隧道衬砌脱空及欠厚施工处理工艺

宋振胜

（中铁十六局集团第三工程有限公司， 浙江 湖州 313000）

1 工程概况

本文结合某隧道工程进行分析，该条隧道左右线长度分别为 1509m和1511m，采用的是新奥法设计方法，初支应用锚喷混凝土制作而成，然后针对内层模筑防水混凝土，目的是在两层衬砌结构间增加一条防水线并且形成双层衬砌，对断层破碎带和比较薄弱的围岩段进行有效防护，采用预支方法，并且保证其稳固性，确保预支工作顺利进行。87号和88号板均采用S3衬砌，其支护数值为：锚杆长2.5m；混凝土喷层厚度为10cm，初支的锚杆间距1.0m～1.2m；二衬混凝土浇筑厚度为35cm。

这条公路隧道已经正常运行11年，但是经过检查得知，87号和88号板已出现严重的裂缝和漏水情况，对行车造成了较大负面影响，极有可能引发安全事故，对此必须采取针对性的处治措施。

2 隧道病害及检测结果

2.1 病害情况

针对隧道破裂的情况进行阐述，这条隧道 87号板的拱顶有一处存在内装破损情况，采取的措施是首先对这个位置进行凿挖处理，凿开之后发现有一个空洞，并且空洞的周围衬砌出现渗漏情况；另一处是板和空洞连接的部位存在纵向开裂和渗漏现象，裂缝的长、宽在10m和0.7mm左右，总的渗漏面积约为0.8m2；经过检查之后发现88号板也出现这种纵列情况以及伴有渗漏，长度和宽度在9mm和0.8mm左右，总面积大致为4m2，以上两块板都属于纵向开裂的情况。

针对内装破损的部位，主要测量其二衬结构厚度和防火土层厚度，经过测量得知总厚度在12cm，然后进行内部检查和无损检测，检查发现内部有很大空洞，初衬的表面是顶面。无损检查发现二次衬砌结构厚度比较小，那么表明与拱顶的距离较近，各个测线都存在一定程度的脱空病害，和二衬厚度相同，说明脱空的范围越大，距离拱顶的距离越近，经过抗压强度测试，结果表明两块板的抗压强度符合标准。

2.2 病害的检测结果

在经过认真检测以后发现，靠近拱顶位置处有二衬厚度值存在，总像个测线的二衬厚度值比较小，保持在0.2m左右，测线中有脱空病害存在，与拱顶比较接近的位置存在着较大范围的脱空现象，衬砌混凝土的抗压强度值保持在35MPa左右。在检测衬砌板块质量的过程中要确保其满足设计标准，在检测病害的时候，要保证其始终保持在设计的标准值范围以内，一旦存在不达标的地方积极采取有效措施解决。用反射系数序列与雷达脉冲褶积表示雷达测线的具体情况，详见下图1。

图1 用反射系数序列与雷达脉冲褶积表示雷达测线图示

3 隧道衬砌脱空的原因分析

3.1 开挖及初期支护对二次衬砌脱空的影响

（1）隧道初期支护与二次衬砌背后防水板之间出现脱空现象的主要原因为初期支护不平顺和光面爆破效果不理想所造成的。对于Ⅱ级和Ⅲ级围岩段来说，由于初期支部不设置钢架，使得喷涂的混凝土表面比较粗糙，导致初期支护与防水板之间存在一些空隙。对于Ⅳ级和Ⅴ级围岩段来说，受光爆效果比较差的影响，钢架架立不平直，喷涂的混凝土表面不够光滑，也会导致初期支护与防水板很难实现紧密连接[1]。

（2）光面爆破的效果比较理想，但是在初期支护的过程中没有采取挂网补喷措施处理局部掉块位置，这就会给初期支护施工质量造成严重的影响。

3.2 防水板施工质量对二次衬砌脱空的影响

（1）纵向排水盲管包裹位置处的防水板未能与喷涂混凝土表面实现紧密的连接，使得喷涂混凝土表面与防水板之间出现了空隙。

（2）防水板铺设质量不过关，有的部位过于紧绷，有的部位松弛，使得空腔现象随处可见。

（3）防水板铺设过于紧绷，发生褶皱情况，使得初期支护与二次衬砌背后防水板之间出现空隙。

（4）初期支护与防水板间出现了自由度，混凝土浇筑时会使得防水板局部位置出现紧绷的情况。

（5）防水板固定点数量较少，在浇筑混凝土时易出现防水板掉落的情况，加之下部防水板堆积、上部防水板紧绷出现了空洞。

3.3 模板安设质量对二次衬砌脱空的影响

（1）模板台车底部支撑稳定性差，受混凝土强度不足的影响，使得台车下沉，从而使二次衬砌背后出现严重的脱空现象。

（2）挡头板密封性差，使得漏浆问题时有发生，这就会给二衬衬砌施工造成严重的负面影响。

3.4 混凝土浇筑质量对二次衬砌脱空的影响

（1）施工单位在混凝土施工的过程中没有合理设置布料窗口，仅仅预留了少数窗口完成灌注施工。由于混凝土的流动距离比较长，使得远处位置出现供应量不足的情况，导致严重的空洞现象发生。

（2）附着式振捣器数量较少，混凝土振捣施工无法满足设计要求。尤其是拱部附着式振捣器作用半径无法满足混凝土的设计要求，混凝土在自身重力的影响下出现了拱部脱空的情况。

（3）在混凝土浇筑施工以前，没有依据断面情况预算混凝土施工量，在混凝土施工的过程中出现混凝土供应量与实际施工需求相差较大的情况，一旦拱部灌注不足就会出现空洞。

4 隧道衬砌脱空及欠厚处治施工技术方案

4.1 处治需遵循的原则

在隧道衬砌病害处理的过程中，需要严格按照以下要求进行处理：（1）按照标准和要求进行处治并且必须遵循经济安全的原则；（2）提前做好检查工作，排查现有的情况以及保护排水系统，然后再施工，施工时应尽量减少麻烦，保证顺利进行，保护其他设施不被破坏；（3）针对病害不能敷衍了事，而是一定要针对不同情况的病害制定相应的解决措施，针对严重的病害一定要重点处治，一次性处置完毕，长期监测，不留任何遗留问题，以免后期再次出现[2]。

4.2 衬砌脱空处治

（1）针对二衬背后空洞进行注浆填充.主要采用的方法是背后注浆法，这个方法具有简单操作、增加衬砌和初支的密度以及提高结构承载能力的优点。

（2）在二衬背后的空洞进行混凝土压注，用强度和二衬结构相同的自密实混凝土进行压住并且填充空洞，这个方法的主要优势是使衬砌和初支的密度达到一定程度并且提高结构的承载能力，这就要求注压材料需要有良好的强度，并且严格要求施工中所用的任何材料符合标准，如果一旦使用劣质的材料必然会造成空洞现象或者更加严重的情况[3]。

（3）换拱浇筑，这个方法主要是在二次浇筑时将隧道中出现的空洞全部填满。由于二衬背后空洞的情况非常严重，要求注压材料必须达标。

建议根据第二套方法进行处治，在二衬背后进行自密实混凝土注压。

4.3 衬砌欠厚处治

经过实际测量，测得二衬结构厚度最小处只有 5.6cm，并且发现在拱顶部位还存在空洞。针对病害情况提出以下方案：

（1）钢带加固：主要用到的材料是钢板，用钢板粘贴的方法稳定二衬，这个方法的优点是施工简单，并且通过钢板加固可以加强整体结构。

（2）套拱：在整个段面增加一层衬砌结构，这个方法的主要优点是提高隧道结构的整体承载能力。但是该方法也存在弊端，即施工非常困难，并且由于隧道内部轮廓和界限的距离很近，只有5cm，如果使用此种办法会造成一定程度的侵限。

（3）局部换拱：清理和拆除有病害的区域，然后进行二次施工，这个方法的主要优点是保证衬砌的承载能力达到设计要求，但是施工过程非常困难复杂。

（4）整体换拱：这个方法是将整段病害的板全部拆除并且重新施工，费时费力且复杂，施工风险很大，但是可以使结构承载能力达到设计要求，并且隧道拱顶处欠厚情况最严重，其他部位可以达到设计要求，例如侧墙和拱腰部位不需要重新替换。

通过以上几种方法的比较和阐述说明，局部换拱方法比较切合实际，对衬砌欠厚病害处治也更有效果。

4.4 局部换拱实施

隧道衬砌结构局部换拱范围如图2所示。

图2 隧道衬砌结构局部换拱范围

运用局部换拱时，实施之前一定要架设临时支撑。需要换拱的区域长度和一般衬砌相同，为了让需要换拱的区域和毗邻处的段落结构保持稳定，在换拱的段落和其两侧架设临时支撑[4]，临时支撑主要采用的是工字钢，通过纵向连接的方式连接，一般按照纵向间距在1m之内进行操作，将临时支撑架设好之后和衬砌结构件紧密相连，保证支撑的牢固性和稳定性。

完成临时支撑之后要检查和拆除二衬，针对要更换的部位进行操作，拆除的过程中尽量使用人工。施工中做好量测工作，随时随地测量拱顶实际下沉和边墙实际收敛，同时根据量测的数据改变或者重新规划施工，以实现动态施工。

在二衬浇筑之前还需要进行防水层的检查和修补工作，根据实际情况确定是否需要重新作防水层，如果需要则提前做好防水层之间的连接，用植筋将原有的衬砌结构连接好，以提高施工整体的效果，保证整体性能。针对二衬混凝土进行注压工作时，要把拱顶中的空洞先填充完毕。

4.5 处治效果

经过对隧道的处治，半年之后发现隧道的拱顶沉降和周边收敛处都在允许范围之内，半年内进行检查和试验，既没有产生裂缝也没有出现渗漏的情况，隧道的运营效果良好，以上说明处治措施是可行并且是有效果的。

5 结束语

根据隧道的实际情况，经过多个方法的对比，针对隧道衬砌存在的脱空危害，可采用注压自密实混凝土和局部换拱处治方法。经过验证，局部换拱法和传统的补强法具有以下优点：首先，针对隧道三级和四级围岩，采用局部换拱法可以使衬砌受力变小，该种方法主要以受压形式为主，并且换拱和现有衬砌之间的连接可以达到承载的要求；其次，这个方法可以保证隧道内部轮廓的尺寸并且防止侵限；再次，可以根据现场实际病害的具体情况采取有针对性的局部换拱措施。这个方法和整体换拱方法比，具有缩短工期、节省经济支出、降低安全风险等优势，有利于保证施工的整体进展及人身安全。