隧道衬砌质量缺陷原因分析及预防措施

刘雪娟

（中铁上海工程局集团第一工程有限公司，安徽 芜湖241000）

1 引言

隧道衬砌必须有足够的强度、耐久性和一定的抗渗性、抗冻性、抗侵蚀性。实际施工中，衬砌质量缺陷时有发生，势必对衬砌结构功能的实现产生不良影响。本文结合在建铁路隧道项目，介绍了隧道衬砌常见的缺陷类型，分析了导致衬砌常见缺陷的原因，提出了预防隧道衬砌缺陷发生的措施。

2 缺陷类型

隧道衬砌常见的质量缺陷有空洞、脱空、不密实等。（1）空洞：依据《铁路运营隧道衬砌安全等级评定暂行规定》（铁运函〔2014〕174 号），衬砌背后未回填深度及直径大于10cm，即属于有空洞。（2）脱空：衬砌背后未回填深度及直径小于10cm（不含），多沿隧道纵向呈带状分布。（3）不密实：衬砌背后全部用填料回填，但填料内空隙较大。

3 检测方法

3.1 地质雷达法

地质雷达法是利用介质对电磁波的反射特性，对介质内部的构造和缺陷（或其他不均匀体）进行探测，适用于检测衬砌厚度、衬砌背后的回填密实度和衬砌内部钢架、钢筋等分布。

3.2 工业内窥镜验证

对地质雷达法检测到缺陷的部位，采用工业内窥镜进行验证，钻取直径25mm，厚度约为二次衬砌厚度的通道，清除通道内的杂物，然后将探头推进到通道内，探头上安装有摄像头，可在仪器上观察通道内的情况，从而对缺陷处进行直观验证。

4 工程现状及原因分析

4.1 工程现状

对承建的5 座隧道进行调查分析，结果显示，因衬砌脱空、空洞、不密实导致的缺陷发生率为6.5%～8.5%，缺陷平均发生率为7.8%，如表1 所示。

表1 隧道缺陷率统计表

4.2 原因分析

导致隧道衬砌缺陷的原因主要有以下几个方面。

隧道围岩光面爆破效果差，造成隧道开挖轮廓凹凸不平，喷射混凝土施工时未完全充填不平整处。TB 10753—2018《高速铁路隧道工程施工质量验收标准》规定，喷射混凝土表面平整度应符合两突出物之间的深长比≤1/20 的规定。如果2 次测量间距过大，测量频次不足，则不能获得纵向方向相邻1m 之间的断面数据，因此，不能及时发现初期支护不平整处。若遗漏的不平整处没有及时补喷整治，很可能导致二次衬砌形成脱空或空洞。

防水板铺设过紧，二次衬砌混凝土被防水板阻断而不能完全充填凹陷位置，导致防水板与初期支护面不密贴，形成脱空或空洞。防水板铺设过松，施工时会形成褶皱，在二次衬砌与防水板之间形成脱空。防水板的固定间距不合理也可能导致脱空或空洞发生，尤其在拱部，如果固定位置过大，泵送混凝土压力不足时，致使防水板与初期支护之间形成脱空或空洞。

二次衬砌混凝土和易性差，砂浆石子分离，流动性差，加之混凝土施工时，布料不、振捣方法不当，因模板台车开窗不合理，导致漏振、过振等，使局部砂、石集中，导致衬砌缺陷发生。

浇筑拱顶时，随着拱顶空间的逐渐减小，空气难以排出，并且由于空气压力的作用，混凝土会难以进入，导致作业人员误以为已浇筑完成[1]，采取何种措施使作业人员能直观地判断拱顶混凝土是否灌注密实，有效预防拱顶脱空，需要思考和研究。

5 预防措施

5.1 改进初期支护断面测量

将传统的断面测量仪莱卡全站仪替换为新型Trimbies×10扫描仪，该扫描仪可实现三维影像扫描，通过纵向全断面连续扫描，更全面更准确地发现喷射混凝土不平整的缺陷，并及时补喷，为后续二次衬砌施工提供平整初期支护面，有效减少因初期支护不平整引起的二次衬砌脱空及空洞缺陷。

5.2 规范防水板铺设施工

防水板施工松紧应留有余量，实铺长度与初期支护基面弧长的比值可为10∶8，同时防水板固定点间距在拱部应加密，可为0.5～0.8m，边墙可为0.8～1.0m，且呈梅花形排列，并在基面凹凸较大处增加固定点。

5.3 优化二次衬砌混凝土施工

由于拱顶部位的特殊性，5 座隧道拱顶部位缺陷发生率占缺陷总数量的63%，并且脱空是拱顶部位的主要缺陷，因此，合理设计冲顶混凝土的配合比及做好施工控制尤为重要。

配合比设计时可参考以下几点：（1）根据CECS 203:2006《自密实混凝土应用技术规程》的要求，水粉比控制在0.80～1.15，单位体积粉体量控制在0.16～0.23，单位体积浆体量控制在0.32～0.40。（2）适当提高粉煤灰掺量，大量试验资料研究表明，粉煤灰有“微粒效应”“活性效应”“减水效应”及“界面效应”，可以明显改善混凝土拌合物的和易性，提高混凝土可泵性、密实性[2]。（3）机制砂中石粉含量控制在15%～20%。有关试验研究也表明,机制砂中的石粉可以完善混凝土颗粒级配，增加浆体数量，改善工作性[3]。同时，合理布置二次衬砌模板台车开窗数量，规范振捣，避免漏振、过振等，也是保证二次衬砌施工质量的有效措施。

5.4 拱顶采取有效防脱空措施

拱顶部位采取2 个措施防止脱空：（1）在拱顶防水板上布置防脱空触头，并与液位继电器相连，当混凝土充满后继电器全部由绿灯变成红灯；（2）为防止混凝土浇筑时冲顶现象导致脱空装置误指示，在台车高端距边缘30cm 处预留一处观察孔，指示灯全部亮红灯，同时有浓砂浆通过观察孔溢出，即认为混凝土充满。

6 工程应用

选取了“隧道5”进行了实际应用。改进措施后，本座隧道衬砌空洞、脱空、不密实缺陷发生率由7.8%下降至2.3%，衬砌质量改善率达71%。隧道衬砌质量的改善，带来了良好的社会效益，同时，创造了良好的经济效益。

7 结语

保证衬砌质量，减少衬砌缺陷，是工程界持续研究和探讨的课题。导致隧道缺陷的原因繁多而复杂，本文分析了导致隧道衬砌空洞、脱空、不密实缺陷的主要原因，提出了预防措施，通过实际工程应用，验证了预防措施能有效改善隧道衬砌质量，对确保铁路运营安全具有重要意义。