公路隧道衬砌防脱空病害的主动监控及施工优化分析

摘要 为有效提升公路隧道衬砌施工水平，防止出现拱顶脱空病害，保证二次衬砌施工质量，该文章结合某公路隧道工程实践，提出了防脱空主动监控技术，阐述了主动监控工作流程、原理，分析了带模注浆及主动监控指导施工效果，并提出了合理化施工优化建议，工程实践表明：（1）通过主动监控技术指导衬砌施工，能有效提升衬砌拱顶密实率，防止衬砌拱顶脱空；（2）常用泵送技术无法保证衬砌混凝土浇筑密实性，带模注浆技术可在一定程度上提升密实率，但因注浆口较为固定，其注浆效果并不理想，实际施工中应实施合理优化，并加强主动监控。

关键词 公路隧道项目；衬砌结构，拱顶脱空病害；主动监控；优化策略

中图分类号 U457 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2024）18-0120-03

0 引言

公路隧道项目建设中，极易出现衬砌结构拱顶脱空问题，严重影响隧道使用安全。但由于隧道施工环境复杂，导致衬砌结构拱顶脱空的因素众多，病害发生后通常无法补救，造成无法估量的后果，所以工程实践中如何采取有效措施解决衬砌拱顶脱空问题，已成为隧道施工面临的主要难题。为此，该文章结合某公路隧道施工案例，针对隧道衬砌防脱空病害主动监控及施工优化展开综合探究，分析了主动监控技术指导衬砌施工的效果，并提出了合理的施工优化方案，对提升衬砌施工质量，具有重要的实践意义。

1 防脱空效果跟踪评价试验方案

1.1 工程概况

某公路隧道设计长度3.45 km，沿线围岩等级包括Ⅲ、Ⅴ、Ⅳ级三种类型，其长度依次为1 545 m、1 030 m和840 m，出入口处明洞长度分别为15 m和20 m，洞体最大埋置深度220 m；采用“人”字形设计，其中，出入口段边坡长度依次为1 465 m和1 988 m，坡度为7‰和5‰。该文选取DK30+292～+340段进行主动监控施工，并对施工效果实施评价，该路段围岩等级为Ⅳ级。

1.2 监测方法与原理

隧道衬砌拱顶密实度监测通过分布式压密传感器完成，并利用公路信息管控系统中的“隧道衬砌防脱空”单元进行信息采集。该传感器主要是通过物理方式判定结构面压密程度，按照标准要求将其放置于防水板和土工布之间，能够快速、准确获得衬砌混凝土挤压作用下，防水板和土工布密贴程度，进而判断衬砌结构混凝土密实性[1-2]。

压密传感器长度为12.0 m，测点间距为800 mm，共设置15个测点，各项监测数据经显示元件呈现并传输至工控机内，然后通过网络系统传输至公路信息管控系统，全面采集密实信息[3]。根据实际情况在土工布及防水板间设置纵、环向压密传感器（该试验重点针对衬砌拱顶部位密实度进行监测，主要设置纵向传感器），能够完成对衬砌结构混凝土浇筑过程的动态监控[4]。

1.3 监测工作流程

主动监控工作程序如下：

（1）按照相关标准要求在初支体系设置土工布；

（2）土工布布设完成后，在其表面设置压密式传感器并编号，然后设置现场传感器，进行防水板及钢筋施工，并将模筑台车就位；

（3）将压密式传感器与显示元件连通，并启动监测装置，实施衬砌混凝土施工；

（4）实时监控显示装置状态，并全面记录监测数据，最后进行数据分析。

1.4 传感器布设方案

传感器设置于洞体拱部两侧2.4 m区域内，拱顶部位设置1条，并以拱轴线为中心向两侧纵向分别布设3条传感器，总数量为7条，布设间距为800 mm。

1.5 效果比对工况

为全面了解防脱空主动监测技术指导施工效果，设置4个衬砌施工部位进行防脱空监测，并对施工效果实施评价。其中，DK30+292～DK30+304段和DK30+304～DK30+316段仅对衬砌混凝土浇筑实施监控；而DK30+316～DK30+328段和DK30+328～DK30+340段则结合实际监测数据开展混凝土浇筑及模筑施工，各路段均设置7条传感器。

2 混凝土浇筑密实度分析评价

2.1 密实度分析方法及结果

密实度为衬砌拱顶密实测点数与总测点之间的比值，据此对衬砌结构混凝土密实度实施评价。

ρ=N／M×100% （1）

式中：ρ——密实度（%）；N——各传感器密实点数（个）；M——各传感器测点总数（个），各路段衬砌结构混凝土浇筑密实度，如下表1所示。

2.2 主动监控指导施工的效果评价

4组模筑衬砌拱顶密实度监测结果，如下图1所示。

由图1可知：（1）衬砌结构脱空位置位于拱部1.6 m区域内，其中脱空最严重位置位于拱肩部位，而非拱顶位置；（2）未进行监控指导施工部位拱顶密实度为87.62%、86.67%，而进行监控指导部位施工拱顶密实度达96.19%、98.10%，通过监控指导施工后衬砌拱顶密实度提高约10.00%，由此可知，采取主动监控指导衬砌施工，能在一定程度上防止拱顶脱空。

2.3 二衬浇筑施工优化建议

该试验根据主动监测数据，科学判定混凝土浇筑完成时间与泵送压力调节标准，显著提高衬砌混凝土浇筑密实度，但拱顶密实度仍未达到理想状态。因此，在加强主动监测基础上，还应对衬砌结构混凝土浇筑及密实过程实施全面分析，根据混凝土流动状态，合理确定混凝土泵送入口、间距及角度等施工技术指标，并结合实际情况，优化使用工艺，从而全面提升衬砌拱顶浇筑密实度[5-6]。

3 带模注浆效果分析评价

3.1 试验数据分析

通过检测发现，4组模筑衬砌均存在一定的拱顶脱空问题，尽管主动监测可有效指导衬砌施工，并能在一定程度上提高衬砌结构拱顶密实度，但难以从根本上防止脱空问题的出现。同时，对混凝土浇筑工艺进行优化后，仍旧难以避免拱顶脱空问题，因此，为最大限度保证拱顶密实度，必须采取模筑注浆工艺。现阶段，较为常用的带模注浆工艺，主要是按照一定间距在拱顶位置设置若干根径向注浆管，并通过高压注浆设备向衬砌脱空部位注射膨胀水泥砂浆，从而将脱空部位填充密实，该试验对带模注浆施工前后衬砌密实度实施监测，结果如下图2所示。

由图2可知：（1）针对衬砌结构拱顶密实度较低部位（脱空严重位置），采用带模注浆能有效改善拱顶密实度，但改善程度较为有限，无法彻底防止脱空；（2）带模注浆施工后，DK30+292～DK30+304段衬砌拱顶密实度从87.62%增加至92.38%，增幅为4.76%；DK30+304～DK30+316段衬砌拱顶密实度从86.67%增加至90.47%，增幅为3.80%；而对于DK30+316～DK30+328段和DK30+328～DK30+340段，由于初期密实度较高，注浆后其密实度基本保持不变。

3.2 带模注浆施工效果分析及优化建议

通过以上分析可知，采取径向带模注浆施工工艺，无法从根本上防止衬砌拱顶脱空问题，具体原因如下：

（1）注浆管出口堵塞：采取带模注浆施工时，注浆管相对固定，若管口部位已达到密实状态，注浆过程中浆体材料极易堵塞管口，从而造成浆体材料无法到达脱空部位，达不到实际注浆效果[7-8]；

（2）注浆管与衬砌脱空部位堵塞：因注浆管布设位置及数量较为固定，并且注浆过程中浆体材料率先到达较近及较低部位，如果脱空位置与注浆口之间距离过大，浆体材料流动过程中极易出现堵塞，进而无法填充脱空部位[9]；

（3）注浆质量难以保证：带模注浆施工时，浆体材料、注浆时间、注浆压力及注浆量等各项指标均由现场完成，无法实施全面监控，难以有效保证注浆质量[10]；

（4）对于以上各种状况，应积极强化注浆过程监控，引进先进技术手段对注浆过程实施动态控制，全面保证注浆质量，同时对注浆工艺实施优化，实现主动监控与注浆施工的有效结合。

4 结语

综上所述，该文章结合某公路隧道工程实践，通过相关试验，系统分析了带模注浆及主动监控指导施工效果，并提出了合理化施工优化建议，具体结论如下：

（1）通过主动监控技术指导衬砌混凝土施工，能有效提升衬砌拱顶密实度，解决衬砌拱顶脱空问题。相较于未进行监控指导施工部位，进行监控指导部位拱顶密实度得到显著提升，两模衬砌拱顶密实度依次为96.19%、98.10%，通过监控指导施工后衬砌拱顶密实度提高约10.00%，充分表明主动监控指导衬砌施工的有效性。

（2）隧道衬砌结构混凝土施工难度较大，根据主动监测数据，科学判定混凝土浇筑完成时间与泵送压力调节标准，虽然能有效提高衬砌混凝土浇筑密实度，但拱顶密实度仍未达到理想状态，因此在加强主动监测基础上，还应对混凝土浇筑工艺实施优化，从而全面提升衬砌拱顶浇筑密实度。

（3）常用泵送技术无法保证衬砌混凝土浇筑密实性，带模注浆技术可在一定程度上提升密实度，但因注浆口较为固定，其注浆效果并不理想，实际施工中应实施合理优化，并加强主动监控。

参考文献

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