淺議隧道施工質量安全控制的幾個關鍵點

劉 斌，袁 軍，伍毅敏

（1.大同公路分局， 山西大同市 037006；2.山西遠方路橋有限公司， 山西大同市 037006；3.中南大學土木工程學院， 湖南長沙 410075）

淺議隧道施工質量安全控制的幾個關鍵點

劉 斌1，袁 軍2，伍毅敏3

（1.大同公路分局， 山西大同市 037006；2.山西遠方路橋有限公司， 山西大同市 037006；3.中南大學土木工程學院， 湖南長沙 410075）

立足于我國隧道施工現狀，對施工中多發的、易忽視但后果十分嚴重的安全質量控制問題進行探討，主要涉及管棚安裝質量、超前錨桿（小導管）搭接長度、超挖回填、鋼支撐安裝質量、仰拱開挖澆筑質量和二襯鋼筋綁扎質量。通過分析易發問題的現象、原因和后果，提出了控制要求及對策。

隧道施工；安全質量；管棚安裝；超挖回填；仰拱開挖

相對于橋梁和路基，隧道施工面臨更大的不確定性，其風險更高［1］。由于隧道圍巖穩定性和支護結構荷載大小與其開挖支護質量、時機等密切相關，隧道開挖和支護中的一些缺陷，表面看似不嚴重，實際卻可能成為影響隧道質量和安全的決定性因素，甚至可能帶來災害性的后果，給隧道運營帶來不利影響［2－3］。本文根據作者長期深入施工一線的經驗，在規范要求的基礎上［4－5］，按照施工順序，對一些多發的、后果嚴重而又容易被忽視的關鍵問題進行分析探討，以引起工程管理和技術工作者的重視。

1 管棚安裝質量

管棚是隧道洞口段、塌方段和極差圍巖段超前支護加強的主要手段，具有超前長度大和支護剛度強的特點。管棚的作用機理類似于梁，其前端支撐于未開挖圍巖，后端支撐于套拱，形成大剛度的棚護結構，嚴格控制隧道拱部軟弱圍巖的變形，防止松動和坍塌。確保管棚位于開挖輪廓線外側較近位置，并具有良好的剛度，是管棚發揮作用的兩個重要方面，也是容易出現質量問題的方面。

1.1 鋼管外插角和撓度

為了保證管棚的鋼管位于開挖輪廓線外側合適位置，既不偏離太遠，也不能進入開挖輪廓線，管棚的鋼管必須以一個較小的角度（一般為1°～2°）鉆孔。管棚鉆孔時的合理外插角是實現這一目標的基本保障手段。如果外插角過大，隨著鉆進深度的增大，鋼管距離開挖輪廓線越來越遠；而另一方面，由于鉆桿自重的影響或其剛度不足，隨著鉆進深度的增大，鉆頭將逐步下撓，最終可能進入開挖輪廓線。目前我國公路、鐵路隧道管棚鉆進大多采用潛孔鉆機鉆孔，當管棚長度超過20m時，管棚下撓進入隧道開挖輪廓線的現象較為普遍，如圖1所示。

圖1 管棚侵入開挖輪廓線

由于管棚屬于超前支護，其鉆孔質量難以檢測，而一旦施工質量沒有達到設計要求，將可能引起嚴重后果。如果管棚超出開挖輪廓線較多，管棚下方大量土體則不能得到棚護，塌方或大量掉塊不可避免，由于誤以為有管棚棚護，這種塌方或掉塊往往容易被忽視而導致較大危害。如果管棚下撓侵入開挖輪廓線，隧道掘進過程不得不割斷管棚鋼管，導致軟弱圍巖段沒有管棚棚護，必須采取其它措施加強超前支護，否則也容易出現塌方。

因此，為了避免管棚遠離或侵入開挖輪廓線，必須嚴格按照先施工套拱和管棚導向管、后鉆孔的工序施工，管棚導向管應精確定位。管棚的實際外插角應根據圍巖硬度和管棚長度靈活調整。

1.2 鋼管連接質量

由于管棚完全依靠鋼管的大剛度強制抵抗圍巖變形，鋼管是否確實具備局部設計所需的大剛度，將直接影響其作用效果。管棚采用無縫鋼管制成，一般位置的剛度容易保證，而鋼管的連接質量就成為控制其剛度的關鍵點。

為了保證鋼管的連接質量，在設計中，通常都要求采用套箍進行鋼管連接。但是，在實際施工中，不少施工單位怕麻煩、圖省事，往往采用焊接的方法進行連接。由于焊接質量欠佳、焊條選型不當，焊接部位剛度下降、甚至幾乎喪失的現象時有發現，如圖2所示。

圖2 管棚鋼管焊接質量不符合要求

由于鋼管連接質量不能滿足要求，導致其剛度不能滿足要求，也就直接導致管棚失效，從而可能引起突發塌方。因此，為了保證安全，必須嚴格要求管棚鋼管采用套箍連接，確保連接部位的剛度。

2 超前錨桿（或小導管）搭接長度

超前錨桿或超前小導管是隧道超前支護的2種主要形式。通過超前錨桿和超前小導管的預支護作用，在拱圈環向形成一個小的棚護結構，同時也在縱向加強圍巖間的聯系和約束，以避免軟弱圍巖開挖后出現坍塌。

超前支護施工經常被忽視的問題是縱向搭接長度不足或者沒有搭接，如圖3所示。此時，軟弱圍巖外側的棚護結構出現間斷，圍巖的縱向連接也不能實現。而這種情況出現時，沒有預支護的軟弱圍巖被當作已經預支護來進行開挖和支護，使得掉塊、坍塌顯得出乎預料，其危害也很大，因此應注意避免。

圖3 超前支護搭接長度不足

3 隧道超挖回填

超挖通常是隧道鉆爆法施工不可避免的問題。當超挖量值不大時，按照錨噴初期支護的一般施工方法，可以將這些超挖部分填平，不會引起質量安全問題。當超挖量值較大時，如達到50cm，甚至1m以上，按照施工規范要求采用噴射混凝土進行回填，不僅需要耗費噴射混凝土材料，也要占用大量時間。在這種情況下，偷工減料現象經常發生，不適當的做法主要包括2類：一是將石棉瓦等薄殼材料安裝在鋼支撐背后作為模板；二是將隧道棄渣中的片石堆砌在鋼支撐背后的鋼筋網上。這2種做法都可以阻擋噴射混凝土充填超挖部分，減少噴射混凝土用量，縮短噴射時間。

上述做法在初期支護背后留下空洞，給隧道工程質量和結構安全帶來巨大隱患。一方面，由于初期支護背后存在空腔，圍巖和初期支護結構并沒有達到相互作用、相互平衡的預期狀態，圍巖松動和變形可以持續發展，達到一定程度時，可能引起掉塊、坍塌，給初期支護結構施加一個沖擊荷載，導致初期支護裂損或坍塌。尤其危險的是，圍巖松動和變形的過程是隱蔽的，這使得初期支護的坍塌顯得十分突然，因而危害極大。另一方面，即使空洞附近的圍巖最終能夠保持穩定，空腔將成為地下水滲水、聚集的空間，容易引起隧道滲漏水，水和空氣的交互作用，也會加速鋼材銹蝕和混凝土老化。

因此，隧道圍巖超挖后，應嚴格按要求回填密實，初期支護完成后，還應采用地質雷達進行掃描檢測，發現空洞后通過注漿等方法進行充填。

4 鋼支撐安裝質量

鋼支撐是柔性初期支護結構的重要補充，主要用于彌補軟弱圍巖條件下錨噴支護結構剛度較小、強度形成速度稍慢等不足。鋼支撐施工除了控制原材材質、規格，安裝間距和垂直度外，還應特別注意鋼支撐基底不實、連接不牢等問題。

4.1 鋼支撐基底

型鋼支撐通常在洞外加工成形后搬運到隧道內拼裝。洞外加工時，下料和冷彎都是按照統一設計要求進行的，而隧道內實際開挖尺寸（尤其是開挖高度）存在一定的隨機性。當隧道開挖高度超過預期，或開挖高度雖然和預期一致，但拱腳為松軟地層時，就會導致鋼支撐安裝完成支護時底部懸空或置于松軟地層上。鋼支撐底部懸空時，不少單位隨意用塊石墊在基底（見圖4）。如果鋼支撐基底不實或墊的塊石不穩定，一旦承載，就可能發生大幅度沉降，引起初期支護裂損，甚至突然發生失穩，導致塌方。這類由于拱腳不實引起失穩坍塌是除掌子面塌方之外的最常見塌方類型。

圖4 鋼支撐基底墊石不穩固

針對這一問題，如果不改用其它形式的鋼支撐，應預制楔形混凝土塊以備鋼支撐基底支墊所用，否則應采用鋼板、厚模板支墊，與此同時，應在鋼支撐底部增加鎖腳錨桿或鎖腳鋼管。最好可以改用U型鋼或鋼管作為鋼支撐，這類支撐可以通過相鄰節段的滑移，使鋼支撐長度滿足實際開挖要求。

4.2 鋼支撐連接

由于下料和冷彎尺寸與實際開挖不符，以及因安裝定位不準，還可能導致鋼支撐連接困難。按照設計要求，鋼支撐要求采用高強螺栓和連接鋼板連接，但是，由于開挖尺寸和預期不符、安裝定位不準，相鄰節段的工字鋼不能準確連接的現象十分常見。隧道采用側壁導洞、雙側壁導洞等分步施工時，這種現象尤為常見。當不能準確連接時，少穿甚至不穿高強螺栓、簡單焊接甚至不焊接的現象較為突出，這導致鋼支撐連接處成為十分薄弱的一個位置，與鋼支撐這一較高剛度、強度和穩定性的預期和設想不符，從而使初期支護失穩、裂損、大變形顯得“出人意料”，引起災害事故。

因此，在施工控制中，應十分重視鋼支撐的連接問題，加強檢查，確保連接牢固。與此同時，仍有必要研究其它連接方法。

5 隧道仰拱開挖澆筑質量

隧道仰拱使整個支護襯砌結構形成一個封閉結構，有利于改善結構承載特性，并有效控制底部、遏制隧道沉降。但是，由于仰拱開挖時，上部初期支護一般都處于一個穩定狀態，放松仰拱開挖和澆筑質量的現象十分常見，開挖不到位、偷工減料和合并工序的現象經常發生。

（1）仰拱開挖不到位。仰拱開挖時，實際開挖深度沒有達到設計要求。有的仰拱中部深度不足，即矢高不足，使仰拱的力學特性發生改變，有的仰拱實際做成水平的，完全不成拱。由于仰拱沒有形成預期的拱效應，在運營過程中，仰拱中部往往出現上側受拉、內側受壓的現象，最終導致仰拱開裂、斷裂，造成翻漿冒泥。此外，仰拱爆破開挖后，松散巖土體不能徹底清除，也是仰拱施工的多發問題。

（2）仰拱不分層澆筑。在軟弱圍巖區段，隧道路面以下通常包括路面結構、仰拱填充、二襯仰拱部分和初期支護仰拱部分。在施工中，將初期支護和二次襯砌仰拱一次性澆筑的現象也比較常見，甚至有不做初期支護部分或在初期支護部分不放型鋼或鋼筋的現象，以次充好，對結構承載有復雜的不利影響，最終導致隧道拱腳裂損或仰拱病害。

6 二襯鋼筋綁扎定位質量

二襯鋼筋在結構中起到提高截面抗彎、抗拉能力的作用，按照截面受力特點和設計要求，兩層二襯鋼筋應當對稱地布設在襯砌斷面的內外兩側。但是，在實際施工中，二襯鋼筋的定位往往被忽視。定位不理想的現象主要有以下幾種。

（1）鋼筋整體偏向外側。二襯鋼筋通常不專門進行冷彎加工，而是在隧道內安裝時彎曲，這就使得鋼筋彎曲不到位的現象經常出現，鋼筋普遍靠近初期支護（防水層），有時甚至緊貼防水層，如圖5所示。這不僅使二襯鋼筋起不到預期的抗彎拉作用，還會帶來保護層不足、鋼筋銹蝕的問題。

圖5 鋼筋緊貼防水層

（2）仰拱和邊墻連接處鋼筋不分層。仰拱鋼筋向邊墻鋼筋過渡時，經常出現分層不清晰、兩層變一層的情況（見圖6），導致仰拱和邊墻連接處這一應力集中的關鍵部位成為薄弱環節，最終導致結構承載能力下降。

圖6 仰拱與邊墻連接處鋼筋兩層變一層

（3）兩層鋼筋間距過小。二襯鋼筋依靠仰拱延伸出來的鋼筋進行定位和彎曲，當仰拱和邊墻交接處鋼筋不分層或間距過小時，直接導致整個拱圈結構的兩層鋼筋間距過小，使截面的抗彎拉能力大幅度下降。

7 結 語

隧道施工具有施工環境惡劣而且隱蔽工程多的特點，必須精細化施工和管理。在整個施工流程中，由于基礎理論、觀念意識的欠缺，一些關鍵工序的質量被忽視，以致僅僅因為管理或操作（而非節省材料和造價）的因素給隧道施工質量和安全埋下巨大隱患，得不償失。相反，如果重視并抓好這些關鍵工序的施工控制，往往能夠以較小的經濟和時間成本使隧道質量安全水平顯著提高。

［1］郭明香，傅鶴林，沈 弘.隧道施工風險的動態分析［J］.采礦技術，2008，8（4）：105－106.

［2］曹建平，王榮勁，曹大明.既有隧道維修加固施工技術［J］.隧道建設，2008，28（1）：97－101.

［3］莊石云.既有隧道維修加固施工技術［J］.采礦技術，2010，10（3）：50－51.

［4］JTJ D70－2004.公路隧道設計規范［S］.

［5］JTG F60－2009.公路隧道施工技術規范［S］.

2011－11－07）

劉 斌（1973－），男，山西大同人，工程師，從事工程管理工作。