高速铁路隧道二次衬砌脱空原因和整治及预防措施

杜鹏亮

（中铁二十二局集团第四工程有限公司 天津 301700）

1 引言

高速铁路隧道复合衬砌是隧道运营安全的最后一道屏障。在存在复合衬砌脱空的情况下随着地质应力的改变极易产生集中应力造成复合衬砌开裂，进而发生隧道拱部掉块，严重威胁行车安全的情况。随着工程技术的发展，一次衬砌脱空问题已基本得到有效控制，但隧道二次衬砌由于工序把控不严、工艺设备改进缓慢等原因造成脱空问题仍未得到彻底解决［1-3］。

2 二次衬砌脱空产生的直接原因

防水板安装质量差、浇筑过程振捣不到位、衬砌台车承载力低、缺少拱顶泵满监控设备等问题都可能造成二次衬砌脱空。但究其根本，工艺设备改进缓慢和施工过程工序把控不严才是造成二次衬砌脱空的直接原因［4］。

2．1 工艺设备改进缓慢

目前国内还未研发出较为先进的综合性衬砌台车，施工现场采用的大部分衬砌台车不同程度存在较难实现分窗分层浇筑、难以监控拱顶混凝土是否泵满、无法振捣拱顶混凝土、端模承载力低等问题，且施工过程人为因素较多，难以保证各施工工序得到有效控制，最终形成施工冷缝、人字坡、骨料堆积及强度不足、渗漏水、衬砌脱空、裂纹等质量缺陷［5-7］。

2．2 施工过程工序把控不严

造成二次衬砌脱空的主要原因包括掘进超欠挖、防水板挂设质量差、未测算泵满所需的混凝土方量、缺少精确判断拱顶是否泵满的有效手段、拱顶注浆质量差等几个方面［8］。

（1）掘进超欠挖

隧道掘进未严格按照规范或设计要求采用超前支护、光面爆破、打设系统锚杆等措施，造成开挖轮廓平整度差，局部超欠挖严重，进而造成防水板安装困难。

（2）防水板挂设质量差

防水板挂设质量问题包括三个方面：一是防水板挂设过紧导致在浇筑过程中防水板不断绷紧，造成防水板热熔焊焊点脱焊，脱焊防水板上部形成脱空，严重情况下可能造成仰拱和衬砌防水板在边墙搭接焊位置脱焊，形成防水板切割二次衬砌混凝土；二是防水板挂设过松导致防水板“堆积叠加”，形成假象“脱空”［9-10］；三是防水板未随一次衬砌凹槽表面密贴布设，导致二次衬砌混凝土无法填充凹槽形成脱空。

（3）未对一次衬砌断面进行测量，不掌握浇筑混凝土总方量

在进行防水板挂设前未对一次衬砌轮廓线进行量测，并结合二次衬砌设计内轮廓线计算该段二次衬砌应浇筑混凝土方量，导致无法与实际浇筑方量进行对比，判断拱顶混凝土是否泵满。

（4）缺少精确判断拱部混凝土是否泵满的回馈手段

目前施工现场作业人员一般通过泵送压力增大、端模顶部开始流浆等表面现象进行经验性判断拱顶混凝土是否泵满，并未采取在拱顶位置安装摄像头、传感器等检测设备进行精确判断，无法排除泵送管堵管、端模密闭性差、作业人员经验不足等因素造成的“假满”现象。

（5）拱顶回填注浆质量差

目前大部分施工项目拱顶回填注浆采取的是隧道二次衬砌全部成型后在预埋注浆管位置进行纯水泥浆注浆。存在的问题：一是如果注浆管埋设不当或在混凝土浇筑过程中发生位移，则注浆前需重新钻设注浆孔，增加了作业内容，同时存在钻穿防水板的风险；二是二次衬砌全部成型后再进行拱顶回填注浆，此时原二次衬砌混凝土已达到一定强度，注入的水泥浆与原二次衬砌混凝土收缩徐变不一致导致混凝土整体性差。

3 二次衬砌脱空的处理措施

目前处理二次衬砌脱空的有效措施包括回填注浆法和开窗二次浇筑法。进行脱空处理时应首选回填注浆法。

3．1 回填注浆法

选用回填注浆法进行隧道二次衬砌脱空整治的判断依据：在二次衬砌脱空位置采用敲击锤进行敲击检查，在最薄弱位置选取三个点位（三角形布置）钻穿二次衬砌，用盒尺测量二次衬砌砼品质合格厚度。根据相关铁路局要求，二次衬砌砼品质合格厚度大于20 cm，且衬砌合成厚度满足设计要求的可采用间歇式无收缩浆材（水灰比0.38以下）回填灌注工艺进行注浆处理。

回填注浆法与开窗二次浇筑法相比具有施工简便、工期短、原二次衬砌受力结构基本不受影响、施工安全性高等优势。根据实践经验，个别部位注浆后仍存在小型衬砌脱空，再次注浆较困难。此时可采用钻孔压入环氧树脂材料达到治理脱空的目的，但需要注意的是由于环氧树脂成本较高不适用于存在较大脱空部位的处理［11-12］。

3．2 开窗二次浇筑法

选用开窗二次浇筑法进行隧道二次衬砌脱空整治的判断依据：在二次衬砌脱空位置采用敲击锤进行敲击检查，在最薄弱位置选取三个点位（三角形布置）钻穿二次衬砌，用盒尺测量二次衬砌砼品质合格厚度。根据相关铁路局要求，二次衬砌砼品质合格厚度小于20 cm，且衬砌合成厚度满足设计要求的采用开窗二次浇筑法。施工步骤包括开窗、重构防排水系统、打设锚杆、植筋、关模、泵送混凝土、注浆等工序。

该方法避免了因隧道二次衬砌过薄造成注浆过程或运营过程的整块脱落风险。但该方法工序复杂、施工成本高、工期长、安全风险高，且如果线路已经开通运营，施工天窗时间不固定，隧道拱部二次衬砌质量缺陷整治将非常困难。

采用该方法施工时需注意：开窗形状应为正方形、长方形、梯形等规则形状或组合形状；开口应为内大外小的倒八字形，以确保将二次浇筑的混凝土牢固锁定在原二次衬砌上；重构防排水系统应注意环向盲管的连接；在进行植筋焊接作业时应在钢筋和防水板之间用防火材料临时隔开，防止飞溅焊渣烧透防水板；二次浇筑的混凝土应为微膨胀细石混凝土，标号比原二次衬砌混凝土提高一个强度等级；关模前应预留回填注浆孔，二次浇筑后及时回填注浆。如模板采用支架支撑时，应提前进行承载力计算，确保施工安全。针对相关铁路局打设锚杆要求，由于打设锚杆需要穿透防水板，设计中虽有锚杆穿透防水板位置防水措施，但防水施工质量较难控制，反而增加了渗漏水的可能性，因此打设锚杆是一把双刃剑应谨慎选择。

4 二次衬砌脱空的预防措施

二次衬砌脱空的有效预防措施分两个方面，一是应优先选用先进工艺设备；二是采取加强过程控制和适度改进现有工艺设备的措施。

4．1 优先选用先进工艺设备

随着中国人口老龄化时代的到来和施工工人薪酬水平的逐步提高，施工企业如继续采用较低的机械化水平模式进行施工作业，一是难以降低施工安全风险，二是难以有效提高施工质量，三是难以降低施工企业综合成本。因此施工企业势必要提高施工机械化水平，优先选用先进工艺设备。下面对两种目前比较先进的工艺设备进行简要介绍。

（1）数控防水板台车的优势

目前可采用的数控防水板台车，不需要事先剪裁防水板，而是直接将整卷防水板安装在台车的爬行小车上，操作人员只需站在工作吊篮内便可完成对防水板的安装和焊接，增强了施工安全性。同时减少了整平以及校准防水板的工序，减轻了劳动强度，提高了防水板安装质量。同时该台车还可加装二次衬砌钢筋安装功能。

（2）综合性隧道二次衬砌台车的优势

目前中国铁路总公司正在研发一款综合性隧道二次衬砌台车。该台车采用了带压灌注、灌满提醒、密实振捣等关键技术，试验效果良好。

带压灌注：下灌注系统采用机械手分窗分层自然流下浇筑；上灌注系统采用“拱顶部水平压入浇筑工法”实现带压浇筑。

灌满提醒：通过在台车模板安装压力传感器和防水板低洼处预埋反馈装置的双重手段监测灌满信号。

密实振捣：采用高频气动附着式振动器，配合气罐堵头，实现混凝土的充分振捣，提高衬砌施工质量，降低作业人员劳动强度。

4．2 加强施工过程控制和适度改进现有工艺设备措施

由于其他原因采用先进工艺设备较难实现的，应采取加强过程控制和适度改进现有工艺设备的措施。

（1）严格控制隧道超欠挖

隧道超挖和欠挖会给后期防水板的安装质量和衬砌台车承载力产生一定影响。因此黄土隧道在进洞后应根据实际沉降量对预留沉降量作出适当调整，在保证一次衬砌不侵限的情况下尽量减少预留沉降量；岩石隧道应尽量采用光面爆破，既能提高开挖面平整度利于防水板安装，又能提高隧道围岩的整体稳定性。

（2）测算混凝土方量

在安装防水板前应使用测量设备对一次衬砌轮廓进行测量，结合二次衬砌设计轮廓线计算本段二次衬砌应浇筑的混凝土总方量，并与实际浇筑方量进行对比，判断拱顶混凝土是否泵满。

（3）提高防水板安装质量

安装防水板松弛度应达到规范要求，松紧适宜、挂设牢固，且防水板的挂设必须随一次衬砌轮廓线进行，尤其是超挖的“凹形”部位必须凹形布设。

（4）采用简易分窗、分层浇筑工艺

对现有衬砌台车进行分窗、分层浇筑改装。安装主料斗、主溜槽、“三通”分流槽、分流串筒和入窗溜槽结合的方式，通过操作对应的插板阀门，使混凝土流入各工作窗口，实现二次衬砌拱墙混凝土的逐窗浇筑。采用以上措施能有效避免台车侧重，以及提高混凝土外观及实体质量。

（5）采用拱顶灌满回馈装置

该回馈装置采用电流原理，使用12 V灯泡进行检测。装置原理为在二衬大里程和小里程拱顶防水板上分别粘贴一个铁片，利用混凝土中水的导电作用接通电路，当灯泡亮起时表示拱顶混凝土已经灌满。

（6）采用带模注浆工艺

带模注浆工艺是在二衬浇筑完成2～6 h后，在不脱模的情况下，对二次衬砌拱顶脱空部位进行注浆处理，注浆料采用结合力良好的微膨胀注浆料（水灰比1∶5.55）。该方法的优势是可使注浆料与二次衬砌混凝土形成一个良好的整体。

5 工程应用

2018年3月对某高速铁路隧道工程已经施工完成的500 m二次衬砌5处脱空质量缺陷采用了回填注浆法和开窗二次浇筑法进行质量缺陷整治，待砼强度达到设计要求后邀请第三方检测单位进行了检测，检测结果均合格。

2018年4～5月对某高速铁路隧道工程采取了加强施工过程控制和适度改进现有工艺设备的6条措施。在此期间共完成二次衬砌108 m，待强度达到设计要求后邀请第三方检测单位对已施工完成的二次衬砌进行检测，经检测该段二次衬砌背后脱空合格率达到100%。

6 结束语

综上所述，高速铁路隧道二次衬砌脱空是影响铁路运营安全的极大质量和安全隐患，只有找准问题的根本原因，并结合施工现场实际，采用合理的整治措施、提高机械化水平、加强过程管控、适度改进现有工艺设备的预防措施才能有效避免隧道二次衬砌背后脱空质量缺陷，进而提高隧道二次衬砌施工质量。