硬巖隧道二襯拱頂脫空原因分析及整治措施研究

劉文俊

(中鐵十二局集團第二工程有限公司 山西太原 030032)

1 引言

據統計，截至2020年底，中國鐵路營業里程達14.5萬km，其中，投入運營的鐵路隧道共16 798座，總長約19 630 km[1]。越來越多的隧道進入維修養護階段，其中因襯砌脫空導致的隧道質量問題也逐漸顯露。隨著施工技術的不斷提高，隧道一次襯砌脫空的問題已經得到了有效的控制，然而由于多種因素的影響，二襯脫空問題始終沒有得到很好的解決。二襯空洞的存在，既是二襯厚度減少的體現，還削弱了襯砌與圍巖間的相互作用，導致襯砌結構承載力降低，極大威脅了工程質量及人員安全。

目前有不少學者從不同的方面對二襯空洞進行了深入研究:袁成海、郭海鵬等[2－3]對空洞成因進行了深入分析，認為混凝土的自收縮、施工質量及施工工藝等是二襯空洞形式的主要原因；趙陽川、楊文平等[4－5]則從施工及管理的角度對二襯空洞的預防措施進行了探討；對于既有運營隧道出現的襯砌空洞，傅鶴林等[6]采用荷載結構法及平面有限元對結構安全性進行了分析，指出襯砌脫空對結構整體安全性影響較小，主要影響的是襯砌結構危險截面的百分比。

雖然目前對襯砌空洞的研究取得了一定成果，但空洞對襯砌的影響與圍巖條件、隧道斷面大小、埋深等多種因素有關，對硬巖隧道中二襯拱頂空洞的危害及整治措施開展針對性研究的相關文獻較少。本文以廈深鐵路梅林隧道為例，分析了花崗巖地層復合式襯砌中拱頂二襯空洞對結構安全性的影響，并提出了相應的整治措施，可為類似工程提供參考。

2 工程概況

廈深鐵路梅林隧道全長8 646.28 m，為客專雙線隧道，位于深圳市龍崗區布吉鎮境內。隧道襯砌空洞病害處的洞身圍巖為花崗巖，弱風化，屬于Ⅱ級圍巖地段，埋深約100 m。梅林隧道為復合式襯砌隧道，初期支護為5 cm厚C25素噴混凝土，二次襯砌拱墻為35 cm厚C30素混凝土。

為更好地掌握襯砌脫空大小及位置，對現場進行了鉆孔探測，共鉆孔14個點，以K2＋500拱頂中心為原點，以線路法線方向為X軸，以隧道拱頂縱向中心線為Y軸，將鉆孔勘測情況用二維展開的內襯面表示，如圖1所示。結果表明二襯空洞位于隧道兩線間正拱頂，范圍為環向170～280 cm，縱向長度為900 cm，呈梯形分布，最大空洞厚度21 cm，范圍如圖2所示。對隧道空洞處混凝土的表觀情況、二襯及圍巖強度進行了詳細調查及測試，結果如下:鉆孔處襯砌混凝土密實，表層無裂紋，二次襯砌處于穩定狀態；空洞處二次襯砌芯樣平均抗壓強度為38.2 MPa，符合要求；圍巖芯樣平均抗壓強度為41.5 MPa，強度較高且內部無水。

圖1 鉆孔位置及結果

圖2 空洞分布范圍示意

3 襯砌脫空原因及危害

結合現場二襯脫空情況及工程地質條件，以梅林隧道為出發點，對硬巖隧道拱頂二襯脫空產生的原因及危害進行了詳細的探討。

3.1 脫空原因分析

(1)混凝土自身原因

混凝土受空氣濕度、溫度等各種因素的影響會產生收縮現象，在隧道二襯中就會表現為一定程度的脫空，使用補償收縮混凝土進行二襯灌注會緩解這一情況；二襯澆筑完成后在自重作用下一方面會使自身更加密實，另一方面會將原來沒有填充到的局部位置進行填充，由此造成“混凝土供應量不足”，導致發生拱頂脫空。

(2)設備原因

在襯砌澆筑過程中泵送至拱頂的壓力不足，致使拱頂離泵送設備較遠處的位置混凝土泵送不到，造成拱頂脫空；泵送孔的噴射角度大多與隧道輪廓垂直，此時混凝土從管內進入模板時流動方向需改變90°，喪失了一部分混凝土的動能，由此帶來的壓力損失導致襯砌遠端脫空；附著式振搗器數量不足，致使某些位置的混凝土振搗不到位，而后混凝土在自重作用下下沉，造成拱頂脫空；二襯模板臺車的擋頭板封堵不嚴密，從而發生漏漿，造成二次襯砌背后混凝土厚度不足及脫空。

(3)環境原因

隧道坡度較陡時，位置較高一側混凝土較其他位置所需灌注壓力大，該位置處灌注的混凝土不易密實，進而發生脫空；襯砌拱部未設置排氣孔或預留排氣孔堵塞失效，內部形成氣囊，導致混凝土無法充填飽滿，在拱部形成空洞。

3.2 脫空危害分析

襯砌混凝土脫空會造成截面承載力降低、改變受力狀態及其他附加危害[7－8]，在這些危害的耦合作用下，隧道的服役狀態將受到影響，運營管理成本將會提高，同時隧道的使用壽命也會降低。

4 分級整治措施

為預防拱頂脫空產生的一系列病害，保證隧道正常服役狀態，除了在施工階段采取一定的措施預防空洞的產生外，還需要對既有脫空病害的隧道采取合理的整治措施。目前對隧道脫空的整治措施包括:回填壓漿[9]，使支護結構之間接觸密貼的同時還可達到加厚襯砌的效果；內表面補強，采用纖維板或鋼板進行粘著，分擔內表面拉應力控制襯砌開裂；施加內襯或鋼拱架，該法可承擔部分地壓力，但應用的前提是隧道有足夠的凈空；打設錨桿改善襯砌的受力狀態；對富水隧道采取降水輔助措施改善襯砌周邊環境；局部改建或者全斷面改建。

以往隧道脫空整治往往根據襯砌表觀狀態選擇整治措施，有較強的主觀性，沒有對不同的圍巖情況做區分，而不同的圍巖條件下隧道二襯的受力狀態往往差別很大。對此，本文按照安全、經濟的原則，對硬巖隧道二襯不同脫空程度進行量化表征，并采取不同的整治措施。空洞的深度和寬度都對襯砌安全性有影響，但對于硬巖隧道拱頂二襯脫空，空腔深度大的地方往往其寬度也大，空洞的深度與寬度具有很強的相關性，因此為了方便可僅采用空腔深度作為脫空程度指標。考慮到襯砌厚度有大有小，為使整治措施更具通用性，采用空腔深度與襯砌厚度的比值作為最終的脫空程度量化指標，進而提出針對性的整治措施。具體整治原則及措施如表1所示，其中針對大修的施工如圖3所示。

圖3 大修處理措施示意

表1 硬巖隧道拱頂襯砌脫空程度分級及整治措施

(1)小修措施

對襯砌脫空程度較小的部位，鉆孔形成灌注孔道，預埋管長度據脫空程度而定，襯砌內部預埋管抵至距離防水板1～2 cm位置，每層單側鉆孔2個，低孔作為注漿孔，高孔作為排氣和觀察孔，在灌注前采用竹膠板將開口封堵，加固方式同襯砌加固。灌注材料采用微膨脹C30細石混凝土，流動性好，能充分澆滿空洞部位并避免體積收縮引起的二次脫空。當溢漿孔溢出與灌注同配比混凝土時，即可結束該孔注漿。

(2)中修措施

脫空區域范圍內打φ22全長固結型錨桿，錨桿長5.0 m，間距0.8 m，錨桿應注漿飽滿。根據現場實際情況調整錨桿方向，避免錨桿孔正對接觸網線和其他管線。

鉆孔形成灌注孔道，每層單側鉆孔2個，低孔作為注漿孔，高孔作為排氣和觀察孔，在灌注前采用竹膠板將開口封堵。灌注材料采用微膨脹C30細石混凝土，當溢漿孔溢出與灌注同配比混凝土時，即可結束該孔注漿。

(3)大修措施

對嚴重脫空段襯砌范圍四周外側打設φ22全長錨固型補強錨桿，錨桿長5.0 m，間距0.8 m，錨桿應注漿飽滿，錨桿與防水板間采用遇水膨脹止水膠進行封閉。鑿除脫空部位二襯混凝土，形成“天窗”，并清除虛渣、浮石，鑿除面呈倒楔形，對環向施工縫處的既有混凝土面進行鑿毛處理。

鑿除脫空段混凝土后，在空洞四周襯砌斷面上打設植筋孔，采用φ22鋼筋進行植筋，鋼筋安裝后在植筋孔內灌注砂漿進行錨固。脫空區域范圍內打φ22全長固結型錨桿，錨桿長5.0 m，間距0.8 m，錨桿應注漿飽滿。錨桿與防水板間采用遇水膨脹止水膠進行封閉，施作順序為先兩側后中間，并根據現場實際情況調整錨桿方向，避免錨桿孔正對接觸網線和其他管線。

錨桿端頭槽在錨桿抗拔力達到設計強度后，采用膨脹水泥砂漿回填，與原襯砌面打磨平整，錨桿端頭通過螺母與墊板連接，焊縫高度不小于10 mm；補強錨桿完成后，進行模筑混凝土作業，宜采用微膨脹C30細石混凝土，流動性好，能充分澆滿空洞部位并避免體積收縮引起的二次脫空；施作完成后對襯砌內表面打磨光滑，內表面施作滲透性結晶防水涂料。

5 整治措施的力學驗證

結合梅林隧道3個典型斷面的拱頂二襯脫空整治實例，針對第4章提出的分級整治措施[10]，采用地層結構法利用有限元軟件進行分析驗證。3個實例所對應的工況如下:工況一空洞深度7 cm，小修；工況二空洞深度9 cm，中修；工況三空洞深度21 cm，大修。

5.1 三維計算模型

(1)模型尺寸及約束條件

模型二襯尺寸及空洞位置如圖4所示。隧道開挖對圍巖產生的擾動在距開挖區域3～5倍洞跨處產生的影響可忽略不計，因此為消除邊界條件影響，模型橫向寬度取120 m，豎直長度往隧底下取60 m、向上取距離拱頂50 m、外加1.25 MPa豎向應力(該計算模型取埋深100 m)。模型底邊采用固支約束，左右兩邊采用橫向位移約束，上邊為自由面，不施加約束。計算模型如圖5所示。

圖4 二襯輪廓及空洞位

圖5 邊界條件及模型范圍示意

(2)計算參數

模型中的圍巖、初支及二襯均采用平面應變單元進行模擬，錨桿采用cable單元模擬。其中圍巖采用彈塑性材料，滿足Mohr-Coulomb屈服準則，支護結構采用彈性材料。計算中力學材料參數以鐵路隧道設計規范取值為依據，并結合現場取芯強度進行驗證，具體參數見表2。網格劃分情況見圖6。

圖6 模型網格劃分

表2 計算參數的選取

5.2 計算結果

采用平面應變單元模擬的二襯可以很方便地獲取應力云圖，但是對于襯砌的軸力及彎矩無法直接獲取。為此，先提取出單元的豎向應力及水平應力，進而根據平截面假定得到截面處的內力分布情況，最后利用材料力學公式進行獲取[11]。使用處理措施后的各工況內力如圖7所示，因為內力對稱分布，僅取一半作圖。

圖7 各工況內力

5.3 安全性分析

對各工況二次襯砌進行軸力和彎矩的提取，按照鐵路隧道設計規范8.5節對隧道二次襯砌進行安全系數驗算。為確定二襯不同截面安全系數分布情況，將二襯單元劃分為56個單元，逐一對單元處內力采用破損階段法[12]進行安全系數的計算，單元劃分情況及編號如圖8所示。

圖8 二襯單元編號

將各工況安全系數進行整理，得到不同工況不同截面處的安全系數匯總圖，如圖9所示。從安全系數匯總圖可以看出，采取第三章措施對各工況脫空情況進行整治后，各截面安全系數都大于規范規定的3.6，滿足安全要求，因此分級整治措施是合理的。

圖9 安全系數匯總

6 結論

(1)以梅林隧道脫空實例為出發點，從混凝土自身、設備及環境三方面對硬巖隧道拱頂脫空的原因進行了探討，并對脫空可能產生的危害進行了總結。

(2)從混凝土本身、施工設備及環境三方面進行分析，提出需要采取的幾點預防措施，以盡量避免施工階段類似情況的出現。

(3)提出硬巖隧道拱頂脫空分級整治措施，該措施按照脫空程度的不同分別采取小、中、大修三種處理方法。其中小修直接灌注混凝土；中修打錨桿＋灌注混凝土；大修開天窗＋植筋＋打錨桿＋灌注混凝土。

(4)結合梅林隧道三種典型脫空斷面，使用地層結構法對采取分級整治措施后的襯砌進行有限元分析并進行安全系數驗算，結果表明經過處理后的二襯結構經濟合理，且安全性均滿足要求。