杨家湾隧道衬砌脱空和渗漏水预防

李　筠， 王立川， 肖　敏， 胡　利， 蒲自俊

(1. 成都铁路局成都建设指挥部, 四川 成都　610081； 2. 成都铁路局, 四川 成都　610082；

3. 中南大学土木工程学院, 湖南 长沙　410075)



杨家湾隧道衬砌脱空和渗漏水预防

李筠1， 王立川2,3， 肖敏1， 胡利1， 蒲自俊1

(1. 成都铁路局成都建设指挥部, 四川 成都610081； 2. 成都铁路局, 四川 成都610082；

3. 中南大学土木工程学院, 湖南 长沙410075)

摘要：伴随《铁路“十二五”发展规划》的实施,西南山区铁路高隧线比和长大隧道多的特征日益显著,隧道工程质量缺陷对铁路建设和运营的安全影响度也越来越高。近期开通的铁路隧道不同程度地出现渗漏水、脱空和裂纹等现象。为了提高复合式衬砌隧道工程建设质量,在总结杨家湾隧道建设中防止衬砌脱空和渗漏水成功案例的基础上,提出衬砌台车的设计与制作、在衬砌端头设置台阶、纵向止水带采用“牵引”或“悬挂”方式、防水层铺设、混凝土分层浇筑等施工工艺,有效地解决了隧道衬砌脱空、渗漏水等问题。

关键词：杨家湾隧道; 衬砌脱空; 渗漏水

0引言

即将完成的《铁路“十二五”发展规划》的实施给欠发达的西南山区铁路建设带来了历史性发展机遇,2013年以来成都铁路局一直是铁路建设投资的全路之首。区域地形、地貌和地质特征决定了西南山区铁路必然具备高隧线比、长大隧道多、地质和技术复杂的建设期高风险隧道多、隧道运营风险高等特点,隧道工程已成为山区铁路建设的决定性环节。在西南铁路建设取得空前成就的同时,隧道工程的支护脱空(初期支护背后脱空(简称初期支护脱空)和初期支护与衬砌之间脱空(简称衬砌脱空))[1-3]、渗漏水[4-5]、衬砌裂纹、施工缝掉碴掉块、底部隆起等缺陷成为线路顺利开通运营的阻滞甚至成为运营安全的直接和隐性风险。在YL铁路施工质量较好的土建标段中,16座共21.497 km隧道在初验时检查出影响开通、必须进行处理的A类问题 256个,B类问题1 537个,平均每公里隧道112个AB类问题。

铁路大交通体系的社会性、公益性、网络性、基础性特征赋予其“由个案酿变成为行业性安全危机”的特点,铁路的运输组织特点使其呈现“点停则域滞、域滞则网缓”的性质;因从(静态)验收到开通运营时间短、联调联试期间和运营后天窗施工干扰大,使隧道缺陷整治工作往往不彻底、费用高、效率低、安全风险高;验收和检测的“点线代面”使隐蔽性强的隧道工程缺陷不可能全部显性化,缺陷整治的非规范化可能使隧道工程的结构和使用安全性呈现离散性。笔者以防患于未然为宗旨、可行的工艺和措施为要义、此前的碎片化经验总结为基础,主要着力于杨家湾隧道的衬砌脱空、渗漏水、施工缝掉碴掉块等缺陷的成功预防案例总结。

1工程及建设概况

1.1地形地貌地质

宝成线下行K395+880～K401+872危岩体综合整治工程杨家湾隧道(DK398+635.5)(全文简称杨家湾隧道或该隧)位处川北山区,区内为中低山河谷深切地貌,多基岩裸露、地层清晰,呈中至厚层状的灰岩岩体较完整且岩质较硬。区内发育3条断层,以杨家湾逆断层对隧道影响较大,该断层倾向北西、走向北东、倾角约45°,断层沿走向长度约3.6 km、破碎带宽9 m,与杨家湾隧道呈约44°的小角度相交。隧址区属长江流域嘉陵江水系清水河，地表水系不发育，以碳酸盐岩溶水为主的地下水受降雨补给,水位季节性明显。区内不良地质主要有岩溶、采空区、岩堆、煤和有害气体及水害。自进口向出口,隧道洞身穿越的主要地层依次为J1b(泥岩、砂岩、砾岩夹煤线)、T1f(页岩夹灰岩)、P2c(燧石灰岩)、P1m+q(灰岩、燧石灰岩)、P1l(页岩、碳质页岩夹煤层)、D+C(白云岩、泥质灰岩夹页岩)等岩溶中等至强烈发育区。地质纵断面见图1。

图1　地质纵断面图

1.2设计简况

杨家湾隧道(L=4 165 m)为设计行车时速80 km的电力牵引双线隧道,系避绕宝成线下行K395+880～K401+872危岩体而设置。在隧道左侧设置贯通平行导坑暨泄水洞(统一简称平导)4 194 m(含进口平导1 330 m、中部泄水洞899 m、出口平导1 965 m),以策建设工期、施工通风、运营排水问题的解决。隧道按进口平导、进口正洞、出口平导、出口正洞4个工作面组织施工,施工期(不含铺架)20.5个月。

隧道按新奥法设计为复合式衬砌,光面爆破、锚网喷初期支护、初期支护与衬砌间铺设防水板和无纺布(煤系地层段落设置瓦斯隔离板)及纵环向盲管,施工缝设中埋式钢边橡胶+外贴式橡胶止水带。拱墙衬砌一次浇筑,Ⅳ加及以上围岩和浅埋、偏压段设钢筋混凝土衬砌;未明确纵向构造钢筋是否连续设置,但交底解释为连续设置即施工缝处不断开;衬砌混凝土施工缝平齐;衬砌拱部预留灌(注)浆孔,待衬砌混凝土达到设计强度后,实施拱顶填充式灌(注)浆,但未计列灌(注)浆数量。隧道底部结构设计: Ⅱ围岩段为钢筋混凝土底板,Ⅲ和Ⅲ加及Ⅳ围岩段为单层现浇混凝土、Ⅳ加围岩段为单层现浇钢筋混凝土、Ⅴ和Ⅴ加围岩段为双层即初期支护(含格栅刚架)闭合+现浇钢筋混凝土仰拱结构之上置填充混凝土。

1.3施工和建设节点简况

2012年9月26日发中标通知书,9月29日签订施工合同;进口段2012年11月7日、出口段10月5日开工,进口平导2013年9月23日、出口平导8月30日拐入正洞施工;平导暨泄水洞开挖与初期支护2013年12月26日贯通,正洞开挖与初期支护12月28日贯通;仰拱2014年2月27日完成,衬砌3月6日合拢(17.2个月)、提前3.3个月完成;2014年5月29日开通运营,顺利实现了“雨季前绕避宝成线下行K395+880～K401+872危岩体”的既定目标,确保了相应区段的运营安全。

2解决问题的思路和步序

鉴于作者2曾在六(盘水)—沾(益)铁路的3座重点隧道成功主导的部分工艺试验及其更早前在市政和地铁暗挖地下工程的工艺常识、汲取遂渝Ⅱ线隧道工程的深刻教训、结合杨家湾隧道的抢险工程特征,为确保危岩体综合整治工程按时、力争提前优质建成,加快该隧施工进度减少甚至消除隧道施工质量缺陷成为本项目工程必然的需求。招标伊始本文作者2和作者3即启动以持续改进、尽快固化和稳定施工方案和工艺,作者3和作者4已向施工企业轮廓性交底并强调衬砌模板台车强度和刚度制造要求,也确定了由作者4带领作者1和作者5负责现场实施,冀期预防隧道衬砌脱空、渗漏水、施工缝掉碴掉块等缺陷的发生。

2012年12月,作者2和作者3到施工现场逐一梳理了施工存在的质量安全问题,对如何防止隧道施工质量缺陷进行现场指导,特别对防止衬砌脱空、预防隧道渗漏水2个方面提出了具体的、操作强的工艺措施。调整施工工艺后,隧道施工质量进步明显。2013年2月,作者2和作者4再次现场调研并对此前工艺改进提出了进一步完善和修改意见,组织建设相关方形成了固化防止衬砌脱空、复合式防水层、止水带安设施工工艺的共识。作者1和作者5轮流盯控现场实施,建设相关方抓住执行力这个关键,实现了预期质量目标。

3具体预防措施

3.1衬砌台车的设计与制作

衬砌台车强度、刚度和适宜性是保障衬砌质量的重要机料具条件之一。部分施工企业及其管理者缺乏辩证思维,在单纯成本意识和不良习惯的驱动下,一味“简化”衬砌台车,常见的不当主要有: 1)因台车强度和刚度不足,致使放弃对混凝土的捣固、不连续浇筑而产生较多的混凝土间歇缝、台车变形引起施工缝错台失度甚至“垮塌”、拱顶混凝土脱空; 2)附着式振动器缺失,梦想着插入式振动棒替代附着式振动器的作用,致使混凝土的密实度不足、不均匀、间歇缝显性化; 3)外模板厚度不足,致使放弃对混凝土的捣固、模板变形引起施工缝错台失度和混凝土表面凸凹、拱顶混凝土脱空; 4)观察窗和泵送口设置不足、不合理,致使观察浇筑状态受限不能及时纠正不对称浇筑、缺乏处置施工缝的工作空间; 5)顶桁架设置不合理,使施工通风管穿越困难或受限。本隧建设中对台车进行了必要的设计改进。

1)台车强度和刚度。开工伊始,就对衬砌台车的纵横梁等桁架设计提出了底线要求,确保了台车强度和刚度满足施工需求。

2)外模厚度。要求外模实际厚度不低10 mm,选用Q235钢板,容许应力为170 MPa,弹性模量E=2.1 GPa,泊松比μ=0.3。

3)附着式振捣器。强制要求衬砌台车布设附着式振捣器,L=12 m台车设5列、功率不低于1.5 kW、数量不少于20台(见图2)。

4)观察窗和泵送口。增加观察数量并调整其位置和开闭方式,按间隔3 m布置顶部泵送口。

5)台阶式堵头。在台车端头安装宽度约为最小衬砌厚度50%的钢板箱体即台阶式堵头,配合短木板封堵端头(见图3)。

(a) 俯视图(b) 正面图

图2衬砌台车示意图(单位： cm)

Fig. 2Schematic diagram of lining formwork trolley (cm)

3.2防止隧道脱空

隧道支护脱空通常以初期支护脱空、衬砌脱空及二者的组合3种形态呈现,本文重点总结防止衬砌脱空。

3.2.1规范隧道开挖和支护,确保隧道轮廓面圆顺

开工初期,施工企业偏重于追求工程进度,隧道开挖成型差、超欠挖现象突出并引起初期支护喷混凝土工作量大且初期支护轮廓平顺度较差,综合考虑采取以下措施： 1)提高放样精度并标注周边和掏槽孔(眼)位置； 2)重视根据地质情况调整爆破参数； 3)以网喷混凝土处置局部超挖、及时补炮以处置局部欠挖； 4)严格分层、自下而上喷混凝土。初期支护表面平顺,为防水层施作创造有利条件。隧道正洞光面爆破效果图如图4所示,初期支护效果图如图5所示。

图3环向止水带安装示意图

(a)(b)(c)

Fig. 3Schematic diagram of installation of circumferential waterstop tie

图4　隧道正洞光面爆破效果图

图5　隧道初期支护效果图

3.2.2规范防水层铺设,防止支护脱空

挂点设置合理、松驰度恰当是在平顺的初期支护表面上合格铺设防水层[6-10]的关键。防水层挂点不足和不当、预留松弛度不足和过度,初期支护与衬砌混凝土间易形成： 防水层与衬砌混凝土之间脱空或空洞； 挤破(脱)防水层造成“防水层切割衬砌混凝土”； 防水层褶卷引起衬砌混凝土集中结构性切割。本隧的主要做法如下。

1)热熔垫圈布置。按建技[2010]13号《铁路隧道防水板铺设工艺技术规定》,垫圈应按“拱部0.5～0.8 m、边墙0.8～1.0 m、底部1.0～1.5 m呈梅花形”布置;其缺点是不便于防水板松弛度(纵和环向)设置与控制,该隧基本按“井”字形布设热熔垫圈，并加密;钉固热熔垫圈时应注意钉头不得高于垫圈表面,防止钉头焊(刺)穿防水板。垫圈的常见问题有垫圈材质不合规、钉击易碎,垫圈高(厚)度不足、钉头高于垫圈表面、焊(刺)穿防水板,钉子不配金属垫片、垫圈易脱落。

2)防水板松弛度控制。建技[2010]13号文要求防水板挂设时环向宜按长度10∶8的松弛度预留环向长度： 一是忽视了防水板在纵向上也需松弛度(预留长度);二是松弛度预留主要视初期支护平顺度而确定,一刀切按10∶8预留是无依据、没道理的,一般通过皮尺丈量初期支护面即可获取恰当松弛度数据;三是企图利用防水板自身的延展性是脱离实际的。预留量应以确保防水板与基面密贴为宜。按照初期支护型式和工艺水平及其差异,本隧防水板纵、环向分别按3%～5%、7%～10%余量控制防水板松弛度。

3)防水板焊接工艺。本隧按建技[2010]13号文要求施工,但充气试验较少(安装效果如图6所示)。

图6　防水板安装效果图

3.2.3混凝土浇筑与捣固

1)墙部浇筑。按由下向上、对称分层的顺序,自观察窗灌入混凝土;每层浇筑厚度1.0～1.5 m,两侧混凝土浇筑高差小于1.0 m,输送软管管口至浇筑面垂距按1.5 m以内控制。

2)拱部浇筑。从拱顶泵送口浇筑混凝土,按基本对称(两侧混凝土面高差1.5 m内)、从低处向高处的顺序逐步更换泵送口,从未封堵中心预留堵头板观察,直至拱部混凝土覆盖台车且端头混凝土厚度达衬砌设计厚度50%以上(最薄20 cm)。 台车就位前安装排气管,应在拱顶中心处防水板内侧纵向预贴排气管,排气管采用直径20～30 mm PVC 管加工而成,管身不布孔,距离上一循环二次衬砌端头20～30 mm的距离,露出该循环衬砌端头20～30 cm。

3)混凝土捣固。墙部浇筑毕,开启两侧底列附着式振动器;拱部浇筑毕,开启两侧高列和顶列附着式振动器;捣固标准为混凝土表面黑色漂浮物(粉煤灰)占表面面积30%～40%。

4)封顶浇筑。拱部捣固毕，处置泵送口混凝土堵塞并封堵中心预留堵头板后,从堵头远端泵送口带压浇筑混凝土至拱部中心挡头模板顶部溢浆,确保衬砌拱部不脱空。

3.3隧道渗漏水预防措施

3.3.1调整平行导坑标高,降低隧道水位

要求设计将平导底板高程设于正洞开挖底部以下或基本相当,以降低正洞水位,使正洞涌出的大部分地下水经平导排泄。

3.3.2规范防水层铺设

见3.2.2。

3.3.3规范止水带施工

工程实践中,止水带特别是中埋式橡胶止水带已成为渗漏水和施工缝缺陷的主要“病灶”之一,本隧建设中主要采取下述预防措施。

3.3.3.1纵向中埋式止水带

1)“牵引”和“悬挂”固定止水带。进口工区采用牵引方式在矮边墙端头用紧线器拉紧止水带进行固定(见图7),出口工区采用夹具对止水带进行悬挂(见图8),保证了钢边式纵向止水带安设技术标准。2种方式安设均能满足施工要求,施工现场可以根据实际情况采用。

图7　进口工区纵向止水带牵引固定安装方式

Fig. 7Traction fixation of longitudinal waterstop tie applied in entrance section

图8　出口工区纵向止水带悬挂固定安装方式

Fig. 8Suspension fixation of longitudinal waterstop tie in exit section

2)止水带铆接。采取切除止水带搭接部分凸起后进行粘接,钢边止水带镀锌铁皮搭接部位采用铆接,铆接点不少于4点,解决了接头连接工艺差的问题。剔除止水带搭接部分橡胶凸起,粘贴后对钢边止水带进行铆接,并使搭接长度符合规范要求(见图9)。

图9　纵向止水带搭接

这些简单措施和工具有效地解决了纵向止水带安装的质量缺陷,是行之有效的。

3.3.3.2环向背贴式止水带

台车就位后在防水板上标出止水带的准确位置,将止水带粘贴于防水层上(可使用封胶带)。

3.3.3.3环向中埋式止水带

进口工区以台阶式堵头作为止水带的安装基台,辅以短木板固定(见图10和图11);出口工区采用“定型卡具”对环向止水带进行固定(见图12)。拆模后环向止水带准确定位于衬砌厚度1/2处,安装弧线圆顺。实践证明，中铁隧道在进口工区的做法更加简洁有效。

3.3.4衬砌台车台阶式堵头

台阶式堵头便于环向中埋式止水带安装和固定,因施工缝的钝角设置和足够的振捣消除了常见的施工缝掉碴掉块现象。

3.3.5仰拱和填充混凝土施工缝错开

为防止地下水从仰拱下部和仰拱与填充之间的结构缝渗入,除强制性要求填充与仰拱分开浇筑、矮边墙与仰拱一次浇筑外,将仰拱和填充混凝土施工缝错开布置。

图10　环向止水带采用台车模板固定安装图

Fig. 10Fixing of circumferential waterstop tie by using lining formwork trolley

图11　拆模后环向中埋式止水带安装效果图

图12　环向止水带采用定型卡具固定示意图

Fig. 12Schematic diagram of fixing of circumferential waterstop tie by means of clamper

4施工效果

全隧第三方检测共发现12处衬砌脱空(多数发生在出口工区),补充回填灌浆后的复检报告显示“全隧道衬砌无衬砌脱空,衬砌厚度符合设计要求”。绵阳工务段于2014年4月的全隧手工检结果显示“衬砌无脱空,施工缝无掉碴掉块,无渗漏水”。技术回访表明,从该隧道2014年5月29日投用1年多的运营情况来看,隧道未现明显渗水和其他工程质量缺陷，实现了既定的工程建设质量管理目标。

5结论与建议

5.1结论

杨家湾隧道建设中,以开挖及支护、防水层铺设、衬砌台车的设计制造、混凝土灌注、止水带安装、施工缝设置等为着力点的工艺改进和完善,有效地解决了隧道衬砌脱空、施工缝掉碴掉块、渗漏水等常见隧道质量缺陷。本文所述及的措施不仅可行,而且简洁、经济,可为类似工程借鉴和推广。

5.2建议

1)在有平导隧道尤其是富水隧道和隧道有富水段时,为降低正洞水位,便于施工,应依地层透水性能将平导工后排水顶面标高布置于正洞开挖底面标高之下。

2)由于“衬砌纵向钢筋在施工缝中断开”,既无碍隧道结构功能,又利于衬砌环向止水带安设，故设计文件在“衬砌纵向钢筋在施工缝中是否断开”应持开放态度。

3)在非富水高压隧道,设计文件宜具适度的开放性,允许将隧道衬砌环向施工缝、衬砌与仰拱纵向施工缝改为台阶式,衬砌与仰拱纵向施工缝设置为外高内低,可取消衬砌环向、纵向中埋式止水带及背贴式止水带,在台阶式施工缝处设置遇水膨胀的止水条。

4)建技[2010]13号《铁路隧道防水板铺设工艺技术规定》要求防水板挂设时环向宜按长度10∶8的松弛度预留环向长度， 一是忽视了防水板在纵向上也需松弛度(预留长度);二是松弛度预留主要视初期支护平顺度而确定,一刀切按10∶8预留是无依据、没道理的,建议对建技[2010]13号文进行修改,相关“定额”也应进行依据实际情况进行修订。

5)设计和制造衬砌台车时,应充分考虑台车强度和刚度要求,推广台阶式堵头,以此提高止水带安设质量并期消除施工缝掉碴掉块。

6)衬砌混凝土灌注应基本连续一次性浇筑密实,推荐拱墙混凝土坍落度为15(+1,-2) cm,封顶混凝土坍落度调整为19(+1,-1) cm;带压泵送,可基本取消拱顶灌浆工序。

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“极高风险隧道”木寨岭隧道取得重大突破

经过中铁隧道集团近7年艰苦奋战，我国“极高风险隧道”——兰渝铁路木寨岭隧道右线超前导洞于2015年12月15日20：00贯通，这标志着我国攻克世界级隧道工程难题取得重大突破。

兰渝铁路是渝新欧国际铁路的重要组成部分，长873 km。木寨岭隧道长19.06 km，为双洞单线特长隧道，全线关键控制性工程，地处震区中心，遭遇前所未见的极高地应力、软岩地质大变形，被称为“全国铁路高风险隧道之最”，实行动态设计，国内于2009年因该隧道之艰难首次明确提出“极高风险隧道”的概念。

为解决木寨岭隧道面临的世界级难题，2009年2月开工以来，由中国铁路总公司(原铁道部)、设计院、中铁隧道集团联合成立科技攻关小组，将控制变形和防止坍塌作为主要攻关课题，先后组织十余次专家会进行专题论证，现场试验了6种施工方案，最终采取岭脊段应力释放小导洞的方案实现了隧道贯通。

面对高地应力软岩地质条件，中铁隧道集团建设者遵循“以抗为主，抗放结合”的大变形控制原则，把握好“抗”与“放”的平衡，战胜了突水突泥、围岩变形、瓦斯等不良地质灾害，安全穿越数百个溶洞，艰难实现隧道右线超前导洞胜利贯通，为隧道全断面扩挖等后续工作创造了有利条件，使得实现李克强总理考察木寨岭隧道工地时提出的“你们是用艰辛和努力为西部贫困人口打开致富大门”的愿望更近了一步。

兰渝铁路是连接中国西南、西北之间最便捷的通道，与现有的渝黔铁路相连接，形成兰州至广州的南北铁路大干线，将成为与京广线、京沪线并列的3条南北铁路大动脉之一，成为西部地区连接珠三角、长三角地区的重要通道。

(摘自 中新网 http://www.ha.chinanews.com.cn/newcnsnews/261/2015-12-18/news-261-186313.shtml)

Case Study on Prevention of Lining Cavity and Water Leakage of

Yangjiawan Tunnel

LI Yun1, WANG Lichuan2, 3, XIAO Min1, HU Li1, PU Zijun1

(1.ChengduConstructionHeadquartersofChengduRailwayBureau,Chengdu610081,Sichuan,China;

2.ChengduRailwayBureau,Chengdu610082,Sichuan,China;

3.SchoolofCivilEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410075,Hunan,China)

Abstract:The quality defects of railway tunnels have serious impact on the construction and operation of the tunnels. However, quality defects such as water leakage, lining cavity and lining crack often occur to railway tunnels. In the paper, the measures taken to prevent quality defects during the construction of Yangjiawan tunnel, including the design and manufacturing of the lining formwork trolley, the arrangement of steps at the lining ends, the installing of the longitudinal waterstop ties by traction means or by suspension means, the laying of the waterproof sheets and the concrete casting layer by layer are presented. In the end, the quality defects of lining cavity and water leakage are eliminated.

Keywords:Yangjiawan tunnel; lining cavity; water leakage; lining formwork trolley; prevention measure

中图分类号：U 45

文献标志码：A

文章编号：1672-741X(2015)12-1331-07

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2015.12.015

作者简介：第一 李筠(1975—)，男，四川营山人，2002年毕业于西南交通大学，工程管理专业，本科，工程师，现从事铁路工程建设管理工作。

收稿日期：2015-06-15; 修回日期: 2015-09-20