隧道衬砌脱空原因及整治技术研究

洪俊奎

（北京铁城建设监理有限责任公司，北京 100855）

铁路隧道工程项目建设质量受多方面因素影响，为了保证隧道质量及加强对施工单位的约束管控，必须在后期对隧道工程进行严格的质量检测[1-2]。如果在检测中发现质量病害就必须及时采取有效措施进行整治，防止病害扩大对隧道的安全运营造成危害。 二衬结构是重要的支撑及防护结构，二衬脱空导致衬砌结构渗漏及承载力降低是最为严重的病害之一，而从结构来讲，隧道二衬背后脱空问题发生的主要部位是拱顶及侧壁拱腰，这些部位发生脱空会直接影响整体结构的承载能力[1-3]。 但在实际工程中，引起二衬结构脱空的原因主要包括： 光面爆破效果不佳，防水板未科学合理挂设，拱部混凝土材料不足，施工所用材料质量把控不严格，混凝土浇筑技术操作不科学，混凝土浇筑之后拆管及脱模时机掌握不力，衬砌台车底座支撑不足等。 为了采取有效措施对衬砌脱空进行整治，就必须对造成脱空的原因进行分析查明，针对性地提出整治施工技术措施[1]。本文以某隧道为例，对该隧道发生衬砌脱空的病害原因进行分析，并采用有效的整治技术进行病害消除，保证隧道运营安全。

1 项目概况

该隧道位于兰渝铁路线，隧道上行线某段衬砌发生脱空病害。 根据原有设计，该区段地层为第三系砂岩、 砾岩互层，节理裂隙较发育，单位正常涌水量0.29 m3/（d·m），预测该段隧道的正常涌水量712.80 m3/d，最大涌水量2138.40 m3/d，根据物探资料，西迭沟围岩出现低阻异常，施工时应更加关注并采取相应措施。 整治范围隧道埋深约70 m，围岩分级为Ⅳ级，采用哈达铺隧道Ⅳ一般段衬砌，超前小导管拱部设置，长3.5 m，环向间距0.005 m；拱墙Φ0.006 m 的钢筋网片，网格间距为0.25 m×0.25 m； C25 喷射混凝土拱墙，厚度0.2 m； 拱墙I12 型钢钢架，间距1.5 m，钢架间Φ0.022 m 纵向连接筋环向间距为1 m； 拱部采用Φ0.022 m 组合式中空锚杆，边墙采用Φ0.022 m 的全螺纹砂浆锚杆，锚杆长3 m，间距1.2 m×1.2 m （纵向×环向），二次衬砌采用C30 混凝土，厚度0.4 m。

2 衬砌脱空原因分析

根据联合现场踏勘及后续无损检测结果分析，该区段病害为上行线（左侧） 洞身防水板切割二衬造成的衬砌混凝土脱空，拱顶已开 “天窗” 3.8 m（环向） ×1.9 m （纵向）； 其中二衬到初支表面距离不足0.3 m，可见范围1.5 m （环向） ×1.4 m （纵向），初支到二衬外表面最小厚度0.2 m； “天窗”向小里程方向拱顶脱空，但根据无损检测报告，脱空均大于0.3 m，见图1。

图1 病害现场位置图

由于施工缺陷，导致衬砌厚度比设计厚度小0.6 m，且长度小于5 m，属于A1 级病害，周边二衬混凝土无异常。 现场已对薄弱松散混凝土进行了凿除，并用环氧树脂临时封闭，施工缝距接触网吊柱支座3.87 m。

根据现场调查，病害是在二衬为素混凝土的区段，因防水板挂贴施工不当，接缝施工质量差，二衬浇筑时防水板松脱，造成二衬混凝土脱空，其中存在局部欠挖造成1.5 m （环向） ×1.4 m （纵向） 范围内的初支侵限。

3 衬砌脱空整治施工技术

针对衬砌脱空现场调查及原因分析，衬砌厚度不满足设计要求，根据欠厚程度判定，按照既有二衬厚度，小于75%范围的二衬利用钢套衬补强并向两侧各延伸1 m，大于75%范围的二衬空洞部位采取背后注浆的方式进行病害整治。 根据实际情况制定整治方案，主要整治施工工序为： 停电→搭设作业平台→已拆除范围钻孔植筋、 焊接钢筋网片→测量断面及放点→钢架加工（防锈处理、 试拼） →钢架基础定位→钻凿地脚锚栓锚孔、 安装锚栓→安装钢架（C 单元） 及两侧槽钢加固→钢架接地→拱部临时钢板防护→安装钢架 （A/B 单元） 及钢管加固→钢架间钢筋网焊接→预埋注浆管→分段安装焊接钢板、 浇筑C40 自密实混凝土→空洞回填注浆→钢构件防锈处理→迁改和保护设备恢复。

3.1 对衬砌已开“天窗” 范围植筋、 焊钢筋网片

根据已施工及防护情况，对衬砌病害衬砌已拆除区段周边双向植入螺纹钢筋，环纵向钢筋Φ0.018 m，间距0.25 m，钢筋采用植筋胶锚入混凝土，锚固深度不小于0.2 m，以保证新旧混凝土之间连接良好； 焊接Φ0.018 m 钢筋网片，网片间距0.25 m×0.25 m，网片与植筋焊接牢靠。

3.2 测量断面及放点

隧道上行段衬砌内侧拱墙设H150 型钢钢架，纵向间距1 m。 根据设计图文件对钢架安装位置现场进行测量放样描点。 按照安装要求对锚固螺栓孔进行现场描点，确定螺栓孔位置，采用风镐对既有衬砌表面进行凿毛处理。

3.3 钢架加工

钢架加工采用洞外加工场加工方式进行，根据现场实际测量断面情况进行加工，按比例绘制出内轮廓图并进行施工放样，检查套衬施作后内轮廓是否满足限界和供电设备绝缘要求，确定单元实际加工半径。 加工完成后逐榀进行试拼装并编号。

钢架加工必须保证焊缝密实、 饱满，焊碴应清除，焊缝宽度不得小于0.007 m，高度不得小于0.003 m。 钢架接长时必须在两侧采用加强板帮焊，加强板宽度不小于型钢肋板0.02 m，长度不小于0.2 m。 钢架由1 节A 单元 （拱顶）、 2 节B 单元（拱腰）、 2 节C 单元 （边墙） 组成，A 单元长6.817 m，B 单元长3.309 m，C 单元长3.309 m。

3.4 边墙钢架安装及两侧槽钢加固

根据现场实测的隧道净空断面，施工区段既有衬砌内表面设置钢架加固，钢架支护采用H150 型钢作为龙骨，钢架间距为1 m，共设置5 榀钢架，施工时先进行边墙部位钢架架设，完成后再进行拱部钢架架设。 钢架之间筋焊Φ0.022 m 纵向连接筋（长1 m） 连接，环向间距0.6 m。 钢架脚置于衬砌墙角位置，打设地锚螺栓，打设深度至仰拱结构层，确保基础稳定性，施作钢架后不得影响打开沟槽盖板。 每榀钢架按5 片组装施工，钢架采用植筋的方式加强，Φ0.022 m 钢架固定钢筋，边墙钢架接头设置1 处，中间设置2 处，每处2 根，通过植筋与衬砌连接，嵌入混凝土深度0.3 m，尾部外露的加工为直弯钩，并与钢架焊接为一体。 为加强钢架的整体性，两侧边墙钢架各采用3 根20a 型槽钢与型钢焊接作为纵向连接，增强结构的整体性。

1） 先进行钢架基础定位，清理加固范围内侧沟，钻凿地锚锚栓孔安装M24×0.6 m 地脚螺栓。 在设备管理单位配合和监督下对加固范围的电缆等设备进行临时迁改和保护。

2） 架设H150 型钢钢架，钢架间距1.0 m。 先进行边墙的钢架架设，完成后再进行拱部的钢架架设； 安装纵向支撑钢管、 槽钢与钢架形成整体桁架结构。

3） 钢架安装施工要求： 各节钢架拼装，要求尺寸准确，弧形圆顺，要求紧贴衬砌内侧拱墙。 加工允许误差： 沿衬砌内侧拱墙周边轮廓误差不大于0.01 m，接头连接要求同类之间可以互换。 钢架各单元必须明确标准类型和单元号，并分单元堆放于地面干燥的防雨棚内。 钢架安装前应清除脚底下的杂物，拱脚必须放在锚栓上，地锚螺栓采用M24×0.6 m，锚孔深度至仰拱结构层。 螺栓： 钢架连接处螺栓为10.9s 高强螺栓，螺母均为防松螺母。 拱架通过植筋与既有衬砌结构进行连接，植筋深度为进入既有衬砌混凝土0.3 m。

3.5 钢架间钢板施作及混凝土浇筑

在2 榀钢架外缘内侧施作钢板，钢板通过M20螺栓与钢架连接牢固，钢板每块厚0.006 m，长0.98 m，宽0.0006 m，自下而上分段栓接钢架外缘内侧的加固钢板并浇筑C40 自密实混凝土（每次浇筑环向不大于2 m），浇筑混凝土前用高压风清除衬砌表面粉尘，保证新旧混凝土之间粘结牢固，混凝土振捣，浇筑密实。 采用强制式拌合机拌合混凝土，坍落度控制在0.27 m±0.1 m； 采用分层浇筑方式，在浇筑完一层后，应确保下层混凝土未初凝前浇筑第二层混凝土。

自密实混凝土的浇筑要点： 浇筑时封堵钢架与衬砌间的缝隙； 泵管使用前用水冲净、 冲润； 保持连续泵送，必要时降低泵送速度； 浇筑过程中安排专业技术人员在施工现场值班，确保混凝土质量均匀稳定，发现问题及时调整； 浇筑时在浇筑范围内尽可能地减少浇筑分层，使混凝土的重力作用得以充分发挥，并尽量不破坏混凝土的整体粘聚性； 使用钢筋插棍进行插捣，并用锤子敲击模板，起到辅助流动和辅助密实的作用。

3.6 回填注浆

待强度达到设计要求后再进行二次衬砌后的回填注浆处理，回填注浆材料采用无收缩、 微膨胀灌浆材料，注浆压力小于0.2 MPa，当注浆压力达到设计终压并稳定5 min 以上，吸浆量很少或不吸浆时即可结束该孔注浆。

1） 实施衬砌背后注浆时，隧道纵向应由下坡向上坡方向进行； 横向应先注边墙孔、 两侧孔，再注拱顶孔。

2） 应对钻孔进行编号，钻孔及注浆过程中应对钻孔、 注浆压力、 注浆量等进行详细记录，根据钻孔情况确定注浆钢管长度。

3） 注浆过程中应严密观察衬砌状况，若发现衬砌有异常、 变形、 开裂或既有裂隙有加速发展趋势等，则应立即停止注浆，以确保衬砌安全。

4） 施工过程中应做到随钻随注，以免跑浆。

5） 注浆完成后，应及时采用封堵措施，防止浆块掉落，影响行车安全。

3.7 质量标准要求

1） 拱架： 架立H150 型钢钢架应尽量紧贴衬砌内轮廓，施作长地锚螺栓固定拱脚，确保钢架稳定。 钢筋焊接的施工及技术要求均按现行钢结构标准的有关规定执行。

2） 植筋孔清孔： 采用压缩空气清孔，确保孔壁无尘，孔内干燥、 清洁。

3） 植筋孔注胶： 将注射枪插入至孔底，由孔底往外均匀注入胶体，注满孔深的2/3 即可。 注胶过程中注胶管口必须保持埋置在注入的胶液中，在注胶的同时均匀外移注射枪，确保胶液中无气泡。

4） 钢板、 槽钢等焊接： 焊缝应平顺无夹渣、气泡、 漏焊等现象； 槽钢与钢架间缝隙应用钢板填塞焊接牢固。

5） 施工过程中应做好防护，浇筑混凝土模板与钢架应连接牢固可靠，防止模板脱落、 衬砌掉块、 变形和坍塌。 应根据具体情况，严格控制好每次嵌补混凝土量，并加强观测和检测，确保施工期间模板稳固。

6） 确保混凝土达到设计强度的80%后方可进行拆模，防止出现二次缺陷。 注浆参数在施工过程中通过试验调整，注浆严格控制压力，并在加压过程中对衬砌密切观察，防止对衬砌造成损坏。

4 结束语

为了保证病害整治的有效性，必须在施工前制定施工质量保障措施，依据相应施工技术标准和施工规程指南，严格按照施工质量要求进行施工。 完成后需对整治范围的二衬进行强度检测，待参建各方核查验证其满足设计要求后，通过预埋的注浆管对拆换衬砌背后进行注浆。 外露注浆孔内的砂浆应清理干净，避免后期砂浆掉落对运营线构成危险。