隧道拱顶脱空质量控制探讨邹传

隧道拱顶脱空质量控制探讨邹传
发布时间：2021-11-01T12:37:45.970Z 来源：《基层建设》2021年第19期作者：邹传
[导读] 隧道复合式衬砌结构基本遵循新奥法设计理念，达到衬砌结构、初支体系及围岩共同承载
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摘要：隧道复合式衬砌结构基本遵循新奥法设计理念，达到衬砌结构、初支体系及围岩共同承载。

但施工过程中，二衬拱顶出现不同程度的空洞现象，这种现象往往非人为原因，主要由施工工艺本身及施工过程中预判程度不足造成的。

若衬砌背后出现脱空现象，将削弱其支护强度，改变衬砌结构受力形式，造成应力集中，使衬砌局部受力加大，对工程造成极大的安全隐患。

为克服隧道二衬拱顶脱空问题，在隧道工程发展过程中，开展了许多相关的设计施工措施，但隧道二衬拱顶脱空现象仍无法从根本上杜绝。

因此，通过提升切实可行的工程对策，预防隧道二衬拱顶脱空现象的发生，对提高隧道工程施工质量具有重要意义。

关键词：隧道；拱顶脱空；质量控制
1工程实例
某高速公路，设计时速为80km/h，双向四车道。

其中阿坞隧道为一穿越山体的分离式越岭短隧道，左线长448米，右线长461米，隧道最大埋深约87米。

哈达铺隧道为一穿越山体的分离式越岭长隧道，左线长1049米，右线长1062米，隧道最大埋深约153米，全隧设计均为Ⅴ级围岩，两隧道均采用浅埋暗挖法与新奥法联合施工，在施工过程中，采用雷达检测衬砌时，发现个别拱顶部位存在背后脱空现象。

2成因分析
该项目二衬从出口向进口段浇筑，纵坡为人字坡。

为避免拱顶下沉发生侵线，初支施工时，根据经验均会不同程度地预留沉降量。

但沉降量具体能达到多少，往往很难预估，必然造成净空混凝土量无法精确计算。

防水板施工时，因初支平整度存在差异，防水板松弛度的不同往往为拱顶出现脱空留下施工隐患；大断面隧道，因拱顶部位的横向坡度趋于平缓，混凝土流动性大打折扣，工人对混凝土灌注结束时机把握度大大降低，二衬拱顶脱空现象就会高频率的出现，成为隧道施工过程中难以避免的质量通病，后患无穷。

3隧道拱顶脱空防治措施
3.1初支拱顶脱空防止措施
加强开挖控制，从源头上控制混凝土超耗量，提高工效，杜绝人为原因造成空洞；黄土隧道采用机械人工相结合开挖方式，尽量减少对围岩扰动，开挖后及时封闭，防止围岩失稳掉块；石质隧道采用聚能水压爆破、光面爆破，减少对围岩扰动，减少超挖量。

在易发生掉块、坍塌等围岩较差段落施工时，减少开挖进尺，避免因开挖进尺过大，造成拱顶大面积超挖。

加强超前支护，针对掌子面开挖揭示围岩情况，于拱顶或拱腰顺层易掉块位置，采取双层超前小导管进行超前支护，减小超挖现象。

防水板铺挂之前，采用雷达扫描探测结合风枪打孔验证的方式，对钢架背面初支空洞进行排查，对小型空洞采取打孔注浆方式进行回填处理，对大型空洞采取开孔预埋泵送管，采用同等级混凝土进行回填处理。

3.2二衬混凝土方量精确计算
出现二衬拱顶脱空的最直接原因是施工混凝土方量未达到设计方量。

实际设计方量因在设计断面的基础上进行放大，加上施工误差，传统测量二衬混凝土方量因初支平整度的误差按照0.5m、1.0m、2.0m的间距断面核算，很难从根本上精确计算。

这种混凝土方量控制在施工中对预防二衬拱顶脱空的作用就会大打折扣。

为精确计算二衬设计混凝土方量，通过引入三维激光扫测技术，以降低隧道二衬拱顶出现脱空的概率。

该项目使用徕卡ScanStationP30/P40新一代超高速三维激光扫描仪。

首先在二衬衬砌施工前，通过三维激光扫描仪扫测拟施工段左洞X1K0+465～X1K0+475的初支断面和相邻段已浇筑完成的二衬衬砌端头内弧，形成初支断面和二衬(已浇筑)端头扫测图。

扫测点的密度可按需设置，该项目扫测点密度为3mm×3mm。

然后在二衬模板安装验收合格后，扫测二衬模板端头，形成二衬衬板内侧扫测面。

数据扫描完成后，导入徕卡Modelspace软件进行预处理，形成三维扫测图。

最后再将处理后的初支断面扫测图与二衬衬板扫测图导入徕卡监测系统专用软件，进行断面对比，生成超挖量，即该断面计算混凝土浇筑量。

3.3加强防水板铺设质量
防水板铺设的紧密性也是二次衬砌后出现空洞的原因。

如果铺设太松，防水板容易形成褶皱，局部会形成凸起；如果铺设太紧，防水板容易开裂，失去防水功能，或在防水板后面形成空腔，造成空腔。

防水板和塑料垫片选用不同颜色，以提高塑料垫片的识别性，保证连接质量和数量。

本工程防水板铺设红外激光定位装置，热熔垫片定位快速准确；防水板采用超声波热熔焊机焊接。

焊接时采用超声波焊机
焊接防水板，热熔垫圈与防水板焊接牢固，以克服漏焊、脱焊现象。

通过现场试验和分析，当超声波焊机频率达到20kHz时，垂直焊接2.5-3.5s效果最好。

防水板应从拱向两侧铺设。

实际铺设长度与初始支护基础表面弧长之比应控制在10:8，密封性应适当。

拱内焊点间距不大于0.5m。

防水板焊接部位应加密固定。

3.4二次衬砌混凝土浇筑控制措施
（1）改进小车行走方式。

二次衬砌拱顶防脱空的前提是模板台车加固牢固，不下沉。

传统手推车大多采用方木垫轨道行走方式。

这种小车行走方式容易出现方木腐朽、钢筋不足等现象，导致二次衬砌混凝土在浇筑过程中和背景车下沉，导致拱内出现空洞，下沉范围很小时不易发现，隐患整改概率很高。

在此基础上，改进了隧道台车在传统方木支撑垫上的轨道行走方式，并采用液压自走方式对台车进行定位加固，以达到刚性支撑的目的，实现全自动行走，提高施工效率。

（2）适当的混凝土坍落度。

二次衬砌拱横坡较小，特别是本工程拱顶范围约为4.8m。

与侧墙垂直浇筑混凝土的方法相比，拱顶混凝土的横坡平缓。

此外，二次衬砌周向、纵向和箍筋的布置也在一定程度上阻碍了混凝土的流动，容易因混凝土流动和扩散不足而造成局部空洞隐患。

因此，在浇筑二次衬砌拱混凝土时，在保证混凝土强度的前提下，适当提高混凝土的坍落度和流动性，将混凝土分散到拱的各个部位，降低二次衬砌拱顶脱空的概率。

（3）浇注和振动控制。

二次衬砌拱混凝土浇筑过程中，严格控制浇筑顺序和振捣过程，以利于混凝土排尽，充分振捣密实。

125mm泵送孔采用三拱顶加盖灌浆Φ，塞模顶部留有间隙作为排气观察孔。

观察孔泥浆溢流由稀变厚时，应及时封堵模板。

灌浆应在稳压灌浆1min 后完成。

3.5加强衬砌拱顶灌浆
为消除混凝土终凝引起的收缩小空洞，采用二次衬砌加模板灌浆；二次衬砌台车拱顶（9m）设3个灌浆孔，灌浆按隧道线路纵坡由下至上依次进行。

控制水料比为0.2，观察端模灌浆情况，或当压力超过1.0MPa时，换到下一孔继续灌浆。

灌浆管采用RPC灌浆管，在衬砌混凝土浇筑过程中起排气作用。

混凝土浇筑完成后，用作灌浆管，减少衬砌台车拱顶预留导风管数量；小车定位固定后，安装排气管（RPC灌浆管）。

顶部管口应靠近防水板。

顶部管口应设置深度和宽度为10-20mm的U形泥浆溢流槽，下部管口应通过法兰或螺纹连接。

(1)具有较高的强度，能够顶紧防水板，不被混凝土挤压这段，同时在脱模时，可以直接敲击拆除，无须电焊或切割，不影响预埋管周边的混凝土，使用非常方便。

(2)RPC管相比与PVC管、钢管更适于台车带模注浆工艺，与衬砌混凝土粘结性能更好。

(3)RPC注浆管施工工艺
并固定锚固筑拱顶混凝土从端头预留观察口观察拱顶混凝土浇筑情况，看不到的采用预埋管溢浆判断拱顶内部混凝土饱满程度。

注浆材料采用专用衬砌微膨胀注浆结合料，该材料具有良好的流动性，能够沿着混凝土与防水板之间的间隙流动；塑性微膨胀性能，在初凝前具有较好的膨胀性，膨胀率0.3-2%。

抗裂性能好，能局部代替混凝土；粘结性好，能够与混凝土有效粘结。

结论
隧道拱顶脱空是隧道施工存在的质量通病，通过对施工工艺的改进与优化，新材料与新工艺的引进，强化现场施工质量的控制，达到减少或消除拱顶背后空洞、提升隧道施工质量的目的具有很重要的意义。

参考文献
[1]王义东.隧道衬砌拱顶脱空原因分析和处理及防治[J].科技与创新,2019,(09):142-143.
[2]江星宏,闫明超,曾鹏等.高铁隧道复合衬砌脱空统计分析与防治[J].华东交通大学学报,2019,32(06):8-13.。