隧道二次衬砌防脱空综合施工技术探讨

张庆雨

（中铁十六局集团第一工程有限公司，北京 顺义 101300）

0 引言

在中西部地区，地质条件非常复杂，地形地貌的特殊性导致高速公路隧道占比高，隧道施工过程中易出现塌方、大变形、突泥突水、瓦斯等不良地质灾害，施工难度大、风险高，质量把控稍有疏忽，就容易出现结构质量问题，甚至导致严重后果。隧道施工中，二次衬砌施工是最重要环节。受多种原因的影响，隧道二次衬砌混凝土脱空现象时有发生。采取科学合理措施减少出现脱空缺陷的概率，提高隧道结构的安全性，降低后期治理维护的成本，是隧道衬砌施工亟需解决的关键技术。基于此，本文对隧道二次衬砌防脱空综合施工技术进行探讨。

1 隧道二次衬砌脱空原因

二次衬砌脱空缺陷多出现在拱顶、施工缝处或者仰拱底部，为隧道比较常见的也难以根治的一种质量问题，导致隧道衬砌脱空的因素较多，主要有以下几种：

（1）初期支护喷混原因：初期支护的平整度不达标，隆起或凹陷，若隧道整体纵坡较小，形成的凹凸面直接造成衬砌的结构尺寸不足或者脱空；

（2）混凝土自身因素：混凝土自身收缩较大，坍落度较大或较小时，漏振或振捣不密实，会导致形成背后脱空，这是形成衬砌脱空的主要原因之一；

（3）防水板的铺设原因：防水板铺设采用热熔垫圈焊接，防水板铺设不平整、铺设过于紧张、出现隆起现象时造成衬砌空洞；

（4）施工过程控制不严：在衬砌混凝土浇筑施工过程中，不严格进行过程控制，再加上作业工人责任心不强，只是简单从台车端头模板进行观察，如果衬砌钢筋密度大，混凝土和易性稍差，都很容易引起混凝土在浇筑过程中形成空洞，尤其施工至隧道拱部时，在隧道每板衬砌单元两端衔接部位容易出现空洞[1-2]。

2 隧道衬砌防脱空施工技术措施

将三维扫描仪、测温线布控、可视化端头模、防脱空预警装置、工业内窥镜及带模注浆等6种措施综合应用，可有效降低二次衬砌混凝土脱空的概率[2]。首先通过先进的三维扫描仪扫描初期支护断面，精确计算理论浇筑混凝土量，与实际浇筑量进行对比，根据浇筑方量的对比确定有无明显脱空；通过测温探头感应混凝土与空气的温度差异，确定混凝土是否浇筑饱满；观察二次衬砌端头各个部位模内混凝土流动情况，避免有明显脱空缺陷的存在；在拱部防水板预埋5个液位连通器，混凝土浇筑饱满后通过浆液将5个连通器形成回路，信号指示灯亮起，从而判定混凝土浇筑密实；通过预留注浆孔采用工业内窥镜探头观察混凝土衬砌是否存在空腔；采用带模注浆填充因混凝土收缩导致的空腔。综合应用这6项措施，可有效地避免或减少二次衬砌混凝土脱空的情况。

2.1 三维扫描仪扫断面

采用天宝SX10三维激光扫描仪对初期支护进行扫描，该三维扫描仪可实现数据采集、点云分割、断面线提取、超欠挖量值分析、报表管理等功能，可以自主设置测点间距，最小精度能达到0.5mm，且能在10min内完成12m断面扫描，并绘制出断面图[3]。通过测得断面图计算混凝土理论浇筑量，可以指导二次衬砌混凝土浇筑，误差能控制在0.5%之内，确保二次衬砌厚度，避免出现较大面积的空洞。

通过三维扫描仪计算混凝土理论浇筑方量，与衬砌混凝土实际浇筑方量进行对比，判定衬砌混凝土是否存在空洞。若相差量较大，则可能在混凝土浇筑时存在施工不规范的情况，或存在混凝土的和易性不满足要求、钢筋层间距不合理等情况，导致有空洞的存在。

2.2 测温线布控

在隧道拱部防水板上不同位置埋设若干个测温探头，通过引线从台车端头引出测温线头，通过测温探头感应混凝土温度与空气温度的差异，判断混凝土是否密实[4]。

（1）防水板挂设完成后，在防水板拱部120°范围内，间隔2m间距设置测温探头，通过超细导线连接，从端头定型模板缝间引出，作为温度测试连接线。

（2）未浇筑混凝土之前连接导线，分别测出空气的温度和混凝土中的温度（通过试验测得），并做好记录，便于浇筑混凝土后进行对比。在混凝土浇筑到拱顶后，采用测温显示仪连接导线，逐一检测探头的温度，并与未浇筑之前的温度进行对比。

（3）逐一分析每个探头的温度，若探头的温度与未浇筑前测得的空气中的温度接近，则基本可以判断该处混凝土没有浇筑满，需要继续浇筑；若温度显示与试验时测得混凝土中的温度接近，则基本可以判断该点混凝土已经浇筑完成。

通过测温线布控，对比温度差异可以粗略判断埋设测温探头部位是否完成混凝土浇筑，一定程度上可以降低混凝土背后脱空的概率。测温探头布置图见图1、图2。

图1 测温探头纵向布置图

图2 测温探头横向布置图

2.3 可视化端头模

二次衬砌端头模板采用CHY系列隧道台车端头模板，在二次衬砌台车端头一圈安装与台车弧度一致的可视端头模。台车端头板装置使用开窗模式，窗口为透明有机玻璃窗口，在隧道灌注混凝土时，操作人员可在隧道台车端头板窗口外实时观察灌注混凝土的情况，确保浇筑密实[5]。

采用CHY系列隧道台车硬质可视化端头模板，具有足够刚度和强度，足以抵挡模内混凝土压力，可视化端头模与初期支护岩壁之间采用5cm宽的橡胶带，防止浇筑混凝土时漏浆。模板上设置可视窗口，不仅可以实现对中埋止水带的对夹，保证止水带居中埋设，浇筑作业工人还可以在二次衬砌端头的各个部位通过端头钢模上的可视化窗口清晰地观察混凝土在模内的流动情况，从而实现灌注量的良好控制，可很大程度上避免因混凝土和易性差或钢筋骨架过密导致的混凝土空洞。可视化端头模的优势具体体现在以下方面：

（1）便于观察。二次衬砌台车定位后，将两块对夹止水带的可视化端模撑开，将防止漏浆的橡胶带撑紧在岩壁上，调节加固螺栓。浇筑混凝土时，从两侧边墙向拱顶，通过可视化端模的窗口时刻观察混凝土的流动情况，防止模内因混凝土和易性或者钢筋间距密集而出现混凝土局部空洞或空腔的情况。

（2）拆除便捷。当台车就位后，翻转下钢模，使下钢模立于台车端部，铺上中埋止水带及背贴止水带，将可视堵头板装置放于中埋止水带及背贴式止水带之间，使用端头板的伸缩功能将止水带压紧。拆除时，采用伸缩杆合龙堵头板，将其取出。当隧道出现超挖、欠挖时，可以采用垫块调整解决。模板安装及拆除操作简易，大大提高了端模安装和拆除效率，省时省力。可视化端头模及安装效果如图3所示。

图3 可视化端头模及安装效果

2.4 防脱空预警装置

二次衬砌混凝土浇筑前，在顶部防水板均匀预设5个液位连通器，连通器信号端口与对应的信号灯连接，信号灯与提供电力的配电箱连接，利用浇筑混凝土中的浆液使得连通器形成回路，根据指示灯状态来判断混凝土是否浇筑饱满密实。此工艺在二次衬砌拱顶混凝土浇筑过程中可有效减少混凝土灌注不密实和空洞现象[6]。

施工要点：在台车上安装一组5个信号灯，每个信号灯都有连接线头，浇筑混凝土前将信号灯与预先埋设的液位连通器连接。首先将连通器短路，试验预警装置是否完好；逐个短路，信号指示灯逐个亮起，则装置完好。

混凝土浇筑过程中，当混凝土充满模内空腔时，混凝土中的浆液使得埋设在顶部防水板的液位连通器形成回路，信号指示灯亮起，说明混凝土已浇筑密实，若信号灯未亮起，则表明混凝土未浇筑完成。其工作原理见图4。

图4 二次衬砌防脱空预警装置工作原理图

2.5 工业内窥镜

二次衬砌台车拱顶预留注浆孔，每模台车预留4个，预留注浆孔通过垂直安装RPC管，浇筑完混凝土，待混凝土初凝后，利用内窥镜摄像头通过预留注浆孔进行观察，查看衬砌拱顶是否存在空洞，若存在可估算空洞体积大小，可以有效指导后续带模注浆的进浆量，通过进浆量来判断空洞是否填充满[7]。

2.6 带模注浆

由于混凝土自身干缩性，衬砌混凝土施工易造成衬砌拱顶脱空。为了提高隧道拱顶衬砌的整体性和密实度，预防衬砌拱顶脱空，可应用带模注浆施工工艺。在二次衬砌台车模板拱顶中心线位置沿台车纵向方向设置4个注浆孔，并安装注浆用固定法兰，在浇筑混凝土前预埋RPC注浆管，混凝土浇筑结束待初凝后及时利用预埋注浆管进行注浆[8]。

3 结束语

为了确保隧道二次衬砌施工质量，提高隧道二次衬砌混凝土工程的验收通过率，应注意以下几点：

（1）对于隧道二次衬砌混凝土施工，工前做好作业工人的技术交底，强化施工人员的责任心，树立质量为本的意识。

（2）通过三维扫描仪、测温线布控、可视化端头模、防脱空预警装置、工业内窥镜及带模注浆等6种措施在二次衬砌混凝土施工过程中的应用，有效地降低二次衬砌混凝土出现脱空的概率。

（3）定期对以上6项措施涉及到的仪器和设备进行检查、更换，确保在实施过程中能正常使用，避免出现因设备和仪器的自身因素导致的隧道脱空。

总之，在隧道二次衬砌施工过程中，严格控制好采取的技术措施，即可降低隧道衬砌脱空的质量通病。