隧道二次衬砌质量问题分析与改进措施

赵风岭 张奇

1.中国铁路北京局集团有限公司工程质量监督站，北京 100860；2.中铁十六局集团有限公司，北京 100018

铁路隧道二次衬砌作为重要支护结构，其质量直接影响到隧道整体结构稳定性和后续的正常运营，提高隧道二次衬砌施工质量至关重要。

国内一些学者对隧道二次衬砌检测和质量控制开展了相关研究。刘宗辉等［1］结合电磁波在隧道二次衬砌中的传播规律，通过模拟分析提出一种根据反射系数序列频谱估算二次衬砌厚度及脱空高度的反演方法。陈英福等［2］采用探地雷达对一高速铁路隧道二次衬砌进行检测，基于荷载-结构法对二次衬砌存在的缺陷进行了分析，计算了不同缺陷程度下的安全系数。苏卿［3］采用探地雷达对重庆一公路隧道二次衬砌混凝土进行了检测，根据其遭受病害的程度进行了劣化等级评定。窦顺等［4］采用模态分析法对隧道二次衬砌脱空程度进行判定，为声振法在二次衬砌质量检测中的运用提供了理论依据。卫敏等［5］采用专用激振装置，以智能手机为数据采集、处理和分析平台，研发了隧道衬砌敲击法检测技术。尹涛等［6］基于探地雷达技术对检测结果进行F-K偏移处理，一定程度上还原了缺陷的实际形态，有效降低了二次衬砌缺陷解译难度和检测的误判率。黄雄军［7］针对隧道二次衬砌质量问题，对二次衬砌拉压极限强度进行研究，提出了二次衬砌安全评价方法。董武［8］采用数值模拟方法对富水区隧道二次衬砌混凝土施工冷缝引起的质量破坏进行研究，分析了富水环境下二次衬砌的劣化机理。这些研究对于改善隧道二次衬砌质量具有重要意义。

本文针对太子城—锡林浩特铁路太子城至崇礼段（简称太锡铁路太崇段）崇礼隧道出口段施工质量检测中发现的问题进行成因分析，根据各因素影响程度提出改进措施，并通过现场实测验证其改进效果。

1 工程概况

太锡铁路太崇段位于河北省张家口市崇礼区境内，大致呈南北走向，全长15.865 km。共2座隧道（崇礼隧道、和平隧道），均为设计时速160 km的单线隧道，总长14.434 km。隧道断面较小（图1），轨面以上净空横断面面积为42.06 m2。

图1 崇礼隧道断面尺寸（单位：cm）

崇礼隧道总长5.490 km，其中Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅴ级围岩段长度分别为2.223、2.023、1.244 km。崇礼隧道出口段从上至下依次为新黄土、卵石土、斜长片麻岩，岩土较破碎，围岩稳定性极差，主要为Ⅳ级围岩。出口段地表植被发育，自然坡度8°～15°。隧道拱顶至地表约23 m。该段地下水主要为第四系孔隙潜水及基岩裂隙水。

2 二次衬砌检测标准及施工现状调查

2.1 检测标准

二次衬砌厚度检测在混凝土浇筑完成并满足龄期要求后进行。崇礼隧道出口段二次衬砌厚度检测主要采用地质雷达法，即以宽频带短脉冲的形式，从地面通过900 MHz天线发射主频75 MHz的电磁波至地下，经地下目标体或地层界面反射回到地面，被雷达天线接收。根据电磁波在介质中的速度和双程旅时计算衬砌厚度。各级围岩不同部位混凝土设计厚度见表1。检测厚度达到设计厚度为合格。

表1 各级围岩不同部位混凝土设计厚度 cm

2.2 现场检测结果

对崇礼隧道DK62+310—DK62+710段二次衬砌厚度检测了200处，共有48处不合格，检测结果见表2。其中，5处脱空，43处厚度不足。按缺陷所在部位划分，拱顶左侧13处，拱顶右侧14处，拱腰中线（左右均包括）上方12处，拱腰中线下方9处。拱腰中线距隧道内轨顶面2.8 m。拱顶及拱腰缺陷位置见图2。

表2 DK62+310—DK62+710段二次衬砌厚度检测结果

图2 拱顶及拱腰缺陷位置示意（单位：cm）

3 二次衬砌厚度不足原因分析及改进措施

3.1 原因分析

通过对隧道施工段二次衬砌厚度进行检测，发现检测合格率仅为73.5%。对缺陷部位二次衬砌厚度不足的原因进行了调查，发现主要原因为二次衬砌台车组装及定位不准确、支护结构防水板背后脱空、掌子面欠挖、初期支护不平整导致欠挖、混凝土质量不良等。各因素在总体质量问题中的占比分别为0.05%、9.40%、3.80%、81.15%、5.60%。可见，初期支护不平整导致的欠挖是影响二次衬砌厚度不足的主要原因。

从人员、机械、物料、施工方法、施工环境、测量方式六个方面分析隧道初期支护不平整的诱因，结果见图3。

图3 初期支护不平整的诱因

3.2 改进措施

针对各种诱因分别采取改进措施。①人员：施工前进行技术交底，作业人员了解施工质量要求，掌子面钻爆开挖时打孔位置及装药量严格按设计要求进行。②机械：采用新的湿喷机械手。③物料：严格控制混凝土工作性能，保证混凝土喷射均匀。④施工方法：对施工人员定期进行培训，使其熟练掌握各道工序，并严格按照设计要求进行。⑤施工环境：隧道内补充照明设备，保证照明完全满足正常施工要求。⑥测量方法：初期支护断面采用光电断面扫描仪测量时测点间距较大，数据处理复杂，对断面超（欠）挖的测量精度较低，因此现场改用更高精度的测量仪器。

3.3 断面复测方式优化

三维激光扫描仪、光电断面扫描仪性能对比见表3。

表3 两种扫描仪性能对比

从表3可以看出，三维激光扫描仪具有精度高、测量快的优点。经对比、分析和测试发现：①三维激光扫描仪可一站扫描60 m，大大提高工作效率，而光电断面扫描仪测一个断面就需架设一次工作站，施工速率慢。②所需人员较少，有效节约成本。③三维激光扫描仪数据可批处理，可设定断面间隔，展示断面超（欠）挖分析图，而光电断面扫描仪只能展示单个断面图。④三维激光扫描仪测点间距较小，采用三角网算法处理断面数据，计算的面积比较准确；光电断面扫描仪采用平滑算法处理断面数据，当测点间距过大时扫描面积与实际面积相差较大。⑤三维激光扫描仪采集所得的点云数据较密集，数据随机性较小；而采用光电断面扫描仪采集数据时测点间距过大，导致所采集的数据存在一定偶然性。

结合两种扫描仪的工作性能和工程现场实际情况，决定采用三维激光扫描仪代替光电断面扫描仪。二次衬砌混凝土浇筑前，采用三维激光扫描仪测量初期支护断面，测量结果及时校验，对欠挖部位精准凿除，然后进行复测，直至该断面无欠挖部位方可浇筑。

4 现场实施效果

通过对隧道初期支护不平整的6种诱因采取相应的改进措施后，2020年10月对DK62+720—DK62+840段隧道二次衬砌厚度检测60次，结果见表4。仅有4处脱空，2处厚度不足。拱顶左侧全部全格。

表4 DK62+720—DK62+840段二次衬砌厚度检测结果

通过现场严格把控施工质量，每周定期对检测情况进行总结，隧道二次衬砌厚度检测合格率由78.0%提高到96.7%。隧道二次衬砌厚度不足在总质量缺陷中的占比由89.5%降到33.3%，由主要问题变成了一般问题。

5 结语

对太锡铁路太崇段崇礼隧道质量检测发现的二次衬砌厚度不足、背后脱空、混凝土不密实等问题进行了分析，发现二次衬砌厚度不足主要因初期支护不平整引起，而导致初期支护不平整的重要原因是初期支护断面检测间距较大。因此，建议二次衬砌混凝土浇筑前采用三维激光扫描仪代替光电断面扫描仪测量初期支护断面，对发现的欠挖部位精准凿除后复测，直至该断面无欠挖部位方可浇筑。

通过现场检测，采取措施后二次衬砌厚度检测合格率由78.0%提升至96.7%。该措施有效可行，可供以后铁路隧道二次衬砌质量控制借鉴。