公路隧道襯砌防脫空病害的主動(dòng)監(jiān)控及施工優(yōu)化分析

摘要 為有效提升公路隧道襯砌施工水平，防止出現(xiàn)拱頂脫空病害，保證二次襯砌施工質(zhì)量，該文章結(jié)合某公路隧道工程實(shí)踐，提出了防脫空主動(dòng)監(jiān)控技術(shù)，闡述了主動(dòng)監(jiān)控工作流程、原理，分析了帶模注漿及主動(dòng)監(jiān)控指導(dǎo)施工效果，并提出了合理化施工優(yōu)化建議，工程實(shí)踐表明：（1）通過主動(dòng)監(jiān)控技術(shù)指導(dǎo)襯砌施工，能有效提升襯砌拱頂密實(shí)率，防止襯砌拱頂脫空；（2）常用泵送技術(shù)無法保證襯砌混凝土澆筑密實(shí)性，帶模注漿技術(shù)可在一定程度上提升密實(shí)率，但因注漿口較為固定，其注漿效果并不理想，實(shí)際施工中應(yīng)實(shí)施合理優(yōu)化，并加強(qiáng)主動(dòng)監(jiān)控。

關(guān)鍵詞 公路隧道項(xiàng)目；襯砌結(jié)構(gòu)，拱頂脫空病害；主動(dòng)監(jiān)控；優(yōu)化策略

中圖分類號(hào) U457 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）18-0120-03

0 引言

公路隧道項(xiàng)目建設(shè)中，極易出現(xiàn)襯砌結(jié)構(gòu)拱頂脫空問題，嚴(yán)重影響隧道使用安全。但由于隧道施工環(huán)境復(fù)雜，導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)拱頂脫空的因素眾多，病害發(fā)生后通常無法補(bǔ)救，造成無法估量的后果，所以工程實(shí)踐中如何采取有效措施解決襯砌拱頂脫空問題，已成為隧道施工面臨的主要難題。為此，該文章結(jié)合某公路隧道施工案例，針對隧道襯砌防脫空病害主動(dòng)監(jiān)控及施工優(yōu)化展開綜合探究，分析了主動(dòng)監(jiān)控技術(shù)指導(dǎo)襯砌施工的效果，并提出了合理的施工優(yōu)化方案，對提升襯砌施工質(zhì)量，具有重要的實(shí)踐意義。

1 防脫空效果跟蹤評(píng)價(jià)試驗(yàn)方案

1.1 工程概況

某公路隧道設(shè)計(jì)長度3.45 km，沿線圍巖等級(jí)包括Ⅲ、Ⅴ、Ⅳ級(jí)三種類型，其長度依次為1 545 m、1 030 m和840 m，出入口處明洞長度分別為15 m和20 m，洞體最大埋置深度220 m；采用“人”字形設(shè)計(jì)，其中，出入口段邊坡長度依次為1 465 m和1 988 m，坡度為7‰和5‰。該文選取DK30+292～+340段進(jìn)行主動(dòng)監(jiān)控施工，并對施工效果實(shí)施評(píng)價(jià)，該路段圍巖等級(jí)為Ⅳ級(jí)。

1.2 監(jiān)測方法與原理

隧道襯砌拱頂密實(shí)度監(jiān)測通過分布式壓密傳感器完成，并利用公路信息管控系統(tǒng)中的“隧道襯砌防脫空”單元進(jìn)行信息采集。該傳感器主要是通過物理方式判定結(jié)構(gòu)面壓密程度，按照標(biāo)準(zhǔn)要求將其放置于防水板和土工布之間，能夠快速、準(zhǔn)確獲得襯砌混凝土擠壓作用下，防水板和土工布密貼程度，進(jìn)而判斷襯砌結(jié)構(gòu)混凝土密實(shí)性[1-2]。

壓密傳感器長度為12.0 m，測點(diǎn)間距為800 mm，共設(shè)置15個(gè)測點(diǎn)，各項(xiàng)監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)顯示元件呈現(xiàn)并傳輸至工控機(jī)內(nèi)，然后通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳輸至公路信息管控系統(tǒng)，全面采集密實(shí)信息[3]。根據(jù)實(shí)際情況在土工布及防水板間設(shè)置縱、環(huán)向壓密傳感器（該試驗(yàn)重點(diǎn)針對襯砌拱頂部位密實(shí)度進(jìn)行監(jiān)測，主要設(shè)置縱向傳感器），能夠完成對襯砌結(jié)構(gòu)混凝土澆筑過程的動(dòng)態(tài)監(jiān)控[4]。

1.3 監(jiān)測工作流程

主動(dòng)監(jiān)控工作程序如下：

（1）按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求在初支體系設(shè)置土工布；

（2）土工布布設(shè)完成后，在其表面設(shè)置壓密式傳感器并編號(hào)，然后設(shè)置現(xiàn)場傳感器，進(jìn)行防水板及鋼筋施工，并將模筑臺(tái)車就位；

（3）將壓密式傳感器與顯示元件連通，并啟動(dòng)監(jiān)測裝置，實(shí)施襯砌混凝土施工；

（4）實(shí)時(shí)監(jiān)控顯示裝置狀態(tài)，并全面記錄監(jiān)測數(shù)據(jù)，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

1.4 傳感器布設(shè)方案

傳感器設(shè)置于洞體拱部兩側(cè)2.4 m區(qū)域內(nèi)，拱頂部位設(shè)置1條，并以拱軸線為中心向兩側(cè)縱向分別布設(shè)3條傳感器，總數(shù)量為7條，布設(shè)間距為800 mm。

1.5 效果比對工況

為全面了解防脫空主動(dòng)監(jiān)測技術(shù)指導(dǎo)施工效果，設(shè)置4個(gè)襯砌施工部位進(jìn)行防脫空監(jiān)測，并對施工效果實(shí)施評(píng)價(jià)。其中，DK30+292～DK30+304段和DK30+304～DK30+316段僅對襯砌混凝土澆筑實(shí)施監(jiān)控；而DK30+316～DK30+328段和DK30+328～DK30+340段則結(jié)合實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)開展混凝土澆筑及模筑施工，各路段均設(shè)置7條傳感器。

2 混凝土澆筑密實(shí)度分析評(píng)價(jià)

2.1 密實(shí)度分析方法及結(jié)果

密實(shí)度為襯砌拱頂密實(shí)測點(diǎn)數(shù)與總測點(diǎn)之間的比值，據(jù)此對襯砌結(jié)構(gòu)混凝土密實(shí)度實(shí)施評(píng)價(jià)。

ρ=N／M×100% （1）

式中：ρ——密實(shí)度（%）；N——各傳感器密實(shí)點(diǎn)數(shù)（個(gè)）；M——各傳感器測點(diǎn)總數(shù)（個(gè)），各路段襯砌結(jié)構(gòu)混凝土澆筑密實(shí)度，如下表1所示。

2.2 主動(dòng)監(jiān)控指導(dǎo)施工的效果評(píng)價(jià)

4組模筑襯砌拱頂密實(shí)度監(jiān)測結(jié)果，如下圖1所示。

由圖1可知：（1）襯砌結(jié)構(gòu)脫空位置位于拱部1.6 m區(qū)域內(nèi)，其中脫空最嚴(yán)重位置位于拱肩部位，而非拱頂位置；（2）未進(jìn)行監(jiān)控指導(dǎo)施工部位拱頂密實(shí)度為87.62%、86.67%，而進(jìn)行監(jiān)控指導(dǎo)部位施工拱頂密實(shí)度達(dá)96.19%、98.10%，通過監(jiān)控指導(dǎo)施工后襯砌拱頂密實(shí)度提高約10.00%，由此可知，采取主動(dòng)監(jiān)控指導(dǎo)襯砌施工，能在一定程度上防止拱頂脫空。

2.3 二襯澆筑施工優(yōu)化建議

該試驗(yàn)根據(jù)主動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，科學(xué)判定混凝土澆筑完成時(shí)間與泵送壓力調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)，顯著提高襯砌混凝土澆筑密實(shí)度，但拱頂密實(shí)度仍未達(dá)到理想狀態(tài)。因此，在加強(qiáng)主動(dòng)監(jiān)測基礎(chǔ)上，還應(yīng)對襯砌結(jié)構(gòu)混凝土澆筑及密實(shí)過程實(shí)施全面分析，根據(jù)混凝土流動(dòng)狀態(tài)，合理確定混凝土泵送入口、間距及角度等施工技術(shù)指標(biāo)，并結(jié)合實(shí)際情況，優(yōu)化使用工藝，從而全面提升襯砌拱頂澆筑密實(shí)度[5-6]。

3 帶模注漿效果分析評(píng)價(jià)

3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

通過檢測發(fā)現(xiàn)，4組模筑襯砌均存在一定的拱頂脫空問題，盡管主動(dòng)監(jiān)測可有效指導(dǎo)襯砌施工，并能在一定程度上提高襯砌結(jié)構(gòu)拱頂密實(shí)度，但難以從根本上防止脫空問題的出現(xiàn)。同時(shí)，對混凝土澆筑工藝進(jìn)行優(yōu)化后，仍舊難以避免拱頂脫空問題，因此，為最大限度保證拱頂密實(shí)度，必須采取模筑注漿工藝。現(xiàn)階段，較為常用的帶模注漿工藝，主要是按照一定間距在拱頂位置設(shè)置若干根徑向注漿管，并通過高壓注漿設(shè)備向襯砌脫空部位注射膨脹水泥砂漿，從而將脫空部位填充密實(shí)，該試驗(yàn)對帶模注漿施工前后襯砌密實(shí)度實(shí)施監(jiān)測，結(jié)果如下圖2所示。

由圖2可知：（1）針對襯砌結(jié)構(gòu)拱頂密實(shí)度較低部位（脫空嚴(yán)重位置），采用帶模注漿能有效改善拱頂密實(shí)度，但改善程度較為有限，無法徹底防止脫空；（2）帶模注漿施工后，DK30+292～DK30+304段襯砌拱頂密實(shí)度從87.62%增加至92.38%，增幅為4.76%；DK30+304～DK30+316段襯砌拱頂密實(shí)度從86.67%增加至90.47%，增幅為3.80%；而對于DK30+316～DK30+328段和DK30+328～DK30+340段，由于初期密實(shí)度較高，注漿后其密實(shí)度基本保持不變。

3.2 帶模注漿施工效果分析及優(yōu)化建議

通過以上分析可知，采取徑向帶模注漿施工工藝，無法從根本上防止襯砌拱頂脫空問題，具體原因如下：

（1）注漿管出口堵塞：采取帶模注漿施工時(shí)，注漿管相對固定，若管口部位已達(dá)到密實(shí)狀態(tài)，注漿過程中漿體材料極易堵塞管口，從而造成漿體材料無法到達(dá)脫空部位，達(dá)不到實(shí)際注漿效果[7-8]；

（2）注漿管與襯砌脫空部位堵塞：因注漿管布設(shè)位置及數(shù)量較為固定，并且注漿過程中漿體材料率先到達(dá)較近及較低部位，如果脫空位置與注漿口之間距離過大，漿體材料流動(dòng)過程中極易出現(xiàn)堵塞，進(jìn)而無法填充脫空部位[9]；

（3）注漿質(zhì)量難以保證：帶模注漿施工時(shí)，漿體材料、注漿時(shí)間、注漿壓力及注漿量等各項(xiàng)指標(biāo)均由現(xiàn)場完成，無法實(shí)施全面監(jiān)控，難以有效保證注漿質(zhì)量[10]；

（4）對于以上各種狀況，應(yīng)積極強(qiáng)化注漿過程監(jiān)控，引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)手段對注漿過程實(shí)施動(dòng)態(tài)控制，全面保證注漿質(zhì)量，同時(shí)對注漿工藝實(shí)施優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)監(jiān)控與注漿施工的有效結(jié)合。

4 結(jié)語

綜上所述，該文章結(jié)合某公路隧道工程實(shí)踐，通過相關(guān)試驗(yàn)，系統(tǒng)分析了帶模注漿及主動(dòng)監(jiān)控指導(dǎo)施工效果，并提出了合理化施工優(yōu)化建議，具體結(jié)論如下：

（1）通過主動(dòng)監(jiān)控技術(shù)指導(dǎo)襯砌混凝土施工，能有效提升襯砌拱頂密實(shí)度，解決襯砌拱頂脫空問題。相較于未進(jìn)行監(jiān)控指導(dǎo)施工部位，進(jìn)行監(jiān)控指導(dǎo)部位拱頂密實(shí)度得到顯著提升，兩模襯砌拱頂密實(shí)度依次為96.19%、98.10%，通過監(jiān)控指導(dǎo)施工后襯砌拱頂密實(shí)度提高約10.00%，充分表明主動(dòng)監(jiān)控指導(dǎo)襯砌施工的有效性。

（2）隧道襯砌結(jié)構(gòu)混凝土施工難度較大，根據(jù)主動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，科學(xué)判定混凝土澆筑完成時(shí)間與泵送壓力調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)，雖然能有效提高襯砌混凝土澆筑密實(shí)度，但拱頂密實(shí)度仍未達(dá)到理想狀態(tài)，因此在加強(qiáng)主動(dòng)監(jiān)測基礎(chǔ)上，還應(yīng)對混凝土澆筑工藝實(shí)施優(yōu)化，從而全面提升襯砌拱頂澆筑密實(shí)度。

（3）常用泵送技術(shù)無法保證襯砌混凝土澆筑密實(shí)性，帶模注漿技術(shù)可在一定程度上提升密實(shí)度，但因注漿口較為固定，其注漿效果并不理想，實(shí)際施工中應(yīng)實(shí)施合理優(yōu)化，并加強(qiáng)主動(dòng)監(jiān)控。

參考文獻(xiàn)

[1]段瑜，余平軍，黃燦榮.公路隧道二襯混凝土防脫空施工技術(shù)研究[J].西部探礦工程，2020（2）：178-180.

[2]董兆剛.公路隧道二襯拱頂背后脫空檢測及處理新技術(shù)[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2022（16）：129-132.

[3]楊劍，龔倫.運(yùn)營隧道拱頂脫空型襯砌厚度不足整治技術(shù)研究[J].公路，2022（2）：321-329.

[4]唐思偉，石照輝，禹化偉.隧道襯砌拱頂脫空與空洞回填工藝優(yōu)化[J].山西建筑，2021（3）：143-145.

[5]遲作強(qiáng)，邵帥，梁廣山，等.大斷面隧道拱頂脫空鋼板加固機(jī)理及效果研究[J].公路，2021（11）：359-364.

[6]劉文俊.硬巖隧道二襯拱頂脫空原因分析及整治措施研究[J].鐵道建筑技術(shù)，2021（9）：134-139.

[7]劉虎.隧道拱頂脫空質(zhì)量控制探討[J].質(zhì)量與市場，2021（12）：37-39.

[8]龍金.隧道工程二襯拱頂脫空原因分析及處理技術(shù)[C]《施工技術(shù)》雜志社，亞太建設(shè)科技信息研究院有限公司.2021年全國工程建設(shè)行業(yè)施工技術(shù)交流會(huì)論文集（中冊）.中交四航局第一工程有限公司，2021：4.

[9]蔡泉華.隧道襯砌拱頂脫空問題的數(shù)字化解決辦法[J].中國公路，2021（9）：86-87.

[10]戴帥.二襯帶模注漿預(yù)防拱頂脫空技術(shù)在鐵路隧道施工中的應(yīng)用[J].工程技術(shù)研究，2021（8）：97-98.