铁路隧道二次衬砌质量问题原因分析及防控技术研究

邸立建

(中铁二十二局集团市政工程有限公司 广东广州 510000)

1 引言

铁路隧道二次衬砌是隧道工程在初期支护内侧施作的模筑混凝土或钢筋混凝土衬砌，与初期支护共同组成复合式衬砌[1]。二衬的施工质量对后期的铁路运营有很大影响，为此，铁路总公司将初支、衬砌的厚度和混凝土强度不足等问题纳入质量安全红线管理。本文根据实体检测中发现的质量问题，分析原因并总结出科学有效的防控措施，减少并杜绝出现实体质量问题，具有十分重要的工程学术意义和经济价值。

2 工程概况

玉磨铁路作为中老昆(明)万(象)铁路国内段，起于云南省玉溪市，途径普洱市、景洪市，止于磨憨口岸。本标段全长38.878 km，其中隧道9座，全长27.82 km，占比71.6%。由于隧道占比大，二衬的施工质量控制显得尤为重要。

玉磨铁路地处滇西南，隧道围岩构成复杂，级别涵盖了Ⅱ至Ⅴ级，以Ⅳ、Ⅴ级为主。受地质构造和地震影响，围岩破碎、风化差异性大、基岩裂隙水发育，自稳能力差，拱部及边墙塌方掉块、掌子面不稳、涌水突泥极易发生。

3 隧道实体检测存在的主要问题

按照实体质量检测有关文件要求，根据施工进度，对部分隧道进行了实体质量检测。检测结果显示，各隧道均不同程度存在二衬混凝土局部厚度不足、二衬局部(背后)脱空、局部混凝土不密实等问题。

4 缺陷原因分析

4.1 二衬厚度不足原因

(1)在开挖过程中局部欠挖或初支钢架定位安装不准确，造成初支局部侵限。在进行初支断面扫描时，扫描断面纵向间距过大或环向点位间距过大而没有扫到局部侵限部位，造成二衬局部厚度不足。

(2)开挖及初支预留变形量较小，监控量测不到位，初支变形过大造成局部侵限。二衬施工前未再次扫描断面或断面扫描不到位，未检测到侵限部位，造成二衬局部厚度不足。

(3)混凝土输送泵选型不当或故障、老旧而动力不足[2]，混凝土难以灌满拱部，二衬拱部因局部脱空而造成脱空部位厚度不足。

4.2 二衬(背后)脱空原因

(1)在混凝土浇筑完成时，受拱顶初支局部凸凹不平顺、存在纵坡、难以观察等施工条件限制，致使局部混凝土难以灌满拱部而存在空腔，造成拱部混凝土和防水板之间脱空。

(2)Ⅱ、Ⅲ级围岩无钢架支护段开挖时，光爆效果差或受围岩破碎、风化发育不均等地质原因影响，局部溜坍掉块，造成岩面凸凹不平或有较大凹坑。喷射混凝土支护时，未将凹坑喷满或喷平顺，在凹凸不平的初支表面上铺设防水板，施工难度较大，防水板难以紧贴初支表面。浇筑二衬混凝土时，凹坑处防水板紧绷，阻挡混凝土填满凹坑，造成防水板后脱空。

(3)在Ⅳ、Ⅴ级围岩有钢架地段，初支喷射混凝土控制不到位，造成拱架间混凝土不平顺，呈明显的“肋骨”状。铺设防水板时，防水板预留松弛度不足，拱架间防水板未紧贴初支面，造成防水板背后脱空。

(4)防水板铺设时松弛度不合适[3]，控制不到位。预留松弛度较小时，防水板难以紧贴凹坑处初支面，即使受到浇筑混凝土的压力也无法紧贴初支面，造成防水板后脱空；预留松弛度较大时，容易出现空鼓，受到浇筑混凝土的压力而产生褶皱，在褶皱部位造成防水板后脱空。

(5)混凝土浇筑完成后，拱顶混凝土自然收缩产生空隙或空洞[4]。

4.3 二衬混凝土不密实原因

(1)混凝土浇筑速度控制不到位和混凝土运输车间隔时间过长，致使浇筑不连续，造成接触面处新旧混凝土结合不好而产生不密实现象。

(2)混凝土和易性差且拱部未按要求进行多孔送料，局部砂浆流向较低部位，只剩下粗骨料，造成混凝土不密实。

(3)混凝土振捣不到位。特别是拱腰以上主要采用附着式振捣器，振捣效果不易观察，振捣质量难以控制。

(4)在有钢筋的二衬混凝土浇筑时，进料窗口不足或较高，导致下料时混凝土受钢筋的影响造成骨料分离，粗骨料堆积部位易造成混凝土不密实。

(5)二衬台车自由端模板接缝不严，混凝土浇筑过程中易出现跑浆、漏浆现象，造成二衬施工缝处脱空、不密实现象比较突出[5]。衬砌施工缝处背贴、中埋式止水带受埋设位置空间限制，很难纵向及环向安装到位且固定牢固，一旦在浇筑混凝土过程中发生扭曲、脱落、褶皱等现象，施工缝处必将出现不密实、脱空、开裂、掉块等现象[6]。

5 防控技术探讨研究

5.1 二衬厚度不足防控技术

(1)严格控制超欠挖

编制适合隧道各段围岩的爆破施工方案。由于西南地区地质条件复杂多变，围岩性质不均，爆破方案应具有较强的针对性。

在开挖过程中，不断优化爆破方案。根据超前地质预报及掌子面揭示地质情况确定每循环开挖进尺长度和炮孔位置、间距、深度、外插角及装药数量，并根据爆破效果不断积累经验，确保光爆效果达到预期要求，严格控制超欠挖。

(2)加强超前支护施作效果

按照设计要求施作超前支护，特别是对局部围岩破碎、裂隙发育部位加强超前支护，防止溜坍、掉块造成开挖轮廓凹凸不平。

(3)加强监控量测，预留适宜变形量

根据围岩类别及开挖方法编制围岩监控量测实施办法并严格执行，分析总结同类围岩的变形规律，确定合适的预留变形量。防止预留变形量过大造成二衬厚度过大、预留变形量过小造成初支侵限换拱或二衬厚度不足问题。

(4)严控隧道初支断面检测

将初支断面检测纳入工序管理。在铺设拱墙无纺布及防水板前必须再次进行初支断面检测，测量明显凸出断面和局部较为凸出部位，防止由于局部侵限点检测不到位而导致该部位二衬厚度不足。

5.2 二衬脱空防控技术

(1)严格控制超欠挖

采用光面爆破技术，严格控制超欠挖，保持开挖轮廓线平顺。

(2)严格控制初支喷射混凝土质量

初喷混凝土应在开挖后及时进行，厚度不少于4 cm。喷射时应先填平岩面较大凹洼处，初喷混凝土面应大致圆顺[7]。Ⅱ、Ⅲ级围岩，实际受围岩地质不均、变化差异大等影响，光爆效果难以达到要求，岩面凹凸不平时，要通过喷射混凝土来调整以达到初支表面平整度要求；Ⅳ、Ⅴ级围岩初支混凝土厚度较大时，需分层喷射。喷射混凝土表面应平整、密实。

当因地质、施工等原因造成喷射混凝土表面平整度达不到要求的，及时在下一循环喷射混凝土施工时补喷平顺。采用湿喷机械手，配以高水平的操作手，可以有效提高混凝土喷射速度和质量；对拱部等不平顺部位进行补喷时，比普通湿喷机更为方便快捷。

通过逐榀钢架间打孔验证，检查初支厚度是否满足设计要求、初支背后是否存在脱空或不密实现象。发现初支脱空或不密实现象，进行注浆处理。

(3)严格控制无纺布、防水板施工质量

二衬防水施工前，对初支表面进行检查，将喷射混凝土未能覆盖的超前小导管、锚杆和钢筋头等齐根切除，采用水泥砂浆磨平。

将无纺布采用射钉和热熔垫圈固定在初支基面上，固定点间距满足设计要求，必要时进行加密。无纺布要与初支表面密贴铺设，无褶皱、隆起和紧绷现象。

防水板下料长度应适当加长，实际铺设长度与初期支护面实测长度之比宜为10∶8，铺设完成后防水板与初支表面应密贴无空洞[8]。采用电磁焊接机将防水板与热熔垫圈焊接牢固，防止浇筑混凝土时防水板脱落，造成拱部脱空。

(4)采用中高压混凝土输送泵

中高压混凝土输送泵可明显减少拱顶脱空现象，特别对于单线铁路隧道，拱顶曲线半径较小，中高压混凝土输送泵更有助于将拱顶混凝土泵满。

(5)严格控制混凝土性能

严格控制混凝土的和易性和坍落度，特别是冲顶补方阶段，混凝土现场坍落度宜为设计配比的上限，防止因为和易性及流动性差造成拱顶局部脱空。搅拌好的混凝土应在1/2初凝时间内入泵，并在初凝前浇筑完毕[9]。

(6)带模注浆工艺控制

优化台车设计，在衬砌台车顶部预留带模注浆孔来保证带模注浆顺利进行[10]，并将带模注浆纳入工序管理，严格按照施工技术交底组织施工。带模注浆分为纵向注浆和径向注浆。纵向注浆管布置剖面见图1，径向注浆管埋设剖面见图2。

图1 拱部纵向注浆管埋设剖面

图2 拱部径向注浆管埋设剖面

带模注浆应采用高结石率的水泥浆或微膨胀水泥浆，注浆压力应达到0.2 MPa。径向注浆过程中，如果注浆压力超过1.0 MPa未出浓浆，即更换注浆孔，直至注浆满足要求[11]。通过地质雷达及时检测注浆效果，对不满足要求的部位再次进行打孔注浆。

(7)采用铁路隧道衬砌拱部防脱空装置

拱部防脱空装置采用液位连通式或压触连通式。防脱空装置由接触端子、控制箱、指示灯和导线组成，工作电压采用不高于24 V的安全电压。

5.3 二衬混凝土不密实防控技术

(1)严格控制混凝土的质量。由于西双版纳地处亚热带，温度较高，要采取降温等措施保证到场混凝土的性能良好。

(2)加强现场施工管理，保证混凝土浇筑连续稳定。每一板二衬浇筑前计算出混凝土的方量、车数，结合浇筑速度，计算出每一车混凝土到达的间隔时间，确保连续浇筑，防止因混凝土供应不及时或等待时间过长而影响其性能，减少施工缝或施工缝结合处的质量缺陷[12]。

(3)加强施工工艺控制，采用“三逐两孔两振”工艺。三逐:逐层和逐窗浇筑，逐板注浆。两孔:拱顶均匀分布的两个孔浇筑。两振:边墙以插入式振捣器为主，附着式振捣器为辅；拱部以附着式振捣器为主，插入式振捣器为辅。

(4)采用木模配合钢端模加固二衬端头模板，尽量做到模板拼缝严密，固定牢固，不漏浆。在施工过程中，专人监控端模，发现漏浆及时封堵，避免二衬接头处混凝土不密实。

(5)采用中埋式止水带定位卡，提高中埋式止水带的安装质量，有效减少由于止水带安装不到位造成的二衬接头处混凝土不密实等现象。定位卡埋设后中埋式止水带使用效果见图3。

图3 二衬中埋式止水带定位卡使用效果

6 结束语

通过对二衬实体质量问题进行原因分析和防控技术及工艺研究，强化过程控制，本标段二衬混凝土实体质量显著改观。后续施工经第三方实体检测，混凝土厚度不足问题基本消除，二衬背后脱空和混凝土不密实问题比例大幅降低。因此，在隧道二衬施工过程中，有针对性地采取上述综合防控技术及措施，对提高二衬实体质量有着积极有效的作用。