隧道二衬脱空处治工法研究

刘天平

（龙岩市高速公路建设指挥部，龙岩 364000）

1 工程概况

隧道起迄桩号右洞YK22+045～YK24+660，长2615.0 m；左洞ZK22+039～ZK24+692，长2653.0 m；左右洞平均长2634.0 m， 采用分离式双洞布置，属长隧道； 隧道右洞进出口分别处于半径为1113 m和2600 m 的平曲线上，洞身处于直线上，隧道左洞进出口分别处于半径为1000 m 和3800 m 的平曲线上；右洞纵坡为+0.50%、-1.60%，左洞纵坡为+0.50%、-1.60%。

2 隧道二衬抽检情况

经第三方检测公司对隧道二次衬砌质量无损检测与检查， 发现部分段落二衬拱顶存在脱空、厚度不足等质量问题。 针对这些问题，现场采用钻孔的方式进一步核查验证，结果表明，无损检测结果基本准确，发现的问题是客观存在的，具体核查结果如表1 所示：

表1 拱顶处二衬厚度核查结果

3 二衬脱空原因分析

核查结果表明，实测二衬厚度与检测结果基本吻合，部分段落二衬厚度严重不足，存在拱顶脱空现象，二衬距初支面厚度均满足设计要求，排除了开挖轮廓不足的影响，明确了二衬厚度不足是由脱空造成的，现场技术人员查阅相关资料并结合现场实际情况，从施工工艺控制角度分析，认为可能存在以下几方面原因[1]：

（1）Ⅲ级围岩光面爆破效果不佳，岩面平整度差且未采用喷射混凝土补平， 局部存在较深的凹坑，防水板挂设后形成空腔，因防水板松弛度所限，在混凝土浇筑后形成空洞。

（2）防水板（含土工布）挂设时未预留足够的松弛度或固定不牢产生下滑，导致混凝土浇筑至拱顶时防水板呈紧绷状态，不能与初支表面密贴，造成二衬脱空。

（3）拱部混凝土浇筑时，未使用全部预留灌筑孔，仅使用一个灌筑孔全段灌筑，由于泵送压力不足，致使拱顶位置浇筑不到位，造成脱空。

（4）台车就位前，拱顶未设排气孔，仅设置注浆孔，浇筑混凝土时一直使用中间或堵头板附近灌注孔浇筑，在新旧混凝土交接处形成密闭空腔，气压加大，致使混凝土泵送压力相对不足，进而造成二衬脱空。

（5）二衬位于下坡段时，堵头板处拱顶标高低于尾部拱顶处标高， 当堵头板处混凝土浇满时，尾部却未浇满，此时根据拱顶堵头板处浇筑状态误判为全部拱顶混凝土已浇满而停止浇筑，造成尾部拱顶脱空。

（6）混凝土浇筑过程中振捣不密实，内部存在气孔、空洞，上部混凝土浇筑完成后在自重作用下下沉，在拱顶形成脱空。

（7）端头模板拼接不密实，混凝土浇筑完成后等强过程中漏浆、跑浆，使拱部混凝土下落，形成空洞。

（8）混凝土浇筑完成后，现场施工人员拆除混凝土输送管时， 混凝土尚未初凝随管掉落形成漏斗，造成衬砌脱空。

4 二衬脱空治理措施

为解决二衬拱顶脱空及厚度不足的问题，通过讨论研究，认为在隧道二衬整治过程中，做好二衬混凝土浇筑密实度监测是关键[2]。 为此，现场开展了液位继电器法和三通管法的研究和试验。

4.1 液位继电器声光报警法

该方法的原理是在拱顶设置遇水导电材料，混凝土上升到接触点位置后，通电声光报警提示浇筑完成。 在12 m 衬砌模板台车拱顶处，沿隧道纵向按4 m 间距均匀设置4 组液位继电器防空洞装置，线路出口中间借助带模注浆平排气口设置，两端从端头接出，并与固定线路连接。 当衬砌混凝土浇筑至拱顶最高点时，混凝土为带水导电材料，线路连通，液位继电器工作，报警灯亮起，提醒工作人员混凝土已浇筑至拱顶，当4 组报警灯分别亮起后，作业人员根据堵头浇筑情况综合判定混凝土浇筑结束时机。

4.2 三通管法

该法原理是在拱顶设置三通T 管，混凝土上升到横管位置后，浆液自管内均匀稳定溢出后可判断浇筑完成，同时根据三通管下沉情况可以判断拱顶防水板是否下沉，三通管有通气、观测、注浆三用。

在12 m 衬砌模板台车拱顶处， 沿隧道纵向均匀设置4 组三通T 管， 自衬砌台车预留孔伸出，T管内预埋钢筋，起到固定和加强T 管刚度作用。 当浇筑至拱顶时，拔除T 管内的钢筋，浆液自T 管内稳定溢浆后，作业人员根据堵头浇筑情况综合判定混凝土已浇筑至拱顶。 同时，若拱顶防水板若下沉，T 管也跟随下沉， 通过下沉的长度可以判断出浇筑过程拱顶出现了空洞，可及时处置。

经现场施工操作液位继电器判断直观、 准确、灵敏度高，但受防水板挂设质量影响，过程中若防水板下沉可能存在误报。 三通管布置简洁，根据三通管下沉可以监测防水板是否下沉， 从而及时处置，但判断拱顶混凝土是否浇筑密实，需要人工判断溢浆情况，存在人工判断准确性。

经比选、总结了2 种方案的优缺点，并进行融合，形成了“液位继电器+三通管”监测法，将液位继电器导线路放置三通管内，当混凝土浆液流入三通管且液位继电器报警灯亮起时能有效控制拱顶混凝土浇筑质量， 同时可以判断防水板是否下沉，兼预留注浆、通气作用。

4.3 液位继电器+三通管法布设要点（图1）

（1）采用直径3 cm PVC 加工成T 型三通，直管长度为二衬厚度加10 cm 长并标上刻度。

（2） 将液位继电器触片及导线放置在三通管内，固定在三通管顶部，形成组合双重监控装置。

图1 “液位继电器+三通管”防脱空装置

（3）在二衬浇注前，完成布设防水板后，在拱部顶端纵向全模范围每隔3 m 间距放置组合装置，底部二衬模板预留略大于3 cm 直径空洞， 将三通管从预留洞中穿出，外露10 cm，用止浆垫和胶带固定在模板上，并将导线接入固定于二衬台车上带报警装置的控制箱。

4.4 液位继电器+三通管法功能和作用

（1）继电器监控：二衬混凝土施工时，当混凝土浆液流入三通管拱顶时， 触发液位继电器触片，接通电流，发出信号，控制箱报警灯亮起，表示二衬在该部位拱顶混凝土已灌满， 当全部报警灯都亮时，就可以判断浇筑的的混凝土已到拱顶位置。

（2）T 型三通监控：当拱顶混凝土满顶，水泥浆流入T 型三通直管， 这时直管将有水泥浆溢出，以此可以判断混凝土已灌满。 通过观察PVC 管刻度判定防水板在浇筑过程中是否脱落下沉。

（3）防止二衬浇筑形成气囊：在二衬泵送过程中个别部位混凝土先行到达顶部，纵向内侧容易形成气囊，以往经验在二衬模板埋设通气管，本次使用的三通管可替代通气管使用。

（4）注浆功能：如判定二衬防水板下沉或拱顶形成局部空洞，三通管也可以作为注浆管使用。

5 二衬脱空治理

对于实测二衬厚度与设计二衬厚度比不足50%的点所对应的二衬整体浇筑板块全部拆除，衬砌拆换采用“先加固，后拆换”的总体原则，拆除顺序“由内向外、先拱后墙，分单元拆除”。

5.1 拆换工艺流程

拆换前准备→相邻段二衬加固→监控量测→二衬环向分部开槽→二衬拆除至三个环形槽后→逐条拆除槽中间部分二衬→岩面处理→复核断面尺寸→修复防排水系统→安装钢筋（如果有）、台车就位、浇筑二衬混凝土→拆模、养护。

5.2 拆换前加固

在拆除段衬砌临近的两板衬砌端头位置设置3榀型钢锁口，锁口采用I18 型钢，间距0.5 m，钢架间拱脚、墙角位置采用2 根∠75×75×8 角钢刚性连接，其他部位设置Ф22 纵向连接钢筋，环向间距1 m。钢架与衬砌不密贴的位置采用木楔子楔紧，钢架底脚必须垫实，确保后期拆换段相邻二次衬砌稳定性及完整性。

5.3 监控量测

拆换段前后各1 环二衬布设监控量测点，每环二衬布设2 个断面， 测点布设在施工缝前后50 cm处，拱顶、拱腰及边墙各布设1 组；二衬拆除后初期支护或岩面监控量测断面间距按3 m 布设，布设要求同两台阶法量测点布设；二衬段、初支段洞内监测点每4 h 监测1 次，如遇异常情况，实时监测。

5.4 二衬拆除

为了尽快拆除不合格的二衬混凝土，同时减少对围岩和初期支护的扰动，确保施工安全，拆除方法如下[3]：

采用混凝土切割机进行切割，首次切割深度不宜小于10 cm，以确保可以切断内侧钢筋为宜，仰拱以上钢筋切割时， 必须预留足够的钢筋搭接长度，以满足接头避开“同一截面”的要求。 混凝土切割机、破碎锤及风镐进行二衬混凝土拆除时须自上而下，分块分段进行，每一段分拱部、中、下台阶三级，五个单元拆除，环向位置由Ⅰ→Ⅱ（Ⅲ）→Ⅳ（Ⅴ）→Ⅲ（Ⅱ）→Ⅴ（Ⅳ）自上而下拆除，Ⅳ、Ⅴ步拆除时预留50 cm 人工拆除，纵向按每2 m 一段进行，示意图如图2～3 所示：

图2 二衬拆除平面示意图

图3 二衬拆除横断面示意图

每拆除一段， 需检查初支背后空洞及断面尺寸，不符合要求时应进行处理，处理合格后方可拆除下一段，在拆除二衬混凝土过程中，要注意保护环向中埋、背贴式止水带、接茬筋及端头防水板完好， 在拆除至距两端和小边墙各50 cm 位置时，禁止使用破碎锤机械破碎，应由人工使用风镐，由外向内一层一层剥离，确保接茬部位止水带及防水板完整。

5.5 防排水施工

5.5.1 排水盲管设置

在拆除区域中间设置一道环向φ50HDPE 打孔波纹管，纵向间距为6 m。沿隧道两侧边墙底部纵向设置φ100HDPE 打孔波纹管，环向、纵向排水盲管采用PE 板窄条固定，用5 cm 长水泥钉锚固在喷层面上，锚固间距按拱部50～80 cm，边墙80～150 cm布置，排水盲管要全部用土工布包裹，以防止盲管堵塞和受到破坏。

5.5.2 防水板、土工布的铺设

在防水板、土工布铺设前，应先将初支表面尖锐物等清理干净、 并补平凹坑后再铺设无纺土工布，固定在初支面上，然后将接头处露出的防水板用水冲洗干净，在隧道拱部标出隧道中线，再使防水板横向中线与这个标志重合，立即将防水板固定，再由拱顶依次向两边铺设。 待拆除段防水板铺设好并经检查确认固定牢固后， 再用爬焊机顺所留防水板接缝搭接部位进行焊接。 防水板铺设完后应做防水板气密性检验，检验合格后方可进行衬砌施工。

5.5.3 止水带修复、止水条安装

对破损的止水带采用胶接等方式进行修复，在中埋止水带靠初支侧每隔5 cm 设置1 道遇水膨胀止水条，共设2 道，以增强防水效果，止水条及止水带安装方法同常规防排水施工。

5.6 钢筋施工（如果有）

（1）拆除拱墙时，应保留仰拱部位环向受力钢筋，并与拱墙钢筋进行焊接连接，钢筋长度应满足相关规范中的构造和受力要求。

（2）钢筋安装前，缺少钢筋的，要在接茬处植筋。 先用冲击钻钻孔，钻孔直径30 mm，钻孔深度不小于15 d，然后用高压风将孔内粉尘、灰渣等清理干净后植入钢筋，采用化学植筋，粘结剂采用A 级胶，植筋后预留长度应满足钢筋受力、搭接相关要求。 植筋完成后将拱部、边墙端头进行凿毛处理，然后涂刷黏合剂。

（3）新施做二衬按照设计要求参数设置钢筋，施工时调整好钢筋排距，保证保护层厚度，钢筋安装前，钢筋缺失的需在接茬混凝土上植筋，后进行钢筋安装， 钢筋安装完成后施工缝处涂刷黏合剂，采用二衬台车模筑混凝土，拆模后，对局部错台进行打磨处理。

5.7 二衬混凝土施工

5.7.1 台车就位

根据放线位置，移动台车就位。 在台车就位时注意调整好灌筑窗口的位置，必要时可增设灌注窗口。 根据设计图纸埋设其他附属设施的预埋件。 最后按要求检查台车位置、尺寸、方向、标高、坡度、稳定性，符合要求后，安设好挡头模板，接头止水带及止水胶条和拱部注浆管，再进行合格检验和经监理工程师签证，方可浇筑拱墙混凝土。

5.7.2 混凝土浇筑

二衬拆换段采用模筑混凝土进行浇筑。 混凝土生产由相应标段混凝土拌合站统一拌制，混凝土罐车运输。 混凝土浇筑采用混凝土输送泵分仓浇筑，浇筑时，由下向上对称浇筑，两侧交替进行，拱部先采用退出式浇筑，最后用压入式封顶。 混凝土用附着式振捣器和插入式振捣器联合捣固，安排专人负责，保证混凝土内部密实，外部光滑。 并注意保护好预埋于混凝土内部的注浆管，防止其脱落，以确保二衬后回填注浆能顺利进行。 要配足备用捣固机具，防止因捣固机具发生故障，造成漏捣或捣固不实。 混凝土灌注必须连续进行，因故不能连续灌筑，间歇时间超过混凝土初凝时间时，必须按规定进行接茬处理。

5.7.3 拆模养护

当二衬混凝土强度达到设计时， 方可拆模，拆模时间不可过早。 拆模后要对施工缝处错台进行打磨，确保新旧混凝土表面平顺。 另外要及时进行洒水养护，养护时间不少于14 d[4]。

5.7.4 回填注浆

混凝土拆模前及时进行拱顶回填压浆。

隧道二衬厚度不合格点返工处理后，业主公司委托检测单位进行了全面检测，检测结果均能满足设计及规范要求，合格率100%。 实践证明，采用液位继电器+三通管法能够监测隧道二衬拱顶砼是否浇筑密实，解决模筑密闭砼监控盲区，有效保障了隧道二衬整治施工质量。

6 结语

通过对隧道二衬脱空问题的处理及二衬施工质量监控进行小微创新研究，在隧道二衬混凝土施工中应用“液位继电器+三通管”的监控措施，能较好地掌控混凝土浇筑质量，有效预防隧道二衬脱空及厚度不足等问题。 通过推行监控措施，项目全线后续施工段落二衬厚度自检合格率提高，二衬实体经第三方检测有限公司全面检测，检测结果均能满足设计及规范要求，成效良好。 “液位继电器+三通管” 监控措施得到了福建省省级交通主管部门认可，并在福建省高速公路推广运用。