基于礦山法鐵路隧道復合式襯砌斷面尺寸的施工問題分析及解決對策探討

阮清林

(中鐵隧道局集團有限公司， 廣東 廣州 511458)

0 引言

鐵路隧道襯砌有礦山法、開敞式掘進機法、護盾式掘進機法或盾構法隧道襯砌3大類。礦山法鐵路隧道復合式襯砌相對后兩者，有開挖成形、超欠挖、襯砌厚度控制難等諸多隧道斷面尺寸問題及質量“頑疾”。文獻[1]給出了復合式襯砌各級圍巖隧道預留變形量值，以保障襯砌結構設計厚度。文獻[2-3]明確了隧道支護、襯砌施工放樣時可將設計的輪廓線擴大5 cm以保證襯砌凈空尺寸，規定了開挖、支護、二次襯砌等工序的斷面尺寸允許施工誤差(偏差)以保證結構厚度。

針對隧道斷面尺寸問題及質量“頑疾”，研究人員在隧道斷面尺寸的預設，開挖輪廓放樣、周邊眼開孔、光面爆破欠挖，鋼架制安，噴混凝土厚度變化、表面粗糙程度，襯砌凈空輪廓，隧道斷面測量，欠挖處理，拱墻襯砌臺車澆筑混凝土方量等方面展開了問題分析和施工對策研究。礦山法鐵路隧道復合式襯砌是由圍巖、初期支護、結構防排水、二次襯砌組成的多層疊合結構，它們的施工誤差相互直接或間接地彼此影響，因此，不僅要考慮隧道圍巖預留變形量值和襯砌預留凈空值，還要考慮符合規程和驗收標準規定的斷面尺寸施工允許誤差(偏差)所需空間的“消化或容納”問題。按施工順序，上道工序均必須為下一道工序提供合格的基面，即要有保證合格結構所需要的空間，這就凸顯了開挖輪廓尺寸預設和實際開挖形成斷面的重要性。

文獻[4]提出周邊開眼偏差是引起欠挖的主要因素，周邊炮孔間距不合理，將產生超挖或欠挖，采用鉆孔補炮的方法處理欠挖預示著更大的超挖，其觀點是“少超少欠”。文獻[5]提出周邊孔孔口控制在設計輪廓線內5 cm，周邊孔間距為35 cm，主要目標是控制平均線性超挖小于10 cm。以往研究多重在控超，而對于防欠方面研究不夠。文獻[6]介紹了應用三維激光掃描基于點云的隧道斷面檢測技術，但未研究噴混凝土表面粗糙程度、測量誤差和襯砌臺車施工誤差帶來的影響，而單純地將初期支護侵限閾值設置為0，未考慮到超挖值在0～3 cm有可能出現二次襯砌厚度不夠的風險。文獻[7-8]介紹了銑挖機銑挖隧道圍巖的情況，對初期支護噴混凝土引起的欠挖未進行研究。

本文基于高鐵單洞雙線隧道復合式襯砌設計和施工實踐[9]，針對斷面尺寸問題進行分析，按照保證襯砌不欠挖同時嚴格控制超挖的理念，提出礦山法鐵路隧道復合式襯砌斷面尺寸問題及質量“頑疾”的解決對策和建議。

1 礦山法鐵路隧道復合式襯砌斷面設計概況

鐵路隧道復合式襯砌容許圍巖產生一定的變形且充分發揮圍巖自承能力，一般由初期支護、防水層和二次襯砌組合而成[1]。某時速350 km高鐵單洞雙線隧道復合式襯砌部分設計參數和預留變形值見表1。

表1 隧道復合式襯砌設計參數和預留變形值

復合式襯砌初期支護與二次襯砌之間設置的防水層，一般由防、排水板與緩沖層組成，宜采用分離式。

表1中襯砌結構的防水層和排水管設置如下： 由EVA防水板+土工布緩沖層組成，防水板厚度不小于1.5 mm，土工布質量不小于400 g/m2。隧道襯砌防水板背后環向設置外包土工布的φ50 mm打孔波紋管，當地下水發育時應加密布置，縱向盲管采用外裹土工布的φ150 mm雙壁打孔波紋管。施工縫處設中埋式止水帶和背貼式止水帶，縱向施工縫設鋼板止水帶。

2 礦山法鐵路隧道襯砌施工過程中斷面尺寸控制方面存在的問題分析

礦山法鐵路隧道工程有隱蔽性大、作業的循環性強、作業空間有限、作業的綜合性、環境惡劣、風險大、施工是動態的等特性[10]。其固有特性決定了隧道施工斷面尺寸不易控制，現針對有關問題分析如下。

2.1 斷面的預留尺寸問題

斷面的預留尺寸主要是圍巖隧道預留變形量值和襯砌預留凈空值。復合式襯砌各級圍巖隧道預留變形量值是根據圍巖級別、開挖跨度、埋置深度、施工方法和支護條件，采用工程類比法確定的。一般先依照設計設定預留變形量值進行交底施工，再在施工過程中通過量測予以修正。襯砌預留凈空值一般為5 cm，隧道支護和襯砌施工時，必須將支護和襯砌的設計輪廓線同時擴大5 cm，以保證襯砌不侵入設計輪廓線和隧道建筑限界。

問題1： 相對隧道襯砌設計內輪廓設定圍巖隧道預留變形量值，而不是相對于施工時預留襯砌凈空后的內輪廓進行設定，存在的問題見表2。

問題2： 對襯砌預留凈空值5 cm的重要性認識不足。文獻[11]規定了不同長度的隧道貫通誤差和貫通限差，相向開挖長度小于20 km的橫向貫通誤差在100～360 mm，高程在50 mm。當貫通誤差≤50 mm時，在保證隧道建筑限界要求的條件下，可不調整線路中線，按設計線位鋪軌；當貫通誤差>50 mm時，應采用洞內CPⅢ控制網實測隧道中線，采用線位擬合方法進行調整，調整后的線路應滿足軌道平順性標準和隧道建筑限界的要求[11]。現行驗收標準規定隧道竣工后的襯砌輪廓線嚴禁侵入設計輪廓線。在施工過程中，隧道襯砌臺車的施工誤差、隧道貫通誤差以及隧道貫通后洞內新設CPⅡ測量控制網帶來的中線和高程變動是難免的。據了解，一些處于1～30 km長度區間段的隧道貫通誤差，橫向誤差在1～130 mm，高程誤差在3～53 mm。襯砌預留的凈空對于解決上述問題發揮了重要作用。另外，因隧道的開挖、支護和襯砌輪廓都是事先設定好的，襯砌內輪廓若呈現正誤差，則存在二次襯砌厚度可能不足的風險，反之則可能造成預留凈空的不足，如圖1所示。

表2圍巖隧道預留變形量與襯砌預留凈空值疊加表

Table 2 Reserved deformation amount of surrounding rock tunnel and reserved clearance value of lining

圍巖級別預留變形/cm襯砌預留凈空值/cm疊加值/cm問題風險Ⅱ3～55-2～0 不僅無預留變形量,且預留變形量不足5 cm時將引起開挖欠挖、支護和二次襯砌厚度不足Ⅲ5～850～3預留變形量不足直至無Ⅳ8～1053～5預留變形量不足Ⅴ10～1555～10預留變形量不足

“-”表示為欠挖。

圖1拱墻襯砌內輪廓測量斷面圖(單位： mm)

Fig.1 Measurement cross-section of inner profile of arch wall lining (unit： mm)

2.2 施工誤差問題

除通過常規的開挖和初期支護斷面超欠挖、襯砌凈空檢查，以及雷達無損檢測發現斷面尺寸的誤差外，還需對斷面尺寸過程控制中的一些關鍵項目進行細化檢查，具體見表3。

表3 斷面尺寸相關檢驗項目細化表

通過測量和檢測，并加以分析，可以得出對斷面尺寸施工誤差的以下認識：

1)隧道開挖、初期支護和二次襯砌施工過程中各工序施工斷面尺寸誤差關聯性強。由施工實踐和誤差研究理論[12]可知，施工誤差是不可避免的，也是無法消滅的，且誤差在隧道工序間或傳遞、或相互影響。斷面尺寸中各單元誤差和空間關聯影響如圖2所示。

實線表示直接關聯，虛線表示間接關聯。

圖2隧道復合式襯砌各單元誤差和空間關聯影響

Fig.2 Error and spatial correlation influence of each element of tunnel composite lining

2)斷面尺寸施工誤差控制水平與圍巖、人員技能、機具、施工方法、檢驗手段等密切相關。

3)開挖毛洞表面、初期支護表面超欠挖施工誤差隨機性大，誤差值相對較大，這也反映出其較難控制。二次襯砌表面施工誤差受襯砌臺車就位因素影響較大。

4)在進行初期支護噴混凝土表面超欠挖檢查時，應高度重視噴混凝土粗糙表面凸凹點對超欠挖測量數值的影響。

2.3 隧道斷面測量問題

隧道開挖、初期支護噴混凝土、二次襯砌凈空斷面的空間位置檢查現在一般用全站儀，斷面間距由原來的較疏逐漸發展到3 m、1 m，甚至更密。測量點間距一般由測量人員根據檢查面的平整度情況選取，通常在50 cm左右。如按表1斷面，拱墻初期支護噴混凝土全斷面的測點數一般為40個左右，測量1個斷面一般用時為6 min左右，有時由于工序時間緊而將測點間距放大。拱墻初期支護噴混凝土全斷面超欠挖測量檢查斷面如圖3所示。

圖3拱墻初期支護噴混凝土全斷面超欠挖測量檢查斷面(單位： cm)

Fig.3 Cross-section of overbreak and underbreak of shotcrete of primary support in arch wall (unit: cm)

以點代面的斷面測量方法，用于二次襯砌凈空斷面檢查基本是可以的，但對于隧道開挖、初期支護噴混凝土斷面檢查則是不完善的，甚至是有風險的。原因在于，隧道開挖和初期支護噴混凝土表面特征是隨機的，波動較大，凸凹不平且表面粗糙。風險問題： 在以點代面斷面測量方法缺陷、隧道開挖和初期支護噴混凝土表面特征、防水層、拱墻襯砌臺車就位等多種因素的疊加下，斷面超挖“0”值點處、近“0”域值點處及其附近很可能出現二次襯砌欠厚問題。測量效率問題： 如果按1 m斷面間距來檢查初期支護噴混凝土斷面的超欠挖，1組11.9 m的預襯砌段大概需要1 h，而隧道施工的循環性很強，留給測量的“天窗”時間有限，因而效率較低。

2.4 欠挖處理和初期支護基面修整問題

隧道欠挖一般有開挖欠挖、初期支護欠挖，后者可能由初期支護施工直接產生，也可能由圍巖變形產生。目前隧道欠挖的處理方法有爆破和非爆破2種。對于巖石開挖欠挖，隨當班爆破處理。非爆破處理初期支護噴混凝土欠挖，有采用挖掘機破碎錘破除的，也有人工用風鎬或鏨等鑿除的；這樣可保護隧道內的施工設施，也可降低對隧道施工的影響，缺點是處理速度慢、難度大、效率低。根據情況采取爆破處理初期支護欠挖也是常有的，其缺點是對施工影響大，還可能引起超挖。在臺階法鋼架段濕噴機械手施工時，為防欠挖和保持噴混凝土表面平整平順，隨工采取人工用鏟修整噴混凝土表面(見圖4)，缺點是效率低、較高處不便作業、不利于職業健康。在欠挖和初期支護基面修整上，還需要尋求更有效、更快速、更安全且能保障職業健康的方法。

(a) 欠挖處理

(b) 隨工修整

圖4人工處理噴混凝土欠挖和噴混凝土表面隨工修整

Fig.4 Artificial treatment of shotcrete underbreak and surface dressing

2.5 拱墻二次襯砌混凝土厚度和方量問題

二次襯砌一般包含結構防排水(土工布、防水板、止水帶等)、混凝土，較差圍巖襯砌還含有鋼筋等。對應表1工程項目，防水材料幾何尺寸見表4，1模隧道拱墻襯砌臺車施工段所含材料量見表5。

表4 隧道防水材料幾何尺寸

表5 1模隧道拱墻襯砌臺車施工段部分設計材料量

Table 5 Design material quantity of one construction cross-section for tunnel arch wall lining trolley

襯砌混凝土厚度隨結構防排水的設置而變化，混凝土方量也隨襯砌包含內容不同而變化。不同部位的結構防排水在襯砌中所占厚度不同。如按表4中尺寸只鋪設防水板和土工布的部位，防水層厚度為3.75 mm，焊縫處厚度為5.26 mm，有墊片處厚度至少為5.44 mm，環向盲管處厚度至少為58.23 mm，縱向盲管處厚度至少為158.23 mm；如按表5設置，施工縫處防水層的厚度至少為22.25 mm，而普通段施工縫處防水層的厚度至少為23.75 mm。關于混凝土方量，如按表5，防排水和鋼筋合計所占方量約為4.15 m3，若為素混凝土，防排水所占方量約為1.91 m3。從前述的噴混凝土施工誤差可知，噴混凝土表面不平順且較為粗糙，而防水板又具有一定的硬度，兩者因素疊加后導致鋪設防水層所占襯砌的方量一般會進一步增大。在拱墻襯砌臺車施工中，防脫空的重要措施之一是核對所澆混凝土方量是否接近于計算量，若計算量偏差較大，將無法從所澆混凝土方量上判斷拱頂是否基本灌滿，也不利于混凝土計劃的管理。從上述計算情況看，結構防排水和鋼筋所占襯砌方量還是有一定數量，計算預澆混凝土方量時需考慮。

3 礦山法鐵路隧道襯砌施工過程中斷面尺寸問題解決對策

3.1 隧道斷面的尺寸預設和調整

在隧道施工前，必須預設隧道斷面尺寸，以便進行開挖、鋼架制作、襯砌臺車制作等工作。開挖預設斷面尺寸

R=r+5+d2+x+d1+Δ。

(1)

式中：R為預設的隧道開挖輪廓半徑，cm；r為隧道襯砌凈空的設計內輪廓半徑，cm； 5為隧道襯砌預留凈空值，cm；d2為隧道二次襯砌設計厚度，cm；x為隧道設計預留變形量值，cm；d1為隧道初期支護設計厚度，cm；Δ為預設的預防性抵減施工誤差影響值，結合“x”設置，cm。

襯砌臺車制作斷面尺寸，即實際施工襯砌凈空內輪廓半徑

r1=r+5。

(2)

在上述公式中，“5、x、Δ”顯得尤為重要，前二者相對明了，“Δ”需重點討論。

從隧道開挖一直到二次襯砌完成，工序環環相扣。施工誤差包含了若干個隧道工序，其有正負值，誤差是不可避免的，也是無法消滅的。因此，預設“Δ”是必要的，原因有以下幾方面：

1)周邊眼眼口實際位置的負誤差可能直接造成欠挖，當其為正誤差時，自然是有利的，反則是不利的。2)周邊眼間的爆破貫通是1個不規則“撕裂面”，周邊炮眼間少量欠挖是較難被發現的。3)鋼架制作正誤差會使鋼架靠向圍巖一側，而這需要有開挖出來的空間來“消化”，否則可能影響鋼架安裝，而負誤差則需要二次襯砌方向有空間來“容納”它。4)隨機的初期支護噴混凝土凸凹表面施工誤差，需要二次襯砌方向有足夠的空間來“容納”它，否則會因噴混凝土造成欠挖，使二次襯砌厚度不足。5)襯砌臺車的制作和就位疊加產生的施工誤差，正誤差可能擠占二次襯砌空間，嚴重的還會引起二次襯砌厚度不足，而其負誤差則可能擠占襯砌凈空。6)文獻[2]第10.2.2條文說明“隧道開挖爆破，不可避免個別部位欠挖，若對其進行補爆，則勢必造成較大的超挖和對圍巖的二次擾動”。不僅如此，欠挖嚴重干擾了正常的施工，并且很難處理，如噴混凝土欠挖。7)一旦二次襯砌欠厚，處理費用巨大，相較于“Δ”產生的費用更多，且嚴重干擾正常施工。8)隧道作業的循環性強，工期緊，任務重，時間成本必須考慮，靠“精雕細鑿”耗時處理開挖等工序，會得不償失。

“Δ”值是動態的。根據表1和本文示例數據例舉“Δ”取值思路見表6。在施工過程中， “x、Δ”根據實測情況做相應調整，且“Δ”在隧道貫通面附近段做特殊調整。

表6 隧道圍巖預留變形量、襯砌預留凈空值與“Δ”取值表

3.2 隧道斷面測量方法

目前，隧道出完渣后的開挖循環斷面超欠挖測量一般用全站儀。其測量方法有2種(見圖5)： 1)如采用徠卡TS15(帶馬達)，測完第1個點，即可自動完成隨后整個斷面測量； 2)如采用TS02PLUS，需要人工瞄準，人工逐點完成斷面測量。對于二次襯砌前的初期支護噴混凝土超欠挖斷面測量，除上述2種方法外，現在還有運用3D掃描儀進行測量的，如FARO Focus3D-X70掃描儀(見圖6)。上述幾種測量方法對比見表7。

由表7可知，若標段內有若干個隧道或若干個隧道口，可考慮用全站儀和3D掃描儀相結合的方式進行隧道斷面測量和掃描，即用全站儀檢查開挖毛洞，用3D掃描儀檢查初期支護噴混凝土輪廓，這在有的項目已取得了較好的效果。在運用3D掃描儀測量成果時，在處理截取的斷面超欠挖值時，需注意噴混凝土表面凸凹特性對數值的影響。當僅有全站儀時，需加密斷面間距，盡可能減小其缺點影響。為了及時標示欠挖，建議配置作業車，以實現高效測量作業。該作業車還可用于隧道多方面高空作業，既靈活又安全，如圖7所示。

(a) 人工瞄準逐點測量

b) 自動測量

圖5全站儀隧道斷面測量方法對比(單位： m)

Fig. 5 Comparison of tunnel crpss-section measurement methods with total station (unit: m)

(a) 現場測量

(b) 測點云圖

Fig.6 Field measurement and measurement point distribution of 3D scanner

3.3 隧道欠挖處理和初期支護基面修整

鑒于對隧道施工設施和初期支護的保護，不影響其他工序施工，以及保障施工進度和安全，隧道初期支護欠挖一般不宜采用爆破處理。多數情況下噴混凝土欠挖量不大，但很難處理。另外，噴混凝土表面起伏不平，“肋巴骨”在現場較為普遍，鋪設防水層的松弛度很難控制，對混凝土厚度和混凝土與初期支護間的密貼性有影響。根據銑挖機的工作條件，巖石單軸抗壓強度<60 MPa的巖石可以銑挖，抗壓強度為10～15 MPa以下時銑挖效率較高，抗壓強度為20～30 MPa的巖石的銑挖效率也可在10 m3/h左右或以上，對于有些Rc值為30～60 MPa的巖石，也可獲得較高的銑挖掘進效率。銑挖機在土質隧道、不適宜爆破施工的隧道，已有很多應用。據某組隧道C25噴混凝土試驗數據，24 h強度12.4 MPa， 45 h強度 23.8 MPa，3 d強度28.6 MPa，7 d強度30.9 MPa，28 d強度32.3 MPa，從強度來說可以滿足銑挖機的工作條件[7-8]。目前，人工處理噴混凝土欠挖一般在防水層作業臺架上進行，與防水層和襯砌施工干擾較大。將銑挖頭裝配在滿足作業高度要求的挖掘機上，在仰拱棧橋至開挖掌子面之間區段試驗銑挖處理噴混凝土欠挖，以及噴混凝土表面修整打平。對可以用銑挖機處理的開挖毛洞欠挖，試驗采用銑挖處理。

此外，研究濕噴機械手噴混凝土施工時的隨工修整噴混凝土表面設備，以保證施工安全和人員職業健康，并提高作業效率。

表7 隧道斷面測量方法對比

圖7 隧道多功能高空作業車

3.4 隧道拱墻襯砌臺車二次襯砌澆筑混凝土方量

1模隧道拱墻襯砌臺車二次襯砌澆筑混凝土方量

Q=q1-q2-q3-q4。

(3)

式中：Q為隧道1模襯砌臺車二次襯砌澆筑混凝土計算總方量；q1為隧道1模襯砌臺車對應段噴混凝土面與邊墻基頂、襯砌臺車面板、堵頭、上組襯砌端頭所包裹的體積；q2為對應段拱墻防排水所占的體積；q3為對應段拱墻防排水與起伏粗糙的噴混凝土表面疊加而產生的體積(根據現場測量綜合取值確定)；q4為對應段拱墻鋼筋所占體積，無鋼筋時取“0”值。

當使用3D掃描儀測量時: 1)先使用3D掃描儀掃描該模隧道襯砌臺車段已變形穩定的噴混凝土面； 2)使用3D掃描儀掃描1模已施工的二次襯砌內表面，將該模襯砌臺車就位因素去除后，取得襯砌臺車的制作面板數據，并以這個面為基準面； 3)實測襯砌臺車的拱頂、兩側的實際就位位置； 4)根據襯砌臺車的制作面板和實際就位位置，獲得襯砌臺車面板的實際空間位置狀態； 5)根據式(3)計算澆筑混凝土方量。

當使用全站儀時： 1)先使用全站儀實測該模隧道襯砌臺車段已變形穩定的噴混凝土面，斷面間距和點間距取小值更精確； 2)實測1模已施工的二次襯砌內表面若干斷面，斷面間距和點間距取小值更精確，將該模襯砌臺車就位因素去除后，取得襯砌臺車的制作面板斷面數據，并以這個面為基準面； 3)其余步驟同3D掃描儀。

在拱墻襯砌臺車施工過程中，以該計算方量計劃所需混凝土用量，卡控二次襯砌拱頂是否基本灌滿，以防拱頂襯砌脫空。

3.5 隧道斷面尺寸質量控制措施

依據鐵路隧道驗收標準和規程、設計、圍巖、人員技能、機具、施工方法、檢驗手段等制定隧道斷面尺寸工序質量管控標準，明確施工允許誤差(偏差)，制訂技術交底和考核制度，進行管理和技術交底，施工過程中加強檢查考核，不斷提高質量水平。

4 結論與建議

4.1 結論

1)圍巖隧道預留變形量值和襯砌預留凈空值各有用途，不宜疊加使用。

2)隧道開挖、初期支護和二次襯砌施工過程中各工序施工斷面尺寸和誤差具有必然關聯的特性。經實測，誤差控制水平有待提高。開挖毛洞和初期支護表面具有隨機、凸凹不平、粗糙的特征，超欠挖測量和數據處理時需要高度重視該特征，以使測量數據可靠。

3)利用隧道斷面的尺寸預設公式和1模隧道拱墻襯砌臺車二次襯砌澆筑混凝土方量計算公式，可系統指導隧道施工。

4)采取全站儀和3D掃描儀相結合的方式進行隧道斷面測量和掃描，可取得較好的斷面尺寸質量控制效果。

5)隧道欠挖處理需要機械化的利器，銑挖機或許是不錯的選擇。

4.2 建議

1)以大數據為支撐，對隧道施工誤差再分析再認識，科學制訂隧道斷面尺寸各工序施工允許誤差(偏差)驗收標準。

2)參考設計隧道圍巖預留變形量值的思路，隧道復合式襯砌斷面結構設計考慮標準中規定的施工允許誤差(偏差)值，如當出現影響結構厚度的不利誤差時，斷面中有空間“消化或容納”這些施工允許誤差(偏差)。這樣既可以保證質量，也符合礦山法鐵路隧道工程作業循環性強的特性。

3)3D掃描儀在隧道中運用屬于隧道測量新技術，應制定相關標準予以規范。應充分挖掘3D掃描儀的優勢，為隧道建設更好地服務。

4)在控制欠挖方面，增加了3D掃描儀、帶馬達的全站儀、欠挖處理設備、相對設計加大斷面等措施，在保證不欠挖、嚴格控制超挖方面積極運用新技術、新方法，不過也增加了相應成本。文獻[1]規定“隧道超挖部分應采用同級混凝土回填”，建議測算此方面的成本，在設計概算投資中列入因此而增加的費用。

5)實現隧道斷面尺寸工序質量管控信息化，并以信息化為抓手指導各工序施工，進行相關工程數量的計算，為項目計劃管理、投資控制、物資計劃和消耗、驗工計價等方面提供數據支持。提高鋼架彎拱機、鋼架安裝作業和襯砌臺車定位的精度，努力實現鋼架安裝、襯砌臺車定位的自動化和智能化。