高速鐵路隧道襯砌質量檢測與改進方法研究

劉博

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高速鐵路隧道襯砌質量檢測與改進方法研究

劉博

（中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031）

高速鐵路隧道混凝土襯砌初期支護、二襯、仰拱、道床板經檢測存在混凝土厚度不足、不密實、裂紋、空洞、洞渣未清理干凈等缺陷，嚴重影響了高速鐵路隧道的工程質量，因此必須對混凝土襯砌質量進行研究。研究結果如下，為確保混凝土襯砌質量，嚴格控制掌子面爆破有效尺寸，盡可能不超挖，如果超挖，采用混凝土密實封填，使初期支護背后無空洞，初期支護外露面呈均勻弧形，能與防水板全斷面接觸緊密，同時鋼拱架數量滿足設計要求；二襯混凝土襯砌嚴格控制坍落度，尤其要重視混凝土運輸和襯砌過程的坍落度與設計一致；施工臺車搭接不少于0.2 m，拱腳至拱墻段接頭端增加固定平板振動器，拱腰至拱頂間在施工臺車上方二襯橫端頭采用特制剛性振動棒全程從二襯的一橫端頭振動至另一橫端頭，進行排氣密實振動；仰拱下必須清理干凈殘留洞渣；道床板混凝土施工應采用直徑5 cm、3 cm的振動棒分別對混凝土密實振搗。

高速鐵路隧道；初期支護；質量檢測；改進方法

目前，我國在建高鐵路隧道中混凝土襯砌的初期支護、二襯、仰拱、道床板經檢測存在缺陷，其中初期支護有空洞、鋼拱架數量不足；二襯有混凝土厚度不足、不密實、蜂窩麻面、起拱線處呈水平裂紋、臺車接頭處和拱頂有空洞；仰拱下洞渣未清理干凈；道床板內混凝土不密實。其中混凝土不密實和空洞占總缺陷的80%以上，以一個標段的隧道為例，其補缺陷費用高達1 000萬元以上，且缺陷補后質量很難達到優良，經分析這些缺陷均是施工過程中造成的，因此必須重視施工過程中的質量控制，尤其要對二襯臺車施工工藝進行改進，以達到混凝土襯砌一次性施工后經檢測無缺陷，既節約補缺資金，又能使隧道混凝土襯砌質量達到優良。

1 質量檢測方法

1.1 力棒敲擊法

端頭置有尼龍頭鐵力棒原理為力棒端頭置尼龍頭敲擊混凝土表面時產生低頻信號，當低頻信號傳至表面下厚度不超過0.6 m的不密實層或空洞時，與不密實層或空洞的固有低頻產生共振空響，人的耳朵能辨別出此空響，從而判斷出不密實層或空洞的位置。此力棒可普及常人使用，此方法可發現80%以上的缺陷。

1.2 地質雷達法

地質雷達儀原理為發射電磁波信號，利用混凝土的密實與不密實、空洞的介電常數差異，對混凝土質量做出判斷。此儀器需由專業技術人員操作，采用不同頻率天線，可檢測出混凝土襯砌大部分缺陷。

1.3 地震映像法

地震映像儀原理為激發地震波信號，利用混凝土的密實與不密實的速度差異，對仰拱、道床板混凝土質量做出判斷。此儀器需由專業技術人員操作，可對仰拱、道床板混凝土缺陷進行檢測。

1.4 沖擊電鉆驗證法

沖擊電鉆法采用鉆頭直徑3 cm的沖擊電鉆對深度小于60 cm的缺陷進行快速驗證，其破損程度最小并能達到驗證目的，此設備比較容易操作。

2 隧道混凝土襯砌缺陷檢測及原因分析

2.1 初期支護

當巖層破碎或軟弱層超挖時，初期支護背后易形成空洞，用力棒敲擊初支面能聽到空響聲，可判斷有空洞；做TSP法預報時，在初支面上施作爆破孔和接收器孔時，也可遇到初支背后空洞；地質雷達也可檢測初支背后空洞，比如某隧道邊墻DK24+991.5～DK24+994.1的初期支護，用力棒敲擊聽到空響聲，雷達檢測如圖1所示。

從圖1可知，空洞深度為0.4～2.1 m，沖擊電鉆驗證深度0.4 m處見空洞，開挖驗證與檢測結果一致，其空洞形成原因為巖層破碎或軟弱層地段開挖時形成較大空間后，鋼拱架間距較小，噴射混凝土很快與鋼拱架連接，使鋼拱架背后形成空洞；同時雷達也可檢測出鋼拱架的數量不足。

2.2 二襯

2.2.1 混凝土蜂窩麻面

混凝土蜂窩麻面可目測觀察，雷達檢測也反應清晰。蜂窩麻面形成原因是沒有嚴格按設計控制混凝土坍落度及振搗不均勻，尤其是混凝土在運輸和襯砌過程中坍落度與設計不一致。

2.2.2 厚度不足

某隧道DK13+997～DK14+001右拱腰混凝土厚度的雷達檢測剖面如圖2所示。

圖1 雷達檢測初期支護背后空洞

圖2 雷達檢測混凝土厚度剖面圖

該段設計混凝土厚度為0.4 m，雷達檢測厚度為0.1～0.3 m，沖擊電鉆驗證厚度最薄處為0.1 m，開挖驗證與檢測結果一致，主要形成原因是隧道掌子面開挖有效，尺寸不足。

2.2.3 裂紋

隧道裂紋多出現在起拱線附近，呈水平特征，其原因是施作二襯過程中導致起拱線處混凝土密度差異最大，形成水平裂紋。

2.2.4 不密實

混凝土不密實處用力棒敲擊表面能聽到較清脆空響聲，可判斷為不密實；同時雷達檢測也反應清晰。某隧道DK21+623～DK21+632左拱腰混凝土不密實雷達檢測剖面如圖3所示。

檢測厚度為0.2～1.0 m，不密實。沖擊電鉆驗證厚度為0.2～1.0 m，不密實；形成原因是該段巖層軟弱，爆破形成超挖，初期支護時混凝土噴射不密實，二襯時由于施工原因造成襯砌混凝土不密實。

2.2.5 接頭空洞

在前后兩單位臺車接頭部位易形成空洞，用力棒敲擊混凝土表面能聽到較清脆空響聲，可判斷為空洞，同時雷達檢測也反應清晰，分別如圖4和圖5所示。敲擊檢測并沖擊電鉆驗證接頭處空洞長2.0 m，寬1.0 m，深0.1～0.3 m；雷達檢測并沖擊電鉆驗證接頭處空洞長2.0 m，深0.1～0.6 m；臺車接頭部位拱頂處泵送混凝土氣流與圍巖間的氣囊團壓力過大阻止混凝土充填，形成空洞。

圖3 雷達檢測混凝土不密實

圖4 接頭處空洞

圖5 接頭處空洞雷達檢測剖面

2.2.6 拱頂空洞

拱頂空洞用力棒敲擊混凝土表面能聽到較清脆空響聲，可判斷存在空洞，同時雷達檢測也反應清晰。臺車接頭部位拱頂處泵送混凝土氣流與圍巖間的氣囊團壓力過大阻止混凝土充填，形成空洞。

2.3 仰拱

仰拱質量檢測可采用力棒敲擊、地質雷達和地震映像。

2.3.1 力棒敲擊檢測

仰拱混凝土厚度一般為2 m，采用力棒對仰拱進行敲擊可快速檢測仰拱下0～0.6 m深度內混凝土是否密實，如對某隧道仰拱進行敲擊檢測，聽到較清脆空響聲，鉆芯驗證仰拱0.3 m下有2 cm厚洞渣，其原因是施工仰拱時為避免車輛壓壞混凝土，分兩次施工，且兩次施工時殘留洞渣未清理干凈。

2.3.2 地質雷達及地震映像檢測

采用地質雷達及地震映像可對仰拱下2 m內混凝土質量進行檢測，如圖6和圖7所示。

圖6 雷達檢測仰拱下混凝土不密實

圖7 地震映像檢測仰拱下混凝土不密實

雷達檢測某隧道DK223+195～DK233+205仰拱下0.8～2.0 m深度混凝土不密實，鉆探及開挖驗證深0.8～2.0 m為洞渣，地震映像檢測某隧道DK883+826～DK883+835仰拱下1.0～2.0 m深度混凝土不密實，鉆探及開挖驗證深1.0～2.0 m為洞渣；其形成原因為洞底洞渣未清理干凈。

2.3.3 道床板

用力棒對道床板進行敲擊檢測，聽到有較清脆空響聲，判斷道床板下混凝土不密實，其形成原因為灌注道床板混凝土時振動棒無法到達軌枕下，使道床板及軌枕下宜形成不密實和空洞，同時也沒具體規范要求道床板混凝土施工后，需進行專項質量檢測，出現檢測漏洞。

3 隧道混凝土襯砌質量保證措施

3.1 施工過程的控制

對隧道混凝土質量進行檢測，首先施工人員用力棒敲擊檢測，然后采用地質雷達和地震映像進行檢測，同時必須落實施工過程中的質量控制措施。

3.1.1 初期支護

初期支護嚴格控制掌子面爆破有效尺寸，嚴格控制超欠挖，如圍巖破碎和軟弱層出現超挖，其空洞應采用同級混凝土密實封填，并保證初支外露面呈均勻弧形，與防水板全斷面接觸緊密，同時按設計間距施作鋼拱架。

3.1.2 二襯

保證混凝土施工坍落度與設計一致，杜絕混凝土運輸和襯砌過程中隨意加水；預防臺車接頭部位出現空洞，應在臺車接頭部位的4個位置各增加2個固定振動器。

3.1.3 仰拱

在仰拱施工中，要認真把殘留洞渣清理干凈，并沖洗干凈混凝土待澆筑接觸面。

3.1.4 道床板

道床板施工要配備直徑3 cm的振動棒，對軌枕下用直徑3 cm的振動棒進行密實振搗。

3.2 臺車的改進

隧道混凝土襯砌混凝土厚度不足、不密實，臺車拱腳接頭部位空洞等缺陷，均可在現有施工設備和條件下，通過加強質量管理可以消除；只有二襯中混凝土裂紋、拱腰至拱頂段臺車接頭空洞、拱頂空洞等缺陷，必須通過改進臺車才能消除。

3.2.1 臺車改進措施

臺車改進主要增加一個剛性水平振動器，即把現有大功率振動器的振動彈簧換成長12 m的振動圓鋼筋，在副臺車定向引導軌下，剛性水平振動器從臺車一橫端頭振動至另一橫端頭，進行排氣密實振動，振動范圍為拱腰至拱頂段。

剛性水平振動器置于副臺車，長度為12 m，在隧道拱腰至拱頂段兩側共設5個定向引導軌，在泵送混凝土澆筑滿后，用剛性水平振動器振搗；振動點設置用木塞預留，二襯混凝土橫端頭是用木板封擋，在木板設計位置預留直徑略大于振動棒直徑的圓孔，并用木塞塞緊，需要時拉出木塞；振動點位置靠近臺車一側，剛性水平振動器從臺車一橫端頭振動至另一橫端頭，進行排氣密實振動。

3.2.2 臺車改進后質量檢測

臺車改進后進行質量檢測，目測起拱線處無裂紋，用力棒進行敲擊檢測，均無空響聲，采用地質雷達對二襯混凝土進行檢測，均未發現缺陷。這證明臺車改進是有效的，保證了混凝土襯砌的質量。

4 結論

對于隧道混凝土襯砌質量檢測，首先施工人員用力棒多敲擊檢測，如果有缺陷及時消除，待混凝土襯砌一次性施工后，采用地質雷達和地震映像對其進行質量檢測，結果均無缺陷，使在建高速鐵路隧道混凝土襯砌一次性施工質量達到優良，該目標的實現全靠施工過程中對質量嚴格控制。

通過檢測，得出如下結論：①初期支護嚴格控制掌子面爆破有效尺寸，盡可能不超挖，如果超挖采用混凝土密實封填，使初期支護背后無空洞，使初期支護外露面呈均勻弧形，能與防水板全斷面接觸緊密，同時按設計間距施作鋼拱架。②二襯嚴格控制混凝土坍落度，尤其要重視混凝土運輸和襯砌過程中坍落度與設計一致；施工臺車搭接長度大于0.2 m，拱腳至拱墻段接頭端增加固定平板振動器，拱腰至拱頂間在臺車上方的二襯橫端頭，采用特制剛性振動棒全程從二襯的一橫端頭振動至另一橫端頭，進行混凝土排氣密實振動。③仰拱下必須認真清理干凈殘留洞渣。④道床板混凝土施工應采用直徑5 cm、3 cm振動棒分別對混凝土密實振搗。

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2095－6835（2019）03－0001－03

U455.91

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.03.001

〔編輯：嚴麗琴〕