隧道襯砌拱頂脫空問題的數字化解決辦法

蔡泉華

（德清縣德安公路建設有限責任公司，浙江 湖州 313299）

襯砌拱頂脫空是長期困擾隧道工程的質量問題，嚴重威脅隧道結構的安全。近年來，因為拱頂脫空造成襯砌掉塊從而引發的安全事故時有發生。

一、襯砌拱頂脫空須提前主動應對

襯砌拱頂脫空問題往往防不勝防，因為造成襯砌拱頂脫空的原因多種多樣，包括混凝土自然收縮、泵送壓力不足及防水板松鋪不當等。同時，襯砌拱頂脫空一旦形成，即使后期注漿充填也無法實現結構補強。因此，要提升隧道襯砌質量，就必須在澆筑過程中及時發現并消除襯砌拱頂脫空。

浙江省德清304省道PPP項目中的鎮海至安吉公路德清河口至矮部里段工程PPP項目在建設過程中，開發了基于分布式壓密傳感器的襯砌澆筑主動監測技術，并結合監測結果帶模注漿，取得了良好的防脫空效果。

圖1 隧道環形鋪設的分布式壓密傳感器

該項目起點位于浙江省湖州市德清縣武康街道對河口，順接現狀省道09線，并與在建的杭州繞城西復線莫干山段互通相接，經德清縣莫干山鎮筏頭村、瑤塢村，終點位于德清與湖州市安吉縣交界的矮部里，與鎮海至安吉公路安吉段順接。路線全長約14.62公里，設隧道3515米/5座，其中石壁山隧道長1135米，矮部里隧道德清段長1136米。隧道工程清單量占該項目清單總量的45%，因此隧道工程施工的質量對整個項目有決定性影響。

二、基于分布式壓密傳感器的襯砌澆筑主動監測技術

該技術主要依托分布式壓密傳感器和襯砌澆筑主動監測系統，按照一定工藝流程，根據監測結果采取針對性的措施，可以及時發現并消除襯砌拱頂脫空。

要在澆筑襯砌的過程中實時、動態地掌握混凝土澆筑的進程和密實性，必須克服鋼模板的遮擋、信號屏蔽、混凝土性狀變化等困難。既要求結果準確可靠、監測點足夠密集，又要求監測成本低廉、安裝使用方便快捷。對此，作為該項目的合作企業，德清縣德安公路建設有限責任公司聯合中南大學等單位，研制了分布式壓密傳感器。

分布式壓密傳感器利用混凝土的擠壓作用，使彈性墊層發生壓縮變形，從而使彈性墊層兩側的導電膜片接觸連通，由此判定該測點是否被擠壓密實。然后通過在一條傳感器上布設一系列測點（該工程測點間距為60厘米），形成分布式壓密傳感器，最終實現對襯砌背后不同位置密實狀態的監測。

在實際應用中，把分布式壓密傳感器環向或縱向布設在防水板與土工布之間。隨著混凝土澆筑的不斷推進，已澆筑的混凝土會對防水板產生擠壓，進而擠壓防水板與土工布之間的分布式壓密傳感器，由此識別混凝土的澆筑位置，以及混凝土是否充分擠壓防水板，形成密實的混凝土。因此，通過縱環向布設的傳感器，可以全面掌握整個混凝土澆筑的過程，分析和評價襯砌澆筑的對稱性、平衡性、連續性和密實度，從而指導工藝管控。

襯砌澆筑主動監測系統主要由分布式壓密傳感器、監測延長線、直顯和通信終端、無線路由器和監測工控機5個部分構成。

分布式壓密傳感器用于監測混凝土澆筑狀態，可根據監測等級不同，在隧道拱圈環向、隧道拱頂縱向布設若干條；監測延長線用于延長傳感器接線，使其不受下一模預先鋪掛的防水板和綁扎的鋼筋影響；直顯和通信終端根據需要可分為直顯終端和顯傳終端，直顯終端無通信功能，僅能通過指示燈顯示監測狀態，顯傳終端既有顯示功能也有通信功能，可將監測狀態通過無線信號發送至監測工控機；無線路由器用于工控機和顯傳終端的數據通信；監測工控機用于監測、顯示和儲存澆筑監測數據。

通過襯砌澆筑主動監測實現防脫空，需要按照一定的工藝流程——初期支護檢查→鋪掛土工布→粘貼傳感器→鋪掛防水板→綁扎鋼筋、臺車就位→連接顯傳終端→混凝土澆筑（帶模注漿）→全部紅燈變綠→澆筑結束。

在襯砌澆筑過程中，應時刻根據監測結果采取針對性措施。襯砌前后端混凝土高差過大時，應調整進料口使混凝土均衡向上澆筑，避免過大高差引起混凝土離析、分層；襯砌左右兩側混凝土高差過大時，應調整進料口加快較低一側的襯砌澆筑，避免偏壓使得臺車變形或移位；襯砌拱頂顯示存在脫空時，應加大泵送壓力持續澆灌，確實無法泵送使其密實時，應在二襯臺車對應位置預留的壓漿口處注漿使其密實。

圖2 隧道縱向鋪設的分布式壓密傳感器

三、應用效果驗證及推廣情況

分布式壓密傳感器在該項目首次使用時，采用地質雷達掃描驗證監測結果的準確性，二者完全一致。為進一步分析主動監測和精準注漿的效果，詳細檢查最早監測的9模襯砌，結果表明該區段襯砌長度為90米，缺陷累計長度為1.53米，總缺陷率為1.7%，該90米采用分布式壓密傳感器的背后脫空合格率為98.3%。

基于襯砌澆筑主動監測技術的良好效果，浙江交工宏途建設有限公司組織編制了《基于分布式壓密傳感器的隧道二襯施工工藝作業指導書》《隧道二次襯砌治理通病治理手冊》《德清304項目2019年度質量安全圖冊》，并把有關技術措施編入德清304省道PPP項目隧道二襯施工方案中，在全線隧道推廣應用。此外，還組織集團層面的隧道二襯通病治理現場會，面向全湖州市組織國省道品質工程現場會，獲得了廣泛認可。

基于分布式壓密傳感器的襯砌澆筑主動監測技術和系統原理簡單可靠、安裝使用方便、成本低廉，值得在公路隧道襯砌通病防控和品質工程建設大力推廣應用。此外，還應該繼續圍繞該技術開發襯砌澆筑管控平臺，提高澆筑過程的管控力度；研發與分布式壓密傳感器相配套的縱向抽拔式精準注漿系統，進一步提高注漿的準確性，最終全面消除襯砌拱頂脫空這一問題。