隧道襯砌背后空洞成因及治理一般規(guī)律探究

姜寧　丁文禮　陳蒙

（煙臺(tái)大學(xué)，山東煙臺(tái)　264005）

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隧道襯砌背后空洞成因及治理一般規(guī)律探究

姜寧丁文禮陳蒙

（煙臺(tái)大學(xué)，山東煙臺(tái)264005）

摘要：以河北省某隧道工程為例，根據(jù)檢測(cè)所確定的空洞位置及數(shù)量，對(duì)空洞產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析，并按照空洞位置的不同，分別提出了相應(yīng)的治理措施，以使在建或已建隧道處于良好狀態(tài)，保證隧道的正常運(yùn)營(yíng)。

關(guān)鍵詞：隧道，空洞，初期支護(hù)，二次襯砌

0　引言

隨著我國(guó)交通里程的不斷增長(zhǎng)，在建或已建隧道的總里程獲得快速增長(zhǎng)。新奧法作為公路隧道的一種重要修建方法，在隧道建造的歷史中得到不斷的發(fā)展，其采用錨桿和噴射混凝土及施作鋼筋網(wǎng)或鋼拱架作為初期支護(hù)，采用整體式混凝土作為二次襯砌的復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)［1，2］，在公路隧道建造中取得了良好的效果。但在隧道的施工過(guò)程中，由于各種自然因素、人為因素及施工工藝等因素的綜合作用而在襯砌背后產(chǎn)生空洞的現(xiàn)象也越來(lái)越突出。

以河北省某隧道為例，根據(jù)檢測(cè)所確定的空洞（如圖1所示）位置及數(shù)量，對(duì)空洞產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，并在此分析的基礎(chǔ)上，提出隧道襯砌背后空洞的成因及治理措施的一般結(jié)論。鑒于空洞作為一種隧道重要病害已對(duì)隧道襯砌的力學(xué)性能及結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生很大影響［3-6］，對(duì)空洞成因進(jìn)行深入分析研究，并制定相應(yīng)措施來(lái)防治空洞病害以使在建或已建隧道處于良好狀態(tài)，保證隧道的正常運(yùn)營(yíng)顯得尤為重要。

1　河北某隧道空洞病害實(shí)例

1.1工程地質(zhì)評(píng)價(jià)

河北某隧道所通過(guò)地段，共包括四個(gè)圍巖級(jí)別：Ⅱ級(jí)，Ⅲ級(jí)，Ⅳ級(jí)，Ⅴ級(jí)。其中ZK79 + 873～ZK79 + 920等地段，圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)，巖性為強(qiáng)～中風(fēng)化花崗巖，巖體較破碎，節(jié)理裂隙較多發(fā)育；ZK79 +920～ZK80 +066等地段圍巖級(jí)別為Ⅳ級(jí)，巖性為中風(fēng)化，巖體較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育。ZK80 + 552～ZK80 + 615等地段，圍巖級(jí)別為Ⅲ級(jí)，拱部為微風(fēng)化花崗巖，巖體較破碎～較完整，節(jié)理裂隙較發(fā)育；ZK80 + 127～ZK80 + 552等地段，圍巖級(jí)別為Ⅱ級(jí)，巖體較完整，節(jié)理裂隙不發(fā)育。

根據(jù)實(shí)際開(kāi)倉(cāng)及運(yùn)用地質(zhì)雷達(dá)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)［7］對(duì)隧道襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)的檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，襯砌背后存在若干大小不一的空洞。經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，在隧道的初期支護(hù)背后存在空洞，二次襯砌與圍巖間存在空隙即二次襯砌有厚度不足及脫空的現(xiàn)象，說(shuō)明空洞的產(chǎn)生是一個(gè)較為普遍的現(xiàn)象，在初期支護(hù)及二次襯砌的背后均有可能產(chǎn)生。且通過(guò)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，拱頂較多出現(xiàn)空洞，拱腰及邊墻后也會(huì)出現(xiàn)少量空洞；在圍巖較好的Ⅱ級(jí)地段，隧道襯砌背后也檢測(cè)出空洞，這說(shuō)明空洞在隧道圍巖處于Ⅱ級(jí)～Ⅴ級(jí)時(shí)均可出現(xiàn)。據(jù)檢測(cè)，存在同一隧道橫斷面出現(xiàn)空洞群（如拱頂及拱腰均出現(xiàn)空洞）的現(xiàn)象。

1.2河北某隧道空洞成因分析

1）在初期支護(hù)背后產(chǎn)生的空洞與工程地質(zhì)條件及施工過(guò)程［8，9］有關(guān)。在地質(zhì)條件較差有節(jié)理裂隙發(fā)育段，圍巖呈現(xiàn)較松散破碎的狀態(tài)，爆破開(kāi)挖易導(dǎo)致超挖，加之噴射混凝土不及時(shí)或錨桿施加不到位，容易產(chǎn)生空洞；在地質(zhì)條件較好地段，由于爆破控制不當(dāng)及其他施工工藝的因素，襯砌背后也可產(chǎn)生空洞。

2）二次襯砌背后產(chǎn)生的空洞與施工技術(shù)及施工工藝有關(guān)。在拱頂處由于混凝土噴射厚度不足，在混凝土硬化過(guò)程中產(chǎn)生收縮徐變后，在二次襯砌與噴射混凝土的巖面間形成空洞［10］。二次襯砌施工工藝控制不當(dāng)導(dǎo)致二次襯砌本身出現(xiàn)不足，如二次襯砌厚度不足，也會(huì)導(dǎo)致二次襯砌背后出現(xiàn)空洞。

3）在同一隧道橫斷面處檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的空洞群處于Ⅴ級(jí)圍巖段，考慮到地質(zhì)情況較差，巖體較破碎、節(jié)理裂隙的發(fā)育，加上爆破開(kāi)挖的控制不夠精確及施工工藝欠精確等各方面綜合因素，由此產(chǎn)生空洞群。

2　空洞產(chǎn)生因素及治理一般規(guī)律

2.1初期支護(hù)背后空洞產(chǎn)生因素及治理一般規(guī)律

1）初期支護(hù)背后空洞產(chǎn)生因素。

a.超挖后回填材料選擇不當(dāng)。新奧法要求采用光面爆破，但在實(shí)際操作過(guò)程中，由于對(duì)爆破效果的控制不夠精確且地質(zhì)條件較差等原因易造成隧道超挖。當(dāng)爆破導(dǎo)致超挖后，應(yīng)及時(shí)處理，采用密實(shí)材料進(jìn)行回填。若采用較大粒徑的材料進(jìn)行填筑（如圖2所示），將導(dǎo)致較大空隙，使之形成空洞。

圖1　隧道空洞圖

圖2　拱架背后回填大粒徑碎石

b.施工工藝不達(dá)標(biāo)。當(dāng)施工工藝及混凝土配合比控制較差時(shí)，噴射混凝土質(zhì)量達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，在硬化過(guò)程中將產(chǎn)生過(guò)大收縮使得噴射混凝土與巖面間形成空洞。當(dāng)隧道采用分步開(kāi)挖時(shí)，若對(duì)拱腳部位清理不徹底，會(huì)在初期支護(hù)與圍巖間形成松散物，當(dāng)下部施工時(shí)，松散物發(fā)生脫落或松動(dòng)，進(jìn)而造成脫空。

c.水流沖刷及隧道滲漏水的因素。目前多數(shù)山嶺隧道采用“以排為主，排堵結(jié)合”的防水設(shè)計(jì)原則，在地下水的沖刷中，會(huì)帶走部分的泥沙，進(jìn)而在隧道襯砌背后形成空洞。隧道發(fā)生滲水或涌水時(shí)，噴射混凝土不能立即堵塞滲水，在地下水壓力作用下初步成型的噴射混凝土容易產(chǎn)生變形，在變形的混凝土后會(huì)形成空洞。

2）初期支護(hù)背后空洞對(duì)隧道安全的不利影響。

a.空洞改變了圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，進(jìn)而改變了襯砌的受力性能，若產(chǎn)生突發(fā)性的應(yīng)力集中會(huì)使襯砌產(chǎn)生過(guò)載，或者使襯砌產(chǎn)生過(guò)大變形易導(dǎo)致襯砌破壞；

b.空洞內(nèi)的地下水，加速隧道內(nèi)鋼筋的銹蝕，降低鋼筋的耐久性，產(chǎn)生安全隱患；

c.若初期支護(hù)背后空洞范圍較大，可能產(chǎn)生落石沖擊，若落石沖擊力過(guò)大可引發(fā)隧道坍塌（如圖3所示）。

3）初期支護(hù)背后空洞治理的一般措施。

a.對(duì)于由超挖引起的空洞，在回填超挖位置時(shí)，應(yīng)使用密實(shí)的材料進(jìn)行填筑，不能使用較大顆粒材料以防止出現(xiàn)空隙。

b.當(dāng)有地下水發(fā)育時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照新奧法中“防、排、截、堵”的治水原則，做好防水治水工作，及時(shí)施作防水層，控制實(shí)施好施工工藝。

c.空洞較小時(shí)，為防止其以后增大應(yīng)及時(shí)做好處理。小的空洞只需在空洞位置邊緣處進(jìn)行注漿即可，但要控制好注漿量。空洞較大時(shí)，需要開(kāi)倉(cāng)進(jìn)行處理，也需注漿修復(fù)，但最好采用水泥砂漿，在注漿完畢后須作加強(qiáng)處理，如掛設(shè)鋼筋網(wǎng)等。

2.2二次襯砌背后空洞形成因素及治理一般規(guī)律

1）二次襯砌背后空洞形成因素。

二次襯砌背后形成空洞大多與施工工藝有關(guān)，與施工過(guò)程中的工藝控制、施工過(guò)程的精細(xì)程度有關(guān)，施工工藝直接影響到隧道工程的施工質(zhì)量。

二次襯砌采用整體式混凝土結(jié)構(gòu)，當(dāng)混凝土的拌制及配合比不合標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，混凝土的物理力學(xué)性能將不能滿足二襯的要求，混凝土硬化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的收縮，導(dǎo)致混凝土厚度不足，此時(shí)，容易使得二次襯砌與初支間形成空洞，若收縮嚴(yán)重，可產(chǎn)生較大面積空洞。

在邊墻部位鋪設(shè)防水層時(shí)，要考慮防水層的厚度，防水層鋪設(shè)過(guò)緊會(huì)導(dǎo)致防水層厚度不足，此時(shí)使得二次襯砌背后形成空洞。

由于拱架與模板剛度低，在澆筑完混凝土后引起模板和拱架的變形或下沉；模板支架底部變得疏松，導(dǎo)致頂部模板下沉量過(guò)大，造成頂部襯砌混凝土下沉脫空形成拱頂空洞。

2）二次襯砌背后空洞治理的一般措施。

二次襯砌背后的空洞多在施工過(guò)程中由施工工藝的原因造成的，對(duì)于由施工工藝的原因產(chǎn)生的空洞，可采取改善施工工藝的措施來(lái)進(jìn)行預(yù)防。

a.二次襯砌背后存在小范圍空洞時(shí)，可以采取在空洞位置鉆孔灌注漿液（如圖4所示）的方式，將空洞填充密實(shí)。填充過(guò)程中需要注意混凝土收縮的問(wèn)題。施工時(shí)應(yīng)在襯砌空洞縱向兩邊分別設(shè)置排氣孔及注漿孔，當(dāng)排氣孔有漿液流出時(shí)，堵塞排氣孔，再繼續(xù)注漿一段時(shí)間。注漿壓力不能太大，避免襯砌在注漿過(guò)程中因壓力過(guò)大出現(xiàn)裂損。

圖3　空洞引起隧道坍塌

圖4　灌注漿液示意圖

b.二次襯砌背后有可能出現(xiàn)大范圍，相隔距離較緊密的成片空洞，對(duì)于此種情況，發(fā)現(xiàn)后應(yīng)立即處理。此時(shí)在修復(fù)治理過(guò)程中要把存在空洞的二次襯砌整體或者部分鑿出，然后，對(duì)鑿出位置附近的二次襯砌進(jìn)行修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)處理，使二次襯砌的強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。可以采取掛設(shè)鋼筋網(wǎng)、加強(qiáng)鋼拱架、噴射高強(qiáng)混凝土、設(shè)置錨釘?shù)妊a(bǔ)強(qiáng)方法來(lái)處理。對(duì)大范圍空洞進(jìn)行注漿時(shí)，所需漿液量較多，注漿壓力也較大，此時(shí)應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)觀察，對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的變形、注漿壓力突變及注漿量突變等情況應(yīng)做好實(shí)時(shí)監(jiān)控，以使空洞達(dá)到注漿后最佳修復(fù)狀態(tài)。

3　結(jié)語(yǔ)

文中通過(guò)實(shí)際工程對(duì)空洞這一隧道普遍病害進(jìn)行一般性分析，論述了空洞分別處于初期支護(hù)和二次襯砌背后時(shí)的成因，并分別提出治理措施，可以得到以下結(jié)論：

1）空洞所處的位置具有多樣性。其在Ⅱ級(jí)～Ⅴ級(jí)圍巖中都可出現(xiàn)且在初期支護(hù)和二次襯砌的背后都有可能產(chǎn)生。

2）處于初期支護(hù)及二次襯砌背后的空洞，其產(chǎn)生的原因有較多不同，且成因都具有多樣性，甚至多種因素間具有耦合作用，但由于施工過(guò)程不當(dāng)?shù)仍虍a(chǎn)生的空洞可以通過(guò)改進(jìn)施工水準(zhǔn)提高施工工藝來(lái)減輕或避免。

3）在初期支護(hù)及二襯背后產(chǎn)生空洞的原因往往不同，但治理措施具有相似性，大多需要進(jìn)行注漿修復(fù)。在治理較大范圍空洞時(shí)，所采用措施更復(fù)雜一些，往往需要進(jìn)行開(kāi)倉(cāng)或鑿除部分襯砌并實(shí)施補(bǔ)強(qiáng)處理且對(duì)注漿的施工工藝要求更加嚴(yán)格精確。

4）對(duì)于襯砌背后出現(xiàn)的空洞群，應(yīng)引起更廣泛的關(guān)注，其產(chǎn)生因素復(fù)雜，且多種因素共同作用，危害性更大，應(yīng)進(jìn)行更深入的研究。

本文分別對(duì)空洞處于初期支護(hù)及二次襯砌背后時(shí)的成因進(jìn)行了分析探討，并未深入探究影響空洞產(chǎn)生的力學(xué)機(jī)制及空洞對(duì)洞室開(kāi)挖后產(chǎn)生的力學(xué)及變形影響，對(duì)此還需進(jìn)行更加深入的研究。

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Study on the general causes and control measures of the cavity behind tunnel lining

Jiang Ning Ding Wenli Chen Meng
（Yantai University，Yantai 264005，China）

Abstract：Taking some tunnel project in Hebei Province as the example，the paper analyzes the reasons for the cavity according to the identified cavity location and number in the tests，and points out respective treatment measures according to the different cavity location，so as to maintain the better status of tunnels and ensure the common operation of tunnels.

Key words：tunnel，cavity，primary support，secondary lining

中圖分類號(hào)：U457. 2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-6825（2016）09-0166-03

收稿日期：2016-01-15

作者簡(jiǎn)介：姜寧（1989-），男，在讀碩士；丁文禮（1988-），男，在讀碩士；陳蒙（1987-），男，在讀碩士