鐵路隧道二次襯砌質(zhì)量問題原因分析及防控技術(shù)研究

邸立建

(中鐵二十二局集團(tuán)市政工程有限公司 廣東廣州 510000)

1 引言

鐵路隧道二次襯砌是隧道工程在初期支護(hù)內(nèi)側(cè)施作的模筑混凝土或鋼筋混凝土襯砌，與初期支護(hù)共同組成復(fù)合式襯砌[1]。二襯的施工質(zhì)量對后期的鐵路運(yùn)營有很大影響，為此，鐵路總公司將初支、襯砌的厚度和混凝土強(qiáng)度不足等問題納入質(zhì)量安全紅線管理。本文根據(jù)實(shí)體檢測中發(fā)現(xiàn)的質(zhì)量問題，分析原因并總結(jié)出科學(xué)有效的防控措施，減少并杜絕出現(xiàn)實(shí)體質(zhì)量問題，具有十分重要的工程學(xué)術(shù)意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

2 工程概況

玉磨鐵路作為中老昆(明)萬(象)鐵路國內(nèi)段，起于云南省玉溪市，途徑普洱市、景洪市，止于磨憨口岸。本標(biāo)段全長38.878 km，其中隧道9座，全長27.82 km，占比71.6%。由于隧道占比大，二襯的施工質(zhì)量控制顯得尤為重要。

玉磨鐵路地處滇西南，隧道圍巖構(gòu)成復(fù)雜，級(jí)別涵蓋了Ⅱ至Ⅴ級(jí)，以Ⅳ、Ⅴ級(jí)為主。受地質(zhì)構(gòu)造和地震影響，圍巖破碎、風(fēng)化差異性大、基巖裂隙水發(fā)育，自穩(wěn)能力差，拱部及邊墻塌方掉塊、掌子面不穩(wěn)、涌水突泥極易發(fā)生。

3 隧道實(shí)體檢測存在的主要問題

按照實(shí)體質(zhì)量檢測有關(guān)文件要求，根據(jù)施工進(jìn)度，對部分隧道進(jìn)行了實(shí)體質(zhì)量檢測。檢測結(jié)果顯示，各隧道均不同程度存在二襯混凝土局部厚度不足、二襯局部(背后)脫空、局部混凝土不密實(shí)等問題。

4 缺陷原因分析

4.1 二襯厚度不足原因

(1)在開挖過程中局部欠挖或初支鋼架定位安裝不準(zhǔn)確，造成初支局部侵限。在進(jìn)行初支斷面掃描時(shí)，掃描斷面縱向間距過大或環(huán)向點(diǎn)位間距過大而沒有掃到局部侵限部位，造成二襯局部厚度不足。

(2)開挖及初支預(yù)留變形量較小，監(jiān)控量測不到位，初支變形過大造成局部侵限。二襯施工前未再次掃描斷面或斷面掃描不到位，未檢測到侵限部位，造成二襯局部厚度不足。

(3)混凝土輸送泵選型不當(dāng)或故障、老舊而動(dòng)力不足[2]，混凝土難以灌滿拱部，二襯拱部因局部脫空而造成脫空部位厚度不足。

4.2 二襯(背后)脫空原因

(1)在混凝土澆筑完成時(shí)，受拱頂初支局部凸凹不平順、存在縱坡、難以觀察等施工條件限制，致使局部混凝土難以灌滿拱部而存在空腔，造成拱部混凝土和防水板之間脫空。

(2)Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖無鋼架支護(hù)段開挖時(shí)，光爆效果差或受圍巖破碎、風(fēng)化發(fā)育不均等地質(zhì)原因影響，局部溜坍掉塊，造成巖面凸凹不平或有較大凹坑。噴射混凝土支護(hù)時(shí)，未將凹坑噴滿或噴平順，在凹凸不平的初支表面上鋪設(shè)防水板，施工難度較大，防水板難以緊貼初支表面。澆筑二襯混凝土?xí)r，凹坑處防水板緊繃，阻擋混凝土填滿凹坑，造成防水板后脫空。

(3)在Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖有鋼架地段，初支噴射混凝土控制不到位，造成拱架間混凝土不平順，呈明顯的“肋骨”狀。鋪設(shè)防水板時(shí)，防水板預(yù)留松弛度不足，拱架間防水板未緊貼初支面，造成防水板背后脫空。

(4)防水板鋪設(shè)時(shí)松弛度不合適[3]，控制不到位。預(yù)留松弛度較小時(shí)，防水板難以緊貼凹坑處初支面，即使受到澆筑混凝土的壓力也無法緊貼初支面，造成防水板后脫空；預(yù)留松弛度較大時(shí)，容易出現(xiàn)空鼓，受到澆筑混凝土的壓力而產(chǎn)生褶皺，在褶皺部位造成防水板后脫空。

(5)混凝土澆筑完成后，拱頂混凝土自然收縮產(chǎn)生空隙或空洞[4]。

4.3 二襯混凝土不密實(shí)原因

(1)混凝土澆筑速度控制不到位和混凝土運(yùn)輸車間隔時(shí)間過長，致使?jié)仓贿B續(xù)，造成接觸面處新舊混凝土結(jié)合不好而產(chǎn)生不密實(shí)現(xiàn)象。

(2)混凝土和易性差且拱部未按要求進(jìn)行多孔送料，局部砂漿流向較低部位，只剩下粗骨料，造成混凝土不密實(shí)。

(3)混凝土振搗不到位。特別是拱腰以上主要采用附著式振搗器，振搗效果不易觀察，振搗質(zhì)量難以控制。

(4)在有鋼筋的二襯混凝土澆筑時(shí)，進(jìn)料窗口不足或較高，導(dǎo)致下料時(shí)混凝土受鋼筋的影響造成骨料分離，粗骨料堆積部位易造成混凝土不密實(shí)。

(5)二襯臺(tái)車自由端模板接縫不嚴(yán)，混凝土澆筑過程中易出現(xiàn)跑漿、漏漿現(xiàn)象，造成二襯施工縫處脫空、不密實(shí)現(xiàn)象比較突出[5]。襯砌施工縫處背貼、中埋式止水帶受埋設(shè)位置空間限制，很難縱向及環(huán)向安裝到位且固定牢固，一旦在澆筑混凝土過程中發(fā)生扭曲、脫落、褶皺等現(xiàn)象，施工縫處必將出現(xiàn)不密實(shí)、脫空、開裂、掉塊等現(xiàn)象[6]。

5 防控技術(shù)探討研究

5.1 二襯厚度不足防控技術(shù)

(1)嚴(yán)格控制超欠挖

編制適合隧道各段圍巖的爆破施工方案。由于西南地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜多變，圍巖性質(zhì)不均，爆破方案應(yīng)具有較強(qiáng)的針對性。

在開挖過程中，不斷優(yōu)化爆破方案。根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及掌子面揭示地質(zhì)情況確定每循環(huán)開挖進(jìn)尺長度和炮孔位置、間距、深度、外插角及裝藥數(shù)量，并根據(jù)爆破效果不斷積累經(jīng)驗(yàn)，確保光爆效果達(dá)到預(yù)期要求，嚴(yán)格控制超欠挖。

(2)加強(qiáng)超前支護(hù)施作效果

按照設(shè)計(jì)要求施作超前支護(hù)，特別是對局部圍巖破碎、裂隙發(fā)育部位加強(qiáng)超前支護(hù)，防止溜坍、掉塊造成開挖輪廓凹凸不平。

(3)加強(qiáng)監(jiān)控量測，預(yù)留適宜變形量

根據(jù)圍巖類別及開挖方法編制圍巖監(jiān)控量測實(shí)施辦法并嚴(yán)格執(zhí)行，分析總結(jié)同類圍巖的變形規(guī)律，確定合適的預(yù)留變形量。防止預(yù)留變形量過大造成二襯厚度過大、預(yù)留變形量過小造成初支侵限換拱或二襯厚度不足問題。

(4)嚴(yán)控隧道初支斷面檢測

將初支斷面檢測納入工序管理。在鋪設(shè)拱墻無紡布及防水板前必須再次進(jìn)行初支斷面檢測，測量明顯凸出斷面和局部較為凸出部位，防止由于局部侵限點(diǎn)檢測不到位而導(dǎo)致該部位二襯厚度不足。

5.2 二襯脫空防控技術(shù)

(1)嚴(yán)格控制超欠挖

采用光面爆破技術(shù)，嚴(yán)格控制超欠挖，保持開挖輪廓線平順。

(2)嚴(yán)格控制初支噴射混凝土質(zhì)量

初噴混凝土應(yīng)在開挖后及時(shí)進(jìn)行，厚度不少于4 cm。噴射時(shí)應(yīng)先填平巖面較大凹洼處，初噴混凝土面應(yīng)大致圓順[7]。Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖，實(shí)際受圍巖地質(zhì)不均、變化差異大等影響，光爆效果難以達(dá)到要求，巖面凹凸不平時(shí)，要通過噴射混凝土來調(diào)整以達(dá)到初支表面平整度要求；Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖初支混凝土厚度較大時(shí)，需分層噴射。噴射混凝土表面應(yīng)平整、密實(shí)。

當(dāng)因地質(zhì)、施工等原因造成噴射混凝土表面平整度達(dá)不到要求的，及時(shí)在下一循環(huán)噴射混凝土施工時(shí)補(bǔ)噴平順。采用濕噴機(jī)械手，配以高水平的操作手，可以有效提高混凝土噴射速度和質(zhì)量；對拱部等不平順部位進(jìn)行補(bǔ)噴時(shí)，比普通濕噴機(jī)更為方便快捷。

通過逐榀鋼架間打孔驗(yàn)證，檢查初支厚度是否滿足設(shè)計(jì)要求、初支背后是否存在脫空或不密實(shí)現(xiàn)象。發(fā)現(xiàn)初支脫空或不密實(shí)現(xiàn)象，進(jìn)行注漿處理。

(3)嚴(yán)格控制無紡布、防水板施工質(zhì)量

二襯防水施工前，對初支表面進(jìn)行檢查，將噴射混凝土未能覆蓋的超前小導(dǎo)管、錨桿和鋼筋頭等齊根切除，采用水泥砂漿磨平。

將無紡布采用射釘和熱熔墊圈固定在初支基面上，固定點(diǎn)間距滿足設(shè)計(jì)要求，必要時(shí)進(jìn)行加密。無紡布要與初支表面密貼鋪設(shè)，無褶皺、隆起和緊繃現(xiàn)象。

防水板下料長度應(yīng)適當(dāng)加長，實(shí)際鋪設(shè)長度與初期支護(hù)面實(shí)測長度之比宜為10∶8，鋪設(shè)完成后防水板與初支表面應(yīng)密貼無空洞[8]。采用電磁焊接機(jī)將防水板與熱熔墊圈焊接牢固，防止?jié)仓炷習(xí)r防水板脫落，造成拱部脫空。

(4)采用中高壓混凝土輸送泵

中高壓混凝土輸送泵可明顯減少拱頂脫空現(xiàn)象，特別對于單線鐵路隧道，拱頂曲線半徑較小，中高壓混凝土輸送泵更有助于將拱頂混凝土泵滿。

(5)嚴(yán)格控制混凝土性能

嚴(yán)格控制混凝土的和易性和坍落度，特別是沖頂補(bǔ)方階段，混凝土現(xiàn)場坍落度宜為設(shè)計(jì)配比的上限，防止因?yàn)楹鸵仔约傲鲃?dòng)性差造成拱頂局部脫空。攪拌好的混凝土應(yīng)在1/2初凝時(shí)間內(nèi)入泵，并在初凝前澆筑完畢[9]。

(6)帶模注漿工藝控制

優(yōu)化臺(tái)車設(shè)計(jì)，在襯砌臺(tái)車頂部預(yù)留帶模注漿孔來保證帶模注漿順利進(jìn)行[10]，并將帶模注漿納入工序管理，嚴(yán)格按照施工技術(shù)交底組織施工。帶模注漿分為縱向注漿和徑向注漿?？v向注漿管布置剖面見圖1，徑向注漿管埋設(shè)剖面見圖2。

圖1 拱部縱向注漿管埋設(shè)剖面

圖2 拱部徑向注漿管埋設(shè)剖面

帶模注漿應(yīng)采用高結(jié)石率的水泥漿或微膨脹水泥漿，注漿壓力應(yīng)達(dá)到0.2 MPa。徑向注漿過程中，如果注漿壓力超過1.0 MPa未出濃漿，即更換注漿孔，直至注漿滿足要求[11]。通過地質(zhì)雷達(dá)及時(shí)檢測注漿效果，對不滿足要求的部位再次進(jìn)行打孔注漿。

(7)采用鐵路隧道襯砌拱部防脫空裝置

拱部防脫空裝置采用液位連通式或壓觸連通式。防脫空裝置由接觸端子、控制箱、指示燈和導(dǎo)線組成，工作電壓采用不高于24 V的安全電壓。

5.3 二襯混凝土不密實(shí)防控技術(shù)

(1)嚴(yán)格控制混凝土的質(zhì)量。由于西雙版納地處亞熱帶，溫度較高，要采取降溫等措施保證到場混凝土的性能良好。

(2)加強(qiáng)現(xiàn)場施工管理，保證混凝土澆筑連續(xù)穩(wěn)定。每一板二襯澆筑前計(jì)算出混凝土的方量、車數(shù)，結(jié)合澆筑速度，計(jì)算出每一車混凝土到達(dá)的間隔時(shí)間，確保連續(xù)澆筑，防止因混凝土供應(yīng)不及時(shí)或等待時(shí)間過長而影響其性能，減少施工縫或施工縫結(jié)合處的質(zhì)量缺陷[12]。

(3)加強(qiáng)施工工藝控制，采用“三逐兩孔兩振”工藝。三逐:逐層和逐窗澆筑，逐板注漿。兩孔:拱頂均勻分布的兩個(gè)孔澆筑。兩振:邊墻以插入式振搗器為主，附著式振搗器為輔；拱部以附著式振搗器為主，插入式振搗器為輔。

(4)采用木模配合鋼端模加固二襯端頭模板，盡量做到模板拼縫嚴(yán)密，固定牢固，不漏漿。在施工過程中，專人監(jiān)控端模，發(fā)現(xiàn)漏漿及時(shí)封堵，避免二襯接頭處混凝土不密實(shí)。

(5)采用中埋式止水帶定位卡，提高中埋式止水帶的安裝質(zhì)量，有效減少由于止水帶安裝不到位造成的二襯接頭處混凝土不密實(shí)等現(xiàn)象。定位卡埋設(shè)后中埋式止水帶使用效果見圖3。

圖3 二襯中埋式止水帶定位卡使用效果

6 結(jié)束語

通過對二襯實(shí)體質(zhì)量問題進(jìn)行原因分析和防控技術(shù)及工藝研究，強(qiáng)化過程控制，本標(biāo)段二襯混凝土實(shí)體質(zhì)量顯著改觀。后續(xù)施工經(jīng)第三方實(shí)體檢測，混凝土厚度不足問題基本消除，二襯背后脫空和混凝土不密實(shí)問題比例大幅降低。因此，在隧道二襯施工過程中，有針對性地采取上述綜合防控技術(shù)及措施，對提高二襯實(shí)體質(zhì)量有著積極有效的作用。