隧道襯砌脫空原因及整治技術研究

洪俊奎

（北京鐵城建設監理有限責任公司，北京 100855）

鐵路隧道工程項目建設質量受多方面因素影響，為了保證隧道質量及加強對施工單位的約束管控，必須在后期對隧道工程進行嚴格的質量檢測[1-2]。如果在檢測中發現質量病害就必須及時采取有效措施進行整治，防止病害擴大對隧道的安全運營造成危害。 二襯結構是重要的支撐及防護結構，二襯脫空導致襯砌結構滲漏及承載力降低是最為嚴重的病害之一，而從結構來講，隧道二襯背后脫空問題發生的主要部位是拱頂及側壁拱腰，這些部位發生脫空會直接影響整體結構的承載能力[1-3]。 但在實際工程中，引起二襯結構脫空的原因主要包括： 光面爆破效果不佳，防水板未科學合理掛設，拱部混凝土材料不足，施工所用材料質量把控不嚴格，混凝土澆筑技術操作不科學，混凝土澆筑之后拆管及脫模時機掌握不力，襯砌臺車底座支撐不足等。 為了采取有效措施對襯砌脫空進行整治，就必須對造成脫空的原因進行分析查明，針對性地提出整治施工技術措施[1]。本文以某隧道為例，對該隧道發生襯砌脫空的病害原因進行分析，并采用有效的整治技術進行病害消除，保證隧道運營安全。

1 項目概況

該隧道位于蘭渝鐵路線，隧道上行線某段襯砌發生脫空病害。 根據原有設計，該區段地層為第三系砂巖、 礫巖互層，節理裂隙較發育，單位正常涌水量0.29 m3/（d·m），預測該段隧道的正常涌水量712.80 m3/d，最大涌水量2138.40 m3/d，根據物探資料，西迭溝圍巖出現低阻異常，施工時應更加關注并采取相應措施。 整治范圍隧道埋深約70 m，圍巖分級為Ⅳ級，采用哈達鋪隧道Ⅳ一般段襯砌，超前小導管拱部設置，長3.5 m，環向間距0.005 m；拱墻Φ0.006 m 的鋼筋網片，網格間距為0.25 m×0.25 m； C25 噴射混凝土拱墻，厚度0.2 m； 拱墻I12 型鋼鋼架，間距1.5 m，鋼架間Φ0.022 m 縱向連接筋環向間距為1 m； 拱部采用Φ0.022 m 組合式中空錨桿，邊墻采用Φ0.022 m 的全螺紋砂漿錨桿，錨桿長3 m，間距1.2 m×1.2 m （縱向×環向），二次襯砌采用C30 混凝土，厚度0.4 m。

2 襯砌脫空原因分析

根據聯合現場踏勘及后續無損檢測結果分析，該區段病害為上行線（左側） 洞身防水板切割二襯造成的襯砌混凝土脫空，拱頂已開 “天窗” 3.8 m（環向） ×1.9 m （縱向）； 其中二襯到初支表面距離不足0.3 m，可見范圍1.5 m （環向） ×1.4 m （縱向），初支到二襯外表面最小厚度0.2 m； “天窗”向小里程方向拱頂脫空，但根據無損檢測報告，脫空均大于0.3 m，見圖1。

圖1 病害現場位置圖

由于施工缺陷，導致襯砌厚度比設計厚度小0.6 m，且長度小于5 m，屬于A1 級病害，周邊二襯混凝土無異常。 現場已對薄弱松散混凝土進行了鑿除，并用環氧樹脂臨時封閉，施工縫距接觸網吊柱支座3.87 m。

根據現場調查，病害是在二襯為素混凝土的區段，因防水板掛貼施工不當，接縫施工質量差，二襯澆筑時防水板松脫，造成二襯混凝土脫空，其中存在局部欠挖造成1.5 m （環向） ×1.4 m （縱向） 范圍內的初支侵限。

3 襯砌脫空整治施工技術

針對襯砌脫空現場調查及原因分析，襯砌厚度不滿足設計要求，根據欠厚程度判定，按照既有二襯厚度，小于75%范圍的二襯利用鋼套襯補強并向兩側各延伸1 m，大于75%范圍的二襯空洞部位采取背后注漿的方式進行病害整治。 根據實際情況制定整治方案，主要整治施工工序為： 停電→搭設作業平臺→已拆除范圍鉆孔植筋、 焊接鋼筋網片→測量斷面及放點→鋼架加工（防銹處理、 試拼） →鋼架基礎定位→鉆鑿地腳錨栓錨孔、 安裝錨栓→安裝鋼架（C 單元） 及兩側槽鋼加固→鋼架接地→拱部臨時鋼板防護→安裝鋼架 （A/B 單元） 及鋼管加固→鋼架間鋼筋網焊接→預埋注漿管→分段安裝焊接鋼板、 澆筑C40 自密實混凝土→空洞回填注漿→鋼構件防銹處理→遷改和保護設備恢復。

3.1 對襯砌已開“天窗” 范圍植筋、 焊鋼筋網片

根據已施工及防護情況，對襯砌病害襯砌已拆除區段周邊雙向植入螺紋鋼筋，環縱向鋼筋Φ0.018 m，間距0.25 m，鋼筋采用植筋膠錨入混凝土，錨固深度不小于0.2 m，以保證新舊混凝土之間連接良好； 焊接Φ0.018 m 鋼筋網片，網片間距0.25 m×0.25 m，網片與植筋焊接牢靠。

3.2 測量斷面及放點

隧道上行段襯砌內側拱墻設H150 型鋼鋼架，縱向間距1 m。 根據設計圖文件對鋼架安裝位置現場進行測量放樣描點。 按照安裝要求對錨固螺栓孔進行現場描點，確定螺栓孔位置，采用風鎬對既有襯砌表面進行鑿毛處理。

3.3 鋼架加工

鋼架加工采用洞外加工場加工方式進行，根據現場實際測量斷面情況進行加工，按比例繪制出內輪廓圖并進行施工放樣，檢查套襯施作后內輪廓是否滿足限界和供電設備絕緣要求，確定單元實際加工半徑。 加工完成后逐榀進行試拼裝并編號。

鋼架加工必須保證焊縫密實、 飽滿，焊碴應清除，焊縫寬度不得小于0.007 m，高度不得小于0.003 m。 鋼架接長時必須在兩側采用加強板幫焊，加強板寬度不小于型鋼肋板0.02 m，長度不小于0.2 m。 鋼架由1 節A 單元 （拱頂）、 2 節B 單元（拱腰）、 2 節C 單元 （邊墻） 組成，A 單元長6.817 m，B 單元長3.309 m，C 單元長3.309 m。

3.4 邊墻鋼架安裝及兩側槽鋼加固

根據現場實測的隧道凈空斷面，施工區段既有襯砌內表面設置鋼架加固，鋼架支護采用H150 型鋼作為龍骨，鋼架間距為1 m，共設置5 榀鋼架，施工時先進行邊墻部位鋼架架設，完成后再進行拱部鋼架架設。 鋼架之間筋焊Φ0.022 m 縱向連接筋（長1 m） 連接，環向間距0.6 m。 鋼架腳置于襯砌墻角位置，打設地錨螺栓，打設深度至仰拱結構層，確保基礎穩定性，施作鋼架后不得影響打開溝槽蓋板。 每榀鋼架按5 片組裝施工，鋼架采用植筋的方式加強，Φ0.022 m 鋼架固定鋼筋，邊墻鋼架接頭設置1 處，中間設置2 處，每處2 根，通過植筋與襯砌連接，嵌入混凝土深度0.3 m，尾部外露的加工為直彎鉤，并與鋼架焊接為一體。 為加強鋼架的整體性，兩側邊墻鋼架各采用3 根20a 型槽鋼與型鋼焊接作為縱向連接，增強結構的整體性。

1） 先進行鋼架基礎定位，清理加固范圍內側溝，鉆鑿地錨錨栓孔安裝M24×0.6 m 地腳螺栓。 在設備管理單位配合和監督下對加固范圍的電纜等設備進行臨時遷改和保護。

2） 架設H150 型鋼鋼架，鋼架間距1.0 m。 先進行邊墻的鋼架架設，完成后再進行拱部的鋼架架設； 安裝縱向支撐鋼管、 槽鋼與鋼架形成整體桁架結構。

3） 鋼架安裝施工要求： 各節鋼架拼裝，要求尺寸準確，弧形圓順，要求緊貼襯砌內側拱墻。 加工允許誤差： 沿襯砌內側拱墻周邊輪廓誤差不大于0.01 m，接頭連接要求同類之間可以互換。 鋼架各單元必須明確標準類型和單元號，并分單元堆放于地面干燥的防雨棚內。 鋼架安裝前應清除腳底下的雜物，拱腳必須放在錨栓上，地錨螺栓采用M24×0.6 m，錨孔深度至仰拱結構層。 螺栓： 鋼架連接處螺栓為10.9s 高強螺栓，螺母均為防松螺母。 拱架通過植筋與既有襯砌結構進行連接，植筋深度為進入既有襯砌混凝土0.3 m。

3.5 鋼架間鋼板施作及混凝土澆筑

在2 榀鋼架外緣內側施作鋼板，鋼板通過M20螺栓與鋼架連接牢固，鋼板每塊厚0.006 m，長0.98 m，寬0.0006 m，自下而上分段栓接鋼架外緣內側的加固鋼板并澆筑C40 自密實混凝土（每次澆筑環向不大于2 m），澆筑混凝土前用高壓風清除襯砌表面粉塵，保證新舊混凝土之間粘結牢固，混凝土振搗，澆筑密實。 采用強制式拌合機拌合混凝土，坍落度控制在0.27 m±0.1 m； 采用分層澆筑方式，在澆筑完一層后，應確保下層混凝土未初凝前澆筑第二層混凝土。

自密實混凝土的澆筑要點： 澆筑時封堵鋼架與襯砌間的縫隙； 泵管使用前用水沖凈、 沖潤； 保持連續泵送，必要時降低泵送速度； 澆筑過程中安排專業技術人員在施工現場值班，確保混凝土質量均勻穩定，發現問題及時調整； 澆筑時在澆筑范圍內盡可能地減少澆筑分層，使混凝土的重力作用得以充分發揮，并盡量不破壞混凝土的整體粘聚性； 使用鋼筋插棍進行插搗，并用錘子敲擊模板，起到輔助流動和輔助密實的作用。

3.6 回填注漿

待強度達到設計要求后再進行二次襯砌后的回填注漿處理，回填注漿材料采用無收縮、 微膨脹灌漿材料，注漿壓力小于0.2 MPa，當注漿壓力達到設計終壓并穩定5 min 以上，吸漿量很少或不吸漿時即可結束該孔注漿。

1） 實施襯砌背后注漿時，隧道縱向應由下坡向上坡方向進行； 橫向應先注邊墻孔、 兩側孔，再注拱頂孔。

2） 應對鉆孔進行編號，鉆孔及注漿過程中應對鉆孔、 注漿壓力、 注漿量等進行詳細記錄，根據鉆孔情況確定注漿鋼管長度。

3） 注漿過程中應嚴密觀察襯砌狀況，若發現襯砌有異常、 變形、 開裂或既有裂隙有加速發展趨勢等，則應立即停止注漿，以確保襯砌安全。

4） 施工過程中應做到隨鉆隨注，以免跑漿。

5） 注漿完成后，應及時采用封堵措施，防止漿塊掉落，影響行車安全。

3.7 質量標準要求

1） 拱架： 架立H150 型鋼鋼架應盡量緊貼襯砌內輪廓，施作長地錨螺栓固定拱腳，確保鋼架穩定。 鋼筋焊接的施工及技術要求均按現行鋼結構標準的有關規定執行。

2） 植筋孔清孔： 采用壓縮空氣清孔，確保孔壁無塵，孔內干燥、 清潔。

3） 植筋孔注膠： 將注射槍插入至孔底，由孔底往外均勻注入膠體，注滿孔深的2/3 即可。 注膠過程中注膠管口必須保持埋置在注入的膠液中，在注膠的同時均勻外移注射槍，確保膠液中無氣泡。

4） 鋼板、 槽鋼等焊接： 焊縫應平順無夾渣、氣泡、 漏焊等現象； 槽鋼與鋼架間縫隙應用鋼板填塞焊接牢固。

5） 施工過程中應做好防護，澆筑混凝土模板與鋼架應連接牢固可靠，防止模板脫落、 襯砌掉塊、 變形和坍塌。 應根據具體情況，嚴格控制好每次嵌補混凝土量，并加強觀測和檢測，確保施工期間模板穩固。

6） 確保混凝土達到設計強度的80%后方可進行拆模，防止出現二次缺陷。 注漿參數在施工過程中通過試驗調整，注漿嚴格控制壓力，并在加壓過程中對襯砌密切觀察，防止對襯砌造成損壞。

4 結束語

為了保證病害整治的有效性，必須在施工前制定施工質量保障措施，依據相應施工技術標準和施工規程指南，嚴格按照施工質量要求進行施工。 完成后需對整治范圍的二襯進行強度檢測，待參建各方核查驗證其滿足設計要求后，通過預埋的注漿管對拆換襯砌背后進行注漿。 外露注漿孔內的砂漿應清理干凈，避免后期砂漿掉落對運營線構成危險。