初探高速公路隧道二襯脫空對其結構安全性的影響

蔣豪

摘 要：復合襯砌是高速公路隧道運營的最后一道安全屏障，如果復合襯砌脫空，隨著地質應力的不斷變化，很容易導致復合襯砌的開裂，從而導致隧道拱部掉塊，給行車安全埋下重大隱患。盡管現階段一次襯砌脫空問題基本可以得到良好控制，但二次襯砌脫空問題仍未從根本上得到解決，本文就此展開探討。

關鍵詞：高速公路;隧道;二襯脫空;安全性;措施

中圖分類號：U451 文獻標識碼：A

現階段，新奧法原則在我國高速公路隧道的設計、建設中廣泛應用。新奧法原則認為，初期支護會受到70%左右圍巖松散壓力的影響，二襯的重要功能是用作安全儲備，并滿足凈空的要求。圍巖收斂處理完成后進行二襯，然后形成抗負荷環。原則上，只要二襯混凝土強度達標，隧道的安全性便可得到保障。但是隧道工程施工中，通常會使初期支護承載圍巖松散壓力的能力大幅度降低，導致二襯需要承受更強的圍巖松散壓力。若二襯背后出現間隙，那么二襯就無法在圍巖和初期支護變形后初期及時起到主動限制變形的作用，而只能在變形問題出現后被動的形成支撐。由此可見，二襯脫空對隧道的運營安全產生重要影響。

1 二襯脫空的力學特點

空洞形狀、空洞的寬度和深度等參數共同組成了空洞幾何參數，荷載-結構法通過圍巖壓力與地層彈簧模擬圍巖、襯砌結構所產生的相互作用，再模擬出襯砌背后空洞的二維特征，但只能對襯砌空洞寬度對其結構特征產生的影響進行模擬，無法直接接觸襯砌背后空洞區域圍巖與襯砌結構之間，二者之間既沒有圍巖壓力，也不存在約束作用。

2 二襯脫空對結構安全性產生的影響

高速公路隧道的拱頂是最容易出現二襯空洞的部位，所以，筆者假設隧道頂部的空洞寬度分別是0.0 m、0.5 m、1.0 m、2.0 m和4.0 m時，對其結構安全性的影響。

①當脫空寬度≤1.0 m時，隧道襯砌結構各個界面的安全系數分布的相對均勻;一旦脫空寬度>1.0 m，各個界面的安全系數則會呈離散型分布;當脫空寬度>2.0 m，拱肩到拱頂的大部分界面的安全系數會迅速下降，根本無法保障隧道的安全運營。

②襯砌結構的受力狀態會在拱頂脫空的情況下發生改變，脫空的寬度逐漸增大，襯砌結構各個截面的最小安全系數首先也會逐漸增大，增大到一定程度時會呈線性迅速下降。分析原因如下：在脫空寬度較小的情況下，無論是襯砌結構的受力情況還是變形形式都不會發生很大變化，然而，因為隧道襯砌結構受到的外力減小，所以截面最小安全系數會一定程度的增加。隨著脫空寬度的不斷增大，改變了圍巖的約束作用，繼而改變了襯砌結構的受力情況與變形形式，拱頂部位出現明顯的負彎矩，破壞形式也發生了改變，從原先的受壓破壞變為受力破壞，最小安全系數也會迅速降低。

總而言之，隧道襯砌背后脫空會使隧道襯砌結構的受力與變形狀態發生改變，從而對其安全性產生嚴重影響，尤其是空洞寬度在2.0 m以上的情況下，襯砌結構幾乎不再具備承載能力，也就無法滿足隧道安全運營的要求。

3 隧道二襯脫空原因分析

①光面爆破效果較差：這一問題會導致隧道施工推進的過程中，局部形成坑洞，讓初期支護噴射混凝土結構無法達到平整度要求，防水板掛設施工中會形成空腔，二襯澆筑后，背后便會存在空洞。

②襯砌臺車底座的支撐不足：襯砌臺車行駛在軌道上，需要借助工字鋼的支持。在工字鋼丟失、變形的情況下，襯砌臺車就會下沉。此外，軌道上的模板支撐牛腿或者支腿沒有支撐牢固，也會引起臺車的下沉，給襯砌頂部的施工質量造成影響，從而引起空腔病害。

③施工材料質量問題：混凝土澆筑時所用的施工材料不符合質量要求，混凝土配比不當，混凝土的收縮性、坍落度無法滿足施工需求，造成混凝土結構收縮，最終導致襯砌結構背后出現空腔。

④防水掛板的設計不科學：防水板之所以與初支基面結構的貼合不緊密，很大程度上是因為防水板過緊造成的。混凝土在澆筑過程中很難順利進入空腔，以至于襯砌結構脫空。反之，若防水板過松，泵送混凝土時便會對防水板產生擠壓并形成皺褶，繼而導致襯砌出現空隙，埋下了脫空隱患。

⑤混凝土澆筑技術問題：拱部混凝土沖頂時，如果澆筑的壓力不足或者澆筑方式不當，則會讓拱部出現空洞。混凝土振搗不密實也會在澆筑襯砌結構過程中出現空腔、氣孔等問題，或者在混凝土凝固過程中，上部材料往下沉，在拱頂部位襯砌背后形成空洞。

⑥混凝土質量問題：襯砌采用的是泵送混凝土，水灰比較大，初期容易強度不足，粘聚性與保水性能較差，澆筑振搗混凝土時很難保持均勻，后期容易收縮變形。

⑦圍巖壓力問題：高速公路隧道施工區域的地質條件較為復雜，圍巖性質多變，局部剖面的地下水較為豐富，從而影響部分地段的錨噴施工質量。如果二次襯砌后，混凝土路面立墻底部的澆筑時機不對，則很可能造成立強移位，引起拱頂沉降。

4 隧道二襯防脫空的處理技術

4.1 注漿方法

相對于開窗二次澆筑法，回填注漿法的優勢在于施工簡單、工期短，基本不會對原二次襯砌的受力結構造成影響，安全性較高。在二次襯砌脫空的部位用錘子敲擊檢查，明確薄弱處，然后選擇三個點位，讓點位呈三角形設置，鉆穿二次襯砌，再用盒尺對二次襯砌砼品質厚度進行測量。參考相關要求，其厚度應>20 cm，并且要滿足間歇式無收縮漿材（水灰比<0.38）的回填灌注工藝要求。從實踐情況來看，一些部位在注漿后仍可能出現襯砌脫空，而再次注漿又十分困難，所以應采用鉆孔壓入環氧樹脂材料來處理脫空，但這種材料的成本較高，只適合處理較小的脫空部位。

4.2 帶模注漿施工技術的應用

4.2.1 二襯臺車預留注漿孔法蘭的制作與安裝

測量臺車長度，根據測量結果，在距離臺車一端拱頂0.75 m的位置設置注漿孔;然后在與臺車另一端相距2.25 m處設置澆注孔。兩個孔中間再設置一個注漿孔，共同組成外徑為Ф114、內徑為Ф45 mm的法蘭盤。固定后，臺車焊滿，為了給法蘭盤留出活動范圍，需要控制螺桿長度，通常為50 mm。

4.2.2 安裝注漿管

將對絲的一側緊緊的纏繞在電氣膠帶上，電氣膠帶的厚度要求≥5 mm、寬度≤30 mm。法蘭內徑Ф45比鋼管Ф42外徑超出3 mm，固定法蘭和活動法蘭之間相距50 mm。把1#、2#、3#注漿管從坡底到坡頂一一對應安裝。把刻有十字絲的一側用力的頂至防水板，另一側用固定法蘭、活動法蘭進行固定，兩種法蘭的螺栓都要擰緊到注漿管對絲外漏≤80 mm的程度，法蘭厚度為20 mm。

4.2.3 澆筑混凝土

從縱坡坡底的澆注孔進行沖頂施工，坡底到坡頂1#、2#、3#注漿孔會依次流出漿液，然后從端頭模板查看混凝土的澆筑情況。

4.2.4 注漿機和預埋注漿管的連接

混凝土初凝后，在二襯混凝土的強度達到5 MPa，開始脫模之前進行帶模注漿。將Ф32止漿閥和對絲安裝在1#預留注漿管端頭，把端頭帶有Ф32活接的Ф38注漿鋼絲軟管以及預埋注漿管止漿閥端頭的Ф32對絲緊密連接。

4.2.5 漿液的制備

①制備過程：水料比控制在0.18，現場進行計量稱重，稱量好之后，一次性的注入到攪拌器內，選擇低速檔攪拌，然后再在攪拌器中加入粉料，開啟振動電機，攪拌30 s，關閉低速檔，用刮刀把粘附在攪拌器壁上的干料刮到桶內，蓋好蓋子，開啟高速攪拌檔，攪拌3 min，然后把漿液倒入注漿機。

②注漿過程：經坡底1#注漿，在2#觀察，當觀察到2#流出漿液時，將1#的止漿閥關閉。經坡底2#注漿，3#觀察，當3#有漿液流出時，把2#的止漿閥關閉。從3#注漿，直至端頭流出漿液，漿液流出3 s～5 s便可。若注漿壓力達到了1 MPa，同時下個注漿管沒有出漿，在此情況下，把降液管轉移到下一個注漿孔進行注漿，直到端模和其他的出漿口都有正常漿體流出。

4.2.6 全部注漿孔注漿和端模的出漿

依次在1#、2#、3#注漿孔內注漿，觀察下一個注漿孔與端模的出漿情況。

4.2.7 注漿結束

把止漿閥關閉，然后卸掉注漿軟管，將管道、設備清洗干凈，妥善存放。

4.3 帶模注漿施工技術的注意事項

①將減水劑加入到泵送混凝土中，能夠降低水灰比，更利于混凝土的流動，以減小收縮空洞。

②檢查初支平整度是否符合標準，檢驗合格后再鋪設防水板，把握好磁焊槍墊片的間隔距離。捆綁鋼筋之前驗收防水板，保持合適的松弛度。

③垂直的將預留注漿管設置在二襯模板上，脫模前注漿，有濃漿從端頭模板流出時，表示注漿結束。

④要求注漿料的膨脹性能、體積的穩定性良好，保證與混凝土充分結合，避免出現空隙，減少沉降的分層。

⑤注漿時，若注漿壓力>1.0 MPa，但是沒有流出濃漿，則需要立刻更換注漿孔重新注漿，直到滿足要求為止。

⑥每個模的襯砌都需要將注漿回填入防水層內側的空隙中，并且控制好注漿壓力。

⑦通過無損檢測的方式驗證注漿效果，如果發現沒有滿足要求的地段，應該采取補孔注漿措施。

4.4 帶模注漿施工技術的應用價值

隧道施工工序環環相扣，二襯背后若出現空洞，在處理空洞的過程勢必會影響施工工序，并給行車安全埋下隱患，如果鉆眼過程操作不當還會對防水板造成破壞，有漏水風險。帶模注漿施工技術的應用，徹底解決了二襯背后的空洞問題，為隧道內的后續施工創造了良好環境，顯著提高了施工安全，延長了隧道二襯的使用期限，保障了行車安全。

5 結束語

總而言之，高速公路的隧道施工，必須嚴格驗收襯砌結構的承載能力，采取有效措施解決二襯背后容易脫空的弊端。本文總結了隧道二襯脫空的具體原因，并詳細闡述了帶模注漿施工技術的應用，希望能為隧道二襯防脫空施工提供理論與實踐參考，為隧道工程的安全運營提供技術支持，以促進我國高速公路建設的長遠發展。

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