)量要求應(yīng)主題清晰、畫面完整、未加修飾剪裁，拍攝角度、距離等應(yīng)能保證影像資料所反映的進度、質(zhì)量、安全等狀況。在拍攝實測尺寸項目時，應(yīng)拍攝持尺情況并清晰顯示尺寸數(shù)字。

基于傳統(tǒng)隧道檢測方法的隧道斷面質(zhì)量管理是利用全站儀、斷面儀等儀器進行檢測，測量斷面，由工程師來分析斷面情況，做出判斷。這種方法既耗費大量的人力、物力，又占用過多的施工時間，檢測效率很低，準確率不高[15]，嚴重時甚至?xí)斐砂踩[患。而三維激光掃描技術(shù)可采用我國高速激光掃描測量的方法[16]，得到所需的海量“點云數(shù)據(jù)”，能準確清晰地表示隧道內(nèi)的結(jié)構(gòu)狀況。所以引入基于三維激光掃描技術(shù)的隧道斷面管理系統(tǒng)就顯得尤為重要。

3 鐵路隧道隱蔽工程施工質(zhì)量效果評價研究

目前，對于隱蔽工程施工質(zhì)量效果量化評價相對較少，往往隱蔽工程施工結(jié)束后，不能明確判定施工質(zhì)量效果。隱蔽工程施工質(zhì)量效果評價應(yīng)該是系統(tǒng)的，包括爆破開挖質(zhì)量評價、混凝土澆筑成型質(zhì)量評價、錨桿施工質(zhì)量評價、鋼筋安裝質(zhì)量評價等內(nèi)容，選擇較為重要的隧道爆破開挖和錨桿支護的施工質(zhì)量效果評價進行探討。

3.1 隧道爆破開挖施工質(zhì)量評價研究

傳統(tǒng)的全站儀測量檢測爆破開挖質(zhì)量是以抽檢式的斷面測量，全站儀的單點精度是可以滿足施工測量的要求[17]，但由于全站儀是單點的測量方式，無法全面的檢測超欠挖，有可能導(dǎo)致有些超欠挖無法檢測出來，留下工程隱患。

傳統(tǒng)測量概念里，所測數(shù)據(jù)最終輸出的都是二維結(jié)果(如CAD出圖)，在測量儀器里全站儀，GPS比重居多，但測量的數(shù)據(jù)都是二維形式的，在逐步數(shù)字化的今天，三維已經(jīng)逐漸的代替二維，因為其直觀是二維無法表示的，三維激光掃描儀每次測量的數(shù)據(jù)不僅僅包含(X，Y，Z)點的信息，還包括顏色信息，同時還有物體反射率的信息，這樣全面的信息能給人在電腦里真實再現(xiàn)物體的感覺，是一般測量手段無法做到的。

隧道爆破后，將三維激光掃描儀放于隧道既定位置，對爆破后隧道輪廓進行掃描，并與設(shè)計輪廓線相對比，定量評價爆破超欠挖量，如圖1所示。

圖1 利用三維激光掃描儀采集隧道點云模型

通過三維激光掃描自動采集終端，并利用專業(yè)分析軟件對點云數(shù)據(jù)的平整度按照相應(yīng)規(guī)范要求進行分析，分析結(jié)果自動上傳至預(yù)警平臺進行展示和預(yù)警發(fā)布處置，方便鐵路工程施工單位及監(jiān)理單位在平臺上對隧道施工斷面質(zhì)量進行管理，提高了工程質(zhì)量的管理水平與效率，達到了“快速辨識風(fēng)險、及時預(yù)報風(fēng)險、形象展示風(fēng)險、有效控制風(fēng)險”的目標(biāo)。

3.2 錨桿支護施工質(zhì)量評價研究

現(xiàn)行鐵路隧道工程施工質(zhì)量驗收標(biāo)準[18-19]對錨桿施工質(zhì)量驗收有詳細的規(guī)定，本文研究是基于現(xiàn)行鐵路隧道工程施工質(zhì)量驗收標(biāo)準，通過給出各個評定項目的權(quán)重，對錨桿支護施工質(zhì)量進行量化，以減少鐵路隧道工程施工質(zhì)量驗收標(biāo)準中可能存在的人為定性判斷、以偏概全的問題，以供使用者參考。

本次提出的錨桿施工質(zhì)量評定方法按每檢驗批抽取不少于3個循環(huán)進行評定，并結(jié)合檢驗批工程實體質(zhì)量驗收開展評定工作，在檢驗批驗收時形成評價結(jié)論，評定內(nèi)容及標(biāo)準如表2所示。

表2 評定標(biāo)準

其中，每個評定項目符合本標(biāo)準中全部質(zhì)量控制要求的數(shù)量(X)與總檢查數(shù)量(Y)之間的關(guān)系與得分(Z)對應(yīng)關(guān)系見表3。

表3 評定項目得分對應(yīng)

此外，評定項目根據(jù)工程實際情況調(diào)整，對于工程中增加部分評定項目導(dǎo)致評定項目總分值超過100分時，應(yīng)先將評定項目總分加權(quán)至100分，再對實際得分加權(quán)后形成評價得分。

建設(shè)單位或運維單位對隧道錨桿施工質(zhì)量有監(jiān)督責(zé)任，建設(shè)單位或運維單位應(yīng)根據(jù)工程特點和質(zhì)量控制需要，按有關(guān)規(guī)定組織設(shè)計、監(jiān)理單位檢查評定。評定結(jié)果≥80分時，則為合格，<80分時，則為不合格，應(yīng)進行整改并重新評定，項目合格評定標(biāo)準如表4所示。

表4 項目合格標(biāo)準

錨固密實度、錨桿長度、錨桿數(shù)量、墊板安裝、錨孔間距、桿體外露長度等評定項目均可一次性在錨桿施作完成后或錨桿施作完且被復(fù)噴覆蓋前開展評定。

當(dāng)隧道錨桿支護采用機械化信息化施工時，錨桿數(shù)量、錨孔間距等評定項目信息可在施工過程中自動采集，而桿體外露長度、墊板安裝信息可在錨桿施作完成后采用人工全數(shù)檢查或采集視頻資料。當(dāng)隧道錨桿支護采用非信息化施工時，錨桿數(shù)量、錨孔間距、桿體外露長度、墊板安裝等項目信息可在錨桿施作完成后進行檢查。

無損檢測技術(shù)可以有效運用到錨桿支護質(zhì)量評價中，可以對錨桿支護系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行定量評價[20]。錨桿長度和錨固密實度抽檢采用無損檢測儀器，是在錨桿施作完成后或錨桿施作完且被復(fù)噴覆蓋前開展相關(guān)檢測工作。錨桿長度和錨固密實度抽檢應(yīng)在錨固漿體終凝且具有一定強度后進行，比如錨桿錨固材料采用速凝型Ⅰ或速凝型Ⅱ的水泥基注漿材料，單根錨桿注漿完成3～5 h后方可進行錨桿長度和錨固密實度抽檢。單根錨桿長度和錨固密實度抽檢費時視施工現(xiàn)場條件而定，一般1根錨桿抽檢費時4～8 min。此外，錨桿施工過程中的相關(guān)信息資料，比如施工現(xiàn)場錨桿的種類、規(guī)格和長度檢驗，錨桿錨固安裝錄像信息等，也可用于錨桿長度評定的輔助性打分。

4 工程應(yīng)用

在新八達嶺隧道項目中應(yīng)用基于三維激光掃描技術(shù)的隧道斷面質(zhì)量管理系統(tǒng)，在2號斜井至出口工作段使用三維激光掃描對隧道進行超欠挖分析，里程范圍DK67+280～DK71+270，共計4 km，共采集掃描數(shù)據(jù)161站，每一站的點云數(shù)據(jù)內(nèi)存占306 MB，每一站的點云數(shù)據(jù)包含300萬個點數(shù)據(jù)。通過系統(tǒng)集成平臺實現(xiàn)了BIM模型和三維激光掃描技術(shù)的點云模型的信息化融合，通過點云數(shù)據(jù)得到相應(yīng)的初支模型，與設(shè)計的初支模型使用超欠挖功能分析計算得出超欠挖的數(shù)值，并對模型進行對比分析，在隧道斷面上能清晰的查看隧道超欠挖的情況，并將分析結(jié)果實時上傳至系統(tǒng)中進行預(yù)警管控，方便對出現(xiàn)欠挖的地方進行實施指導(dǎo)施工，減少了安全隱患，大大提高了隧道斷面施工質(zhì)量。新八達嶺隧道點云模型見圖2。

圖2 新八達嶺隧道點云模型

為檢驗本文研究內(nèi)容的合理性及可操作性，對新八達嶺隧道的錨桿施工質(zhì)量評定進行試用。

該隧道單洞四線隧道，最大跨度32.7 m，隧道Ⅴ級圍巖段初期支護拱墻采用噴射C30鋼纖維混凝土，厚35 cm，拱墻預(yù)留變形量20 cm，仰拱厚25 cm。隧道拱墻設(shè)置φ32 mm預(yù)應(yīng)力錨桿，錨桿間距1.2 m×0.8 m(環(huán)×縱)，設(shè)計長度為11 m；同時設(shè)置1 000 kN預(yù)應(yīng)力錨索，間距2.4 m×2.4 m(環(huán)×縱)，設(shè)計長度25 m。隧道掌子面采用品字工法施工，隧道錨桿施工質(zhì)量評定現(xiàn)場試用如下。

(1)錨固密實度：單根錨桿錨固密實度不小于80%才合格；現(xiàn)場抽檢錨桿4根；根據(jù)檢測結(jié)果，4根錨桿的錨固密實度均合格，故本項評分滿分，即25分。

(2)錨桿長度：錨桿設(shè)計長度11.0 m，錨桿檢測長度符合設(shè)計要求才合格；根據(jù)檢測結(jié)果，4根錨桿的檢測長度合格，故本項評分為25分。

(3)錨桿數(shù)量：隧道中上臺階一環(huán)錨桿設(shè)計數(shù)量為20根或21根，現(xiàn)場計數(shù)一環(huán)錨桿施工數(shù)量為20根，故本項評分滿分，即25分。

(4)墊板安裝：現(xiàn)場錨桿墊板安裝均與初支表面密貼，故本項評分滿分，即15分。

(5)錨孔間距：隧道中上臺階一環(huán)有20根錨桿，錨孔間距不合格的個數(shù)不能大于2個，則錨孔間距項評分為滿分，即5分；現(xiàn)場錨桿鉆孔未先放樣定位再施工，致使邊墻有2個錨孔環(huán)向間距大于1.2 m，故此項評分為5分。

(6)桿體外露長度：現(xiàn)場錨桿桿體外露長度均大于桿體直徑，故本項評分0分。

(7)經(jīng)過上述各項評分，錨桿施工質(zhì)量評定總分為95分，評價為“合格”。

京張現(xiàn)場應(yīng)用表明，前述提出的激光掃描開挖質(zhì)量及錨桿施工質(zhì)量評價體系是有實用價值的，有效提高了工程安全和質(zhì)量。

5 結(jié)語

隨著鐵路工程建設(shè)機械化、智能化、信息化的不斷深入，運用新技術(shù)、新裝備對鐵路隧道隱蔽工程施工進行全過程質(zhì)量控制。目前，針對隱蔽工程建設(shè)整個環(huán)節(jié)采取了工程材料進場溯源體系、隱蔽工程影像資料質(zhì)量驗收等系統(tǒng)性質(zhì)量控制手段。針對各分項工程，研發(fā)了三維激光掃描技術(shù)，三維激光掃描點云模型實現(xiàn)了對隧道進行施工作業(yè)過程開挖、初支、二襯的超欠挖分析、隧道凈空計算、隧道空洞監(jiān)測等，實現(xiàn)隧道超欠挖、凈空及空洞方量等三維可視化質(zhì)量管控，節(jié)約大量人力和時間，保證成果數(shù)據(jù)的時效性和真實性，大大提高參建各方的工作效率，有效指導(dǎo)隧道施工過程，對隧道工程施工過程中的安全風(fēng)險起到預(yù)防作用。隧道采用了新型質(zhì)量及信息評價體系和系統(tǒng)，其中山嶺隧道爆破施工的三維激光掃描技術(shù)及錨桿支護施工質(zhì)量評價等均能夠?qū)﹁F路隧道隱蔽工程質(zhì)量與效果控制具有一定借鑒價值。