初探高速公路隧道二衬脱空对其结构安全性的影响

蒋豪

摘 要：复合衬砌是高速公路隧道运营的最后一道安全屏障，如果复合衬砌脱空，随着地质应力的不断变化，很容易导致复合衬砌的开裂，从而导致隧道拱部掉块，给行车安全埋下重大隐患。尽管现阶段一次衬砌脱空问题基本可以得到良好控制，但二次衬砌脱空问题仍未从根本上得到解决，本文就此展开探讨。

关键词：高速公路;隧道;二衬脱空;安全性;措施

中图分类号：U451 文献标识码：A

现阶段，新奥法原则在我国高速公路隧道的设计、建设中广泛应用。新奥法原则认为，初期支护会受到70%左右围岩松散压力的影响，二衬的重要功能是用作安全储备，并满足净空的要求。围岩收敛处理完成后进行二衬，然后形成抗负荷环。原则上，只要二衬混凝土强度达标，隧道的安全性便可得到保障。但是隧道工程施工中，通常会使初期支护承载围岩松散压力的能力大幅度降低，导致二衬需要承受更强的围岩松散压力。若二衬背后出现间隙，那么二衬就无法在围岩和初期支护变形后初期及时起到主动限制变形的作用，而只能在变形问题出现后被动的形成支撑。由此可见，二衬脱空对隧道的运营安全产生重要影响。

1 二衬脱空的力学特点

空洞形状、空洞的宽度和深度等参数共同组成了空洞几何参数，荷载-结构法通过围岩压力与地层弹簧模拟围岩、衬砌结构所产生的相互作用，再模拟出衬砌背后空洞的二维特征，但只能对衬砌空洞宽度对其结构特征产生的影响进行模拟，无法直接接触衬砌背后空洞区域围岩与衬砌结构之间，二者之间既没有围岩压力，也不存在约束作用。

2 二衬脱空对结构安全性产生的影响

高速公路隧道的拱顶是最容易出现二衬空洞的部位，所以，笔者假设隧道顶部的空洞宽度分别是0.0 m、0.5 m、1.0 m、2.0 m和4.0 m时，对其结构安全性的影响。

①当脱空宽度≤1.0 m时，隧道衬砌结构各个界面的安全系数分布的相对均匀;一旦脱空宽度>1.0 m，各个界面的安全系数则会呈离散型分布;当脱空宽度>2.0 m，拱肩到拱顶的大部分界面的安全系数会迅速下降，根本无法保障隧道的安全运营。

②衬砌结构的受力状态会在拱顶脱空的情况下发生改变，脱空的宽度逐渐增大，衬砌结构各个截面的最小安全系数首先也会逐渐增大，增大到一定程度时会呈线性迅速下降。分析原因如下：在脱空宽度较小的情况下，无论是衬砌结构的受力情况还是变形形式都不会发生很大变化，然而，因为隧道衬砌结构受到的外力减小，所以截面最小安全系数会一定程度的增加。随着脱空宽度的不断增大，改变了围岩的约束作用，继而改变了衬砌结构的受力情况与变形形式，拱顶部位出现明显的负弯矩，破坏形式也发生了改变，从原先的受压破坏变为受力破坏，最小安全系数也会迅速降低。

总而言之，隧道衬砌背后脱空会使隧道衬砌结构的受力与变形状态发生改变，从而对其安全性产生严重影响，尤其是空洞宽度在2.0 m以上的情况下，衬砌结构几乎不再具备承载能力，也就无法满足隧道安全运营的要求。

3 隧道二襯脱空原因分析

①光面爆破效果较差：这一问题会导致隧道施工推进的过程中，局部形成坑洞，让初期支护喷射混凝土结构无法达到平整度要求，防水板挂设施工中会形成空腔，二衬浇筑后，背后便会存在空洞。

②衬砌台车底座的支撑不足：衬砌台车行驶在轨道上，需要借助工字钢的支持。在工字钢丢失、变形的情况下，衬砌台车就会下沉。此外，轨道上的模板支撑牛腿或者支腿没有支撑牢固，也会引起台车的下沉，给衬砌顶部的施工质量造成影响，从而引起空腔病害。

③施工材料质量问题：混凝土浇筑时所用的施工材料不符合质量要求，混凝土配比不当，混凝土的收缩性、坍落度无法满足施工需求，造成混凝土结构收缩，最终导致衬砌结构背后出现空腔。

④防水挂板的设计不科学：防水板之所以与初支基面结构的贴合不紧密，很大程度上是因为防水板过紧造成的。混凝土在浇筑过程中很难顺利进入空腔，以至于衬砌结构脱空。反之，若防水板过松，泵送混凝土时便会对防水板产生挤压并形成皱褶，继而导致衬砌出现空隙，埋下了脱空隐患。

⑤混凝土浇筑技术问题：拱部混凝土冲顶时，如果浇筑的压力不足或者浇筑方式不当，则会让拱部出现空洞。混凝土振捣不密实也会在浇筑衬砌结构过程中出现空腔、气孔等问题，或者在混凝土凝固过程中，上部材料往下沉，在拱顶部位衬砌背后形成空洞。

⑥混凝土质量问题：衬砌采用的是泵送混凝土，水灰比较大，初期容易强度不足，粘聚性与保水性能较差，浇筑振捣混凝土时很难保持均匀，后期容易收缩变形。

⑦围岩压力问题：高速公路隧道施工区域的地质条件较为复杂，围岩性质多变，局部剖面的地下水较为丰富，从而影响部分地段的锚喷施工质量。如果二次衬砌后，混凝土路面立墙底部的浇筑时机不对，则很可能造成立强移位，引起拱顶沉降。

4 隧道二衬防脱空的处理技术

4.1 注浆方法

相对于开窗二次浇筑法，回填注浆法的优势在于施工简单、工期短，基本不会对原二次衬砌的受力结构造成影响，安全性较高。在二次衬砌脱空的部位用锤子敲击检查，明确薄弱处，然后选择三个点位，让点位呈三角形设置，钻穿二次衬砌，再用盒尺对二次衬砌砼品质厚度进行测量。参考相关要求，其厚度应>20 cm，并且要满足间歇式无收缩浆材（水灰比<0.38）的回填灌注工艺要求。从实践情况来看，一些部位在注浆后仍可能出现衬砌脱空，而再次注浆又十分困难，所以应采用钻孔压入环氧树脂材料来处理脱空，但这种材料的成本较高，只适合处理较小的脱空部位。

4.2 带模注浆施工技术的应用

4.2.1 二衬台车预留注浆孔法兰的制作与安装

测量台车长度，根据测量结果，在距离台车一端拱顶0.75 m的位置设置注浆孔;然后在与台车另一端相距2.25 m处设置浇注孔。两个孔中间再设置一个注浆孔，共同组成外径为Ф114、内径为Ф45 mm的法兰盘。固定后，台车焊满，为了给法兰盘留出活动范围，需要控制螺杆长度，通常为50 mm。

4.2.2 安装注浆管

将对丝的一侧紧紧的缠绕在电气胶带上，电气胶带的厚度要求≥5 mm、宽度≤30 mm。法兰内径Ф45比钢管Ф42外径超出3 mm，固定法兰和活动法兰之间相距50 mm。把1#、2#、3#注浆管从坡底到坡顶一一对应安装。把刻有十字丝的一侧用力的顶至防水板，另一侧用固定法兰、活动法兰进行固定，两种法兰的螺栓都要拧紧到注浆管对丝外漏≤80 mm的程度，法兰厚度为20 mm。

4.2.3 浇筑混凝土

从纵坡坡底的浇注孔进行冲顶施工，坡底到坡顶1#、2#、3#注浆孔会依次流出浆液，然后从端头模板查看混凝土的浇筑情况。

4.2.4 注浆机和预埋注浆管的连接

混凝土初凝后，在二衬混凝土的强度达到5 MPa，开始脱模之前进行带模注浆。将Ф32止浆阀和对丝安装在1#预留注浆管端头，把端头带有Ф32活接的Ф38注浆钢丝软管以及预埋注浆管止浆阀端头的Ф32对丝紧密连接。

4.2.5 浆液的制备

①制备过程：水料比控制在0.18，现场进行计量称重，称量好之后，一次性的注入到搅拌器内，选择低速档搅拌，然后再在搅拌器中加入粉料，开启振动电机，搅拌30 s，关闭低速档，用刮刀把粘附在搅拌器壁上的干料刮到桶内，盖好盖子，开启高速搅拌档，搅拌3 min，然后把浆液倒入注浆机。

②注浆过程：经坡底1#注浆，在2#观察，当观察到2#流出浆液时，将1#的止浆阀关闭。经坡底2#注浆，3#观察，当3#有浆液流出时，把2#的止浆阀关闭。从3#注浆，直至端头流出浆液，浆液流出3 s～5 s便可。若注浆压力达到了1 MPa，同时下个注浆管没有出浆，在此情况下，把降液管转移到下一个注浆孔进行注浆，直到端模和其他的出浆口都有正常浆体流出。

4.2.6 全部注浆孔注浆和端模的出浆

依次在1#、2#、3#注浆孔内注浆，观察下一个注浆孔与端模的出浆情况。

4.2.7 注浆结束

把止浆阀关闭，然后卸掉注浆软管，将管道、设备清洗干净，妥善存放。

4.3 带模注浆施工技术的注意事项

①将减水剂加入到泵送混凝土中，能够降低水灰比，更利于混凝土的流动，以减小收缩空洞。

②检查初支平整度是否符合标准，检验合格后再铺设防水板，把握好磁焊枪垫片的间隔距离。捆绑钢筋之前验收防水板，保持合适的松弛度。

③垂直的将预留注浆管设置在二衬模板上，脱模前注浆，有浓浆从端头模板流出时，表示注浆结束。

④要求注浆料的膨胀性能、体积的稳定性良好，保证与混凝土充分结合，避免出现空隙，减少沉降的分层。

⑤注浆时，若注浆压力>1.0 MPa，但是没有流出浓浆，则需要立刻更换注浆孔重新注浆，直到满足要求为止。

⑥每个模的衬砌都需要将注浆回填入防水层内侧的空隙中，并且控制好注浆压力。

⑦通过无损检测的方式验证注浆效果，如果发现没有满足要求的地段，应该采取补孔注浆措施。

4.4 带模注浆施工技术的应用价值

隧道施工工序环环相扣，二衬背后若出现空洞，在处理空洞的过程势必会影响施工工序，并给行车安全埋下隐患，如果钻眼过程操作不当还会对防水板造成破坏，有漏水风险。带模注浆施工技术的应用，彻底解决了二衬背后的空洞问题，为隧道内的后续施工创造了良好环境，显著提高了施工安全，延长了隧道二衬的使用期限，保障了行车安全。

5 结束语

总而言之，高速公路的隧道施工，必须严格验收衬砌结构的承载能力，采取有效措施解决二衬背后容易脱空的弊端。本文总结了隧道二衬脱空的具体原因，并详细阐述了带模注浆施工技术的应用，希望能为隧道二衬防脱空施工提供理论与实践参考，为隧道工程的安全运营提供技术支持，以促进我国高速公路建设的长远发展。

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