楊家灣隧道襯砌脫空和滲漏水預防

李　筠， 王立川， 肖　敏， 胡　利， 蒲自俊

(1. 成都鐵路局成都建設指揮部, 四川 成都　610081； 2. 成都鐵路局, 四川 成都　610082；

3. 中南大學土木工程學院, 湖南 長沙　410075)

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楊家灣隧道襯砌脫空和滲漏水預防

李筠1， 王立川2,3， 肖敏1， 胡利1， 蒲自俊1

(1. 成都鐵路局成都建設指揮部, 四川 成都610081； 2. 成都鐵路局, 四川 成都610082；

3. 中南大學土木工程學院, 湖南 長沙410075)

摘要：伴隨《鐵路“十二五”發展規劃》的實施,西南山區鐵路高隧線比和長大隧道多的特征日益顯著,隧道工程質量缺陷對鐵路建設和運營的安全影響度也越來越高。近期開通的鐵路隧道不同程度地出現滲漏水、脫空和裂紋等現象。為了提高復合式襯砌隧道工程建設質量,在總結楊家灣隧道建設中防止襯砌脫空和滲漏水成功案例的基礎上,提出襯砌臺車的設計與制作、在襯砌端頭設置臺階、縱向止水帶采用“牽引”或“懸掛”方式、防水層鋪設、混凝土分層澆筑等施工工藝,有效地解決了隧道襯砌脫空、滲漏水等問題。

關鍵詞：楊家灣隧道; 襯砌脫空; 滲漏水

0引言

即將完成的《鐵路“十二五”發展規劃》的實施給欠發達的西南山區鐵路建設帶來了歷史性發展機遇,2013年以來成都鐵路局一直是鐵路建設投資的全路之首。區域地形、地貌和地質特征決定了西南山區鐵路必然具備高隧線比、長大隧道多、地質和技術復雜的建設期高風險隧道多、隧道運營風險高等特點,隧道工程已成為山區鐵路建設的決定性環節。在西南鐵路建設取得空前成就的同時,隧道工程的支護脫空(初期支護背后脫空(簡稱初期支護脫空)和初期支護與襯砌之間脫空(簡稱襯砌脫空))[1-3]、滲漏水[4-5]、襯砌裂紋、施工縫掉碴掉塊、底部隆起等缺陷成為線路順利開通運營的阻滯甚至成為運營安全的直接和隱性風險。在YL鐵路施工質量較好的土建標段中,16座共21.497 km隧道在初驗時檢查出影響開通、必須進行處理的A類問題 256個,B類問題1 537個,平均每公里隧道112個AB類問題。

鐵路大交通體系的社會性、公益性、網絡性、基礎性特征賦予其“由個案釀變成為行業性安全危機”的特點,鐵路的運輸組織特點使其呈現“點停則域滯、域滯則網緩”的性質;因從(靜態)驗收到開通運營時間短、聯調聯試期間和運營后天窗施工干擾大,使隧道缺陷整治工作往往不徹底、費用高、效率低、安全風險高;驗收和檢測的“點線代面”使隱蔽性強的隧道工程缺陷不可能全部顯性化,缺陷整治的非規范化可能使隧道工程的結構和使用安全性呈現離散性。筆者以防患于未然為宗旨、可行的工藝和措施為要義、此前的碎片化經驗總結為基礎,主要著力于楊家灣隧道的襯砌脫空、滲漏水、施工縫掉碴掉塊等缺陷的成功預防案例總結。

1工程及建設概況

1.1地形地貌地質

寶成線下行K395+880～K401+872危巖體綜合整治工程楊家灣隧道(DK398+635.5)(全文簡稱楊家灣隧道或該隧)位處川北山區,區內為中低山河谷深切地貌,多基巖裸露、地層清晰,呈中至厚層狀的灰巖巖體較完整且巖質較硬。區內發育3條斷層,以楊家灣逆斷層對隧道影響較大,該斷層傾向北西、走向北東、傾角約45°,斷層沿走向長度約3.6 km、破碎帶寬9 m,與楊家灣隧道呈約44°的小角度相交。隧址區屬長江流域嘉陵江水系清水河，地表水系不發育，以碳酸鹽巖溶水為主的地下水受降雨補給,水位季節性明顯。區內不良地質主要有巖溶、采空區、巖堆、煤和有害氣體及水害。自進口向出口,隧道洞身穿越的主要地層依次為J1b(泥巖、砂巖、礫巖夾煤線)、T1f(頁巖夾灰巖)、P2c(燧石灰巖)、P1m+q(灰巖、燧石灰巖)、P1l(頁巖、碳質頁巖夾煤層)、D+C(白云巖、泥質灰巖夾頁巖)等巖溶中等至強烈發育區。地質縱斷面見圖1。

圖1　地質縱斷面圖

1.2設計簡況

楊家灣隧道(L=4 165 m)為設計行車時速80 km的電力牽引雙線隧道,系避繞寶成線下行K395+880～K401+872危巖體而設置。在隧道左側設置貫通平行導坑暨泄水洞(統一簡稱平導)4 194 m(含進口平導1 330 m、中部泄水洞899 m、出口平導1 965 m),以策建設工期、施工通風、運營排水問題的解決。隧道按進口平導、進口正洞、出口平導、出口正洞4個工作面組織施工,施工期(不含鋪架)20.5個月。

隧道按新奧法設計為復合式襯砌,光面爆破、錨網噴初期支護、初期支護與襯砌間鋪設防水板和無紡布(煤系地層段落設置瓦斯隔離板)及縱環向盲管,施工縫設中埋式鋼邊橡膠+外貼式橡膠止水帶。拱墻襯砌一次澆筑,Ⅳ加及以上圍巖和淺埋、偏壓段設鋼筋混凝土襯砌;未明確縱向構造鋼筋是否連續設置,但交底解釋為連續設置即施工縫處不斷開;襯砌混凝土施工縫平齊;襯砌拱部預留灌(注)漿孔,待襯砌混凝土達到設計強度后,實施拱頂填充式灌(注)漿,但未計列灌(注)漿數量。隧道底部結構設計: Ⅱ圍巖段為鋼筋混凝土底板,Ⅲ和Ⅲ加及Ⅳ圍巖段為單層現澆混凝土、Ⅳ加圍巖段為單層現澆鋼筋混凝土、Ⅴ和Ⅴ加圍巖段為雙層即初期支護(含格柵剛架)閉合+現澆鋼筋混凝土仰拱結構之上置填充混凝土。

1.3施工和建設節點簡況

2012年9月26日發中標通知書,9月29日簽訂施工合同;進口段2012年11月7日、出口段10月5日開工,進口平導2013年9月23日、出口平導8月30日拐入正洞施工;平導暨泄水洞開挖與初期支護2013年12月26日貫通,正洞開挖與初期支護12月28日貫通;仰拱2014年2月27日完成,襯砌3月6日合攏(17.2個月)、提前3.3個月完成;2014年5月29日開通運營,順利實現了“雨季前繞避寶成線下行K395+880～K401+872危巖體”的既定目標,確保了相應區段的運營安全。

2解決問題的思路和步序

鑒于作者2曾在六(盤水)—沾(益)鐵路的3座重點隧道成功主導的部分工藝試驗及其更早前在市政和地鐵暗挖地下工程的工藝常識、汲取遂渝Ⅱ線隧道工程的深刻教訓、結合楊家灣隧道的搶險工程特征,為確保危巖體綜合整治工程按時、力爭提前優質建成,加快該隧施工進度減少甚至消除隧道施工質量缺陷成為本項目工程必然的需求。招標伊始本文作者2和作者3即啟動以持續改進、盡快固化和穩定施工方案和工藝,作者3和作者4已向施工企業輪廓性交底并強調襯砌模板臺車強度和剛度制造要求,也確定了由作者4帶領作者1和作者5負責現場實施,冀期預防隧道襯砌脫空、滲漏水、施工縫掉碴掉塊等缺陷的發生。

2012年12月,作者2和作者3到施工現場逐一梳理了施工存在的質量安全問題,對如何防止隧道施工質量缺陷進行現場指導,特別對防止襯砌脫空、預防隧道滲漏水2個方面提出了具體的、操作強的工藝措施。調整施工工藝后,隧道施工質量進步明顯。2013年2月,作者2和作者4再次現場調研并對此前工藝改進提出了進一步完善和修改意見,組織建設相關方形成了固化防止襯砌脫空、復合式防水層、止水帶安設施工工藝的共識。作者1和作者5輪流盯控現場實施,建設相關方抓住執行力這個關鍵,實現了預期質量目標。

3具體預防措施

3.1襯砌臺車的設計與制作

襯砌臺車強度、剛度和適宜性是保障襯砌質量的重要機料具條件之一。部分施工企業及其管理者缺乏辯證思維,在單純成本意識和不良習慣的驅動下,一味“簡化”襯砌臺車,常見的不當主要有: 1)因臺車強度和剛度不足,致使放棄對混凝土的搗固、不連續澆筑而產生較多的混凝土間歇縫、臺車變形引起施工縫錯臺失度甚至“垮塌”、拱頂混凝土脫空; 2)附著式振動器缺失,夢想著插入式振動棒替代附著式振動器的作用,致使混凝土的密實度不足、不均勻、間歇縫顯性化; 3)外模板厚度不足,致使放棄對混凝土的搗固、模板變形引起施工縫錯臺失度和混凝土表面凸凹、拱頂混凝土脫空; 4)觀察窗和泵送口設置不足、不合理,致使觀察澆筑狀態受限不能及時糾正不對稱澆筑、缺乏處置施工縫的工作空間; 5)頂桁架設置不合理,使施工通風管穿越困難或受限。本隧建設中對臺車進行了必要的設計改進。

1)臺車強度和剛度。開工伊始,就對襯砌臺車的縱橫梁等桁架設計提出了底線要求,確保了臺車強度和剛度滿足施工需求。

2)外模厚度。要求外模實際厚度不低10 mm,選用Q235鋼板,容許應力為170 MPa,彈性模量E=2.1 GPa,泊松比μ=0.3。

3)附著式振搗器。強制要求襯砌臺車布設附著式振搗器,L=12 m臺車設5列、功率不低于1.5 kW、數量不少于20臺(見圖2)。

4)觀察窗和泵送口。增加觀察數量并調整其位置和開閉方式,按間隔3 m布置頂部泵送口。

5)臺階式堵頭。在臺車端頭安裝寬度約為最小襯砌厚度50%的鋼板箱體即臺階式堵頭,配合短木板封堵端頭(見圖3)。

(a) 俯視圖(b) 正面圖

圖2襯砌臺車示意圖(單位： cm)

Fig. 2Schematic diagram of lining formwork trolley (cm)

3.2防止隧道脫空

隧道支護脫空通常以初期支護脫空、襯砌脫空及二者的組合3種形態呈現,本文重點總結防止襯砌脫空。

3.2.1規范隧道開挖和支護,確保隧道輪廓面圓順

開工初期,施工企業偏重于追求工程進度,隧道開挖成型差、超欠挖現象突出并引起初期支護噴混凝土工作量大且初期支護輪廓平順度較差,綜合考慮采取以下措施： 1)提高放樣精度并標注周邊和掏槽孔(眼)位置； 2)重視根據地質情況調整爆破參數； 3)以網噴混凝土處置局部超挖、及時補炮以處置局部欠挖； 4)嚴格分層、自下而上噴混凝土。初期支護表面平順,為防水層施作創造有利條件。隧道正洞光面爆破效果圖如圖4所示,初期支護效果圖如圖5所示。

圖3環向止水帶安裝示意圖

(a)(b)(c)

Fig. 3Schematic diagram of installation of circumferential waterstop tie

圖4　隧道正洞光面爆破效果圖

圖5　隧道初期支護效果圖

3.2.2規范防水層鋪設,防止支護脫空

掛點設置合理、松馳度恰當是在平順的初期支護表面上合格鋪設防水層[6-10]的關鍵。防水層掛點不足和不當、預留松弛度不足和過度,初期支護與襯砌混凝土間易形成： 防水層與襯砌混凝土之間脫空或空洞； 擠破(脫)防水層造成“防水層切割襯砌混凝土”； 防水層褶卷引起襯砌混凝土集中結構性切割。本隧的主要做法如下。

1)熱熔墊圈布置。按建技[2010]13號《鐵路隧道防水板鋪設工藝技術規定》,墊圈應按“拱部0.5～0.8 m、邊墻0.8～1.0 m、底部1.0～1.5 m呈梅花形”布置;其缺點是不便于防水板松弛度(縱和環向)設置與控制,該隧基本按“井”字形布設熱熔墊圈，并加密;釘固熱熔墊圈時應注意釘頭不得高于墊圈表面,防止釘頭焊(刺)穿防水板。墊圈的常見問題有墊圈材質不合規、釘擊易碎,墊圈高(厚)度不足、釘頭高于墊圈表面、焊(刺)穿防水板,釘子不配金屬墊片、墊圈易脫落。

2)防水板松弛度控制。建技[2010]13號文要求防水板掛設時環向宜按長度10∶8的松弛度預留環向長度： 一是忽視了防水板在縱向上也需松弛度(預留長度);二是松弛度預留主要視初期支護平順度而確定,一刀切按10∶8預留是無依據、沒道理的,一般通過皮尺丈量初期支護面即可獲取恰當松弛度數據;三是企圖利用防水板自身的延展性是脫離實際的。預留量應以確保防水板與基面密貼為宜。按照初期支護型式和工藝水平及其差異,本隧防水板縱、環向分別按3%～5%、7%～10%余量控制防水板松弛度。

3)防水板焊接工藝。本隧按建技[2010]13號文要求施工,但充氣試驗較少(安裝效果如圖6所示)。

圖6　防水板安裝效果圖

3.2.3混凝土澆筑與搗固

1)墻部澆筑。按由下向上、對稱分層的順序,自觀察窗灌入混凝土;每層澆筑厚度1.0～1.5 m,兩側混凝土澆筑高差小于1.0 m,輸送軟管管口至澆筑面垂距按1.5 m以內控制。

2)拱部澆筑。從拱頂泵送口澆筑混凝土,按基本對稱(兩側混凝土面高差1.5 m內)、從低處向高處的順序逐步更換泵送口,從未封堵中心預留堵頭板觀察,直至拱部混凝土覆蓋臺車且端頭混凝土厚度達襯砌設計厚度50%以上(最薄20 cm)。 臺車就位前安裝排氣管,應在拱頂中心處防水板內側縱向預貼排氣管,排氣管采用直徑20～30 mm PVC 管加工而成,管身不布孔,距離上一循環二次襯砌端頭20～30 mm的距離,露出該循環襯砌端頭20～30 cm。

3)混凝土搗固。墻部澆筑畢,開啟兩側底列附著式振動器;拱部澆筑畢,開啟兩側高列和頂列附著式振動器;搗固標準為混凝土表面黑色漂浮物(粉煤灰)占表面面積30%～40%。

4)封頂澆筑。拱部搗固畢，處置泵送口混凝土堵塞并封堵中心預留堵頭板后,從堵頭遠端泵送口帶壓澆筑混凝土至拱部中心擋頭模板頂部溢漿,確保襯砌拱部不脫空。

3.3隧道滲漏水預防措施

3.3.1調整平行導坑標高,降低隧道水位

要求設計將平導底板高程設于正洞開挖底部以下或基本相當,以降低正洞水位,使正洞涌出的大部分地下水經平導排泄。

3.3.2規范防水層鋪設

見3.2.2。

3.3.3規范止水帶施工

工程實踐中,止水帶特別是中埋式橡膠止水帶已成為滲漏水和施工縫缺陷的主要“病灶”之一,本隧建設中主要采取下述預防措施。

3.3.3.1縱向中埋式止水帶

1)“牽引”和“懸掛”固定止水帶。進口工區采用牽引方式在矮邊墻端頭用緊線器拉緊止水帶進行固定(見圖7),出口工區采用夾具對止水帶進行懸掛(見圖8),保證了鋼邊式縱向止水帶安設技術標準。2種方式安設均能滿足施工要求,施工現場可以根據實際情況采用。

圖7　進口工區縱向止水帶牽引固定安裝方式

Fig. 7Traction fixation of longitudinal waterstop tie applied in entrance section

圖8　出口工區縱向止水帶懸掛固定安裝方式

Fig. 8Suspension fixation of longitudinal waterstop tie in exit section

2)止水帶鉚接。采取切除止水帶搭接部分凸起后進行粘接,鋼邊止水帶鍍鋅鐵皮搭接部位采用鉚接,鉚接點不少于4點,解決了接頭連接工藝差的問題。剔除止水帶搭接部分橡膠凸起,粘貼后對鋼邊止水帶進行鉚接,并使搭接長度符合規范要求(見圖9)。

圖9　縱向止水帶搭接

這些簡單措施和工具有效地解決了縱向止水帶安裝的質量缺陷,是行之有效的。

3.3.3.2環向背貼式止水帶

臺車就位后在防水板上標出止水帶的準確位置,將止水帶粘貼于防水層上(可使用封膠帶)。

3.3.3.3環向中埋式止水帶

進口工區以臺階式堵頭作為止水帶的安裝基臺,輔以短木板固定(見圖10和圖11);出口工區采用“定型卡具”對環向止水帶進行固定(見圖12)。拆模后環向止水帶準確定位于襯砌厚度1/2處,安裝弧線圓順。實踐證明，中鐵隧道在進口工區的做法更加簡潔有效。

3.3.4襯砌臺車臺階式堵頭

臺階式堵頭便于環向中埋式止水帶安裝和固定,因施工縫的鈍角設置和足夠的振搗消除了常見的施工縫掉碴掉塊現象。

3.3.5仰拱和填充混凝土施工縫錯開

為防止地下水從仰拱下部和仰拱與填充之間的結構縫滲入,除強制性要求填充與仰拱分開澆筑、矮邊墻與仰拱一次澆筑外,將仰拱和填充混凝土施工縫錯開布置。

圖10　環向止水帶采用臺車模板固定安裝圖

Fig. 10Fixing of circumferential waterstop tie by using lining formwork trolley

圖11　拆模后環向中埋式止水帶安裝效果圖

圖12　環向止水帶采用定型卡具固定示意圖

Fig. 12Schematic diagram of fixing of circumferential waterstop tie by means of clamper

4施工效果

全隧第三方檢測共發現12處襯砌脫空(多數發生在出口工區),補充回填灌漿后的復檢報告顯示“全隧道襯砌無襯砌脫空,襯砌厚度符合設計要求”。綿陽工務段于2014年4月的全隧手工檢結果顯示“襯砌無脫空,施工縫無掉碴掉塊,無滲漏水”。技術回訪表明,從該隧道2014年5月29日投用1年多的運營情況來看,隧道未現明顯滲水和其他工程質量缺陷，實現了既定的工程建設質量管理目標。

5結論與建議

5.1結論

楊家灣隧道建設中,以開挖及支護、防水層鋪設、襯砌臺車的設計制造、混凝土灌注、止水帶安裝、施工縫設置等為著力點的工藝改進和完善,有效地解決了隧道襯砌脫空、施工縫掉碴掉塊、滲漏水等常見隧道質量缺陷。本文所述及的措施不僅可行,而且簡潔、經濟,可為類似工程借鑒和推廣。

5.2建議

1)在有平導隧道尤其是富水隧道和隧道有富水段時,為降低正洞水位,便于施工,應依地層透水性能將平導工后排水頂面標高布置于正洞開挖底面標高之下。

2)由于“襯砌縱向鋼筋在施工縫中斷開”,既無礙隧道結構功能,又利于襯砌環向止水帶安設，故設計文件在“襯砌縱向鋼筋在施工縫中是否斷開”應持開放態度。

3)在非富水高壓隧道,設計文件宜具適度的開放性,允許將隧道襯砌環向施工縫、襯砌與仰拱縱向施工縫改為臺階式,襯砌與仰拱縱向施工縫設置為外高內低,可取消襯砌環向、縱向中埋式止水帶及背貼式止水帶,在臺階式施工縫處設置遇水膨脹的止水條。

4)建技[2010]13號《鐵路隧道防水板鋪設工藝技術規定》要求防水板掛設時環向宜按長度10∶8的松弛度預留環向長度， 一是忽視了防水板在縱向上也需松弛度(預留長度);二是松弛度預留主要視初期支護平順度而確定,一刀切按10∶8預留是無依據、沒道理的,建議對建技[2010]13號文進行修改,相關“定額”也應進行依據實際情況進行修訂。

5)設計和制造襯砌臺車時,應充分考慮臺車強度和剛度要求,推廣臺階式堵頭,以此提高止水帶安設質量并期消除施工縫掉碴掉塊。

6)襯砌混凝土灌注應基本連續一次性澆筑密實,推薦拱墻混凝土坍落度為15(+1,-2) cm,封頂混凝土坍落度調整為19(+1,-1) cm;帶壓泵送,可基本取消拱頂灌漿工序。

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“極高風險隧道”木寨嶺隧道取得重大突破

經過中鐵隧道集團近7年艱苦奮戰，我國“極高風險隧道”——蘭渝鐵路木寨嶺隧道右線超前導洞于2015年12月15日20：00貫通，這標志著我國攻克世界級隧道工程難題取得重大突破。

蘭渝鐵路是渝新歐國際鐵路的重要組成部分，長873 km。木寨嶺隧道長19.06 km，為雙洞單線特長隧道，全線關鍵控制性工程，地處震區中心，遭遇前所未見的極高地應力、軟巖地質大變形，被稱為“全國鐵路高風險隧道之最”，實行動態設計，國內于2009年因該隧道之艱難首次明確提出“極高風險隧道”的概念。

為解決木寨嶺隧道面臨的世界級難題，2009年2月開工以來，由中國鐵路總公司(原鐵道部)、設計院、中鐵隧道集團聯合成立科技攻關小組，將控制變形和防止坍塌作為主要攻關課題，先后組織十余次專家會進行專題論證，現場試驗了6種施工方案，最終采取嶺脊段應力釋放小導洞的方案實現了隧道貫通。

面對高地應力軟巖地質條件，中鐵隧道集團建設者遵循“以抗為主，抗放結合”的大變形控制原則，把握好“抗”與“放”的平衡，戰勝了突水突泥、圍巖變形、瓦斯等不良地質災害，安全穿越數百個溶洞，艱難實現隧道右線超前導洞勝利貫通，為隧道全斷面擴挖等后續工作創造了有利條件，使得實現李克強總理考察木寨嶺隧道工地時提出的“你們是用艱辛和努力為西部貧困人口打開致富大門”的愿望更近了一步。

蘭渝鐵路是連接中國西南、西北之間最便捷的通道，與現有的渝黔鐵路相連接，形成蘭州至廣州的南北鐵路大干線，將成為與京廣線、京滬線并列的3條南北鐵路大動脈之一，成為西部地區連接珠三角、長三角地區的重要通道。

(摘自 中新網 http://www.ha.chinanews.com.cn/newcnsnews/261/2015-12-18/news-261-186313.shtml)

Case Study on Prevention of Lining Cavity and Water Leakage of

Yangjiawan Tunnel

LI Yun1, WANG Lichuan2, 3, XIAO Min1, HU Li1, PU Zijun1

(1.ChengduConstructionHeadquartersofChengduRailwayBureau,Chengdu610081,Sichuan,China;

2.ChengduRailwayBureau,Chengdu610082,Sichuan,China;

3.SchoolofCivilEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410075,Hunan,China)

Abstract:The quality defects of railway tunnels have serious impact on the construction and operation of the tunnels. However, quality defects such as water leakage, lining cavity and lining crack often occur to railway tunnels. In the paper, the measures taken to prevent quality defects during the construction of Yangjiawan tunnel, including the design and manufacturing of the lining formwork trolley, the arrangement of steps at the lining ends, the installing of the longitudinal waterstop ties by traction means or by suspension means, the laying of the waterproof sheets and the concrete casting layer by layer are presented. In the end, the quality defects of lining cavity and water leakage are eliminated.

Keywords:Yangjiawan tunnel; lining cavity; water leakage; lining formwork trolley; prevention measure

中圖分類號：U 45

文獻標志碼：A

文章編號：1672-741X(2015)12-1331-07

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2015.12.015

作者簡介：第一 李筠(1975—)，男，四川營山人，2002年畢業于西南交通大學，工程管理專業，本科，工程師，現從事鐵路工程建設管理工作。

收稿日期：2015-06-15; 修回日期: 2015-09-20