初探高速公路隧道二襯脫空對(duì)其結(jié)構(gòu)安全性的影響

蔣豪

摘 要：復(fù)合襯砌是高速公路隧道運(yùn)營的最后一道安全屏障，如果復(fù)合襯砌脫空，隨著地質(zhì)應(yīng)力的不斷變化，很容易導(dǎo)致復(fù)合襯砌的開裂，從而導(dǎo)致隧道拱部掉塊，給行車安全埋下重大隱患。盡管現(xiàn)階段一次襯砌脫空問題基本可以得到良好控制，但二次襯砌脫空問題仍未從根本上得到解決，本文就此展開探討。

關(guān)鍵詞：高速公路;隧道;二襯脫空;安全性;措施

中圖分類號(hào)：U451 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

現(xiàn)階段，新奧法原則在我國高速公路隧道的設(shè)計(jì)、建設(shè)中廣泛應(yīng)用。新奧法原則認(rèn)為，初期支護(hù)會(huì)受到70%左右圍巖松散壓力的影響，二襯的重要功能是用作安全儲(chǔ)備，并滿足凈空的要求。圍巖收斂處理完成后進(jìn)行二襯，然后形成抗負(fù)荷環(huán)。原則上，只要二襯混凝土強(qiáng)度達(dá)標(biāo)，隧道的安全性便可得到保障。但是隧道工程施工中，通常會(huì)使初期支護(hù)承載圍巖松散壓力的能力大幅度降低，導(dǎo)致二襯需要承受更強(qiáng)的圍巖松散壓力。若二襯背后出現(xiàn)間隙，那么二襯就無法在圍巖和初期支護(hù)變形后初期及時(shí)起到主動(dòng)限制變形的作用，而只能在變形問題出現(xiàn)后被動(dòng)的形成支撐。由此可見，二襯脫空對(duì)隧道的運(yùn)營安全產(chǎn)生重要影響。

1 二襯脫空的力學(xué)特點(diǎn)

空洞形狀、空洞的寬度和深度等參數(shù)共同組成了空洞幾何參數(shù)，荷載-結(jié)構(gòu)法通過圍巖壓力與地層彈簧模擬圍巖、襯砌結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的相互作用，再模擬出襯砌背后空洞的二維特征，但只能對(duì)襯砌空洞寬度對(duì)其結(jié)構(gòu)特征產(chǎn)生的影響進(jìn)行模擬，無法直接接觸襯砌背后空洞區(qū)域圍巖與襯砌結(jié)構(gòu)之間，二者之間既沒有圍巖壓力，也不存在約束作用。

2 二襯脫空對(duì)結(jié)構(gòu)安全性產(chǎn)生的影響

高速公路隧道的拱頂是最容易出現(xiàn)二襯空洞的部位，所以，筆者假設(shè)隧道頂部的空洞寬度分別是0.0 m、0.5 m、1.0 m、2.0 m和4.0 m時(shí)，對(duì)其結(jié)構(gòu)安全性的影響。

①當(dāng)脫空寬度≤1.0 m時(shí)，隧道襯砌結(jié)構(gòu)各個(gè)界面的安全系數(shù)分布的相對(duì)均勻;一旦脫空寬度>1.0 m，各個(gè)界面的安全系數(shù)則會(huì)呈離散型分布;當(dāng)脫空寬度>2.0 m，拱肩到拱頂?shù)拇蟛糠纸缑娴陌踩禂?shù)會(huì)迅速下降，根本無法保障隧道的安全運(yùn)營。

②襯砌結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)會(huì)在拱頂脫空的情況下發(fā)生改變，脫空的寬度逐漸增大，襯砌結(jié)構(gòu)各個(gè)截面的最小安全系數(shù)首先也會(huì)逐漸增大，增大到一定程度時(shí)會(huì)呈線性迅速下降。分析原因如下：在脫空寬度較小的情況下，無論是襯砌結(jié)構(gòu)的受力情況還是變形形式都不會(huì)發(fā)生很大變化，然而，因?yàn)樗淼酪r砌結(jié)構(gòu)受到的外力減小，所以截面最小安全系數(shù)會(huì)一定程度的增加。隨著脫空寬度的不斷增大，改變了圍巖的約束作用，繼而改變了襯砌結(jié)構(gòu)的受力情況與變形形式，拱頂部位出現(xiàn)明顯的負(fù)彎矩，破壞形式也發(fā)生了改變，從原先的受壓破壞變?yōu)槭芰ζ茐模钚“踩禂?shù)也會(huì)迅速降低。

總而言之，隧道襯砌背后脫空會(huì)使隧道襯砌結(jié)構(gòu)的受力與變形狀態(tài)發(fā)生改變，從而對(duì)其安全性產(chǎn)生嚴(yán)重影響，尤其是空洞寬度在2.0 m以上的情況下，襯砌結(jié)構(gòu)幾乎不再具備承載能力，也就無法滿足隧道安全運(yùn)營的要求。

3 隧道二襯脫空原因分析

①光面爆破效果較差：這一問題會(huì)導(dǎo)致隧道施工推進(jìn)的過程中，局部形成坑洞，讓初期支護(hù)噴射混凝土結(jié)構(gòu)無法達(dá)到平整度要求，防水板掛設(shè)施工中會(huì)形成空腔，二襯澆筑后，背后便會(huì)存在空洞。

②襯砌臺(tái)車底座的支撐不足：襯砌臺(tái)車行駛在軌道上，需要借助工字鋼的支持。在工字鋼丟失、變形的情況下，襯砌臺(tái)車就會(huì)下沉。此外，軌道上的模板支撐牛腿或者支腿沒有支撐牢固，也會(huì)引起臺(tái)車的下沉，給襯砌頂部的施工質(zhì)量造成影響，從而引起空腔病害。

③施工材料質(zhì)量問題：混凝土澆筑時(shí)所用的施工材料不符合質(zhì)量要求，混凝土配比不當(dāng)，混凝土的收縮性、坍落度無法滿足施工需求，造成混凝土結(jié)構(gòu)收縮，最終導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)背后出現(xiàn)空腔。

④防水掛板的設(shè)計(jì)不科學(xué)：防水板之所以與初支基面結(jié)構(gòu)的貼合不緊密，很大程度上是因?yàn)榉浪暹^緊造成的?；炷猎跐仓^程中很難順利進(jìn)入空腔，以至于襯砌結(jié)構(gòu)脫空。反之，若防水板過松，泵送混凝土?xí)r便會(huì)對(duì)防水板產(chǎn)生擠壓并形成皺褶，繼而導(dǎo)致襯砌出現(xiàn)空隙，埋下了脫空隱患。

⑤混凝土澆筑技術(shù)問題：拱部混凝土沖頂時(shí)，如果澆筑的壓力不足或者澆筑方式不當(dāng)，則會(huì)讓拱部出現(xiàn)空洞?；炷琳駬v不密實(shí)也會(huì)在澆筑襯砌結(jié)構(gòu)過程中出現(xiàn)空腔、氣孔等問題，或者在混凝土凝固過程中，上部材料往下沉，在拱頂部位襯砌背后形成空洞。

⑥混凝土質(zhì)量問題：襯砌采用的是泵送混凝土，水灰比較大，初期容易強(qiáng)度不足，粘聚性與保水性能較差，澆筑振搗混凝土?xí)r很難保持均勻，后期容易收縮變形。

⑦圍巖壓力問題：高速公路隧道施工區(qū)域的地質(zhì)條件較為復(fù)雜，圍巖性質(zhì)多變，局部剖面的地下水較為豐富，從而影響部分地段的錨噴施工質(zhì)量。如果二次襯砌后，混凝土路面立墻底部的澆筑時(shí)機(jī)不對(duì)，則很可能造成立強(qiáng)移位，引起拱頂沉降。

4 隧道二襯防脫空的處理技術(shù)

4.1 注漿方法

相對(duì)于開窗二次澆筑法，回填注漿法的優(yōu)勢在于施工簡單、工期短，基本不會(huì)對(duì)原二次襯砌的受力結(jié)構(gòu)造成影響，安全性較高。在二次襯砌脫空的部位用錘子敲擊檢查，明確薄弱處，然后選擇三個(gè)點(diǎn)位，讓點(diǎn)位呈三角形設(shè)置，鉆穿二次襯砌，再用盒尺對(duì)二次襯砌砼品質(zhì)厚度進(jìn)行測量。參考相關(guān)要求，其厚度應(yīng)>20 cm，并且要滿足間歇式無收縮漿材（水灰比<0.38）的回填灌注工藝要求。從實(shí)踐情況來看，一些部位在注漿后仍可能出現(xiàn)襯砌脫空，而再次注漿又十分困難，所以應(yīng)采用鉆孔壓入環(huán)氧樹脂材料來處理脫空，但這種材料的成本較高，只適合處理較小的脫空部位。

4.2 帶模注漿施工技術(shù)的應(yīng)用

4.2.1 二襯臺(tái)車預(yù)留注漿孔法蘭的制作與安裝

測量臺(tái)車長度，根據(jù)測量結(jié)果，在距離臺(tái)車一端拱頂0.75 m的位置設(shè)置注漿孔;然后在與臺(tái)車另一端相距2.25 m處設(shè)置澆注孔。兩個(gè)孔中間再設(shè)置一個(gè)注漿孔，共同組成外徑為Ф114、內(nèi)徑為Ф45 mm的法蘭盤。固定后，臺(tái)車焊滿，為了給法蘭盤留出活動(dòng)范圍，需要控制螺桿長度，通常為50 mm。

4.2.2 安裝注漿管

將對(duì)絲的一側(cè)緊緊的纏繞在電氣膠帶上，電氣膠帶的厚度要求≥5 mm、寬度≤30 mm。法蘭內(nèi)徑Ф45比鋼管Ф42外徑超出3 mm，固定法蘭和活動(dòng)法蘭之間相距50 mm。把1#、2#、3#注漿管從坡底到坡頂一一對(duì)應(yīng)安裝。把刻有十字絲的一側(cè)用力的頂至防水板，另一側(cè)用固定法蘭、活動(dòng)法蘭進(jìn)行固定，兩種法蘭的螺栓都要擰緊到注漿管對(duì)絲外漏≤80 mm的程度，法蘭厚度為20 mm。

4.2.3 澆筑混凝土

從縱坡坡底的澆注孔進(jìn)行沖頂施工，坡底到坡頂1#、2#、3#注漿孔會(huì)依次流出漿液，然后從端頭模板查看混凝土的澆筑情況。

4.2.4 注漿機(jī)和預(yù)埋注漿管的連接

混凝土初凝后，在二襯混凝土的強(qiáng)度達(dá)到5 MPa，開始脫模之前進(jìn)行帶模注漿。將Ф32止?jié){閥和對(duì)絲安裝在1#預(yù)留注漿管端頭，把端頭帶有Ф32活接的Ф38注漿鋼絲軟管以及預(yù)埋注漿管止?jié){閥端頭的Ф32對(duì)絲緊密連接。

4.2.5 漿液的制備

①制備過程：水料比控制在0.18，現(xiàn)場進(jìn)行計(jì)量稱重，稱量好之后，一次性的注入到攪拌器內(nèi)，選擇低速檔攪拌，然后再在攪拌器中加入粉料，開啟振動(dòng)電機(jī)，攪拌30 s，關(guān)閉低速檔，用刮刀把粘附在攪拌器壁上的干料刮到桶內(nèi)，蓋好蓋子，開啟高速攪拌檔，攪拌3 min，然后把漿液倒入注漿機(jī)。

②注漿過程：經(jīng)坡底1#注漿，在2#觀察，當(dāng)觀察到2#流出漿液時(shí)，將1#的止?jié){閥關(guān)閉。經(jīng)坡底2#注漿，3#觀察，當(dāng)3#有漿液流出時(shí)，把2#的止?jié){閥關(guān)閉。從3#注漿，直至端頭流出漿液，漿液流出3 s～5 s便可。若注漿壓力達(dá)到了1 MPa，同時(shí)下個(gè)注漿管沒有出漿，在此情況下，把降液管轉(zhuǎn)移到下一個(gè)注漿孔進(jìn)行注漿，直到端模和其他的出漿口都有正常漿體流出。

4.2.6 全部注漿孔注漿和端模的出漿

依次在1#、2#、3#注漿孔內(nèi)注漿，觀察下一個(gè)注漿孔與端模的出漿情況。

4.2.7 注漿結(jié)束

把止?jié){閥關(guān)閉，然后卸掉注漿軟管，將管道、設(shè)備清洗干凈，妥善存放。

4.3 帶模注漿施工技術(shù)的注意事項(xiàng)

①將減水劑加入到泵送混凝土中，能夠降低水灰比，更利于混凝土的流動(dòng)，以減小收縮空洞。

②檢查初支平整度是否符合標(biāo)準(zhǔn)，檢驗(yàn)合格后再鋪設(shè)防水板，把握好磁焊槍墊片的間隔距離。捆綁鋼筋之前驗(yàn)收防水板，保持合適的松弛度。

③垂直的將預(yù)留注漿管設(shè)置在二襯模板上，脫模前注漿，有濃漿從端頭模板流出時(shí)，表示注漿結(jié)束。

④要求注漿料的膨脹性能、體積的穩(wěn)定性良好，保證與混凝土充分結(jié)合，避免出現(xiàn)空隙，減少沉降的分層。

⑤注漿時(shí)，若注漿壓力>1.0 MPa，但是沒有流出濃漿，則需要立刻更換注漿孔重新注漿，直到滿足要求為止。

⑥每個(gè)模的襯砌都需要將注漿回填入防水層內(nèi)側(cè)的空隙中，并且控制好注漿壓力。

⑦通過無損檢測的方式驗(yàn)證注漿效果，如果發(fā)現(xiàn)沒有滿足要求的地段，應(yīng)該采取補(bǔ)孔注漿措施。

4.4 帶模注漿施工技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值

隧道施工工序環(huán)環(huán)相扣，二襯背后若出現(xiàn)空洞，在處理空洞的過程勢必會(huì)影響施工工序，并給行車安全埋下隱患，如果鉆眼過程操作不當(dāng)還會(huì)對(duì)防水板造成破壞，有漏水風(fēng)險(xiǎn)。帶模注漿施工技術(shù)的應(yīng)用，徹底解決了二襯背后的空洞問題，為隧道內(nèi)的后續(xù)施工創(chuàng)造了良好環(huán)境，顯著提高了施工安全，延長了隧道二襯的使用期限，保障了行車安全。

5 結(jié)束語

總而言之，高速公路的隧道施工，必須嚴(yán)格驗(yàn)收襯砌結(jié)構(gòu)的承載能力，采取有效措施解決二襯背后容易脫空的弊端。本文總結(jié)了隧道二襯脫空的具體原因，并詳細(xì)闡述了帶模注漿施工技術(shù)的應(yīng)用，希望能為隧道二襯防脫空施工提供理論與實(shí)踐參考，為隧道工程的安全運(yùn)營提供技術(shù)支持，以促進(jìn)我國高速公路建設(shè)的長遠(yuǎn)發(fā)展。

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