高速鐵路隧道二次襯砌脫空原因和整治及預防措施

杜鵬亮

（中鐵二十二局集團第四工程有限公司 天津 301700）

1 引言

高速鐵路隧道復合襯砌是隧道運營安全的最后一道屏障。在存在復合襯砌脫空的情況下隨著地質應力的改變極易產生集中應力造成復合襯砌開裂，進而發生隧道拱部掉塊，嚴重威脅行車安全的情況。隨著工程技術的發展，一次襯砌脫空問題已基本得到有效控制，但隧道二次襯砌由于工序把控不嚴、工藝設備改進緩慢等原因造成脫空問題仍未得到徹底解決［1-3］。

2 二次襯砌脫空產生的直接原因

防水板安裝質量差、澆筑過程振搗不到位、襯砌臺車承載力低、缺少拱頂泵滿監控設備等問題都可能造成二次襯砌脫空。但究其根本，工藝設備改進緩慢和施工過程工序把控不嚴才是造成二次襯砌脫空的直接原因［4］。

2．1 工藝設備改進緩慢

目前國內還未研發出較為先進的綜合性襯砌臺車，施工現場采用的大部分襯砌臺車不同程度存在較難實現分窗分層澆筑、難以監控拱頂混凝土是否泵滿、無法振搗拱頂混凝土、端模承載力低等問題，且施工過程人為因素較多，難以保證各施工工序得到有效控制，最終形成施工冷縫、人字坡、骨料堆積及強度不足、滲漏水、襯砌脫空、裂紋等質量缺陷［5-7］。

2．2 施工過程工序把控不嚴

造成二次襯砌脫空的主要原因包括掘進超欠挖、防水板掛設質量差、未測算泵滿所需的混凝土方量、缺少精確判斷拱頂是否泵滿的有效手段、拱頂注漿質量差等幾個方面［8］。

（1）掘進超欠挖

隧道掘進未嚴格按照規范或設計要求采用超前支護、光面爆破、打設系統錨桿等措施，造成開挖輪廓平整度差，局部超欠挖嚴重，進而造成防水板安裝困難。

（2）防水板掛設質量差

防水板掛設質量問題包括三個方面：一是防水板掛設過緊導致在澆筑過程中防水板不斷繃緊，造成防水板熱熔焊焊點脫焊，脫焊防水板上部形成脫空，嚴重情況下可能造成仰拱和襯砌防水板在邊墻搭接焊位置脫焊，形成防水板切割二次襯砌混凝土；二是防水板掛設過松導致防水板“堆積疊加”，形成假象“脫空”［9-10］；三是防水板未隨一次襯砌凹槽表面密貼布設，導致二次襯砌混凝土無法填充凹槽形成脫空。

（3）未對一次襯砌斷面進行測量，不掌握澆筑混凝土總方量

在進行防水板掛設前未對一次襯砌輪廓線進行量測，并結合二次襯砌設計內輪廓線計算該段二次襯砌應澆筑混凝土方量，導致無法與實際澆筑方量進行對比，判斷拱頂混凝土是否泵滿。

（4）缺少精確判斷拱部混凝土是否泵滿的回饋手段

目前施工現場作業人員一般通過泵送壓力增大、端模頂部開始流漿等表面現象進行經驗性判斷拱頂混凝土是否泵滿，并未采取在拱頂位置安裝攝像頭、傳感器等檢測設備進行精確判斷，無法排除泵送管堵管、端模密閉性差、作業人員經驗不足等因素造成的“假滿”現象。

（5）拱頂回填注漿質量差

目前大部分施工項目拱頂回填注漿采取的是隧道二次襯砌全部成型后在預埋注漿管位置進行純水泥漿注漿。存在的問題：一是如果注漿管埋設不當或在混凝土澆筑過程中發生位移，則注漿前需重新鉆設注漿孔，增加了作業內容，同時存在鉆穿防水板的風險；二是二次襯砌全部成型后再進行拱頂回填注漿，此時原二次襯砌混凝土已達到一定強度，注入的水泥漿與原二次襯砌混凝土收縮徐變不一致導致混凝土整體性差。

3 二次襯砌脫空的處理措施

目前處理二次襯砌脫空的有效措施包括回填注漿法和開窗二次澆筑法。進行脫空處理時應首選回填注漿法。

3．1 回填注漿法

選用回填注漿法進行隧道二次襯砌脫空整治的判斷依據：在二次襯砌脫空位置采用敲擊錘進行敲擊檢查，在最薄弱位置選取三個點位（三角形布置）鉆穿二次襯砌，用盒尺測量二次襯砌砼品質合格厚度。根據相關鐵路局要求，二次襯砌砼品質合格厚度大于20 cm，且襯砌合成厚度滿足設計要求的可采用間歇式無收縮漿材（水灰比0.38以下）回填灌注工藝進行注漿處理。

回填注漿法與開窗二次澆筑法相比具有施工簡便、工期短、原二次襯砌受力結構基本不受影響、施工安全性高等優勢。根據實踐經驗，個別部位注漿后仍存在小型襯砌脫空，再次注漿較困難。此時可采用鉆孔壓入環氧樹脂材料達到治理脫空的目的，但需要注意的是由于環氧樹脂成本較高不適用于存在較大脫空部位的處理［11-12］。

3．2 開窗二次澆筑法

選用開窗二次澆筑法進行隧道二次襯砌脫空整治的判斷依據：在二次襯砌脫空位置采用敲擊錘進行敲擊檢查，在最薄弱位置選取三個點位（三角形布置）鉆穿二次襯砌，用盒尺測量二次襯砌砼品質合格厚度。根據相關鐵路局要求，二次襯砌砼品質合格厚度小于20 cm，且襯砌合成厚度滿足設計要求的采用開窗二次澆筑法。施工步驟包括開窗、重構防排水系統、打設錨桿、植筋、關模、泵送混凝土、注漿等工序。

該方法避免了因隧道二次襯砌過薄造成注漿過程或運營過程的整塊脫落風險。但該方法工序復雜、施工成本高、工期長、安全風險高，且如果線路已經開通運營，施工天窗時間不固定，隧道拱部二次襯砌質量缺陷整治將非常困難。

采用該方法施工時需注意：開窗形狀應為正方形、長方形、梯形等規則形狀或組合形狀；開口應為內大外小的倒八字形，以確保將二次澆筑的混凝土牢固鎖定在原二次襯砌上；重構防排水系統應注意環向盲管的連接；在進行植筋焊接作業時應在鋼筋和防水板之間用防火材料臨時隔開，防止飛濺焊渣燒透防水板；二次澆筑的混凝土應為微膨脹細石混凝土，標號比原二次襯砌混凝土提高一個強度等級；關模前應預留回填注漿孔，二次澆筑后及時回填注漿。如模板采用支架支撐時，應提前進行承載力計算，確保施工安全。針對相關鐵路局打設錨桿要求，由于打設錨桿需要穿透防水板，設計中雖有錨桿穿透防水板位置防水措施，但防水施工質量較難控制，反而增加了滲漏水的可能性，因此打設錨桿是一把雙刃劍應謹慎選擇。

4 二次襯砌脫空的預防措施

二次襯砌脫空的有效預防措施分兩個方面，一是應優先選用先進工藝設備；二是采取加強過程控制和適度改進現有工藝設備的措施。

4．1 優先選用先進工藝設備

隨著中國人口老齡化時代的到來和施工工人薪酬水平的逐步提高，施工企業如繼續采用較低的機械化水平模式進行施工作業，一是難以降低施工安全風險，二是難以有效提高施工質量，三是難以降低施工企業綜合成本。因此施工企業勢必要提高施工機械化水平，優先選用先進工藝設備。下面對兩種目前比較先進的工藝設備進行簡要介紹。

（1）數控防水板臺車的優勢

目前可采用的數控防水板臺車，不需要事先剪裁防水板，而是直接將整卷防水板安裝在臺車的爬行小車上，操作人員只需站在工作吊籃內便可完成對防水板的安裝和焊接，增強了施工安全性。同時減少了整平以及校準防水板的工序，減輕了勞動強度，提高了防水板安裝質量。同時該臺車還可加裝二次襯砌鋼筋安裝功能。

（2）綜合性隧道二次襯砌臺車的優勢

目前中國鐵路總公司正在研發一款綜合性隧道二次襯砌臺車。該臺車采用了帶壓灌注、灌滿提醒、密實振搗等關鍵技術，試驗效果良好。

帶壓灌注：下灌注系統采用機械手分窗分層自然流下澆筑；上灌注系統采用“拱頂部水平壓入澆筑工法”實現帶壓澆筑。

灌滿提醒：通過在臺車模板安裝壓力傳感器和防水板低洼處預埋反饋裝置的雙重手段監測灌滿信號。

密實振搗：采用高頻氣動附著式振動器，配合氣罐堵頭，實現混凝土的充分振搗，提高襯砌施工質量，降低作業人員勞動強度。

4．2 加強施工過程控制和適度改進現有工藝設備措施

由于其他原因采用先進工藝設備較難實現的，應采取加強過程控制和適度改進現有工藝設備的措施。

（1）嚴格控制隧道超欠挖

隧道超挖和欠挖會給后期防水板的安裝質量和襯砌臺車承載力產生一定影響。因此黃土隧道在進洞后應根據實際沉降量對預留沉降量作出適當調整，在保證一次襯砌不侵限的情況下盡量減少預留沉降量；巖石隧道應盡量采用光面爆破，既能提高開挖面平整度利于防水板安裝，又能提高隧道圍巖的整體穩定性。

（2）測算混凝土方量

在安裝防水板前應使用測量設備對一次襯砌輪廓進行測量，結合二次襯砌設計輪廓線計算本段二次襯砌應澆筑的混凝土總方量，并與實際澆筑方量進行對比，判斷拱頂混凝土是否泵滿。

（3）提高防水板安裝質量

安裝防水板松弛度應達到規范要求，松緊適宜、掛設牢固，且防水板的掛設必須隨一次襯砌輪廓線進行，尤其是超挖的“凹形”部位必須凹形布設。

（4）采用簡易分窗、分層澆筑工藝

對現有襯砌臺車進行分窗、分層澆筑改裝。安裝主料斗、主溜槽、“三通”分流槽、分流串筒和入窗溜槽結合的方式，通過操作對應的插板閥門，使混凝土流入各工作窗口，實現二次襯砌拱墻混凝土的逐窗澆筑。采用以上措施能有效避免臺車側重，以及提高混凝土外觀及實體質量。

（5）采用拱頂灌滿回饋裝置

該回饋裝置采用電流原理，使用12 V燈泡進行檢測。裝置原理為在二襯大里程和小里程拱頂防水板上分別粘貼一個鐵片，利用混凝土中水的導電作用接通電路，當燈泡亮起時表示拱頂混凝土已經灌滿。

（6）采用帶模注漿工藝

帶模注漿工藝是在二襯澆筑完成2～6 h后，在不脫模的情況下，對二次襯砌拱頂脫空部位進行注漿處理，注漿料采用結合力良好的微膨脹注漿料（水灰比1∶5.55）。該方法的優勢是可使注漿料與二次襯砌混凝土形成一個良好的整體。

5 工程應用

2018年3月對某高速鐵路隧道工程已經施工完成的500 m二次襯砌5處脫空質量缺陷采用了回填注漿法和開窗二次澆筑法進行質量缺陷整治，待砼強度達到設計要求后邀請第三方檢測單位進行了檢測，檢測結果均合格。

2018年4～5月對某高速鐵路隧道工程采取了加強施工過程控制和適度改進現有工藝設備的6條措施。在此期間共完成二次襯砌108 m，待強度達到設計要求后邀請第三方檢測單位對已施工完成的二次襯砌進行檢測，經檢測該段二次襯砌背后脫空合格率達到100%。

6 結束語

綜上所述，高速鐵路隧道二次襯砌脫空是影響鐵路運營安全的極大質量和安全隱患，只有找準問題的根本原因，并結合施工現場實際，采用合理的整治措施、提高機械化水平、加強過程管控、適度改進現有工藝設備的預防措施才能有效避免隧道二次襯砌背后脫空質量缺陷，進而提高隧道二次襯砌施工質量。