硬岩隧道二衬拱顶脱空原因分析及整治措施研究

刘文俊

(中铁十二局集团第二工程有限公司 山西太原 030032)

1 引言

据统计，截至2020年底，中国铁路营业里程达14.5万km，其中，投入运营的铁路隧道共16 798座，总长约19 630 km[1]。越来越多的隧道进入维修养护阶段，其中因衬砌脱空导致的隧道质量问题也逐渐显露。随着施工技术的不断提高，隧道一次衬砌脱空的问题已经得到了有效的控制，然而由于多种因素的影响，二衬脱空问题始终没有得到很好的解决。二衬空洞的存在，既是二衬厚度减少的体现，还削弱了衬砌与围岩间的相互作用，导致衬砌结构承载力降低，极大威胁了工程质量及人员安全。

目前有不少学者从不同的方面对二衬空洞进行了深入研究:袁成海、郭海鹏等[2－3]对空洞成因进行了深入分析，认为混凝土的自收缩、施工质量及施工工艺等是二衬空洞形式的主要原因；赵阳川、杨文平等[4－5]则从施工及管理的角度对二衬空洞的预防措施进行了探讨；对于既有运营隧道出现的衬砌空洞，傅鹤林等[6]采用荷载结构法及平面有限元对结构安全性进行了分析，指出衬砌脱空对结构整体安全性影响较小，主要影响的是衬砌结构危险截面的百分比。

虽然目前对衬砌空洞的研究取得了一定成果，但空洞对衬砌的影响与围岩条件、隧道断面大小、埋深等多种因素有关，对硬岩隧道中二衬拱顶空洞的危害及整治措施开展针对性研究的相关文献较少。本文以厦深铁路梅林隧道为例，分析了花岗岩地层复合式衬砌中拱顶二衬空洞对结构安全性的影响，并提出了相应的整治措施，可为类似工程提供参考。

2 工程概况

厦深铁路梅林隧道全长8 646.28 m，为客专双线隧道，位于深圳市龙岗区布吉镇境内。隧道衬砌空洞病害处的洞身围岩为花岗岩，弱风化，属于Ⅱ级围岩地段，埋深约100 m。梅林隧道为复合式衬砌隧道，初期支护为5 cm厚C25素喷混凝土，二次衬砌拱墙为35 cm厚C30素混凝土。

为更好地掌握衬砌脱空大小及位置，对现场进行了钻孔探测，共钻孔14个点，以K2＋500拱顶中心为原点，以线路法线方向为X轴，以隧道拱顶纵向中心线为Y轴，将钻孔勘测情况用二维展开的内衬面表示，如图1所示。结果表明二衬空洞位于隧道两线间正拱顶，范围为环向170～280 cm，纵向长度为900 cm，呈梯形分布，最大空洞厚度21 cm，范围如图2所示。对隧道空洞处混凝土的表观情况、二衬及围岩强度进行了详细调查及测试，结果如下:钻孔处衬砌混凝土密实，表层无裂纹，二次衬砌处于稳定状态；空洞处二次衬砌芯样平均抗压强度为38.2 MPa，符合要求；围岩芯样平均抗压强度为41.5 MPa，强度较高且内部无水。

图1 钻孔位置及结果

图2 空洞分布范围示意

3 衬砌脱空原因及危害

结合现场二衬脱空情况及工程地质条件，以梅林隧道为出发点，对硬岩隧道拱顶二衬脱空产生的原因及危害进行了详细的探讨。

3.1 脱空原因分析

(1)混凝土自身原因

混凝土受空气湿度、温度等各种因素的影响会产生收缩现象，在隧道二衬中就会表现为一定程度的脱空，使用补偿收缩混凝土进行二衬灌注会缓解这一情况；二衬浇筑完成后在自重作用下一方面会使自身更加密实，另一方面会将原来没有填充到的局部位置进行填充，由此造成“混凝土供应量不足”，导致发生拱顶脱空。

(2)设备原因

在衬砌浇筑过程中泵送至拱顶的压力不足，致使拱顶离泵送设备较远处的位置混凝土泵送不到，造成拱顶脱空；泵送孔的喷射角度大多与隧道轮廓垂直，此时混凝土从管内进入模板时流动方向需改变90°，丧失了一部分混凝土的动能，由此带来的压力损失导致衬砌远端脱空；附着式振捣器数量不足，致使某些位置的混凝土振捣不到位，而后混凝土在自重作用下下沉，造成拱顶脱空；二衬模板台车的挡头板封堵不严密，从而发生漏浆，造成二次衬砌背后混凝土厚度不足及脱空。

(3)环境原因

隧道坡度较陡时，位置较高一侧混凝土较其他位置所需灌注压力大，该位置处灌注的混凝土不易密实，进而发生脱空；衬砌拱部未设置排气孔或预留排气孔堵塞失效，内部形成气囊，导致混凝土无法充填饱满，在拱部形成空洞。

3.2 脱空危害分析

衬砌混凝土脱空会造成截面承载力降低、改变受力状态及其他附加危害[7－8]，在这些危害的耦合作用下，隧道的服役状态将受到影响，运营管理成本将会提高，同时隧道的使用寿命也会降低。

4 分级整治措施

为预防拱顶脱空产生的一系列病害，保证隧道正常服役状态，除了在施工阶段采取一定的措施预防空洞的产生外，还需要对既有脱空病害的隧道采取合理的整治措施。目前对隧道脱空的整治措施包括:回填压浆[9]，使支护结构之间接触密贴的同时还可达到加厚衬砌的效果；内表面补强，采用纤维板或钢板进行粘着，分担内表面拉应力控制衬砌开裂；施加内衬或钢拱架，该法可承担部分地压力，但应用的前提是隧道有足够的净空；打设锚杆改善衬砌的受力状态；对富水隧道采取降水辅助措施改善衬砌周边环境；局部改建或者全断面改建。

以往隧道脱空整治往往根据衬砌表观状态选择整治措施，有较强的主观性，没有对不同的围岩情况做区分，而不同的围岩条件下隧道二衬的受力状态往往差别很大。对此，本文按照安全、经济的原则，对硬岩隧道二衬不同脱空程度进行量化表征，并采取不同的整治措施。空洞的深度和宽度都对衬砌安全性有影响，但对于硬岩隧道拱顶二衬脱空，空腔深度大的地方往往其宽度也大，空洞的深度与宽度具有很强的相关性，因此为了方便可仅采用空腔深度作为脱空程度指标。考虑到衬砌厚度有大有小，为使整治措施更具通用性，采用空腔深度与衬砌厚度的比值作为最终的脱空程度量化指标，进而提出针对性的整治措施。具体整治原则及措施如表1所示，其中针对大修的施工如图3所示。

图3 大修处理措施示意

表1 硬岩隧道拱顶衬砌脱空程度分级及整治措施

(1)小修措施

对衬砌脱空程度较小的部位，钻孔形成灌注孔道，预埋管长度据脱空程度而定，衬砌内部预埋管抵至距离防水板1～2 cm位置，每层单侧钻孔2个，低孔作为注浆孔，高孔作为排气和观察孔，在灌注前采用竹胶板将开口封堵，加固方式同衬砌加固。灌注材料采用微膨胀C30细石混凝土，流动性好，能充分浇满空洞部位并避免体积收缩引起的二次脱空。当溢浆孔溢出与灌注同配比混凝土时，即可结束该孔注浆。

(2)中修措施

脱空区域范围内打φ22全长固结型锚杆，锚杆长5.0 m，间距0.8 m，锚杆应注浆饱满。根据现场实际情况调整锚杆方向，避免锚杆孔正对接触网线和其他管线。

钻孔形成灌注孔道，每层单侧钻孔2个，低孔作为注浆孔，高孔作为排气和观察孔，在灌注前采用竹胶板将开口封堵。灌注材料采用微膨胀C30细石混凝土，当溢浆孔溢出与灌注同配比混凝土时，即可结束该孔注浆。

(3)大修措施

对严重脱空段衬砌范围四周外侧打设φ22全长锚固型补强锚杆，锚杆长5.0 m，间距0.8 m，锚杆应注浆饱满，锚杆与防水板间采用遇水膨胀止水胶进行封闭。凿除脱空部位二衬混凝土，形成“天窗”，并清除虚渣、浮石，凿除面呈倒楔形，对环向施工缝处的既有混凝土面进行凿毛处理。

凿除脱空段混凝土后，在空洞四周衬砌断面上打设植筋孔，采用φ22钢筋进行植筋，钢筋安装后在植筋孔内灌注砂浆进行锚固。脱空区域范围内打φ22全长固结型锚杆，锚杆长5.0 m，间距0.8 m，锚杆应注浆饱满。锚杆与防水板间采用遇水膨胀止水胶进行封闭，施作顺序为先两侧后中间，并根据现场实际情况调整锚杆方向，避免锚杆孔正对接触网线和其他管线。

锚杆端头槽在锚杆抗拔力达到设计强度后，采用膨胀水泥砂浆回填，与原衬砌面打磨平整，锚杆端头通过螺母与垫板连接，焊缝高度不小于10 mm；补强锚杆完成后，进行模筑混凝土作业，宜采用微膨胀C30细石混凝土，流动性好，能充分浇满空洞部位并避免体积收缩引起的二次脱空；施作完成后对衬砌内表面打磨光滑，内表面施作渗透性结晶防水涂料。

5 整治措施的力学验证

结合梅林隧道3个典型断面的拱顶二衬脱空整治实例，针对第4章提出的分级整治措施[10]，采用地层结构法利用有限元软件进行分析验证。3个实例所对应的工况如下:工况一空洞深度7 cm，小修；工况二空洞深度9 cm，中修；工况三空洞深度21 cm，大修。

5.1 三维计算模型

(1)模型尺寸及约束条件

模型二衬尺寸及空洞位置如图4所示。隧道开挖对围岩产生的扰动在距开挖区域3～5倍洞跨处产生的影响可忽略不计，因此为消除边界条件影响，模型横向宽度取120 m，竖直长度往隧底下取60 m、向上取距离拱顶50 m、外加1.25 MPa竖向应力(该计算模型取埋深100 m)。模型底边采用固支约束，左右两边采用横向位移约束，上边为自由面，不施加约束。计算模型如图5所示。

图4 二衬轮廓及空洞位

图5 边界条件及模型范围示意

(2)计算参数

模型中的围岩、初支及二衬均采用平面应变单元进行模拟，锚杆采用cable单元模拟。其中围岩采用弹塑性材料，满足Mohr-Coulomb屈服准则，支护结构采用弹性材料。计算中力学材料参数以铁路隧道设计规范取值为依据，并结合现场取芯强度进行验证，具体参数见表2。网格划分情况见图6。

图6 模型网格划分

表2 计算参数的选取

5.2 计算结果

采用平面应变单元模拟的二衬可以很方便地获取应力云图，但是对于衬砌的轴力及弯矩无法直接获取。为此，先提取出单元的竖向应力及水平应力，进而根据平截面假定得到截面处的内力分布情况，最后利用材料力学公式进行获取[11]。使用处理措施后的各工况内力如图7所示，因为内力对称分布，仅取一半作图。

图7 各工况内力

5.3 安全性分析

对各工况二次衬砌进行轴力和弯矩的提取，按照铁路隧道设计规范8.5节对隧道二次衬砌进行安全系数验算。为确定二衬不同截面安全系数分布情况，将二衬单元划分为56个单元，逐一对单元处内力采用破损阶段法[12]进行安全系数的计算，单元划分情况及编号如图8所示。

图8 二衬单元编号

将各工况安全系数进行整理，得到不同工况不同截面处的安全系数汇总图，如图9所示。从安全系数汇总图可以看出，采取第三章措施对各工况脱空情况进行整治后，各截面安全系数都大于规范规定的3.6，满足安全要求，因此分级整治措施是合理的。

图9 安全系数汇总

6 结论

(1)以梅林隧道脱空实例为出发点，从混凝土自身、设备及环境三方面对硬岩隧道拱顶脱空的原因进行了探讨，并对脱空可能产生的危害进行了总结。

(2)从混凝土本身、施工设备及环境三方面进行分析，提出需要采取的几点预防措施，以尽量避免施工阶段类似情况的出现。

(3)提出硬岩隧道拱顶脱空分级整治措施，该措施按照脱空程度的不同分别采取小、中、大修三种处理方法。其中小修直接灌注混凝土；中修打锚杆＋灌注混凝土；大修开天窗＋植筋＋打锚杆＋灌注混凝土。

(4)结合梅林隧道三种典型脱空断面，使用地层结构法对采取分级整治措施后的衬砌进行有限元分析并进行安全系数验算，结果表明经过处理后的二衬结构经济合理，且安全性均满足要求。