市政隧道二襯拱頂脫空預防措施
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摘要：隧道二襯拱頂脫空造成襯砌受力形式變化，極大影響隧道質量和安全運營，是隧道工程中的常見質量隱患之一，如何有效控制二襯拱頂脫空成為控制隧道施工質量的關鍵。結合揚子山隧道二襯施工，分析了隧道拱頂脫空產生的原因，采用過程控制、掃描及相關監測手段，有效預防隧道二襯拱頂脫空問題的產生，取得了良好的施工效果。
隧道復合式襯砌結構基本遵循新奧法設計理念，達到襯砌結構、初支體系及圍巖共同承載[1]。但施工過程中，二襯拱頂出現不同程度的空洞現象，這種現象往往非人為原因，主要由施工工藝本身及施工過程中預判程度不足造成的。若襯砌背后出現脫空現象，將削弱其支護強度，改變襯砌結構受力形式，造成應力集中，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，在隧道工程發展過程中，開展了許多相關的設計施工措施，但隧道二襯拱頂脫空現象仍無法從根本上杜絕。因此，通過提升切實可行的工程對策，預防隧道二襯拱頂脫空現象的發生，對提高隧道工程施工質量具有重要意義。
1項目概況
某工程項目揚子山隧道建設標準為城市主干路，設計速度50km/h，為左右分離式隧道，雙洞暗洞全長1050m。隧道襯砌類型為復合式襯砌，初期支護采用“鋼錨噴”支護體系，二襯為鋼筋混凝土結構，利用專用襯砌臺車組織施工，臺車長度10m。不同高度范圍內設置共計28個500mm×500mm工作窗，拱頂均布設置3個Φ125mm混凝土澆注孔。
2成因分析
該項目二襯從出口向進口段澆筑，縱坡為人字坡。為避免拱頂下沉發生侵線，初支施工時，根據經驗均會不同程度地預留沉降量。但沉降量具體能達到多少，往往很難預估，必然造成凈空混凝土量無法精確計算。防水板施工時，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束時機把握度大大降低，二襯拱頂脫空現象就會高頻率的出現，成為隧道施工過程中難以避免的質量通病，后患無窮。
3防制措施
二襯拱頂脫空的出現是多方面原因綜合造成的，施工時必須把控每個環節。通過初支平整度及防水板鋪設控制、二襯混凝土方量精確計算、二襯混凝土澆筑措施及隧道拱頂防脫空預警技術等方面的研究，盡可能預防隧道二襯拱頂脫空現象的發生[2]。
3.1初支平整度及防水板鋪設控制
噴射混凝土前，對鋼架安裝精確度進行控制，便于以鋼架為基準面進行噴射施工。噴射作業好壞與噴漿手操作水平高低有很大關系，必須安排很有經驗且有責任心的人擔任。噴漿作業時，必須保證風壓穩定，且噴漿頭與受噴面保持適當距離，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、自下而上的方式進行。噴漿要覆蓋拱架，多余料及時刮平避免鼓包，凹陷處以兩側為基準補平。對于拱腳部位要著重處理，避免凝固導致大面積鼓包現象發生。防水板鋪設時，根據初支平整度情況靈活調整松弛度，寧松勿緊[3]。合理控制熱熔墊片固定點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算
出現二襯拱頂脫空的最直接原因是施工混凝土方量未達到設計方量。實際設計方量因在設計斷面的基礎上進行放大，加上施工誤差，傳統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算。這種混凝土方量控制在施工中對預防二襯拱頂脫空的作用就會大打折扣。為精確計算二襯設計混凝土方量，通過引入三維激光掃測技術，以降低隧道二襯拱頂出現脫空的概率。應用三維激光掃描儀，可以掃測出初支斷面和二襯臺車襯板斷面，通過專用軟件，將兩個斷面進行相減，可以準確算出二襯混凝土用量，指導現場二襯施工，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弧，形成初支斷面和二襯(已澆筑)端頭掃測圖。掃測點的密度可按需設置，該項目掃測點密度為3mm×3mm。然后在二襯模板安裝驗收合格后，掃測二襯模板端頭，形成二襯襯板內側掃測面。數據掃描完成后，導入徠卡Modelspace軟件進行預處理，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入徠卡監測系統專用軟件，進行斷面對比，生成超挖量，即該斷面計算混凝土澆筑量。通過軟件對比初支和二襯斷面，可準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）。而按照傳統通過量測二襯端頭厚度計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，更能全面體現二襯澆筑空間狀態，可避免因誤判造成混凝土澆筑不飽滿。經三維激光專用軟件準確算得擬澆筑混凝土用量后，通知商混站按照所需量進行混凝土拌制，現場澆筑混凝土時，嚴格按照計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，不出現下沉。傳統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，造成拱部出現空洞，而在下沉幅度很小的情況下不易察覺，整改隱患發生概率極大。基于此，改進隧道臺車在常規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，達到剛性支撐的目的,且實現全自動行走，提高施工效率。（2）適當的混凝土坍落度。二襯拱部橫向坡度較小，特別是該項目拱頂范圍約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散不足而造成局部脫空隱患。因此，當進行二襯拱部混凝土澆筑時，在保證混凝土強度的前提下，應適當提高混凝土坍落度，提高流動性，以刮于混凝土擴散至拱部每個部分，降低產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，需嚴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。封頂灌注利用拱頂3個Φ125mm泵送孔，在堵頭模板拱頂部位預留空隙作為排氣兼觀測孔，若觀測孔漿液溢流由稀變濃，及時進行模板封堵，待穩 壓灌注1min后，結束灌注。
3.4防脫空預警技術
防脫空預警技術利用液位繼電器工作原理，并輔助配置聲光報警裝置，對二襯拱頂混凝土灌注狀態進行預警。使用時，當襯砌混凝土澆筑至拱頂最高點時，因混凝土為帶水導電材料，最高點電極和與臺車型鋼（導電）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警器報警[2]，從而提醒作業人員判定混凝土澆筑結束時機。防脫空裝置主要由地極探頭、導線、配電箱組成。安裝時，從隧道洞內二級配電箱接線至預警裝置配電箱，接通電源。用導線從預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線作為探頭端，導線的另一頭剝離絕緣皮約5cm作為電極點分別固定到拱頂相應的位置，安裝電極時切忌和鋼筋接觸。探頭端導線用鋼筋頂在拱頂防水板面上，并采取加固措施防止澆筑混凝土時發生位移，以免造成防脫空裝置誤報警。臺車防脫空監控器安裝完成并經性能檢查后，可以進行二襯混凝土入模澆筑。澆筑過程注意觀察混凝土入模數量，當快填充至拱頂時，通過防脫空裝置的配電箱報警開關判斷拱頂混凝土澆筑情況。當某一個注滿提示燈變亮時，表示該點混凝土已澆筑到位；注滿提示燈全部亮時，表示該斷面混凝土已澆筑到位；未滿提示燈一直亮時，提示需繼續澆筑混凝土。防脫空預警裝置安裝便捷，操作簡單，且能較準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，有效預防襯砌背后脫空問題。
4應用效果
該項目施工過程中，嚴格執行上述防脫空預防措施，經業主委托第三方檢測單位對已施工完成的襯砌進行雷達掃測，檢測密實度狀況，隧道二襯掃測成果匯總表見表1。結果顯示，襯砌背后沒有出現脫空，襯砌質量良好，實現了對隧道脫空情況的有效控制。
5結語
面對隧道襯砌拱頂脫空這一施工普遍的難點，從初支平整度及防水板鋪設、二襯混凝土量精確計算、二襯混凝土澆筑、防脫空預警技術等4個方面提出針對性的技術防治措施，并通過現場實踐，有效地防制隧道拱頂脫空問題，提高了施工質量，保障隧道后期安全營運。從中得出4點結論，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，為防水板的鋪設提供良好的基面，并在鋪設防水板時適當控制松緊度，梅花形熱熔墊片固定，防止混凝土澆筑過程發生滑動，可以有效防止二襯拱頂脫空的產生。（2）三維激光掃描技術實現對斷面的立體測量，可以準確計算二襯混凝土填充量，避免傳統方法計算造成的誤差，有效指導控制現場混凝土入模量，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生下沉，造成拱頂脫空；同時由于拱部混凝土不易流動，可適當提高混凝土坍落度，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，降低二襯拱頂脫空的產生。（4）采用防脫空預警技術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生。各種監控措施很大程度上降低了二襯拱頂脫空發生的概率，但施工過程中，因工人操作水平及責任心問題，脫空問題時有發生，可通過拱頂回填注漿及鉆孔注漿進行處理，但無形中增加了成本及處理難度。因此，預防脫空才是解決問題的主最好方法，在施工過程中，對各工序工藝及質量把控中將顯得尤為重要。
參考文獻
[1]袁仲輝，周光書.淺析高鐵隧道的拱頂脫空防治技術[J].中小企業管理與科技(中旬刊),2020（2）:160-161.
[2]李良平，熊衛士，劉彬，等.二襯臺車防脫空監控器預防拱頂脫空技術研究[J].重慶建筑，2020（1）:61-63.
[3]譚文.隧道襯砌防脫空預警監控新技術研究與應用[J].現在隧道技術，2020（3）:199-203.
作者：許永松 單位：中交上航(福建)交通建設工程有限公司
