山嶺隧道二次襯砌防脫空主動(dòng)監(jiān)控平臺(tái)及精準(zhǔn)補(bǔ)漿技術(shù)

嚴(yán) 磬， 伍浩然， 伍毅敏， 邵 帥， 蔡泉華， 張家威

(1.浙江數(shù)智交院科技股份有限公司， 杭州 310030； 2.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院， 長(zhǎng)沙 410075；3.德清縣德安公路建設(shè)有限責(zé)任公司， 浙江 湖州 313200)

襯砌拱頂脫空是隧道施工質(zhì)量最常見(jiàn)的缺陷之一[1]。襯砌脫空既會(huì)改變初期支護(hù)對(duì)二次襯砌的約束和荷載傳遞，又會(huì)造成襯砌厚度不足，從而影響襯砌承載。隧道界圍繞襯砌脫空對(duì)結(jié)構(gòu)承載能力的影響開(kāi)展了大量研究，不少學(xué)者開(kāi)展的數(shù)值計(jì)算分析[2-5]表明，襯砌脫空改變了結(jié)構(gòu)的整體剛度和受力狀態(tài)，對(duì)結(jié)構(gòu)安全威脅極大。傅鶴林等[6]研究發(fā)現(xiàn)，脫空范圍(特別是大于20°的脫空范圍)對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的安全性影響極大。葉藝超等[7]認(rèn)為，脫空對(duì)襯砌的影響主要集中在脫空位置及其相鄰處，且脫空范圍的增大會(huì)導(dǎo)致其影響范圍的增大，襯砌不同位置對(duì)脫空的敏感性呈現(xiàn)出差異性。同時(shí)，還有學(xué)者[8-9]利用模型試驗(yàn)研究了襯背脫空對(duì)隧道襯砌承載能力的影響。隨著隧道運(yùn)營(yíng)數(shù)量和規(guī)模的不斷擴(kuò)大，襯砌脫空已成為影響結(jié)構(gòu)安全與耐久性的重要因素[10-11]。

由于襯砌脫空對(duì)隧道結(jié)構(gòu)和運(yùn)營(yíng)安全的威脅極大，而脫空形成后進(jìn)行加固處治又非常困難，加強(qiáng)襯砌澆筑過(guò)程管控、主動(dòng)避免脫空形成就尤為重要，近年來(lái)隧道工作者對(duì)此開(kāi)展了不少探索。趙陽(yáng)川等[12]倡導(dǎo)加強(qiáng)施工過(guò)程控制與管理、改進(jìn)工藝及研發(fā)新材料新設(shè)備等措施，防治襯砌脫空；劉世杰[13]研發(fā)了液位式襯砌拱頂防脫空技術(shù)；龔成明等[14-15]研發(fā)了新型襯砌臺(tái)車及帶模注漿技術(shù)；佘海龍等[16]研發(fā)了內(nèi)置式混凝土澆筑監(jiān)控系統(tǒng)，一定程度提高了對(duì)混凝土施工過(guò)程和質(zhì)量的監(jiān)控和管理。筆者所在團(tuán)隊(duì)[17-18]也于2018年研發(fā)了一種分布式壓密傳感器，以及基于該傳感器的襯砌澆筑主動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)，在多項(xiàng)鐵路建設(shè)工程中得到應(yīng)用，這些新技術(shù)在襯背脫空防控中取得了良好效果。

然而，造成襯砌脫空的原因多種多樣，既有混凝土流動(dòng)性不足、泵送壓力不足、防水層松鋪不足等技術(shù)原因，也有心理僥幸、責(zé)任心不強(qiáng)、監(jiān)管不嚴(yán)等人為因素，加之與主動(dòng)監(jiān)測(cè)配套的脫空缺陷補(bǔ)救措施尚不完善，導(dǎo)致襯砌防脫空形勢(shì)依然十分嚴(yán)峻。在此背景下，基于襯砌防脫空監(jiān)測(cè)技術(shù)，進(jìn)一步搭建網(wǎng)絡(luò)管控平臺(tái)，并針對(duì)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)的脫空及時(shí)開(kāi)展精準(zhǔn)補(bǔ)漿，對(duì)徹底破解襯砌脫空多發(fā)難題具有重要意義。

1 基于云平臺(tái)的襯砌防脫空主動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)

1.1 監(jiān)測(cè)傳感器與主動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)

1) 分布式壓密傳感器

在防水板與鋼模板之間進(jìn)行襯砌澆筑，由于鋼模板的封閉作用,使得可靠、全面、經(jīng)濟(jì)、便捷地掌握襯砌澆筑進(jìn)程和混凝土密實(shí)狀態(tài)異常困難，這也是阻礙襯砌高質(zhì)量施工的技術(shù)難題，而新研制的分布式壓密傳感器能較好地解決這一難題。

分布式壓密傳感器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括基板、導(dǎo)電排線、金屬基體、彈性支撐、導(dǎo)電層、彈性壓片等。其基本原理是導(dǎo)電排線、金屬基體、導(dǎo)電層以及直顯和通信終端形成一個(gè)開(kāi)關(guān)電路，通過(guò)分析電路通斷狀態(tài)可判別二襯是否澆筑密實(shí)。當(dāng)金屬基體所處位置沒(méi)有受到混凝土的擠壓時(shí)，金屬基體不與導(dǎo)電層接觸，電路處于斷開(kāi)狀態(tài)，終端顯示電路未導(dǎo)通，該處二次襯砌未澆筑密實(shí)；一旦金屬基體所處位置受到混凝土的擠壓，彈性支撐件將受到擠壓，導(dǎo)電層與金屬基體連通，電路處于閉合狀態(tài)，終端顯示電路導(dǎo)通，則可判斷此處二次襯砌澆筑密實(shí)。彈性支撐件的初始高度和剛度共同決定壓密傳感器的靈敏度，初始高度越小、剛度越小，靈敏度越高，反之越低?；诙r澆筑質(zhì)量的考慮，靈敏度當(dāng)然越低越好，但靈敏度的降低意味著注漿壓力的增大，結(jié)果造成注漿的過(guò)度浪費(fèi)及襯砌臺(tái)車受到過(guò)大壓力甚至臺(tái)車局部變形。因此傳感器靈敏度的設(shè)置需結(jié)合具體工程地質(zhì)條件，并與建設(shè)方、施工方充分溝通后，基于相關(guān)施工質(zhì)量規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)靈敏度設(shè)置采取針對(duì)性設(shè)計(jì)。分布式壓密傳感器原理簡(jiǎn)單、可靠，測(cè)點(diǎn)密度大，可根據(jù)需要定制間距為20 cm～100 cm，成本低廉，使用方便。

圖1 傳感器縱向剖面

2) 襯砌防脫空主動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)

采用分布式壓密傳感器進(jìn)行襯砌防脫空主動(dòng)監(jiān)控方案如圖2所示。

分布式壓密傳感器布設(shè)在土工布與防水板之間，根據(jù)監(jiān)測(cè)模式不同，見(jiàn)表1，可在隧道施工現(xiàn)場(chǎng)縱、環(huán)向布設(shè)多條傳感器，如圖3所示，以動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)拱頂密實(shí)狀態(tài)和整個(gè)澆筑過(guò)程。在進(jìn)行防水板鋪掛前，通過(guò)膠粘方式將分布式壓密傳感器布設(shè)在初期支護(hù)表面，傳感器的監(jiān)測(cè)延長(zhǎng)線從鋪掛防水板的端頭引出將傳感器與直顯通信終端在二襯臺(tái)車外進(jìn)行有線連接。該終端指示燈顯示狀態(tài)的變化傳遞相應(yīng)位置傳感器受二襯漿液擠壓的信息，指示燈變化則表明相應(yīng)傳感器位置已壓密實(shí)，同時(shí)終端通過(guò)Wifi信號(hào)將數(shù)據(jù)上傳至遠(yuǎn)端工控機(jī)，便于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理。

圖2 襯砌澆筑主動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)

表1 不同監(jiān)測(cè)模式的傳感器布設(shè)與監(jiān)測(cè)要求

圖3 不同監(jiān)測(cè)模式下的傳感器編號(hào)

基于分布式壓密傳感器的襯砌澆筑主動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)，不僅具有性能可靠、信息全面、安裝方便、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)，更由于其實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化監(jiān)測(cè)，為構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控平臺(tái)奠定了很好的基礎(chǔ)。

1.2 襯砌防脫空主動(dòng)監(jiān)控云平臺(tái)

1) 平臺(tái)運(yùn)行原理

為進(jìn)一步提高防脫空工作成效，必須對(duì)襯砌澆筑全過(guò)程進(jìn)行更為全面的管控，實(shí)現(xiàn)從澆筑準(zhǔn)備、澆筑過(guò)程到成果應(yīng)用的全流程可控，為數(shù)據(jù)溯源、共享以及質(zhì)量評(píng)價(jià)、責(zé)任界定等提供支撐。

基于云平臺(tái)的襯砌防脫空主動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，其總體架構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)以隧道洞內(nèi)工控機(jī)為管控單元，每臺(tái)工控機(jī)下游最多對(duì)應(yīng)15個(gè)直顯和通信終端，每個(gè)終端接1條分布式壓密傳感器，每條傳感器上傳15個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)。整個(gè)系統(tǒng)最多可容納1 000臺(tái)工控機(jī)同時(shí)運(yùn)行。

每模襯砌澆筑為一個(gè)監(jiān)測(cè)任務(wù)。澆筑任務(wù)啟動(dòng)后每分鐘采集、存儲(chǔ)和上報(bào)1次數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于云平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)時(shí)計(jì)算分析襯砌澆筑的連續(xù)性、左右對(duì)稱性、前后端均衡性，以及隧道拱頂密實(shí)狀態(tài)，并在用戶監(jiān)控界面顯示，對(duì)異常狀態(tài)進(jìn)行預(yù)警。

2) 澆筑任務(wù)管理

澆筑任務(wù)管理的流程如圖6所示，其步驟如下：

(1) 施工員創(chuàng)建一個(gè)襯砌澆筑任務(wù)，需填寫(xiě)相關(guān)工程信息，上傳準(zhǔn)備工作的照片或短視頻，主要包括初期支護(hù)檢查、防水板鋪掛和鋼筋綁扎、襯砌臺(tái)車定位與固定、傳感器安裝、工控機(jī)狀態(tài)、路由器狀態(tài)、人員就位等情況，填報(bào)完成后提交質(zhì)檢員檢查。

(2) 質(zhì)檢員現(xiàn)場(chǎng)查驗(yàn)后通過(guò)后，審查相關(guān)信息和照片、短視頻，認(rèn)為合格后提交給監(jiān)理員；認(rèn)為不合格，退回給施工員。

圖5 工程管控與用戶體系

圖6 澆筑任務(wù)管控流程

(3) 監(jiān)理員現(xiàn)場(chǎng)查驗(yàn)通過(guò)后，審查相關(guān)信息和照片、短視頻，認(rèn)為合格，施工員可以在實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊中啟動(dòng)監(jiān)控；認(rèn)為不合格，則退回給質(zhì)檢員和施工員。

3) 澆筑任務(wù)監(jiān)控

監(jiān)控界面主要用于顯示目前正在進(jìn)行的襯砌澆筑任務(wù)，只顯示用戶權(quán)限內(nèi)正在澆筑的信息，如圖7所示。默認(rèn)情況下，每1 min切換1個(gè)工點(diǎn)。左側(cè)窗口點(diǎn)擊相應(yīng)工點(diǎn)，則右側(cè)固定顯示該工點(diǎn)，再次點(diǎn)擊恢復(fù)滾動(dòng)顯示。

對(duì)于沒(méi)有開(kāi)始的澆筑任務(wù)(已通過(guò)監(jiān)理員審批)，需要施工員點(diǎn)擊“開(kāi)始澆筑”按鈕，一旦啟動(dòng)，不能暫?；蛑兄?按照質(zhì)量管控要求)。澆筑結(jié)束后由施工員點(diǎn)擊“結(jié)束澆筑”按鈕。其他用戶僅可通過(guò)窗口查看自己權(quán)限內(nèi)不同項(xiàng)目的襯砌澆筑進(jìn)度及數(shù)據(jù)。

4) 監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)報(bào)表

系統(tǒng)提供完善的數(shù)據(jù)報(bào)表功能。

(1) 單一任務(wù)報(bào)告生成一段襯砌澆筑的質(zhì)量監(jiān)控報(bào)告。

(2) 批量任務(wù)報(bào)告生成指定標(biāo)段、指定工點(diǎn)、指定日期范圍內(nèi)的質(zhì)量監(jiān)控報(bào)告。

(3) 批量任務(wù)簡(jiǎn)報(bào)生成指定標(biāo)段、指定工點(diǎn)、指定日期范圍內(nèi)的質(zhì)量監(jiān)控關(guān)鍵信息表。

2 基于主動(dòng)監(jiān)測(cè)的精準(zhǔn)補(bǔ)漿方法

2.1 既有注漿工藝分析

襯砌脫空注漿包括拆模后注漿和帶模注漿。拆模后注漿是指在二次襯砌脫模后的雷達(dá)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)空洞后，通過(guò)鉆孔或預(yù)埋注漿管對(duì)脫空進(jìn)行注漿充填。這種方法雖然能夠填充空腔，但對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)作用十分有限。帶模注漿是近年來(lái)在鐵路部門發(fā)展形成的一種新技術(shù)，其要求在襯砌澆筑結(jié)束后、混凝土初凝前，通過(guò)預(yù)埋注漿管進(jìn)行注漿，以保證注漿料和混凝土形成一個(gè)整體。

目前常用的帶模注漿方法是沿縱向在襯砌臺(tái)車上間隔布設(shè)徑向注漿管，數(shù)量一般為3～4根，間隔為2 m～3 m。由于徑向注漿管之間存在較大間隔，當(dāng)脫空位置距離出漿口較遠(yuǎn)時(shí)，往往需要很大的注漿壓力，漿液才可能流動(dòng)到脫空位置。尤其是在沒(méi)有主動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)、不能掌握脫空具體位置時(shí)，固定注漿管注漿往往十分被動(dòng)、隨機(jī)、盲目，為了保證注漿效果，大多都采用較高的注漿壓力。注漿壓力大會(huì)帶來(lái)以下問(wèn)題：1) 漿液可能流動(dòng)到脫空以外的其它位置，不僅造成漿液浪費(fèi)，還可能堵塞隧道排水管路，形成新的施工缺陷；2) 壓力過(guò)大還會(huì)增大襯砌臺(tái)車荷載，導(dǎo)致臺(tái)車變形甚至垮塌，引發(fā)質(zhì)量和安全問(wèn)題；3) 由于多個(gè)注漿孔在更換時(shí)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，工程中常采用單孔注漿，并以其它注漿孔和端模出漿為標(biāo)志結(jié)束注漿，這種方法很容易造成灌滿的假象，產(chǎn)生脫空。

圖7 澆筑任務(wù)實(shí)時(shí)監(jiān)控界面

綜上分析，既有注漿技術(shù)和工藝尚有很大的改進(jìn)完善空間。

2.2 縱向抽拔式補(bǔ)漿系統(tǒng)

與防脫空主動(dòng)監(jiān)測(cè)成果相配合，采用縱向抽拔式補(bǔ)漿，使出漿口按需移動(dòng)，是實(shí)現(xiàn)低壓、精準(zhǔn)補(bǔ)漿的重要方法?？v向抽拔式精準(zhǔn)補(bǔ)漿的系統(tǒng)構(gòu)成及工藝如圖8所示，主要包括精準(zhǔn)注漿管、卷管器、供漿管和導(dǎo)向輪；縱向抽拔式補(bǔ)漿裝置實(shí)物如圖9所示。

精準(zhǔn)注漿管為鋁塑管或橡膠管，其外壁印有刻度。根據(jù)主動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，可通過(guò)外壁刻度精確抽拔注漿管，改變出漿口位置，保證補(bǔ)漿的準(zhǔn)確性。精準(zhǔn)注漿管采用固定帶徑向安裝在防水板上，使得精準(zhǔn)注漿管可懸掛定位在防水板上，并能沿縱向抽動(dòng)，如圖8(b)所示。

卷管器為常用工業(yè)卷管器，通過(guò)固定支座安裝在襯砌臺(tái)車骨架上，可自動(dòng)或手動(dòng)收放精準(zhǔn)補(bǔ)漿管，卷管器的中部設(shè)有快速接頭與供漿管連接，快速接頭的一端與精準(zhǔn)注漿管連接，另一端與供漿管連接。精準(zhǔn)注漿管一端與卷管器連接，可接收供漿管輸送的漿液，另一端繞過(guò)導(dǎo)向輪，安裝在防水板上。

(a) 初始安裝狀態(tài)

(b) 抽拔注漿狀態(tài)

導(dǎo)向輪通過(guò)升降桿固定在襯砌臺(tái)車骨架上，導(dǎo)向輪固定在升降桿的活動(dòng)端，升降桿的固定端在襯砌臺(tái)車骨架上。升降桿采用螺旋套管形式，可推動(dòng)導(dǎo)向輪上下升降，調(diào)節(jié)導(dǎo)向輪位置。

圖9 縱向抽拔補(bǔ)漿裝置

2.3 縱向抽拔式精準(zhǔn)補(bǔ)漿工藝

1) 準(zhǔn)備工作：初期支護(hù)檢查完成后，鋪掛土工布；沿土工布的表面縱向鋪設(shè)分布式壓密傳感器，然后鋪掛防水板；在防水板的表面沿縱向固定精準(zhǔn)注漿管，其出漿口位于前一模已經(jīng)澆筑的二次襯砌端頭。2) 澆筑二襯：模板定位，澆筑二襯混凝土。3) 判定脫空區(qū)：澆筑完成后，會(huì)因各種原因可能形成脫空，可根據(jù)分布式壓密傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)判定脫空的位置和范圍。4) 補(bǔ)注漿：根據(jù)脫空的位置，開(kāi)啟卷管器，抽拔精準(zhǔn)注漿管，抽拔時(shí)注意觀察精準(zhǔn)注漿管外壁上的刻度，使其出漿口停留在脫空的位置，如圖8(b)所示。此時(shí)可開(kāi)啟注漿機(jī)，漿液通過(guò)供漿管和精準(zhǔn)注漿管從出漿口流出，很容易充填脫空，并在分布式壓密傳感器上顯示是否密實(shí)。如果存在多處脫空，則沿縱向依次抽拔精準(zhǔn)注漿管，重復(fù)前述工作，逐一對(duì)脫空進(jìn)行補(bǔ)漿，最終使二次襯砌頂部完全密實(shí)。

由于縱向抽拔補(bǔ)漿與防脫空主動(dòng)監(jiān)測(cè)成果配套進(jìn)行，因此可進(jìn)行有效精準(zhǔn)定位補(bǔ)漿，提高了補(bǔ)漿的針對(duì)性，而無(wú)需過(guò)大的注漿壓力，有效避免了注漿壓力過(guò)大造成的模板變形和漿液浪費(fèi)。

3 結(jié)束語(yǔ)

為滿足山嶺隧道二次襯砌防脫空精細(xì)化管控的需要，基于分布式壓密傳感器及其主動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)，開(kāi)展了網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控平臺(tái)和精準(zhǔn)注漿技術(shù)研究，主要成果如下：

1) 研制了分布式壓密傳感器，并將其用于隧道二襯防脫空主動(dòng)監(jiān)控的施工工藝，實(shí)現(xiàn)了對(duì)襯砌澆筑過(guò)程的可靠、全面、經(jīng)濟(jì)、便捷監(jiān)測(cè)。

2) 結(jié)合襯砌防脫空工作的實(shí)際特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了基于云平臺(tái)的襯砌防脫空監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了澆筑任務(wù)檢查和審批、澆筑全過(guò)程遠(yuǎn)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)共享，提升了澆筑過(guò)程管控的精細(xì)化管理水平。

3) 針對(duì)既有帶模注漿技術(shù)的不足，結(jié)合襯砌澆筑主動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)，研發(fā)了縱向抽拔精準(zhǔn)補(bǔ)漿系統(tǒng)及其施工工藝，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)、低壓、效果可監(jiān)測(cè)的帶模補(bǔ)漿，提高了補(bǔ)漿的針對(duì)性，減少了漿液浪費(fèi)。

研究成果在浙江省304國(guó)道改擴(kuò)建項(xiàng)目、湖杭高鐵建設(shè)項(xiàng)目中得到應(yīng)用，實(shí)際應(yīng)用效果良好。