山嶺隧道二次襯砌防脫空主動監控平臺及精準補漿技術

嚴 磬， 伍浩然， 伍毅敏， 邵 帥， 蔡泉華， 張家威

(1.浙江數智交院科技股份有限公司， 杭州 310030； 2.中南大學 土木工程學院， 長沙 410075；3.德清縣德安公路建設有限責任公司， 浙江 湖州 313200)

襯砌拱頂脫空是隧道施工質量最常見的缺陷之一[1]。襯砌脫空既會改變初期支護對二次襯砌的約束和荷載傳遞，又會造成襯砌厚度不足，從而影響襯砌承載。隧道界圍繞襯砌脫空對結構承載能力的影響開展了大量研究，不少學者開展的數值計算分析[2-5]表明，襯砌脫空改變了結構的整體剛度和受力狀態，對結構安全威脅極大。傅鶴林等[6]研究發現，脫空范圍(特別是大于20°的脫空范圍)對襯砌結構的安全性影響極大。葉藝超等[7]認為，脫空對襯砌的影響主要集中在脫空位置及其相鄰處，且脫空范圍的增大會導致其影響范圍的增大，襯砌不同位置對脫空的敏感性呈現出差異性。同時，還有學者[8-9]利用模型試驗研究了襯背脫空對隧道襯砌承載能力的影響。隨著隧道運營數量和規模的不斷擴大，襯砌脫空已成為影響結構安全與耐久性的重要因素[10-11]。

由于襯砌脫空對隧道結構和運營安全的威脅極大，而脫空形成后進行加固處治又非常困難，加強襯砌澆筑過程管控、主動避免脫空形成就尤為重要，近年來隧道工作者對此開展了不少探索。趙陽川等[12]倡導加強施工過程控制與管理、改進工藝及研發新材料新設備等措施，防治襯砌脫空；劉世杰[13]研發了液位式襯砌拱頂防脫空技術；龔成明等[14-15]研發了新型襯砌臺車及帶模注漿技術；佘海龍等[16]研發了內置式混凝土澆筑監控系統，一定程度提高了對混凝土施工過程和質量的監控和管理。筆者所在團隊[17-18]也于2018年研發了一種分布式壓密傳感器，以及基于該傳感器的襯砌澆筑主動監測技術，在多項鐵路建設工程中得到應用，這些新技術在襯背脫空防控中取得了良好效果。

然而，造成襯砌脫空的原因多種多樣，既有混凝土流動性不足、泵送壓力不足、防水層松鋪不足等技術原因，也有心理僥幸、責任心不強、監管不嚴等人為因素，加之與主動監測配套的脫空缺陷補救措施尚不完善，導致襯砌防脫空形勢依然十分嚴峻。在此背景下，基于襯砌防脫空監測技術，進一步搭建網絡管控平臺，并針對監測發現的脫空及時開展精準補漿，對徹底破解襯砌脫空多發難題具有重要意義。

1 基于云平臺的襯砌防脫空主動監控系統

1.1 監測傳感器與主動監測技術

1) 分布式壓密傳感器

在防水板與鋼模板之間進行襯砌澆筑，由于鋼模板的封閉作用,使得可靠、全面、經濟、便捷地掌握襯砌澆筑進程和混凝土密實狀態異常困難，這也是阻礙襯砌高質量施工的技術難題，而新研制的分布式壓密傳感器能較好地解決這一難題。

分布式壓密傳感器的基本結構如圖1所示，主要包括基板、導電排線、金屬基體、彈性支撐、導電層、彈性壓片等。其基本原理是導電排線、金屬基體、導電層以及直顯和通信終端形成一個開關電路，通過分析電路通斷狀態可判別二襯是否澆筑密實。當金屬基體所處位置沒有受到混凝土的擠壓時，金屬基體不與導電層接觸，電路處于斷開狀態，終端顯示電路未導通，該處二次襯砌未澆筑密實；一旦金屬基體所處位置受到混凝土的擠壓，彈性支撐件將受到擠壓，導電層與金屬基體連通，電路處于閉合狀態，終端顯示電路導通，則可判斷此處二次襯砌澆筑密實。彈性支撐件的初始高度和剛度共同決定壓密傳感器的靈敏度，初始高度越小、剛度越小，靈敏度越高，反之越低。基于二襯澆筑質量的考慮，靈敏度當然越低越好，但靈敏度的降低意味著注漿壓力的增大，結果造成注漿的過度浪費及襯砌臺車受到過大壓力甚至臺車局部變形。因此傳感器靈敏度的設置需結合具體工程地質條件，并與建設方、施工方充分溝通后，基于相關施工質量規范標準，對靈敏度設置采取針對性設計。分布式壓密傳感器原理簡單、可靠，測點密度大，可根據需要定制間距為20 cm～100 cm，成本低廉，使用方便。

圖1 傳感器縱向剖面

2) 襯砌防脫空主動監測技術

采用分布式壓密傳感器進行襯砌防脫空主動監控方案如圖2所示。

分布式壓密傳感器布設在土工布與防水板之間，根據監測模式不同，見表1，可在隧道施工現場縱、環向布設多條傳感器，如圖3所示，以動態監測拱頂密實狀態和整個澆筑過程。在進行防水板鋪掛前，通過膠粘方式將分布式壓密傳感器布設在初期支護表面，傳感器的監測延長線從鋪掛防水板的端頭引出將傳感器與直顯通信終端在二襯臺車外進行有線連接。該終端指示燈顯示狀態的變化傳遞相應位置傳感器受二襯漿液擠壓的信息，指示燈變化則表明相應傳感器位置已壓密實，同時終端通過Wifi信號將數據上傳至遠端工控機，便于監測數據管理。

圖2 襯砌澆筑主動監控系統

表1 不同監測模式的傳感器布設與監測要求

圖3 不同監測模式下的傳感器編號

基于分布式壓密傳感器的襯砌澆筑主動監測技術，不僅具有性能可靠、信息全面、安裝方便、經濟性好等優點，更由于其實現了數字化監測，為構建網絡監控平臺奠定了很好的基礎。

1.2 襯砌防脫空主動監控云平臺

1) 平臺運行原理

為進一步提高防脫空工作成效，必須對襯砌澆筑全過程進行更為全面的管控，實現從澆筑準備、澆筑過程到成果應用的全流程可控，為數據溯源、共享以及質量評價、責任界定等提供支撐。

基于云平臺的襯砌防脫空主動監控系統，其總體架構如圖4所示。

圖4 系統總體架構

系統以隧道洞內工控機為管控單元，每臺工控機下游最多對應15個直顯和通信終端，每個終端接1條分布式壓密傳感器，每條傳感器上傳15個開關信號。整個系統最多可容納1 000臺工控機同時運行。

每模襯砌澆筑為一個監測任務。澆筑任務啟動后每分鐘采集、存儲和上報1次數據。數據存儲于云平臺數據庫，實時計算分析襯砌澆筑的連續性、左右對稱性、前后端均衡性，以及隧道拱頂密實狀態，并在用戶監控界面顯示，對異常狀態進行預警。

2) 澆筑任務管理

澆筑任務管理的流程如圖6所示，其步驟如下：

(1) 施工員創建一個襯砌澆筑任務，需填寫相關工程信息，上傳準備工作的照片或短視頻，主要包括初期支護檢查、防水板鋪掛和鋼筋綁扎、襯砌臺車定位與固定、傳感器安裝、工控機狀態、路由器狀態、人員就位等情況，填報完成后提交質檢員檢查。

(2) 質檢員現場查驗后通過后，審查相關信息和照片、短視頻，認為合格后提交給監理員；認為不合格，退回給施工員。

圖5 工程管控與用戶體系

圖6 澆筑任務管控流程

(3) 監理員現場查驗通過后，審查相關信息和照片、短視頻，認為合格，施工員可以在實時監控模塊中啟動監控；認為不合格，則退回給質檢員和施工員。

3) 澆筑任務監控

監控界面主要用于顯示目前正在進行的襯砌澆筑任務，只顯示用戶權限內正在澆筑的信息，如圖7所示。默認情況下，每1 min切換1個工點。左側窗口點擊相應工點，則右側固定顯示該工點，再次點擊恢復滾動顯示。

對于沒有開始的澆筑任務(已通過監理員審批)，需要施工員點擊“開始澆筑”按鈕，一旦啟動，不能暫停或中止(按照質量管控要求)。澆筑結束后由施工員點擊“結束澆筑”按鈕。其他用戶僅可通過窗口查看自己權限內不同項目的襯砌澆筑進度及數據。

4) 監控數據報表

系統提供完善的數據報表功能。

(1) 單一任務報告生成一段襯砌澆筑的質量監控報告。

(2) 批量任務報告生成指定標段、指定工點、指定日期范圍內的質量監控報告。

(3) 批量任務簡報生成指定標段、指定工點、指定日期范圍內的質量監控關鍵信息表。

2 基于主動監測的精準補漿方法

2.1 既有注漿工藝分析

襯砌脫空注漿包括拆模后注漿和帶模注漿。拆模后注漿是指在二次襯砌脫模后的雷達檢測發現空洞后，通過鉆孔或預埋注漿管對脫空進行注漿充填。這種方法雖然能夠填充空腔，但對襯砌結構的補強作用十分有限。帶模注漿是近年來在鐵路部門發展形成的一種新技術，其要求在襯砌澆筑結束后、混凝土初凝前，通過預埋注漿管進行注漿，以保證注漿料和混凝土形成一個整體。

目前常用的帶模注漿方法是沿縱向在襯砌臺車上間隔布設徑向注漿管，數量一般為3～4根，間隔為2 m～3 m。由于徑向注漿管之間存在較大間隔，當脫空位置距離出漿口較遠時，往往需要很大的注漿壓力，漿液才可能流動到脫空位置。尤其是在沒有主動監測技術、不能掌握脫空具體位置時，固定注漿管注漿往往十分被動、隨機、盲目，為了保證注漿效果，大多都采用較高的注漿壓力。注漿壓力大會帶來以下問題：1) 漿液可能流動到脫空以外的其它位置，不僅造成漿液浪費，還可能堵塞隧道排水管路，形成新的施工缺陷；2) 壓力過大還會增大襯砌臺車荷載，導致臺車變形甚至垮塌，引發質量和安全問題；3) 由于多個注漿孔在更換時費時費力，工程中常采用單孔注漿，并以其它注漿孔和端模出漿為標志結束注漿，這種方法很容易造成灌滿的假象，產生脫空。

圖7 澆筑任務實時監控界面

綜上分析，既有注漿技術和工藝尚有很大的改進完善空間。

2.2 縱向抽拔式補漿系統

與防脫空主動監測成果相配合，采用縱向抽拔式補漿，使出漿口按需移動，是實現低壓、精準補漿的重要方法。縱向抽拔式精準補漿的系統構成及工藝如圖8所示，主要包括精準注漿管、卷管器、供漿管和導向輪；縱向抽拔式補漿裝置實物如圖9所示。

精準注漿管為鋁塑管或橡膠管，其外壁印有刻度。根據主動監測結果，可通過外壁刻度精確抽拔注漿管，改變出漿口位置，保證補漿的準確性。精準注漿管采用固定帶徑向安裝在防水板上，使得精準注漿管可懸掛定位在防水板上，并能沿縱向抽動，如圖8(b)所示。

卷管器為常用工業卷管器，通過固定支座安裝在襯砌臺車骨架上，可自動或手動收放精準補漿管，卷管器的中部設有快速接頭與供漿管連接，快速接頭的一端與精準注漿管連接，另一端與供漿管連接。精準注漿管一端與卷管器連接，可接收供漿管輸送的漿液，另一端繞過導向輪，安裝在防水板上。

(a) 初始安裝狀態

(b) 抽拔注漿狀態

導向輪通過升降桿固定在襯砌臺車骨架上，導向輪固定在升降桿的活動端，升降桿的固定端在襯砌臺車骨架上。升降桿采用螺旋套管形式，可推動導向輪上下升降，調節導向輪位置。

圖9 縱向抽拔補漿裝置

2.3 縱向抽拔式精準補漿工藝

1) 準備工作：初期支護檢查完成后，鋪掛土工布；沿土工布的表面縱向鋪設分布式壓密傳感器，然后鋪掛防水板；在防水板的表面沿縱向固定精準注漿管，其出漿口位于前一模已經澆筑的二次襯砌端頭。2) 澆筑二襯：模板定位，澆筑二襯混凝土。3) 判定脫空區：澆筑完成后，會因各種原因可能形成脫空，可根據分布式壓密傳感器的監測數據判定脫空的位置和范圍。4) 補注漿：根據脫空的位置，開啟卷管器，抽拔精準注漿管，抽拔時注意觀察精準注漿管外壁上的刻度，使其出漿口停留在脫空的位置，如圖8(b)所示。此時可開啟注漿機，漿液通過供漿管和精準注漿管從出漿口流出，很容易充填脫空，并在分布式壓密傳感器上顯示是否密實。如果存在多處脫空，則沿縱向依次抽拔精準注漿管，重復前述工作，逐一對脫空進行補漿，最終使二次襯砌頂部完全密實。

由于縱向抽拔補漿與防脫空主動監測成果配套進行，因此可進行有效精準定位補漿，提高了補漿的針對性，而無需過大的注漿壓力，有效避免了注漿壓力過大造成的模板變形和漿液浪費。

3 結束語

為滿足山嶺隧道二次襯砌防脫空精細化管控的需要，基于分布式壓密傳感器及其主動監測技術，開展了網絡監控平臺和精準注漿技術研究，主要成果如下：

1) 研制了分布式壓密傳感器，并將其用于隧道二襯防脫空主動監控的施工工藝，實現了對襯砌澆筑過程的可靠、全面、經濟、便捷監測。

2) 結合襯砌防脫空工作的實際特點，開發了基于云平臺的襯砌防脫空監控系統，實現了澆筑任務檢查和審批、澆筑全過程遠程的實時監控和數據共享，提升了澆筑過程管控的精細化管理水平。

3) 針對既有帶模注漿技術的不足，結合襯砌澆筑主動監測技術，研發了縱向抽拔精準補漿系統及其施工工藝，實現了精準、低壓、效果可監測的帶模補漿，提高了補漿的針對性，減少了漿液浪費。

研究成果在浙江省304國道改擴建項目、湖杭高鐵建設項目中得到應用，實際應用效果良好。