隧道二衬拱顶脱空原因分析及防治新技术

刘新福

摘要：本文针对隧道二次衬砌拱顶脱空问题，在分析成因的基础上，提出了隧道防水板挂设工艺及隧道拱顶混凝土真空辅助灌注施工方法，并详细介绍了技术原理和施工步骤，以期对类似工程提供参考和借鉴。

关键词：隧道二衬;拱顶;真空;灌注

Abstract： In this paper， based on the analysis of the cause of the hollowing of the tunnel's secondary lining vault， this paper puts forward the installation technology of the tunnel waterproof board and the construction method of the vacuum-assisted pouring of the vault concrete， and introduces the technical principle and construction steps in detail to provide reference for similar projects.

Key words： tunnel second lining;vault;vacuum;pouring

1  概述

隧道二襯背后脱空是指由于施工方法、施工工艺等存在不足，导致混凝土浇筑后衬砌体与围岩之间存在一定的空隙。

隧道二次衬砌背后脱空时，衬砌结构存在临空面，易发生应力集中，使得衬砌结构的受力发生不利的变化，如果不及时处治将会导致隧道衬砌结构的进一步损坏，甚至缩短使用寿命。刘益健[4]分析了公路隧道二次衬砌顶部脱空的危害、原因、受力与位移，并提出了压浆补强和衬砌返工两种处理措施。杨小玉[3]依托金宝顶隧道，综合分析了隧道而次衬砌背后脱空的原因产生，并提出了相应的预防措施，并对二次衬砌与初期支护间产生脱空时的治理技术进行了探讨。江星宏[2]等基于沪昆铁路客专全线某特长隧道，进行了衬砌脱空无损检测，调查表明：尤以拱顶脱空问题最为严重占隧道工程缺陷的82%。

近年来，隧道二衬脱空问题受到了隧道工程行业专家的高度关注，为提高隧道二衬质量提出了诸如改善混凝土品质、采用混凝土同步分层浇注工艺、同步压浆、加强无损检测等积极措施，但就目前施工工艺水平而言，隧道拱顶脱空现象仍无法从根本上杜绝。深入研究隧道拱顶脱空机理，提出切实可行的工程对策，对提高隧道工程施工质量具有重要意义。

2  隧道二衬砌拱顶脱空成因分析及工程对策

2.1 防水板背后脱空

问题：初期支护不够平整、防水板挂设松弛度不合适，是导致防水板背后产生空洞的根本原因。目前的初期支护均采用喷射混凝土工艺，受洞内昏暗、操作人员技术水平参差不齐、开挖面平整度等因素的影响，初期支护混凝土不够平整。目前防水板挂设采用人工，受洞内昏暗、托举困难等因素的影响，往往防水板挂设工效低、松弛度不理想，浇筑二衬混凝土时防水板易出现局部绷紧造成防水板背后脱空。

工程对策1：建议改良喷射混凝土配比、采用初喷（初步找平）+复喷（满足厚度）工艺，保证初期支护喷射混凝土的平整度达标;

工程对策2：建议采用新型防水板挂设台车，既可改善防水板挂设质量，又可提高工效、降低劳动强度。

防水板挂设台车工作原理见图1。

该防水板挂设台车的工作原理：利用门式钢支架两侧及顶部设置轨道，为电动葫芦、滑轮组及升降机提供动力，实现作业平台沿轨道移动，以满足拱墙各个区域防水板铺设。同时，针对升降平台，利用可伸缩矩形杆件实现对防水板的压紧功能，并通过顶部转轴实现防水板的连续铺设。

防水板挂设台车的作业步骤为：①作业台降回落至底梁，抬升作业踏板，安装整卷的防水卷材，并将卷材牵引出，作业踏板回位，将卷材从抚平托辊顶部越过并将卷材顶部固定在隧道拱脚部位;②翻转可伸缩顶杆，利用凹形齿轮调整可伸缩顶杆角度，通过卷材柔性抚平托辊扣压防水卷材，利用可伸缩顶杆形成的作业空间，采用人工固定防水卷材。③提升作业台，带动作业台内的防水卷材与卷材柔性抚平托辊同步旋，实现防水卷材的连续铺设，抵达作业平台提升高度极限。④利用工字钢梁、作业台限位槽道实现作业平台横向移动，启动剪式液压升降机，调整高度确保卷材柔性抚平托辊扣压防水卷材，继续铺设顶部防水卷材至另一侧极限。⑤逆向操作步骤③，下落作业台直至完成防水材料铺设作业。

实践证明，采用防水板挂设台车进行隧道拱墙防水卷材铺设，具有提升工效、降低劳动力、减少劳动强度、操作简便，高空作业风险低等特点，对于提升隧道防水材料铺设质量可发挥积极作用。工效及质量比较见表1。

2.2 混凝土二衬与防水板之间脱空

问题：上世纪90年代隧道防水板+排水盲管技术有效解决了隧道渗漏水问题;采用拱墙衬砌台车、泵送混凝土工艺实现了隧道二衬全断面机械化作业，工效大幅提升。但由于泵送灌注阻力大、台车一次浇注段落较长及台车附着式振捣器因素的多重作用下，拱顶二衬混凝土灌注不够爆满及振捣下坠，二衬混凝土与防水板之间出现了不同程度脱空，虽然采用了后期压浆的办法进行补救，但浆液的用水量更大，收缩后仍会出现一定程度的脱空现象。

工程对策：采用二衬拱顶局部真空辅助灌注技术，减小拱顶部位混凝土灌注阻力、提高混凝土灌注饱满度，再加上后期压浆手段，改善隧道拱顶部位的脱空。

二衬拱顶局部真空辅助灌注技术主要依靠自主研发的二衬台车密封端头模板和借助压浆管实现。

该技术的基本原理为：利用拱顶防水板、两侧边墙已浇筑混凝土及对台车端头密封模板在隧道拱顶形成局部的密闭空间，通过对密闭空间抽真空形成负压，减小泵送混凝土阻力，提高隧道拱顶部位混凝土灌注饱满度，减小后期拱顶压浆量，从而改善拱顶脱空。

该技术的工作原理及端模构造见图2。

工艺步骤：在台车前端安装密封端模，端模顶部与顶部防水板之间用密封胶封闭。其余与以往施工方法相同。连续泵送浇筑混凝土至拱顶横向2m范围内，利用已浇筑混凝土及封端密封形成封闭空间，打开排气压浆管阀门，在压浆管控制阀外侧连接真空泵，抽取密闭空间内空气形成一定的负压，试验调整混凝土泵送压力，继续浇筑混凝土至完成拱顶混凝土浇筑后關闭真空泵，混凝土终凝后拔除抽气管控制阀门，抽气管用于后期拱顶注浆。拆除台车端模板，分离台车模板，移动至下一作业断面。

3  结论

隧道二衬背后脱空影响隧道寿命，通过对隧道防水板挂设及拱顶混凝土灌注技术的改进，起到了良好效果，并得出如下结论：①隧道二衬施做之前，应加强对初期支护、防水板铺设质量的验收，确保防水板铺设平整密贴。防水板台车的应用可极大提高防水板铺设质量，极大降低防水板背后脱空的风险;②泵送混凝土入模应注意控制好泵送混凝土坍落度（用水量）、泵送压力及甭管入模角度，同时防止灌注过程中排气孔堵塞，科学判断混凝土浇筑完成，混凝土振捣密实;③采用隧道二衬拱顶采用局部真空辅助混凝土灌注技术，降低了混凝土灌注阻力，克服了拱顶部位混凝土浇筑厚度不足的质量通病，减小了后期压浆的工作量，使隧道拱顶部位结构更符合设计意图，使隧道拱顶受力更趋合理。④实践证明，采用防水板挂设台车进行防水板施工，能有效改善防水板背后脱空;采用拱顶真空辅助混凝土灌注技术能有效改善二衬与防水板之间的脱空;可在同类工程中推广应用。

参考文献：

[1]张鹏.公路隧道二衬拱顶背后脱空检测及处理新技术[D].长安大学，2017.

[2]江星宏，闫明超，曾鹏，杨新安.高铁隧道复合衬砌脱空统计分析与防治[J].华东交通大学学报，2015，32（06）：8-13.

[3]杨小玉.隧道二次衬砌与初期支护间脱空原因分析及处理[J].中国安全生产科学技术，2012，8（02）：140-143.

[4]刘益健，曾革.公路隧道二次衬砌顶部脱空的分析与处理[J].湖南城建高等专科学校学报，2001（04）：24-26.

[5]尹承红.大瑞铁路隧道二衬拱顶防脱空施工技术[J].价值工程，2019，38（19）：177-179.