隧道衬砌拱顶脱空问题的数字化解决办法

蔡泉华

（德清县德安公路建设有限责任公司，浙江 湖州 313299）

衬砌拱顶脱空是长期困扰隧道工程的质量问题，严重威胁隧道结构的安全。近年来，因为拱顶脱空造成衬砌掉块从而引发的安全事故时有发生。

一、衬砌拱顶脱空须提前主动应对

衬砌拱顶脱空问题往往防不胜防，因为造成衬砌拱顶脱空的原因多种多样，包括混凝土自然收缩、泵送压力不足及防水板松铺不当等。同时，衬砌拱顶脱空一旦形成，即使后期注浆充填也无法实现结构补强。因此，要提升隧道衬砌质量，就必须在浇筑过程中及时发现并消除衬砌拱顶脱空。

浙江省德清304省道PPP项目中的镇海至安吉公路德清河口至矮部里段工程PPP项目在建设过程中，开发了基于分布式压密传感器的衬砌浇筑主动监测技术，并结合监测结果带模注浆，取得了良好的防脱空效果。

图1 隧道环形铺设的分布式压密传感器

该项目起点位于浙江省湖州市德清县武康街道对河口，顺接现状省道09线，并与在建的杭州绕城西复线莫干山段互通相接，经德清县莫干山镇筏头村、瑶坞村，终点位于德清与湖州市安吉县交界的矮部里，与镇海至安吉公路安吉段顺接。路线全长约14.62公里，设隧道3515米/5座，其中石壁山隧道长1135米，矮部里隧道德清段长1136米。隧道工程清单量占该项目清单总量的45%，因此隧道工程施工的质量对整个项目有决定性影响。

二、基于分布式压密传感器的衬砌浇筑主动监测技术

该技术主要依托分布式压密传感器和衬砌浇筑主动监测系统，按照一定工艺流程，根据监测结果采取针对性的措施，可以及时发现并消除衬砌拱顶脱空。

要在浇筑衬砌的过程中实时、动态地掌握混凝土浇筑的进程和密实性，必须克服钢模板的遮挡、信号屏蔽、混凝土性状变化等困难。既要求结果准确可靠、监测点足够密集，又要求监测成本低廉、安装使用方便快捷。对此，作为该项目的合作企业，德清县德安公路建设有限责任公司联合中南大学等单位，研制了分布式压密传感器。

分布式压密传感器利用混凝土的挤压作用，使弹性垫层发生压缩变形，从而使弹性垫层两侧的导电膜片接触连通，由此判定该测点是否被挤压密实。然后通过在一条传感器上布设一系列测点（该工程测点间距为60厘米），形成分布式压密传感器，最终实现对衬砌背后不同位置密实状态的监测。

在实际应用中，把分布式压密传感器环向或纵向布设在防水板与土工布之间。随着混凝土浇筑的不断推进，已浇筑的混凝土会对防水板产生挤压，进而挤压防水板与土工布之间的分布式压密传感器，由此识别混凝土的浇筑位置，以及混凝土是否充分挤压防水板，形成密实的混凝土。因此，通过纵环向布设的传感器，可以全面掌握整个混凝土浇筑的过程，分析和评价衬砌浇筑的对称性、平衡性、连续性和密实度，从而指导工艺管控。

衬砌浇筑主动监测系统主要由分布式压密传感器、监测延长线、直显和通信终端、无线路由器和监测工控机5个部分构成。

分布式压密传感器用于监测混凝土浇筑状态，可根据监测等级不同，在隧道拱圈环向、隧道拱顶纵向布设若干条；监测延长线用于延长传感器接线，使其不受下一模预先铺挂的防水板和绑扎的钢筋影响；直显和通信终端根据需要可分为直显终端和显传终端，直显终端无通信功能，仅能通过指示灯显示监测状态，显传终端既有显示功能也有通信功能，可将监测状态通过无线信号发送至监测工控机；无线路由器用于工控机和显传终端的数据通信；监测工控机用于监测、显示和储存浇筑监测数据。

通过衬砌浇筑主动监测实现防脱空，需要按照一定的工艺流程——初期支护检查→铺挂土工布→粘贴传感器→铺挂防水板→绑扎钢筋、台车就位→连接显传终端→混凝土浇筑（带模注浆）→全部红灯变绿→浇筑结束。

在衬砌浇筑过程中，应时刻根据监测结果采取针对性措施。衬砌前后端混凝土高差过大时，应调整进料口使混凝土均衡向上浇筑，避免过大高差引起混凝土离析、分层；衬砌左右两侧混凝土高差过大时，应调整进料口加快较低一侧的衬砌浇筑，避免偏压使得台车变形或移位；衬砌拱顶显示存在脱空时，应加大泵送压力持续浇灌，确实无法泵送使其密实时，应在二衬台车对应位置预留的压浆口处注浆使其密实。

图2 隧道纵向铺设的分布式压密传感器

三、应用效果验证及推广情况

分布式压密传感器在该项目首次使用时，采用地质雷达扫描验证监测结果的准确性，二者完全一致。为进一步分析主动监测和精准注浆的效果，详细检查最早监测的9模衬砌，结果表明该区段衬砌长度为90米，缺陷累计长度为1.53米，总缺陷率为1.7%，该90米采用分布式压密传感器的背后脱空合格率为98.3%。

基于衬砌浇筑主动监测技术的良好效果，浙江交工宏途建设有限公司组织编制了《基于分布式压密传感器的隧道二衬施工工艺作业指导书》《隧道二次衬砌治理通病治理手册》《德清304项目2019年度质量安全图册》，并把有关技术措施编入德清304省道PPP项目隧道二衬施工方案中，在全线隧道推广应用。此外，还组织集团层面的隧道二衬通病治理现场会，面向全湖州市组织国省道品质工程现场会，获得了广泛认可。

基于分布式压密传感器的衬砌浇筑主动监测技术和系统原理简单可靠、安装使用方便、成本低廉，值得在公路隧道衬砌通病防控和品质工程建设大力推广应用。此外，还应该继续围绕该技术开发衬砌浇筑管控平台，提高浇筑过程的管控力度；研发与分布式压密传感器相配套的纵向抽拔式精准注浆系统，进一步提高注浆的准确性，最终全面消除衬砌拱顶脱空这一问题。