隧道二次襯砌質(zhì)量問(wèn)題分析與改進(jìn)措施

趙風(fēng)嶺 張奇

1.中國(guó)鐵路北京局集團(tuán)有限公司工程質(zhì)量監(jiān)督站，北京 100860；2.中鐵十六局集團(tuán)有限公司，北京 100018

鐵路隧道二次襯砌作為重要支護(hù)結(jié)構(gòu)，其質(zhì)量直接影響到隧道整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和后續(xù)的正常運(yùn)營(yíng)，提高隧道二次襯砌施工質(zhì)量至關(guān)重要。

國(guó)內(nèi)一些學(xué)者對(duì)隧道二次襯砌檢測(cè)和質(zhì)量控制開(kāi)展了相關(guān)研究。劉宗輝等［1］結(jié)合電磁波在隧道二次襯砌中的傳播規(guī)律，通過(guò)模擬分析提出一種根據(jù)反射系數(shù)序列頻譜估算二次襯砌厚度及脫空高度的反演方法。陳英福等［2］采用探地雷達(dá)對(duì)一高速鐵路隧道二次襯砌進(jìn)行檢測(cè)，基于荷載-結(jié)構(gòu)法對(duì)二次襯砌存在的缺陷進(jìn)行了分析，計(jì)算了不同缺陷程度下的安全系數(shù)。蘇卿［3］采用探地雷達(dá)對(duì)重慶一公路隧道二次襯砌混凝土進(jìn)行了檢測(cè)，根據(jù)其遭受病害的程度進(jìn)行了劣化等級(jí)評(píng)定。竇順等［4］采用模態(tài)分析法對(duì)隧道二次襯砌脫空程度進(jìn)行判定，為聲振法在二次襯砌質(zhì)量檢測(cè)中的運(yùn)用提供了理論依據(jù)。衛(wèi)敏等［5］采用專(zhuān)用激振裝置，以智能手機(jī)為數(shù)據(jù)采集、處理和分析平臺(tái)，研發(fā)了隧道襯砌敲擊法檢測(cè)技術(shù)。尹濤等［6］基于探地雷達(dá)技術(shù)對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行F-K偏移處理，一定程度上還原了缺陷的實(shí)際形態(tài)，有效降低了二次襯砌缺陷解譯難度和檢測(cè)的誤判率。黃雄軍［7］針對(duì)隧道二次襯砌質(zhì)量問(wèn)題，對(duì)二次襯砌拉壓極限強(qiáng)度進(jìn)行研究，提出了二次襯砌安全評(píng)價(jià)方法。董武［8］采用數(shù)值模擬方法對(duì)富水區(qū)隧道二次襯砌混凝土施工冷縫引起的質(zhì)量破壞進(jìn)行研究，分析了富水環(huán)境下二次襯砌的劣化機(jī)理。這些研究對(duì)于改善隧道二次襯砌質(zhì)量具有重要意義。

本文針對(duì)太子城—錫林浩特鐵路太子城至崇禮段（簡(jiǎn)稱(chēng)太錫鐵路太崇段）崇禮隧道出口段施工質(zhì)量檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行成因分析，根據(jù)各因素影響程度提出改進(jìn)措施，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)驗(yàn)證其改進(jìn)效果。

1 工程概況

太錫鐵路太崇段位于河北省張家口市崇禮區(qū)境內(nèi)，大致呈南北走向，全長(zhǎng)15.865 km。共2座隧道（崇禮隧道、和平隧道），均為設(shè)計(jì)時(shí)速160 km的單線隧道，總長(zhǎng)14.434 km。隧道斷面較?。▓D1），軌面以上凈空橫斷面面積為42.06 m2。

圖1 崇禮隧道斷面尺寸（單位：cm）

崇禮隧道總長(zhǎng)5.490 km，其中Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)圍巖段長(zhǎng)度分別為2.223、2.023、1.244 km。崇禮隧道出口段從上至下依次為新黃土、卵石土、斜長(zhǎng)片麻巖，巖土較破碎，圍巖穩(wěn)定性極差，主要為Ⅳ級(jí)圍巖。出口段地表植被發(fā)育，自然坡度8°～15°。隧道拱頂至地表約23 m。該段地下水主要為第四系孔隙潛水及基巖裂隙水。

2 二次襯砌檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)及施工現(xiàn)狀調(diào)查

2.1 檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

二次襯砌厚度檢測(cè)在混凝土澆筑完成并滿(mǎn)足齡期要求后進(jìn)行。崇禮隧道出口段二次襯砌厚度檢測(cè)主要采用地質(zhì)雷達(dá)法，即以寬頻帶短脈沖的形式，從地面通過(guò)900 MHz天線發(fā)射主頻75 MHz的電磁波至地下，經(jīng)地下目標(biāo)體或地層界面反射回到地面，被雷達(dá)天線接收。根據(jù)電磁波在介質(zhì)中的速度和雙程旅時(shí)計(jì)算襯砌厚度。各級(jí)圍巖不同部位混凝土設(shè)計(jì)厚度見(jiàn)表1。檢測(cè)厚度達(dá)到設(shè)計(jì)厚度為合格。

表1 各級(jí)圍巖不同部位混凝土設(shè)計(jì)厚度 cm

2.2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果

對(duì)崇禮隧道DK62+310—DK62+710段二次襯砌厚度檢測(cè)了200處，共有48處不合格，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。其中，5處脫空，43處厚度不足。按缺陷所在部位劃分，拱頂左側(cè)13處，拱頂右側(cè)14處，拱腰中線（左右均包括）上方12處，拱腰中線下方9處。拱腰中線距隧道內(nèi)軌頂面2.8 m。拱頂及拱腰缺陷位置見(jiàn)圖2。

表2 DK62+310—DK62+710段二次襯砌厚度檢測(cè)結(jié)果

圖2 拱頂及拱腰缺陷位置示意（單位：cm）

3 二次襯砌厚度不足原因分析及改進(jìn)措施

3.1 原因分析

通過(guò)對(duì)隧道施工段二次襯砌厚度進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)檢測(cè)合格率僅為73.5%。對(duì)缺陷部位二次襯砌厚度不足的原因進(jìn)行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)主要原因?yàn)槎我r砌臺(tái)車(chē)組裝及定位不準(zhǔn)確、支護(hù)結(jié)構(gòu)防水板背后脫空、掌子面欠挖、初期支護(hù)不平整導(dǎo)致欠挖、混凝土質(zhì)量不良等。各因素在總體質(zhì)量問(wèn)題中的占比分別為0.05%、9.40%、3.80%、81.15%、5.60%?？梢?jiàn)，初期支護(hù)不平整導(dǎo)致的欠挖是影響二次襯砌厚度不足的主要原因。

從人員、機(jī)械、物料、施工方法、施工環(huán)境、測(cè)量方式六個(gè)方面分析隧道初期支護(hù)不平整的誘因，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 初期支護(hù)不平整的誘因

3.2 改進(jìn)措施

針對(duì)各種誘因分別采取改進(jìn)措施。①人員：施工前進(jìn)行技術(shù)交底，作業(yè)人員了解施工質(zhì)量要求，掌子面鉆爆開(kāi)挖時(shí)打孔位置及裝藥量嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行。②機(jī)械：采用新的濕噴機(jī)械手。③物料：嚴(yán)格控制混凝土工作性能，保證混凝土噴射均勻。④施工方法：對(duì)施工人員定期進(jìn)行培訓(xùn)，使其熟練掌握各道工序，并嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行。⑤施工環(huán)境：隧道內(nèi)補(bǔ)充照明設(shè)備，保證照明完全滿(mǎn)足正常施工要求。⑥測(cè)量方法：初期支護(hù)斷面采用光電斷面掃描儀測(cè)量時(shí)測(cè)點(diǎn)間距較大，數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，對(duì)斷面超（欠）挖的測(cè)量精度較低，因此現(xiàn)場(chǎng)改用更高精度的測(cè)量?jī)x器。

3.3 斷面復(fù)測(cè)方式優(yōu)化

三維激光掃描儀、光電斷面掃描儀性能對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 兩種掃描儀性能對(duì)比

從表3可以看出，三維激光掃描儀具有精度高、測(cè)量快的優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)對(duì)比、分析和測(cè)試發(fā)現(xiàn)：①三維激光掃描儀可一站掃描60 m，大大提高工作效率，而光電斷面掃描儀測(cè)一個(gè)斷面就需架設(shè)一次工作站，施工速率慢。②所需人員較少，有效節(jié)約成本。③三維激光掃描儀數(shù)據(jù)可批處理，可設(shè)定斷面間隔，展示斷面超（欠）挖分析圖，而光電斷面掃描儀只能展示單個(gè)斷面圖。④三維激光掃描儀測(cè)點(diǎn)間距較小，采用三角網(wǎng)算法處理斷面數(shù)據(jù)，計(jì)算的面積比較準(zhǔn)確；光電斷面掃描儀采用平滑算法處理斷面數(shù)據(jù)，當(dāng)測(cè)點(diǎn)間距過(guò)大時(shí)掃描面積與實(shí)際面積相差較大。⑤三維激光掃描儀采集所得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)較密集，數(shù)據(jù)隨機(jī)性較?。欢捎霉怆姅嗝鎾呙鑳x采集數(shù)據(jù)時(shí)測(cè)點(diǎn)間距過(guò)大，導(dǎo)致所采集的數(shù)據(jù)存在一定偶然性。

結(jié)合兩種掃描儀的工作性能和工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，決定采用三維激光掃描儀代替光電斷面掃描儀。二次襯砌混凝土澆筑前，采用三維激光掃描儀測(cè)量初期支護(hù)斷面，測(cè)量結(jié)果及時(shí)校驗(yàn)，對(duì)欠挖部位精準(zhǔn)鑿除，然后進(jìn)行復(fù)測(cè)，直至該斷面無(wú)欠挖部位方可澆筑。

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施效果

通過(guò)對(duì)隧道初期支護(hù)不平整的6種誘因采取相應(yīng)的改進(jìn)措施后，2020年10月對(duì)DK62+720—DK62+840段隧道二次襯砌厚度檢測(cè)60次，結(jié)果見(jiàn)表4。僅有4處脫空，2處厚度不足。拱頂左側(cè)全部全格。

表4 DK62+720—DK62+840段二次襯砌厚度檢測(cè)結(jié)果

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)嚴(yán)格把控施工質(zhì)量，每周定期對(duì)檢測(cè)情況進(jìn)行總結(jié)，隧道二次襯砌厚度檢測(cè)合格率由78.0%提高到96.7%。隧道二次襯砌厚度不足在總質(zhì)量缺陷中的占比由89.5%降到33.3%，由主要問(wèn)題變成了一般問(wèn)題。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)太錫鐵路太崇段崇禮隧道質(zhì)量檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的二次襯砌厚度不足、背后脫空、混凝土不密實(shí)等問(wèn)題進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)二次襯砌厚度不足主要因初期支護(hù)不平整引起，而導(dǎo)致初期支護(hù)不平整的重要原因是初期支護(hù)斷面檢測(cè)間距較大。因此，建議二次襯砌混凝土澆筑前采用三維激光掃描儀代替光電斷面掃描儀測(cè)量初期支護(hù)斷面，對(duì)發(fā)現(xiàn)的欠挖部位精準(zhǔn)鑿除后復(fù)測(cè)，直至該斷面無(wú)欠挖部位方可澆筑。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，采取措施后二次襯砌厚度檢測(cè)合格率由78.0%提升至96.7%。該措施有效可行，可供以后鐵路隧道二次襯砌質(zhì)量控制借鑒。