隧道二襯鋼筋保護層厚度控制要素與優化分析
——以黔在建五指山隧道為例

董進成 賴鵬安

(中交第二公路工程局有限公司 陜西西安 710065)

0 引言

隨著我國“一帶一路”建設的不斷推進，帶動了大批長、難、復雜地形隧道與地下工程的開發，尤其是以云、貴、川、渝等西南地區為代表的山嶺隧道，常伴隨有滑坡、斷裂帶、溶洞等地質災害，對隧道施工的質量有著更為嚴格的要求。而二襯施工作為隧道施工的重要環節，往往起到加固支撐、優化排水、美化硐室等作用，其中二襯保護層控制的優劣，更是直接決定了二襯的加固支撐能力。

目前，已有學者、工程師對隧道二襯鋼筋保護層厚度不足的成因以及其對整體耐久性的影響展開了大量的研究，也取得了一定的成果[1-3]。同時，部分現場工程師也從施工過程管控的角度，提出了許多建議與措施。如：鄧毅[4]以某山嶺隧道為研究對象，研究了二襯保護層厚度控制的方式，得到了該條隧道二襯鋼筋保護層合格率控制的方法，提高了保護層厚度的合格率，確保了隧道施工的質量。國忠東[5]等人針對某隧道二次襯砌鋼筋保護層厚度合格率不達標、襯砌鋼筋定位不準、測量不到位等現象，制定了相應的處置方案，解決了二次襯砌鋼筋保護層厚度質量缺陷，提高了外觀質量。

本文則以黔在建五指山隧道為研究對象，摒棄純粹的經驗控制，取精用弘，通過測量數據對二襯保護層預留量進行不斷調整，并結合力學模型計算分析二襯鋼筋在自重作用下位移變化情況，最終得出該在建隧道二襯鋼筋保護層厚度控制情況，以期在確保施工質量與安全的前提下，優化施工組織步序、提高施工效率。

1 工程概況

1.1 工程簡介

黔在建五指山隧道為分離式隧道，左線全長2087m，右線全長2135m。為長、大斷面隧道，地質復雜，其中隧道單洞最大寬度為15.61m(除緊急停車帶加寬段)，其中V級圍巖占比15%以上，設計涌水量在1323.8～1688.0m3/d，施工時出水量較大。本分析依托該隧道V級圍巖段展開研究，發現其洞身圍巖為殘坡積層及全～中風化巖層，巖體破碎，拱頂易坍塌，側壁易變形，雨季滲水現象嚴重。為保證其安全性及永久性，初期支護采用錨噴支護(Φ25中空注漿錨桿、Φ8鋼筋網(雙層)、I22b型鋼拱架、C25噴射混凝土)，二次襯砌(含仰拱)采用全斷面整體襯砌(Φ25環向主筋、Φ12縱向分布筋、C30砼)。該段(Va級圍巖)二襯混凝土設計厚度為60cm，鋼筋保護層厚度要求為4cm～8cm。

1.2 建設要求

鑒于貴州省山嶺隧道裂隙較多，出水量較大的特點，業主根據《公路工程質量檢驗標準》(JTG F80/1-2017)規范相關要求，結合實際情況提升了檢驗標準，將規范的抽點檢驗改為測線處全檢，調整后二襯保護層抽檢的部位原則上為拱頂、拱腰(兩側)、邊墻(兩側)5條線，且5條線合格率平均值要求大于80%,如圖1所示。

圖1 二襯控制線位圖

此外，該工程在滿足上述基本要求前提下，還需著力提升隧道整體保護層控制效果，治理隧道二襯鋼筋保護層厚度合格率個值較低這一質量通病。

2 常規控制要點

2.1 物料控制

物料控制為二襯施工過程中鋼筋保護層厚度控制的要點，也是直接影響二襯鋼筋保護層厚度控制的直接因素，其往往表現在環向主筋長度及定位鋼筋數量兩方面。

(1)“L”形定位鋼筋

“L”形定位鋼筋作為隧道整體二襯鋼筋控制的主線，其長度控制上取1.15～1.30倍的二襯設計厚度為宜，多余部分在鋼筋綁扎完成后應予以切除，彎曲長度根據一般取其長度的1/8～1/6。

該工程二襯設計厚度為60cm，從施工需求與經濟適用性的角度出發，現場采用同型號Φ25鋼筋，鋼筋長度為75cm，其中彎曲部分為10cm。

(2)二襯鋼筋主筋安裝長度控制

二襯鋼筋主筋長度的控制是直接影響二襯保護層厚度的關鍵因素，也是二襯施工中的控制難點。根據工程經驗，為實現內、外層鋼筋的精確定位，同時起到輔助支撐的作用，一般外層鋼筋安裝長度略大于設計長度，環向定位筋必須與防水板緊密貼合。

2.2 工序控制

工序控制主要是保證隧道二襯的施工質量，統籌工期與成本的重要手段。通過工序控制能最大程度地在滿足鋼筋保護層厚度的前提下，節約經濟成本和建設時間，實現施工質量、控制目標、經濟效益的有機結合。

(1)安裝環向定位筋

首先均布8根環向定位鋼筋，定位時與防水板緊密貼合。為了不損傷防水板，對該8根進行土工布包裹，實際工程中定位筋間距為1.4m，順接仰拱鋼筋。該工程每模二襯澆筑長度為12m。

(2)安裝巖面層縱向定位筋

縱向定位筋主要起到控制線性的作用。環向定位鋼筋安裝后，沿軸線方向增設同型號縱向定位筋9根，并與環向定位筋焊接牢固，保證縱向定位鋼筋的穩定性。

(3)安裝“L”形定位鋼筋

該定位筋為控制二襯鋼筋安裝質量的核心因素?！癓”形定位鋼筋數量主要根據斷面尺寸確定。該工程每模定位筋數量為56根，其中軸線布置8環(同環向定位筋)，每環7根。

(4)安裝巖面層環向鋼筋

巖面層環向鋼筋順接仰拱，并每根鋼筋逐一與巖面層縱向定位筋進行綁扎牢固。

(5)安裝巖面層分布筋

為了提升施工進度及施工質量，在安裝巖面層分布筋時，需要將內層分布筋同時進行定位(臨時定位)，并在內層主筋安裝完成后拆除安裝。該工程分布筋為Φ12螺紋鋼，間距20cm。

(6)測量放點

為對二襯鋼筋穩定性及保護層厚度控制發揮輔助作用，避免在澆筑過程中產生左右偏移)，由測量人員對定位筋進行放樣，通常放點3～4環(二襯端頭處必須放樣)，每環“L”型定位筋全部測量，測量位置為混凝土表面，并在定位筋上進行噴漆標明，后由現場工人進行拉線至上一板二襯表面，對所有“L”型定位筋超出混凝土面的位置進行切除(切除后的“L”定位筋端頭位置為二襯內輪廓線，在切除后要求對端頭進行打磨處理，同時定位筋與二襯鋼筋為剛接，對二襯鋼筋穩定性及保護層厚度控制起到輔助作用，避免在澆筑過程中產生左右偏移)。

(7)安裝混凝土面層縱向定位筋

根據二襯鋼筋各點預留量不同，分別針對拱頂，拱腰及邊墻進行控制，并在“L”型控制點處加焊內層縱向定位筋；同時，因為“L”定位筋每環數量為7根，在實際操作中混凝土面層縱向定位鋼筋需增加到9根。

(8)安裝混凝土面層鋼筋主筋

為保證其撓度滿足設計要求，根據混凝土面層縱向定位鋼筋位置，安裝環向主筋，并將主筋以此焊接在混凝土面層縱向定位鋼筋上。

(9)安裝混凝土面層分布鋼筋

將預先定位留存在巖面層的分布筋取下，按照先前設計位置綁扎完成，并嚴格控制綁扎質量。

(10)安裝架立鋼筋

架立鋼筋為Φ8盤圓鋼筋，設計分布距離為50cm×20cm(縱×環)，呈梅花型布置，架立筋綁扎時重點控制其綁扎質量，綁扎不僅要求扎絲擰緊還要保證擰旋一圈半以上，而且露頭部分要呈倒“八”字形，嚴禁扎絲端頭方向一致。

(11)安裝預制墊塊

按照規范要求，預制墊塊每平方米放置3～4個，布置呈梅花型，用以進一步控制其保護層厚度，綁扎要求同架立鋼筋安裝綁扎。

3 數據分析

該隧道V級圍巖每模二襯鋼筋總重為15 780kg，鋼筋往往在其自重作用下會產生一定的、不可忽略的撓度變形。通過觀察發現，這種撓度變形會隨著隧道進尺下坡度方向逐漸變大，在二襯筑?；炷翝仓^程，混凝土的和易性、澆筑順序、振搗方式等同樣也會對鋼筋保護層厚度產生影響。這種多因素耦合的影響，往往難以通過簡單的力學分析來定量測定而進行控制。

為了確保該工程二襯施工鋼筋保護層合格率控制滿足標準要求，該項目通過“多次采集、過程核對”的方式，對二襯鋼筋澆筑前后的鋼筋保護層指標進行對比，研究預留量對鋼筋保護成層厚度的影響，并總結出保護層預留控制方法。本研究以第一次和最終調整后數據為例，具體分析如下：

(1)鋼筋綁扎后觀測

為進一步提高隧道二襯鋼筋保護層的合格率，該工程在鋼筋綁扎后，由測量員對二襯環向主筋測量3環，并對每條測線增測數據12根。初始觀測數據中，各點鋼筋保護層厚度預留量均為6cm，在鋼筋綁扎完成后環向測量鋼筋保護層厚度，如圖2所示(以其中一環為例)。

圖2 鋼筋綁扎完成后環向測量鋼筋保護層厚度圖 (單位：m)

通過對圖2綁扎后變形量分析可知，拱頂處鋼筋沉降均在2cm～3cm范圍之內(由預留值6cm減去圖2所示數據得出)，拱腰及起拱線位置在鋼筋綁扎完成后較初始綁扎保護層厚度變化較大，邊墻位置鋼筋相當于與仰拱處鉸接。根據三角拱受力原理及現場觀測，邊墻位置鋼筋變形量較小，但在靠大樁號位置(上坡)邊墻及拱腰位置變形量明顯增大。

(2)混凝土澆筑后復測

二襯混凝土澆筑拆模后，由實驗室對5條測線進行檢查 ，并將筑模后混凝土的鋼筋保護層厚度數據(下文簡稱：數據)進行對比分析，初次實驗室量測數據如圖3所示。其中，圖3～圖4中紅色水平線表示保護層厚度臨界值。

圖3 混凝土澆筑后測量數據(優化前)

通過對拱頂、拱腰、邊墻數據的分析比對發現，因為拱頂定位鋼筋垂直于模板，關模后拱頂定位筋受模板支撐梁力作用，支撐頂升效果較好，故拱頂數據控制相對容易；而拱腰處數據相對各控制點變化最大。這是因為從鋼筋安裝開始，拱腰處就開始向外擴張，在模板臺車定位后重新發生內縮，故而拱腰數據會存在一定的波動，給該處的二襯鋼筋保護層厚度控制帶來較大的困難；另外，由于邊墻處相當于與隧道底面形成鉸接，受外部力影響產生的變形較小，但是一旦發生偏位，也將直接影響整體保護層厚度。

(3)最終調整后確定控制參數

為最大程度的保證數據的合格率(4cm～8cm),經過多次的數據調整與比對，最終確定如下調整方案:

①拱頂控制

拱頂最終預留量定為7cm，預留量較大的原因是考慮到拱頂的數據一般情況下呈下降趨勢，較大預留量可以最大限度地保證拱頂的數據合格率。

②邊墻控制

邊墻最終預留量定位在6cm(根據超欠挖情況也可以調整到7cm)，由于邊墻不會因為鋼筋安裝及模板定位產生過大變形，故該處控制難點主要在于水平的偏移。針對這一情況，采用增加控制點方式，即在鋼筋綁扎完成后加密邊墻處定位點，用5cm長的鋼筋頭焊在主筋上，保證其不會發生偏位。

③拱腰控制

拱腰最終預留量定位在7cm。拱腰控制為二襯保護層厚度控制的重點，因為其從鋼筋安裝到模板定位均會發生位移，但在砼澆筑后拱腰又會內縮2cm～3cm；由于曲線段上無法單純通過增加定位筋數量來進行控制，所以目前拱腰控制主要通過鋼筋下料長度來確定，并在鋼筋安裝后拱腰鋼筋保護層厚度測量數據不應低于7cm。

(4)調整后數據初測

經調整后，該工程二襯保護層厚度初測結果、混凝土澆筑后鋼筋保護層厚度分別如圖4所示。

圖4 混凝土澆筑后測量數據(優化后)

從圖4中可以看出，經過多次的對于預留量的控制，已經可以基本滿足該工程二襯混凝土保護層厚度控制的基本要求。滿足業主交竣工驗收的基本要求，其優化前后的對比數據如表1所示，優化后現場施工效果圖如圖5所示。

表1 優化控制前后保護層厚度合格率對比表 %

圖5 隧道二襯現場施工效果圖

4 結語

本文以五指山山嶺隧道為例，通過對二襯施工前后鋼筋的監控量測，優化了二襯鋼筋保護層厚度控制指標，將二襯鋼筋保護層厚度的合格率提高至85%以上，提升了隧道襯砌整體的施工與外觀質量，其各部分控制方式如下：

(1)拱頂控制：拱頂保護層測量數據一般不會大于其預留量，所以只要盡量保證其不大于保護層合格數據上限即可。參考該工程4cm～8cm的合格率，由于在施工過程拱頂位置鋼筋綁扎后會因自重產生下撓現象，而二襯臺車定位后拱頂位置鋼筋又會被臺車的頂升回到原來的位置，故而頂升位移一般不會使拱頂鋼筋的保護層厚度變得更大，所以拱頂鋼筋保護層預留量建議增大5mm～15mm。

(2)邊墻控制：通過數據分析邊墻的鋼筋綁扎后及澆筑后的位移量一般不會太大，因為邊墻處的鋼筋離仰拱較近，相當于鉸接于仰拱鋼筋。參考三角拱的受力狀態模型，邊墻處鋼筋一般不會隨著鋼筋自重或臺車的頂進產生較大變化。故而，建議通過增加定位鋼筋的方式來保證其居中性，限制水平位移的發生，保證其保護層厚度可控。

(3)拱腰控制：拱腰初二襯保護層厚度數據變化最大，但仍有一定的規律性，主要表征在拱腰處鋼筋保護層數值變化較大，砼澆筑后數據一般較鋼筋綁扎后數據小2cm～3cm。由此可見，該處的鋼筋保護層厚度控制僅通過調整預留量是不夠的。故而，建議結合下料長度來對其進行控制，同時拱腰處也可適當增加定位筋，提高定位的準確性，但定位筋不宜過長，否則很可能在臺車定位過程中發生破壞，失去其定位作用。