市政隧道二衬拱顶脱空预防措施

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摘要：隧道二衬拱顶脱空造成衬砌受力形式变化，极大影响隧道质量和安全运营，是隧道工程中的常见质量隐患之一，如何有效控制二衬拱顶脱空成为控制隧道施工质量的关键。结合扬子山隧道二衬施工，分析了隧道拱顶脱空产生的原因，采用过程控制、扫描及相关监测手段，有效预防隧道二衬拱顶脱空问题的产生，取得了良好的施工效果。

关键词：市政隧道；拱顶；扫描；监测；技术

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[1]。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。

1项目概况

某工程项目扬子山隧道建设标准为城市主干路，设计速度50km/h，为左右分离式隧道，双洞暗洞全长1050m。隧道衬砌类型为复合式衬砌，初期支护采用“钢锚喷”支护体系，二衬为钢筋混凝土结构，利用专用衬砌台车组织施工，台车长度10m。不同高度范围内设置共计28个500mm×500mm工作窗，拱顶均布设置3个Φ125mm混凝土浇注孔。

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防制措施

二衬拱顶脱空的出现是多方面原因综合造成的，施工时必须把控每个环节。通过初支平整度及防水板铺设控制、二衬混凝土方量精确计算、二衬混凝土浇筑措施及隧道拱顶防脱空预警技术等方面的研究，尽可能预防隧道二衬拱顶脱空现象的发生[2]。

3.1初支平整度及防水板铺设控制

喷射混凝土前，对钢架安装精确度进行控制，便于以钢架为基准面进行喷射施工。喷射作业好坏与喷浆手操作水平高低有很大关系，必须安排很有经验且有责任心的人担任。喷浆作业时，必须保证风压稳定，且喷浆头与受喷面保持适当距离，控制在1.0～1.5m，喷浆头角度尽量接近90°；喷浆按照分段分片、自下而上的方式进行。喷浆要覆盖拱架，多余料及时刮平避免鼓包，凹陷处以两侧为基准补平。对于拱脚部位要着重处理，避免凝固导致大面积鼓包现象发生。防水板铺设时，根据初支平整度情况灵活调整松弛度，宁松勿紧[3]。合理控制热熔垫片固定点的间距并呈梅花形排列，防止在浇筑过程受下部混凝土“拉拽”的影响，使拱部的防水板紧绷脱离初支基面,形成空洞，造成拱顶脱空，如图1所示。

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。应用三维激光扫描仪，可以扫测出初支断面和二衬台车衬板断面，通过专用软件，将两个断面进行相减，可以准确算出二衬混凝土用量，指导现场二衬施工，有效避免因误判造成二衬拱顶浇筑不饱满的情况。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，如图2所示。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。通过软件对比初支和二衬断面，可准确确定该段二衬浇筑混凝土需用量为159.36m3，按照50cm间距生成断面对比成果图（如图3所示）。而按照传统通过量测二衬端头厚度计算所需浇筑混凝土用量的方法，算得该段二衬浇筑混凝土用量为158.6m3，两者相差0.76m3。可见，通过三维激光扫测，更能全面体现二衬浇筑空间状态，可避免因误判造成混凝土浇筑不饱满。经三维激光专用软件准确算得拟浇筑混凝土用量后，通知商混站按照所需量进行混凝土拌制，现场浇筑混凝土时，严格按照计算量控制混凝土入模量，提高混凝土的饱满度，有效降低二衬拱顶脱空隐患。

3.3二衬混凝土浇筑控制措施

（1）改进台车行走方式。二衬拱顶防脱空的前提是模板台车加固牢固，不出现下沉。传统台车大部分采用方木支垫轨道式行走方式，这种台车行走方式易出现方木腐烂加固不到位，造成二衬混凝土在浇筑过程中及过程后台车下沉，造成拱部出现空洞，而在下沉幅度很小的情况下不易察觉，整改隐患发生概率极大。基于此，改进隧道台车在常规方木支垫轨道式行走方式，通过液压自行走方式对台车定位加固，达到刚性支撑的目的,且实现全自动行走，提高施工效率。（2）适当的混凝土坍落度。二衬拱部横向坡度较小，特别是该项目拱顶范围约4.8m，相比边墙部位混凝土垂直灌注的方式，拱顶混凝土横坡平缓，加上二衬环向、纵向及箍筋的布置，也一定程度上阻碍了混凝土的流动，容易因混凝土流动扩散不足而造成局部脱空隐患。因此，当进行二衬拱部混凝土浇筑时，在保证混凝土强度的前提下，应适当提高混凝土坍落度，提高流动性，以刮于混凝土扩散至拱部每个部分，降低产生二衬拱顶脱空的概率。（3）灌注与振捣控制。二衬拱部混凝土浇筑时，需严格控制灌注顺序和振捣工艺，以利于混凝土排气和充分振捣密实。封顶灌注利用拱顶3个Φ125mm泵送孔，在堵头模板拱顶部位预留空隙作为排气兼观测孔，若观测孔浆液溢流由稀变浓，及时进行模板封堵，待稳 压灌注1min后，结束灌注。

3.4防脱空预警技术

防脱空预警技术利用液位继电器工作原理，并辅助配置声光报警装置，对二衬拱顶混凝土灌注状态进行预警。使用时，当衬砌混凝土浇筑至拱顶最高点时，因混凝土为带水导电材料，最高点电极和与台车型钢（导电）立柱相连的电极接通，液位继电器工作，控制继电器线圈使声光报警器报警[2]，从而提醒作业人员判定混凝土浇筑结束时机。防脱空装置主要由地极探头、导线、配电箱组成。安装时，从隧道洞内二级配电箱接线至预警装置配电箱，接通电源。用导线从预警装置配电箱公共端引出接到台车立柱上，再从台车探头端子接出导线作为探头端，导线的另一头剥离绝缘皮约5cm作为电极点分别固定到拱顶相应的位置，安装电极时切忌和钢筋接触。探头端导线用钢筋顶在拱顶防水板面上，并采取加固措施防止浇筑混凝土时发生位移，以免造成防脱空装置误报警。台车防脱空监控器安装完成并经性能检查后，可以进行二衬混凝土入模浇筑。浇筑过程注意观察混凝土入模数量，当快填充至拱顶时，通过防脱空装置的配电箱报警开关判断拱顶混凝土浇筑情况。当某一个注满提示灯变亮时，表示该点混凝土已浇筑到位；注满提示灯全部亮时，表示该断面混凝土已浇筑到位；未满提示灯一直亮时，提示需继续浇筑混凝土。防脱空预警装置安装便捷，操作简单，且能较准确探测二衬台车在拱顶是否浇筑满混凝土，判定拱顶混凝土浇筑状态，有效预防衬砌背后脱空问题。

4应用效果

该项目施工过程中，严格执行上述防脱空预防措施，经业主委托第三方检测单位对已施工完成的衬砌进行雷达扫测，检测密实度状况，隧道二衬扫测成果汇总表见表1。结果显示，衬砌背后没有出现脱空，衬砌质量良好，实现了对隧道脱空情况的有效控制。

5结语

面对隧道衬砌拱顶脱空这一施工普遍的难点，从初支平整度及防水板铺设、二衬混凝土量精确计算、二衬混凝土浇筑、防脱空预警技术等4个方面提出针对性的技术防治措施，并通过现场实践，有效地防制隧道拱顶脱空问题，提高了施工质量，保障隧道后期安全营运。从中得出4点结论，以期在其他类似隧道的二衬防脱空方面有所借鉴。（1）控制初支喷射混凝土的平整度的，为防水板的铺设提供良好的基面，并在铺设防水板时适当控制松紧度，梅花形热熔垫片固定，防止混凝土浇筑过程发生滑动，可以有效防止二衬拱顶脱空的产生。（2）三维激光扫描技术实现对断面的立体测量，可以准确计算二衬混凝土填充量，避免传统方法计算造成的误差，有效指导控制现场混凝土入模量，提高二衬混凝土浇筑饱满度。（3）用自动行走液压台车代替枕木支垫轨道行走台车，提高台车整体刚度，防止混凝土浇筑后发生下沉，造成拱顶脱空；同时由于拱部混凝土不易流动，可适当提高混凝土坍落度，从低往高灌注混凝土，减缓泵送速度，配合附着式振动器充分振捣密实，降低二衬拱顶脱空的产生。（4）采用防脱空预警技术将二衬拱顶浇筑混凝土“看不见的”问题化解成“看的见”的控制手段，以利于二衬拱顶混凝土浇筑控制，防止拱顶脱空问题的产生。各种监控措施很大程度上降低了二衬拱顶脱空发生的概率，但施工过程中，因工人操作水平及责任心问题，脱空问题时有发生，可通过拱顶回填注浆及钻孔注浆进行处理，但无形中增加了成本及处理难度。因此，预防脱空才是解决问题的主最好方法，在施工过程中，对各工序工艺及质量把控中将显得尤为重要。

参考文献

[1]袁仲辉，周光书.浅析高铁隧道的拱顶脱空防治技术[J].中小企业管理与科技(中旬刊),2020（2）:160-161.

[2]李良平，熊卫士，刘彬，等.二衬台车防脱空监控器预防拱顶脱空技术研究[J].重庆建筑，2020（1）:61-63.

[3]谭文.隧道衬砌防脱空预警监控新技术研究与应用[J].现在隧道技术，2020（3）:199-203.

作者：许永松 单位：中交上航(福建)交通建设工程有限公司