市政隧道二襯拱頂脫空預(yù)防措施

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摘要：隧道二襯拱頂脫空造成襯砌受力形式變化，極大影響隧道質(zhì)量和安全運(yùn)營，是隧道工程中的常見質(zhì)量隱患之一，如何有效控制二襯拱頂脫空成為控制隧道施工質(zhì)量的關(guān)鍵。結(jié)合揚(yáng)子山隧道二襯施工，分析了隧道拱頂脫空產(chǎn)生的原因，采用過程控制、掃描及相關(guān)監(jiān)測手段，有效預(yù)防隧道二襯拱頂脫空問題的產(chǎn)生，取得了良好的施工效果。

關(guān)鍵詞：市政隧道；拱頂；掃描；監(jiān)測；技術(shù)

隧道復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)基本遵循新奧法設(shè)計(jì)理念，達(dá)到襯砌結(jié)構(gòu)、初支體系及圍巖共同承載[1]。但施工過程中，二襯拱頂出現(xiàn)不同程度的空洞現(xiàn)象，這種現(xiàn)象往往非人為原因，主要由施工工藝本身及施工過程中預(yù)判程度不足造成的。若襯砌背后出現(xiàn)脫空現(xiàn)象，將削弱其支護(hù)強(qiáng)度，改變襯砌結(jié)構(gòu)受力形式，造成應(yīng)力集中，使襯砌局部受力加大，對工程造成極大的安全隱患。為克服隧道二襯拱頂脫空問題，在隧道工程發(fā)展過程中，開展了許多相關(guān)的設(shè)計(jì)施工措施，但隧道二襯拱頂脫空現(xiàn)象仍無法從根本上杜絕。因此，通過提升切實(shí)可行的工程對策，預(yù)防隧道二襯拱頂脫空現(xiàn)象的發(fā)生，對提高隧道工程施工質(zhì)量具有重要意義。

1項(xiàng)目概況

某工程項(xiàng)目揚(yáng)子山隧道建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為城市主干路，設(shè)計(jì)速度50km/h，為左右分離式隧道，雙洞暗洞全長1050m。隧道襯砌類型為復(fù)合式襯砌，初期支護(hù)采用“鋼錨噴”支護(hù)體系，二襯為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，利用專用襯砌臺車組織施工，臺車長度10m。不同高度范圍內(nèi)設(shè)置共計(jì)28個(gè)500mm×500mm工作窗，拱頂均布設(shè)置3個(gè)Φ125mm混凝土澆注孔。

2成因分析

該項(xiàng)目二襯從出口向進(jìn)口段澆筑，縱坡為人字坡。為避免拱頂下沉發(fā)生侵線，初支施工時(shí)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)均會不同程度地預(yù)留沉降量。但沉降量具體能達(dá)到多少，往往很難預(yù)估，必然造成凈空混凝土量無法精確計(jì)算。防水板施工時(shí)，因初支平整度存在差異，防水板松弛度的不同往往為拱頂出現(xiàn)脫空留下施工隱患；大斷面隧道，因拱頂部位的橫向坡度趨于平緩，混凝土流動性大打折扣，工人對混凝土灌注結(jié)束時(shí)機(jī)把握度大大降低，二襯拱頂脫空現(xiàn)象就會高頻率的出現(xiàn)，成為隧道施工過程中難以避免的質(zhì)量通病，后患無窮。

3防制措施

二襯拱頂脫空的出現(xiàn)是多方面原因綜合造成的，施工時(shí)必須把控每個(gè)環(huán)節(jié)。通過初支平整度及防水板鋪設(shè)控制、二襯混凝土方量精確計(jì)算、二襯混凝土澆筑措施及隧道拱頂防脫空預(yù)警技術(shù)等方面的研究，盡可能預(yù)防隧道二襯拱頂脫空現(xiàn)象的發(fā)生[2]。

3.1初支平整度及防水板鋪設(shè)控制

噴射混凝土前，對鋼架安裝精確度進(jìn)行控制，便于以鋼架為基準(zhǔn)面進(jìn)行噴射施工。噴射作業(yè)好壞與噴漿手操作水平高低有很大關(guān)系，必須安排很有經(jīng)驗(yàn)且有責(zé)任心的人擔(dān)任。噴漿作業(yè)時(shí)，必須保證風(fēng)壓穩(wěn)定，且噴漿頭與受噴面保持適當(dāng)距離，控制在1.0～1.5m，噴漿頭角度盡量接近90°；噴漿按照分段分片、自下而上的方式進(jìn)行。噴漿要覆蓋拱架，多余料及時(shí)刮平避免鼓包，凹陷處以兩側(cè)為基準(zhǔn)補(bǔ)平。對于拱腳部位要著重處理，避免凝固導(dǎo)致大面積鼓包現(xiàn)象發(fā)生。防水板鋪設(shè)時(shí)，根據(jù)初支平整度情況靈活調(diào)整松弛度，寧松勿緊[3]。合理控制熱熔墊片固定點(diǎn)的間距并呈梅花形排列，防止在澆筑過程受下部混凝土“拉拽”的影響，使拱部的防水板緊繃脫離初支基面,形成空洞，造成拱頂脫空，如圖1所示。

3.2二襯混凝土方量精確計(jì)算

出現(xiàn)二襯拱頂脫空的最直接原因是施工混凝土方量未達(dá)到設(shè)計(jì)方量。實(shí)際設(shè)計(jì)方量因在設(shè)計(jì)斷面的基礎(chǔ)上進(jìn)行放大，加上施工誤差，傳統(tǒng)測量二襯混凝土方量因初支平整度的誤差按照0.5m、1.0m、2.0m的間距斷面核算，很難從根本上精確計(jì)算。這種混凝土方量控制在施工中對預(yù)防二襯拱頂脫空的作用就會大打折扣。為精確計(jì)算二襯設(shè)計(jì)混凝土方量，通過引入三維激光掃測技術(shù)，以降低隧道二襯拱頂出現(xiàn)脫空的概率。應(yīng)用三維激光掃描儀，可以掃測出初支斷面和二襯臺車襯板斷面，通過專用軟件，將兩個(gè)斷面進(jìn)行相減，可以準(zhǔn)確算出二襯混凝土用量，指導(dǎo)現(xiàn)場二襯施工，有效避免因誤判造成二襯拱頂澆筑不飽滿的情況。該項(xiàng)目使用徠卡ScanStationP30/P40新一代超高速三維激光掃描儀。首先在二襯襯砌施工前，通過三維激光掃描儀掃測擬施工段左洞X1K0+465～X1K0+475的初支斷面和相鄰段已澆筑完成的二襯襯砌端頭內(nèi)弧，形成初支斷面和二襯(已澆筑)端頭掃測圖。掃測點(diǎn)的密度可按需設(shè)置，該項(xiàng)目掃測點(diǎn)密度為3mm×3mm。然后在二襯模板安裝驗(yàn)收合格后，掃測二襯模板端頭，形成二襯襯板內(nèi)側(cè)掃測面。數(shù)據(jù)掃描完成后，導(dǎo)入徠卡Modelspace軟件進(jìn)行預(yù)處理，形成三維掃測圖，如圖2所示。最后再將處理后的初支斷面掃測圖與二襯襯板掃測圖導(dǎo)入徠卡監(jiān)測系統(tǒng)專用軟件，進(jìn)行斷面對比，生成超挖量，即該斷面計(jì)算混凝土澆筑量。通過軟件對比初支和二襯斷面，可準(zhǔn)確確定該段二襯澆筑混凝土需用量為159.36m3，按照50cm間距生成斷面對比成果圖（如圖3所示）。而按照傳統(tǒng)通過量測二襯端頭厚度計(jì)算所需澆筑混凝土用量的方法，算得該段二襯澆筑混凝土用量為158.6m3，兩者相差0.76m3。可見，通過三維激光掃測，更能全面體現(xiàn)二襯澆筑空間狀態(tài)，可避免因誤判造成混凝土澆筑不飽滿。經(jīng)三維激光專用軟件準(zhǔn)確算得擬澆筑混凝土用量后，通知商混站按照所需量進(jìn)行混凝土拌制，現(xiàn)場澆筑混凝土?xí)r，嚴(yán)格按照計(jì)算量控制混凝土入模量，提高混凝土的飽滿度，有效降低二襯拱頂脫空隱患。

3.3二襯混凝土澆筑控制措施

（1）改進(jìn)臺車行走方式。二襯拱頂防脫空的前提是模板臺車加固牢固，不出現(xiàn)下沉。傳統(tǒng)臺車大部分采用方木支墊軌道式行走方式，這種臺車行走方式易出現(xiàn)方木腐爛加固不到位，造成二襯混凝土在澆筑過程中及過程后臺車下沉，造成拱部出現(xiàn)空洞，而在下沉幅度很小的情況下不易察覺，整改隱患發(fā)生概率極大?；诖耍倪M(jìn)隧道臺車在常規(guī)方木支墊軌道式行走方式，通過液壓自行走方式對臺車定位加固，達(dá)到剛性支撐的目的,且實(shí)現(xiàn)全自動行走，提高施工效率。（2）適當(dāng)?shù)幕炷撂涠取６r拱部橫向坡度較小，特別是該項(xiàng)目拱頂范圍約4.8m，相比邊墻部位混凝土垂直灌注的方式，拱頂混凝土橫坡平緩，加上二襯環(huán)向、縱向及箍筋的布置，也一定程度上阻礙了混凝土的流動，容易因混凝土流動擴(kuò)散不足而造成局部脫空隱患。因此，當(dāng)進(jìn)行二襯拱部混凝土澆筑時(shí)，在保證混凝土強(qiáng)度的前提下，應(yīng)適當(dāng)提高混凝土坍落度，提高流動性，以刮于混凝土擴(kuò)散至拱部每個(gè)部分，降低產(chǎn)生二襯拱頂脫空的概率。（3）灌注與振搗控制。二襯拱部混凝土澆筑時(shí)，需嚴(yán)格控制灌注順序和振搗工藝，以利于混凝土排氣和充分振搗密實(shí)。封頂灌注利用拱頂3個(gè)Φ125mm泵送孔，在堵頭模板拱頂部位預(yù)留空隙作為排氣兼觀測孔，若觀測孔漿液溢流由稀變濃，及時(shí)進(jìn)行模板封堵，待穩(wěn) 壓灌注1min后，結(jié)束灌注。

3.4防脫空預(yù)警技術(shù)

防脫空預(yù)警技術(shù)利用液位繼電器工作原理，并輔助配置聲光報(bào)警裝置，對二襯拱頂混凝土灌注狀態(tài)進(jìn)行預(yù)警。使用時(shí)，當(dāng)襯砌混凝土澆筑至拱頂最高點(diǎn)時(shí)，因混凝土為帶水導(dǎo)電材料，最高點(diǎn)電極和與臺車型鋼（導(dǎo)電）立柱相連的電極接通，液位繼電器工作，控制繼電器線圈使聲光報(bào)警器報(bào)警[2]，從而提醒作業(yè)人員判定混凝土澆筑結(jié)束時(shí)機(jī)。防脫空裝置主要由地極探頭、導(dǎo)線、配電箱組成。安裝時(shí)，從隧道洞內(nèi)二級配電箱接線至預(yù)警裝置配電箱，接通電源。用導(dǎo)線從預(yù)警裝置配電箱公共端引出接到臺車立柱上，再從臺車探頭端子接出導(dǎo)線作為探頭端，導(dǎo)線的另一頭剝離絕緣皮約5cm作為電極點(diǎn)分別固定到拱頂相應(yīng)的位置，安裝電極時(shí)切忌和鋼筋接觸。探頭端導(dǎo)線用鋼筋頂在拱頂防水板面上，并采取加固措施防止?jié)仓炷習(xí)r發(fā)生位移，以免造成防脫空裝置誤報(bào)警。臺車防脫空監(jiān)控器安裝完成并經(jīng)性能檢查后，可以進(jìn)行二襯混凝土入模澆筑。澆筑過程注意觀察混凝土入模數(shù)量，當(dāng)快填充至拱頂時(shí)，通過防脫空裝置的配電箱報(bào)警開關(guān)判斷拱頂混凝土澆筑情況。當(dāng)某一個(gè)注滿提示燈變亮?xí)r，表示該點(diǎn)混凝土已澆筑到位；注滿提示燈全部亮?xí)r，表示該斷面混凝土已澆筑到位；未滿提示燈一直亮?xí)r，提示需繼續(xù)澆筑混凝土。防脫空預(yù)警裝置安裝便捷，操作簡單，且能較準(zhǔn)確探測二襯臺車在拱頂是否澆筑滿混凝土，判定拱頂混凝土澆筑狀態(tài)，有效預(yù)防襯砌背后脫空問題。

4應(yīng)用效果

該項(xiàng)目施工過程中，嚴(yán)格執(zhí)行上述防脫空預(yù)防措施，經(jīng)業(yè)主委托第三方檢測單位對已施工完成的襯砌進(jìn)行雷達(dá)掃測，檢測密實(shí)度狀況，隧道二襯掃測成果匯總表見表1。結(jié)果顯示，襯砌背后沒有出現(xiàn)脫空，襯砌質(zhì)量良好，實(shí)現(xiàn)了對隧道脫空情況的有效控制。

5結(jié)語

面對隧道襯砌拱頂脫空這一施工普遍的難點(diǎn)，從初支平整度及防水板鋪設(shè)、二襯混凝土量精確計(jì)算、二襯混凝土澆筑、防脫空預(yù)警技術(shù)等4個(gè)方面提出針對性的技術(shù)防治措施，并通過現(xiàn)場實(shí)踐，有效地防制隧道拱頂脫空問題，提高了施工質(zhì)量，保障隧道后期安全營運(yùn)。從中得出4點(diǎn)結(jié)論，以期在其他類似隧道的二襯防脫空方面有所借鑒。（1）控制初支噴射混凝土的平整度的，為防水板的鋪設(shè)提供良好的基面，并在鋪設(shè)防水板時(shí)適當(dāng)控制松緊度，梅花形熱熔墊片固定，防止混凝土澆筑過程發(fā)生滑動，可以有效防止二襯拱頂脫空的產(chǎn)生。（2）三維激光掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)對斷面的立體測量，可以準(zhǔn)確計(jì)算二襯混凝土填充量，避免傳統(tǒng)方法計(jì)算造成的誤差，有效指導(dǎo)控制現(xiàn)場混凝土入模量，提高二襯混凝土澆筑飽滿度。（3）用自動行走液壓臺車代替枕木支墊軌道行走臺車，提高臺車整體剛度，防止混凝土澆筑后發(fā)生下沉，造成拱頂脫空；同時(shí)由于拱部混凝土不易流動，可適當(dāng)提高混凝土坍落度，從低往高灌注混凝土，減緩泵送速度，配合附著式振動器充分振搗密實(shí)，降低二襯拱頂脫空的產(chǎn)生。（4）采用防脫空預(yù)警技術(shù)將二襯拱頂澆筑混凝土“看不見的”問題化解成“看的見”的控制手段，以利于二襯拱頂混凝土澆筑控制，防止拱頂脫空問題的產(chǎn)生。各種監(jiān)控措施很大程度上降低了二襯拱頂脫空發(fā)生的概率，但施工過程中，因工人操作水平及責(zé)任心問題，脫空問題時(shí)有發(fā)生，可通過拱頂回填注漿及鉆孔注漿進(jìn)行處理，但無形中增加了成本及處理難度。因此，預(yù)防脫空才是解決問題的主最好方法，在施工過程中，對各工序工藝及質(zhì)量把控中將顯得尤為重要。

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作者：許永松 單位：中交上航(福建)交通建設(shè)工程有限公司