公路隧道二次衬砌脱空原因分析及防治措施

时间：2024-07-28

林小辉

（福建省交通建设工程监理咨询有限公司，福建福州 350001）

0 引言

福建某高速公路业主委托检测公司对所在项目隧道进行二次衬砌（下文简称二衬）空洞和厚度检测，采用地质雷达检测3 条测线，共计检测21192m 测线长，合格率96.8%，其中小于二衬厚度1/2 的空洞有15 处之多，无法满足规范要求。隧道二衬背后脱空现象频繁出现，已成为困扰隧道施工的一道难题，且二衬背后脱空病害隐蔽性强，在隧道各类病害中占比极大，危害也大，加上后期整治困难，影响行车安全，因此，针对公路隧道二衬脱空进行原因分析并采取相应的防治措施就显得尤为重要。

1 隧道二次衬砌脱空原因分析

公路隧道二衬混凝土的浇筑受到施工人员、技术水平、二衬台车加工及混凝土性能等各方面因素影响，易在衬砌与围岩间形成空洞或空隙，进而改变衬砌的受力结构，大大削弱其支护强度，最终可能影响到公路的行车安全。隧道二衬脱空主要有以下几个因素：

（1）初支不到位引起的脱空。隧道开挖光爆效果差，局部超挖严重，为减少喷射混凝土数量，人为采用支挡或填塞杂物等方法，造成初支空洞，最终导致二衬混凝土背后脱空。此类人为故意造成的初支空洞多见于早期施工的隧道，鉴于目前隧道检测手段愈发先进，此类因素造成的背后脱空现象反而较为少见。

（2）防水板挂设不到位引起的脱空。隧道初支面不平顺时，若防水板挂设的松弛度不够，将导致防水板与初支不密贴，在防水板背后形成空腔；若防水板挂设的太松，在浇筑二衬混凝土时可能因混凝土的推挤形成褶皱，在褶皱处留下空隙，导致二衬脱空。初支较平顺时，若防水板背后的固定点数不足，在二衬混凝土浇筑时受冲击，也可能导致防水板脱落，造成二衬拱顶脱空。

（3）二衬台车及模板引起的脱空。二衬台车底座支撑不到位，在二衬混凝土浇筑中或浇筑后出现变形下沉，造成拱部空洞；二衬端头模板拼接不密实、不到位，出现漏浆、跑模现象，混凝土在初凝前因自重下沉导致二衬脱空。

（4）二衬混凝土浇筑引起的脱空。二衬混凝土浇筑时因台车布料孔设置不均匀，导致布料不均，振捣不密实，浇筑后在附着式振动器振动时混凝土下沉进而引起拱部脱空；下坡段二衬施工时，由于预留通气孔堵塞，浇筑段与上循环之间在拱部形成空气囊造成二衬背后空洞；二衬冲顶时混凝土供应不及时、和易性差或者振捣不到位，均可能形成二衬局部空洞。

（5）拱顶预埋注浆管埋设不到位或者浇筑时堵塞，导致拱顶回填注浆未施作到位。传统的拱顶注浆工艺，在二衬强度达到设计强度后进行拱顶注浆，注浆管一旦堵塞，就可能造成无法对二衬拱顶处的空洞进行有效修补，最终在二衬拱顶处留下空洞。

（6）其它原因造成二衬背后空洞。比如二衬混凝土硬化过程发生化学反应收缩变形，人为经验判断或二衬混凝土方量计算失误等均可能引发缺陷。

（7）部分隧道不同部位衬砌脱空分布情况如图1 所示。

图1 部分隧道不同部位衬砌脱空分布示意图

2 隧道二衬脱空诱发病害

隧道二衬脱空诱发病害绝大部分是因脱空导致二衬厚度不足所引起的。一方面二衬脱空影响隧道结构受力，严重时在早期出现隧道二衬混凝土表面开裂，影响后期安全运营。另一方面，二衬背后空洞也间接影响隧道使用寿命。在福建省沿海地区一通车高速公路隧道，曾发生拱顶二衬混凝土掉块现象，险些酿成事故，最后调查原因，就是二衬背后脱空导致二衬厚度严重不足引起的。

3 隧道二衬脱空防治措施

（1）加强隧道光爆及初支控制。从源头上入手，做好隧道开挖施工，严格按照设计要求及爆破方案控制炮眼间距，避免严重的超欠挖发生；同时，加强隧道初支质量控制，对局部超欠挖部位进行整修，做到初支表面平顺；建议采用先进的设备，如隧道多臂凿岩台车（图2）、湿喷机械手（图3）等，提高隧道整体光爆及初支效果；最后，在浇筑二衬前对初支进行检测，发现空洞情况提前进行整改，可有效减少因初支不到位导致的二衬背后脱空。

图2 多臂凿岩台车

图3 湿喷机械手

（2）规范防水板挂设施工。防水板挂设前应对初支面进行检查，初支表面平整度应满足规范要求，初支表面外露的锚杆头要切除，并采用水泥砂浆抹平，避免防水板被锚杆头刺破；防水板挂设时，要尽量做到防水板与初支面密贴，且不能留有太多余量，采用热熔焊接时，检查焊接点数量及间距是否满足设计要求，做好铺设的松弛度控制，可以用手将防水板压向岩面，简单测试松弛度是否适宜，要保证防水板挂设牢靠稳固，避免浇筑时受混凝土推挤造成脱落，造成拱顶脱空。

（3）加固台车及模板。两车道二衬台车钢板厚应不小于10mm，三车道隧道二衬台车钢板厚应不小于12mm，确保面板的刚度能够满足要求；台车模板应与混凝土有适当的搭接，撑开就位后检查台车各节点连接是否牢固，有无错动移位情况，模板是否翘曲或扭动，位置是否准确，底座支撑要确保牢靠；封端模板拼接前应按现场实际需要加工，确保模板间拼接密贴、加固牢靠；同时，封端模板顶部宜留有观察小窗口，以观察封顶混凝土情况。

（4）强化二衬混凝土施工控制。严格落实逐窗浇筑工艺要求，在二衬台车每个窗口间设置一台附着式振捣器，混凝土边入模边振捣，每次入模时，混凝土应振捣密实；各预留孔洞应封堵到位，拱部浇筑前预留通气溢浆孔，注意避免堵塞，防止下坡施工时，浇筑段与上循环之间形成空气囊；浇筑二衬拱部混凝土时，要适当调整水灰比，根据施工经验，将塌落度控制在180-200mm 为宜，同时，要确保混凝土连续供应且具有良好的和易性。

（5）采用带模注浆工艺。通过在隧道拱顶贴紧防水板处安装纵向注浆花管，由镀锌钢管引出拱顶二衬外，待二衬混凝土浇筑完成4-6 小时后进行带模注浆，注浆过程应以压力表和端模出浆情况作为注浆双控标准，台车处压力表超过1MPa或端模漏出的浆液与制浆机中一致时，判定该孔注浆完成。与传统拱顶注浆工艺相比，该工艺在二衬混凝土初凝前完成，因此注浆材料与二衬混凝土之间结合较紧密，对衬砌无损伤，且不影响二衬外观，能够较好的消除二衬背后脱空现象的发生。

（6）设置拱顶防空洞报警装置。针对拱顶二衬脱空高发的现状，在二衬立模时，设置拱顶防空洞报警装置。其工作原理如下（图4）：隧道二衬三通管液位继电器防空洞报警装置采用三通管液位继电器法，通过在隧道二衬台车预留溢浆孔位置安装三通管液位继电器装置，当拱顶混凝土浇筑上升到接触点后，电缆线导电，继电器装置会发出声光报警提示作业人员，再通过观察三通管溢浆情况，综合判断二衬拱顶浇筑密实情况，可以有效减少隧道二衬拱顶脱空的发生，是过程控制的有力保障措施之一。

（7）利用信息化管理技术预防二衬背后空洞。主要利用信息传递方式直观监测衬砌混凝土浇筑密实情况，该系统包含一个本地可视化的采集终端以及固定在隧道顶端用于检测注浆的传感器。运用物联网技术实现对隧道二衬混凝土饱满情况的安全监管，将隧道安全质量管控数字化、智能化，达到防止二衬混凝土背后出现空洞的目的。