隧道衬砌脱空检测与防治技术研究

摘 要：隧道二次衬砌的缺陷问题，主要表现在衬砌厚度不足和衬砌背后脱空（空洞）。基于此，以地质雷达检测原理和方法为切入口，就隧道二衬缺陷的形成原因展开全面分析，进一步探讨了有效预防缺陷的方法和措施，并对缺陷的处治措施进行了总结，为今后隧道二衬施工提供参考。

关键词：隧道二衬；脱空；地质雷达；缺陷防治

中图分类号：U459.1 文献标识码：A 文章编号：2096-6903（2024）08-0077-03

1 隧道衬砌脱空检测

随着无损检测技术的不断发展，地质雷达因其精度高、检测方法简单，已经成为隧道衬砌缺陷识别的主要手段。

1.1 地质雷达检测原理

地质雷达技术（Ground Penetrating Radar，简称GPR）是近年来一种新兴的地下探测的新技术。它是利用主频为106～109 Hz 的电磁波信号，以宽频带高频时域电磁脉冲波，探测介质结构位置和分布的无损探测仪器，由地面通过天线发射器发送至地下，经地下目标体或地层界面反射后返回地面，被雷达接收器所接收，通过对所接收的雷达信号进行处理和图像解译，达到探测地下目标体的目的[1]。

采用地质雷达对隧道二次衬砌质量检测时，需要将地质雷达的天线密贴于待检衬砌表面。电磁波通过发射天线进入衬砌混凝土介质中，遇到混凝土中的空气、钢筋等有别于混凝土材质时，由于衬砌混凝土、空气和钢筋等物质的介电常数差异较大，电磁波遇到不同波阻抗界面时会发生反射和折射。通过接收天线收到反射波，通过信号传输和处理后，在雷达图像上显示为相应的明显典型特征。根据雷达图像典型特征可以判断衬砌厚度、空洞以及钢筋等的位置信息[2]。地质雷达探测原理如图1所示。

天线距缺陷反射面的距离计算公式如式（1）所示。

式中：D为天线到缺陷反射面的距离；X为发射天线到接收天线的距离；V为雷达波的行走速度；t为雷达波从发射至接收到反射波的走时，用 ns 计。

1.2 检测方法

本次隧道二次衬砌检测从小里程往大里程方向沿隧道纵向在拱顶、拱腰及边墙共布置5条测线，其中左右侧边墙各一条（测线1、侧线2）、左右侧拱腰各一条（测线3、侧线4）、拱顶一条（测线5），测线布置具体位置如图2所示。

为保证时间剖面上各测点的位置与实际检测里程位置相对应，以隧道实际里程桩号为基础，雷达扫描前需要在隧道边墙上每5 m或10 m作一个里程标以供核对。在雷达扫描过程中，通过打标器将各个里程位置实时记录在信号剖面图中。

1.3 隧道衬砌检测结果及验证方式

隧道衬砌混凝土脱空的雷达图像典型特点如下：脱空图像混凝土界面反射信号强，三振相明显，且其下部仍有很强的反射界面信号，两组信号的时程差相对较大[3]。对于雷达判定脱空的缺陷，可现场采用钻孔打眼和电子微型窥探仪验证的方法对缺陷进行验证。

2 隧道衬砌混凝土脱空（空洞）原因分析

2.1 混凝土浇筑不良

二衬混凝土浇筑导致衬砌背后脱空主要原因有以下4个原因。

第一，混凝土质量不满足施工要求，二衬混凝土坍落度过小、流动性差，无法有效填充二衬拱顶空间，导致脱空。二衬混凝土坍落度过大，通过附着式振动器振动后混凝土泌水，加上混凝土本身凝固收缩的特性，二衬背后会出现一定的小间隙脱空。

第二，在衬砌混凝土浇筑施工中，在拱顶混凝土浇筑时，开窗过少，存在拱腰混凝土浇筑时开始固定一个输送孔“一窗到底”，未严格落实逐窗、多窗浇筑，极易导致二衬端头因混凝土流动性不足、泵送冲顶压力达不到而形成空洞。

第三， 二衬浇筑台车附着式振捣器安装数量不满足施工要求，或因二衬浇筑台车模板刚度小，大量开启附着式振捣器，可能导致模板变形大甚至垮塌风险，致使拱腰和拱顶混凝土振捣不到位，混凝土密实性差，钢筋段落因砼阻力大脱空表现更明显。

第四，现场施工管理人员履职不到位，二衬模板封模前后未按要求进行验收和检查拱部排气孔，存在排气孔未按要求布设或被混凝土浆体堵塞而空气排出困难，二衬浇筑到拱顶后，泵送混凝土难以泵入出现“假满”现象，可导致二衬拱部脱空。现场施工管理人员未严格落实最后一方混凝土检查制度，作业工人因急躁收工导致混凝土浇筑饱满程度未达到要求即停止浇筑，也是二衬拱顶脱空的重要原因之一。

2.2 隧道初支不平整

喷射混凝土面不平整局部凹凸不平，在挂设防水板后，在背后形成了空腔。隧道初支不平整原因在于针对围岩完整性好的Ⅱ、Ⅲ级围岩段，因光面爆破效果参差不齐，超欠挖问题显著，围岩自稳性好无需立钢拱架，且喷射混凝土设计厚度薄，使得在进行喷射混凝土施工作业时很难使其表面平整。针对Ⅳ、Ⅴ级围岩段，因喷射工艺执行不到位容易造成“排骨架”现象突出，使得防水板铺设难度加大，很难与初支面密贴，容易在防水板后面形成空洞。

2.3 防水板铺设不良

防水板铺设时的松弛度控制不好，固定点热熔垫片间距较大或者防水板与热熔垫片焊接不牢靠，均可造成二衬背后脱空。如防水板铺设松弛度过大，容易引起防水板褶皱，在二衬浇筑中被混凝土挤压堆积，使混凝土无法填充，导致二衬背后防水板与初支面局部空腔。如防水板松弛度不足，铺设过于紧绷，在进行二衬混凝土浇筑过程中，防水板将被混凝土不断拉扯，造成防水板与热熔垫片发生脱落，从而引起防水板背后脱空。此现象在拱腰和拱顶处均容易发生，且易造成长达数米或整板二衬脱空。如果固定防水板用的热熔垫片不足或者固定质量差，也容易导致防水板在二衬浇筑过程中脱落而下部堆积、上部紧绷，并形成空洞。

3 缺陷的预防

有效预防二衬脱空可以从两个方面入手，一是加强过程管控，二是采用先进的工艺设备进行施工。

3.1 加强过程管控

隧道开挖完成后，采用3D断面仪对开挖断面进行检测。如果检测发现存在欠挖现象，可采用2次补炮或用炮机凿除的处理方式对欠挖部位进行处理，确保开挖断面无欠挖，防止围岩和初支侵限。

加强对现场管理人员和作业人员施工技术培训和针对性的技术交底。可采用BIM 技术和现场教学结合的方式展现重要施工要点，提高拱架安装质量和喷射混凝土平整度。合理设置防水板铺设的松弛度，严格按照设计要求梅花形排列布设防水板热熔垫片，在顶部及拱腰处适当加密固定点，同时加强防水板与热熔垫片的焊接质量，确保二衬混凝土浇筑时防水板密贴初支面。

对二衬配合比进行优化，提高混凝土和易性，减少混凝土凝固后的收缩量，严控二衬混凝土拌合物质量。增加二衬浇筑台车的强度、刚度和稳定性，在拱顶、拱腰、边墙不同部位安装足够数量附着式振捣器（25个以上）和足够时长的开启时间，弥补隧道二衬混凝土拱部、拱腰振捣的空白，改善目前隧道衬砌拱顶范围内混凝土因振捣缺失导致的不密实及因钢筋密集堵塞混凝土造成的空洞问题。严格按照浇筑工艺分层分窗浇筑和振捣，坚决制止拱腰浇筑“一窗到底”，拱顶浇筑“一孔冲顶”的懒省事施工方式，同时应进行间歇反复冲顶方式（每次冲顶后停歇5～10 min，反复进行3～5次），使得拱顶混凝土达到密实状态。加强现场施工管理人员履职和考核，严格落实最后一方混凝土检查制度，避免人为脱空。

3.2 采用先进的工艺设备进行施工

3.2.1 采用先进衬砌台车

采用自动浇筑二衬台车和自动分层逐窗浇筑系统（分层布料机）如图3所示。其不用人工拆管、换管、清洗、接管和固定等，操作人员轻松操作控制系统即可实现泵送接口不同位置的变换，实现机械化施工，管路分层布置可实现分层浇筑，克服一孔灌到底浇筑导致混凝土离析、产生“人”字坡冷缝的弊端。通过布料小车与输送管路系统结合的方式，简单行走操作对接相应的管路，使混凝土泵送到各工作窗口。经三层四点入料系统实现二衬拱墙混凝土的逐窗入模施工。实现真正意义上的分层逐窗入模，从源头上避免因浇筑原因导致的二衬脱空。

3.2.2 采用带模注浆工艺

带模注浆工艺是近年来在隧道施工中防止二衬脱空的重要施工工艺。注浆设备可固定在二衬台车尾部的简易平台上，与二衬台车组成一体，也可根据施工现场情况单独配置。在二次衬砌混凝土浇筑完成2 h后进行且在混凝土初凝前完成，在二衬不脱模的前提下完成。注浆采用流动性高的带有微膨胀性能的充填砂浆，填充砂浆凝结后应具有较高的抗压强度和较强的粘结性，以利于与衬砌混凝土结合成一个整体。

注浆可采用掺入膨胀剂的水泥浆或专用的灌浆料，水胶比宜为0.5∶1（质量比），注浆初压力在 0.05～0.08 MPa，当主注浆口注浆压力达到1MPa或者其他注浆口有浆体流出时，转移至下一注浆口进行注浆。当端模最高处设置的溢浆口出浆且达到注浆浆体浓度后可停止注浆。

4 缺陷整治

在实际施工中，影响隧道二次衬砌施工质量的因素较为复杂，二次衬砌施工质量存在一定缺陷是必然事情。通过加强施工过程管控以及采用先进的工艺设备进行施工，可以大幅减少衬砌脱空缺陷的出现。当通过雷达扫描检测，发现隧道衬砌存在缺陷后，应根据具体缺陷性质和对结构安全的影响程度，判定是否处理及选择处理的方式。当前对二衬脱空缺陷采用注浆填充和凿除拆换的方式较多，一般认为当衬砌脱空且实测二衬混凝土厚度大于设计厚度50%时，可采用间歇式微膨胀的浆体材料进行填充处理。其目的是保证衬砌与初支混凝土之间紧密贴合，改善二衬受力条件。对于实测二衬混凝土厚度小于设计厚度50%的点位，应采取对二衬局部开“天窗”的方式进行凿除拆换处理。

脱空注浆填充处理施工时需注意：①每处衬砌脱空缺陷应根据脱空范围确定钻孔数量，钻孔数量应不低于三个，将高孔设置为观察孔和排气孔。②回填注浆材料采用微膨胀的浆体材料，可采用加入膨胀剂的水泥浆或专用的灌浆料，水灰比宜控制在0.4以下。③由低向高进行灌注，应控制初始注浆压力在0.1～0.2 MPa，最后一孔终压控制在0.3～0.5 MPa，同时进行间歇反复注浆方式（每次注浆压力达到设计压力后稳压持续5 min，然后停歇15 min，再反复进行注浆2～3次），使得拱顶浆饱满。④在注浆填充过程中，应安排专人密切观察注浆压力和衬砌状况，若发现衬砌有开裂、变形等异常现象时应立即中止注浆并查找原因，以确保衬砌安全。

脱空采用开窗置换处理施工时需注意：①开窗的形状应为规则，尽量选择方形、矩形、梯形等规则形状，且衬砌窗口破除边界采用内宽外窄的倒梯形。②切口混凝土应密实、无松散开裂等问题，并作凿毛处理。③对有钢筋衬砌段，原钢筋如有锈蚀应进行除锈处理；对于素混凝土衬砌段，应进行植筋处理。④窗口二次浇筑的混凝土强度标号应在原标号的基础上提高一个强度等级，且应采用微膨胀混凝土进行浇筑回填，浇筑前应对切口涂刷界面剂。⑤在浇筑混凝土前，提前预设回填注浆管孔，等到混凝土初凝前及时进行回填注浆。

5 结束语

隧道的衬砌脱空问题对隧道结构和日后运营业的安全性危害巨大，在实际施工中隧道二衬施工质量的影响因素很多，通过加强过程管控、采用先进的工艺设备等施工措施，可有效降低二次衬砌背后脱空及厚度不足的缺陷数量。对于隧道二衬已经出现的缺陷，通过雷达扫描能够准确地发现其位置和类型。在隧道二衬缺陷处理上，应根据缺陷性质和对结构安全的影响程度选择注浆填充或二衬局部开窗置换方式进行加固处理，以确保隧道衬砌质量，为隧道的顺利验收及日后安全运营打下坚实的基础。

参考文献

[1] 李大心.探地雷达方法与应用[M].北京：地质出版社，1994.

[2] 王洁.对《铁路隧道衬砌质量无损检测规程》（TB10233-2004）的理解[J].铁道标准设计，2006（3）：74-78.

[3] 胡晓，陈厚德，吴宝杰.隧道衬砌质量检测中探地雷达图像特征研究[J].浙江交通职业技术学院学报，2010，11（1）：13-16.