铁路隧道仰拱施工质量控制研究

潘鹏万，胡希斌，逯 江

（贵南高铁贵州段都匀指挥部，贵州 黔南 558000）

1 工程概述

贵南高铁贵州段项目隧道总长占到设计线路长度的64.4%，线路位于贵州省喀斯特地带，地质复杂，先后多次穿越地质断层、可溶岩和非可溶岩接触带，岩溶发育、水系发达，部分隧道临近既有线或多次跨越既有线，隧道岩体特征主要以Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩为主。隧道二衬混凝土结构设计共有11种类型，其中Ⅲ级围岩二衬类型4种、Ⅳ级围岩二衬类型4种、Ⅴ级围岩二衬类型3种，衬砌类型为Ⅲca、Ⅲcb、Ⅳa、Ⅳb、Ⅳhb、Ⅳc、Ⅴa、Ⅴb及Ⅴc，设计有结构钢筋；衬砌类型为Ⅲa、Ⅲb，设计只有拱部护面钢筋。

2 隧道仰拱产出病害的原因

春军伟等[1]分析了隧道仰拱产生的病害原因，归结为基底软化、地下水作用、仰拱结构缺陷等因素，且认为产生基底软化主要由围岩因素和开挖扰动、浸泡、虚渣清理等人为因素造成。除此之外，还存在以下因素：（1）仰拱开挖过程中，隧道底部、边墙与仰拱结合部超挖严重，超挖后未采取与仰拱同强度等级的混凝土进行回填，使基面未形成设计理论计算弧形面，改变了隧道仰拱受力。（2）隧道仰拱底部在多个界面，即围岩-仰拱初支、仰拱初支-仰拱模注混凝土、仰拱模注混凝土-仰拱填充、仰拱填充-道床板，因工艺需求，个别隧道还存在二次填充基面。因隧道排水系统不畅，使每个界面中形成了地下水裂隙过水通道，并存在水压力上顶仰拱或道床，引起病害。（3）可溶岩段落的隐伏性岩溶未探测明确，在施工阶段未预留相应的过水通道或泄水洞，致使工后岩溶水压力较大，顶升隧道仰拱。（4）开挖过程已经揭示的溶洞或股状裂隙水，未预留充足的过水通道。（5）围岩岩层走向缓倾，基地岩层接近水平且岩层软弱。（6）初期支护拱架加工精度差，在仰拱段落闭合误差大，钢拱架未形成有效闭合。

3 隧道仰拱构造设计措施

（1）隧道仰拱排水构造设计。在隧道仰拱衬砌背后采用1.5mm厚EVA防水板+400g/m2无纺布；环向施工缝采用聚氨酯遇水膨胀止水条（15mm×50mm）+中埋式橡胶止水带（350mm×8mm）的复合防水措施，纵环向施工缝采用中埋式橡胶止水带（350mm×8mm）+聚氨酯遇水膨胀止水条（50mm×10mm）的复合止水措施[2]；纵向设置Φ80打孔波纹管（外裹无纺布）隧道左右两侧拉通，直接弯入边墙侧沟；纵向管按低于矮边墙42cm的位置设置，且预留的管口应高于侧沟底20cm。隧道边墙泄水管（孔）由两部分组成：I期工程为仰拱及矮边墙施作前预留Φ110PVC管，管口高于侧沟底25cm，坡度为10%，纵向间距为2m，Ⅱ期工程为仰拱及矮边墙施作完毕，采用冲击钻头疏通结晶物并钻孔至入围岩0.5m。岩溶段及地下水发育段，在仰拱底部增设置Φ50环向打孔波纹管，并直接弯入侧沟，纵向间距5m，预留的管口高于侧沟底35cm；浇筑仰拱混凝土前采用宽50cm彩条布固定位置并遮盖。环向施工缝于无纺布和防水板之间增设一道1.5m宽的凸壳型排水板。隧底泄压系统：岩溶发育及地下水发育段，中心沟侧壁预留Φ110PVC竖向管（端头设过滤网），将仰拱底部有压水引排至中心沟内，纵向间距为5m，左右交错布置，预留的管口高于中心沟底62cm。必要时道床侧沟底部可钻设泄压孔排水。

（2）缓倾岩层段落仰拱构造设计。针对软岩缓倾岩层地段，应对隧底支护结构进行加强，隧底结构仰拱曲率由常规的1/14调整至1/8，仰拱厚度由50cm调整为70cm[3]。

（3）隐伏性岩溶段落探测设计。探测采用“风枪探孔+物探+验证钻探”的探测模式：开挖后暗洞段每5m一个探测断面，每个断面布置10孔。其中，隧底3孔，洞周拱墙部分7孔，探测深度为5m。浇筑仰拱后，每隔1000m开展一次物探。物探方法采用“地质雷达法+地震映像法拉通探测”方案，地质雷达法及地震映像法沿隧道方向在隧底各布置3条测线。物探后，对代表性物探异常点布置验证钻探，进一步查明异常体的深度、范围、性质。

4 仰拱开挖质量控制措施

（1）爆破法开挖时，严格控制炮眼间距和装药量，避免装药量过大造成仰拱岩层破坏。仰拱开挖应“顺帮打眼”，尽可能保证仰拱的开挖面弧度，避免造成两侧超挖，尤其是薄层缓倾软岩及Ⅱ、Ⅲ级围岩段落[4]。

（2）若已造成超挖，应采用同级混凝土回填成设计轮廓线并达到终凝强度以后再施工初期支护和二次衬砌，确保仰拱受力符合规范与设计要求。当出现局部欠挖时，采用铣挖式凿岩机挖除欠挖部分。

（3）隧道下部存在多个基面，如围岩-仰拱初支、仰拱初支-仰拱模注、仰拱模注-填充、填充-道床板，个别过梁隧道还存在二次填充基面，应注意各个基面上的虚渣及出水点的处理，避免在纵坡上形成水力通道，而引起运营期间的底板上拱及薄弱点冒水病害。

（4）仰拱基地应采用人工对虚渣、杂物、积水进行清理。清基后，可溶岩地段应对隧底进行钎探，并留存记录。

（5）风枪钻机后端设置蹬腿垫板，提高钻机的稳定性，保障钻眼的角度、精度[5]。

5 仰拱初期支护施工质量控制措施

（1）提高钢拱架加工精度。在钢拱架加工时，对整环钢拱架进行整体预拼装，并进行同环标记后再出厂。

（2）拱架运输、安装过程按整环拱架分批进行。上台阶、下台阶及仰拱必须采用预拼验收的同环拱架。

（3）每台阶拱架安装控制拱架的垂直度，设置相应的垂直度控制卡具和模具。仰拱段落的拱架必须闭合，严禁在仰拱中部设置拱架节点。

（4）喷射混凝土采用湿喷工艺，作业时变换喷嘴角度与距离，将钢架后面喷射密实。在喷射混凝土强度未达到5MPa时严禁人员通行，达到强度的50%且不破坏混凝土时，方可进行下一步工序[6]。

6 仰拱防排水施工质量控制措施

（1）在每模前方，挡头板外侧设置临时集水坑排水，绑扎钢筋和浇筑仰拱砼之前基面不得因水带入杂物而造成二次污染。

（2）土工布铺设前清除初期支护外露的锚杆头和钢筋头等铁件，在清除部位用水泥砂浆抹平覆盖，以防刺破防水板。

（3）严格控制热熔垫圈间距，铺设土工布时，热熔垫圈拱部间隔0.5m、边墙间隔0.8m呈梅花形布设；采用射钉枪固定后，人工排查，针对部分钉帽突出情况，采用锤子敲进垫圈内，防止固定防水板时击穿防水板。

（4）纵向盲管布设采用防水板反包，防水板外侧采用Φ8圆钢加工成C型固定，并在盲管处设置无砂混凝土块。

（5）对于布设环向盲管处，热熔垫圈铺设在盲管两侧加密，保证盲管处不存在脱空；纵向排水管采用1根Φ80透水盲管直接弯曲135°引出矮边墙，透水盲管两侧各采用2根135°的钢筋固定并与衬砌钢筋连接牢固，确保盲管不反坡，排水通畅。

（6）控制防水板搭接长度和方式，防水板搭接采用下压上、低压高的方式搭接，搭接长度不小于15cm；防水板长接缝采用专用塑料热合机双缝焊接，单条焊缝的有效焊接宽度不小于1.5cm；防水板的接缝与仰拱的施工缝错开1.0m以上。

7 仰拱混凝土浇筑施工质量措施

（1）仰拱应一次性浇筑成型，避免拱底纵向分缝。仰拱与填充层的界面应与设计一致，增强仰拱的受力。仰拱宜采用自行式全幅模板仰拱栈桥进行模筑。

（2）仰拱止水带偏位、排水盲管倒坡、钢筋保护层过大、拱墙二衬的纵向错台等是施工中常见的质量通病，除施工安装不到位引起的原因外，经常是由全幅仰拱模板上浮而引起的，因而在仰拱模板就位时，应尤其注意仰拱模板抗浮措施，防止仰拱砼施工中模板上浮。全弧模板仰拱栈桥加固可采用预留在仰拱上的钢筋和初支上焊接钢筋，以此防止模板上浮，同时在仰拱栈桥纵向设置斜撑，防止仰拱模板因混凝土浇筑过快引起模板上浮。

（3）仰拱混凝土和填充混凝土采用分次浇筑。仰拱混凝土浇筑采用串桶浇筑仰拱底部，浇筑完成后关闭窗口，用溜槽浇筑边墙，仰拱浇筑完成后，待下一板仰拱钢筋绑扎完成，移动全弧模板后浇筑。

（4）仰拱填充浇筑时，配备4名振捣工，对填充混凝土进行振捣，保证混凝土质量；在填充与边墙处预留15cm不浇筑，形成排水沟，保证洞内整洁。

（5）仰拱进行取芯强度自检时，留下的孔洞要及时以同标号的微膨胀砼进行回填，避免杂物进入孔内。严禁在仰拱填充混凝土上面过早通行重载车辆。

（6）在填充初凝后洒水养护，在仰拱填充强度达到5MPa时行人可以行走，待填充达到10MPa且不破坏混凝土时才整体移动栈桥，进行下循环施工。为确定混凝土强度，现场每2～3周做一次同条件试件，用于确定混凝土强度。

8 结束语

综上所述，应从设计构造、施工过程、工装配置方面加强隧道仰拱质量的控制，特别是在采用自行式全幅模板仰拱栈桥进行模筑后，确保结构物成型与设计一致，受力与理论计算模型一致，保证可以同时施工一板仰拱、一板填充，这既提高了工作效率，又保证了仰拱填充效果。仰拱成型后应及时开展沉降观测，以便能及时发现仰拱的变形规律。观测点的间距及频率，除了应按照相关要求执行，还需特别关注临近中心水沟处点位（可能出现最不利）的变形趋势，观测点设置需考虑从施工期到运营期的连续使用，避开轨道板位置，并低于目前铺底面5cm（施工期避免压坏）；观测期不少于1年（易变形地段应观测至静态验收止）。通过观测数据的分析，可从设计构造、仰拱开挖、初期支护、防排水及混凝土浇筑等方面进一步加强可溶岩、软弱富水、软弱缓倾岩层等复杂围岩段落仰拱上浮、开裂及冒水等病害控制。