浅析高铁隧道的拱顶脱空防治技术
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【摘 要】高铁隧道拱顶脱空是隧道工程施工常见的质量缺陷，如何有效控制拱顶脱空成为控制隧道施工质量的关键。通过深入分析初期支护、防水板和二次衬砌的拱顶背后脱空原因，提出了针对性的防治措施，取得了良好的社会和经济效益。
【Abstract】Vault hollowing of high speed railway tunnel is a common quality defect in tunnel construction. How to control vault hollowing effectively becomes the key to control tunnel construction quality. Through in-depth analysis of the reasons for the hollowing behind the vault of initial support， waterproof plate and secondary lining， the corresponding prevention measures are put forward， and good social and economic benefits are obtained.
【关键词】隧道;拱顶脱空;防水板;初期支护;二次衬砌
【Keywords】tunnel; vault hollowing; waterproof board; initial support; secondary lining
【中图分类号】U455.4 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2020）02-0160-02
1 工程概况
凤凰隧道位于湖南省湘西州境内，进口位于凤凰县沱江镇关岩屋村附近，出口位于岩板塘山间陡坎。隧道起讫里程为DK180+380～DK184+755，隧道全长4375m，进出口隧道分界里程分别为DK180+380及DK184+755。该隧道为时速350km单洞双线隧道。隧道主要岩性为泥质粉砂岩夹粉砂岩泥岩、含砾砂岩、石英砂岩。隧道Ⅲ级围岩1180m，Ⅳ级围岩长2880m，Ⅴ级围岩长315m，分别占隧道总长的27.0%、65.8%、7.2%。
2 衬砌背后脱空类型
根据隧道衬砌结构构造，可把衬砌背后空洞分为3类：初期支护背后脱空、防水板背后脱空和二次衬砌背后脱空。衬砌背后空洞，均是因各种原因导致填充材料流失，或填充不到位和不密实，使隧道围岩与衬砌结构不密贴，存在空隙。衬砌背后脱空造成结构混凝土厚度不足，在静载和动载以及冲击荷载长期作用下，隧道结构存在塌毁的风险，从而对行车产生重大安全隐患。
3 脱空原因分析及防治措施
3.1初期支护背后脱空
3.1.1初支背后脱空原因
首先，隧道开挖是隧道施工的龙头，光爆效果的好坏，对后步工序安全及质量带来很大影响，光爆效果好，开挖轮廓线圆顺，拱架安装后，拱架与钢筋网片密贴岩面，喷浆密实平顺，降低初支后脱空风险;反之，光爆效果差，钢架安装好后，钢架及钢筋网片与岩面之间距离大，超挖大，喷浆时不易喷满而形成空洞，留下安全及质量隐患。
3.1.2防治措施
從根源上控制，提高光面爆破，减少超欠挖，消除空洞源头。采用新技术、新工艺，如聚能水压爆破，提高光面爆破效果，确保开挖面轮廓线圆顺，降低初支背后脱空源头风险。
从工艺上控制，喷浆工艺的好坏，对初支背后脱空有很大影响，提高喷浆工艺水平，开挖后，及时对超挖部位采取网喷混凝土先行初喷，待初支面喷浆平顺后，再进行拱架安装及初期支护喷射混凝土施工，可有效降低初支背后脱空风险。
由于地质原因，超挖较大而无法喷浆回填密实的，在脱空部位预埋钢管，钢管出浆口要贴近岩面，待支护成环并稳定后采取注浆处理。为防止初支面背后脱空，喷浆施工完成后，对初支进行钻孔脱空检测，每3m一个断面，由拱顶向两侧按2m每孔进行钻孔检测，钻孔破损检查验证，确认有无空洞;第二种检测，对初期支护进行雷达无损检测，通过无损检测，强化自检，严把检测关口，杜绝缺陷，提高隧道衬砌质量。
3.2 防水板背后脱空
3.2.1 成因分析
当防水板铺挂不满足要求，存在褶皱、空鼓和绷紧等现象，造成防水板与初期支护间的空洞，即防水板背后脱空。分析原因包括：①初期支护的表面不平顺和不平整，呈现“排肋状”和局部鼓包等现象，造成防水板与初期支护表面粘贴不密实而形成空洞;②防水板挂点布置间距过大，防水板过松或过紧，造成防水板形成褶皱和绷紧等现象，从而在初期支护和防水板间产生空洞;③由于初喷不密实，导致格栅与拱架之间存在孔洞，后期没有对孔洞进行填实，直接在空洞处铺挂防水板;④初期支护结束后，个别部位存在欠挖，如果不及时处理欠挖，等到施工衬砌时再对欠挖进行处理，处理欠挖后也没有及时进行补喷，引起初期支护背后孔洞的产生。
3.2.2 防治措施
埋点控制初期支护喷射混凝土厚度，加强过程监督，提高初期支护喷射混凝土首次成型质量。采用预埋铁丝、铁钉、短钢筋等办法检查控制喷射混凝土厚度，每3m检查一个断面，每个断面应从拱顶起，每间隔2m布设1个检查点。在铺挂防水板前，用3D断面扫描仪，对初期支护断面进行无死角扫描，扫描成果及时进行交底，对有欠挖的部位，进行欠挖处理，处理后及时补喷，对凹凸不平、“排肋状”采取补喷，在满足初期支护断面界限要求的前提下使防水板铺挂基面平整、平顺。采用新工装、新工艺，提高防水板铺挂质量。热熔垫片定位采用热熔垫片定位卡，提高热熔垫片定位的准确性，局部凹凸较大时，可适当加密固定;热熔焊接采用防水板电磁焊枪焊接，将传统的超声波点焊接改为面焊接，有效规避防水板焊穿等现象。 通过以上技术和管理措施，初支和防水板之间的脱空得到有效减少DK180+380～DK180+480段，二衬施工完后，局自检和第三方检测对本段衬砌进行检测，检测拱顶、拱顶左右侧中线、左右侧拱腰、边墙共7条测线，无一处脱空缺陷。
3.3 二衬背后脱空
3.3.1二衬背后脱空的原因
二次衬砌背后脱空是指二次衬砌拱部混凝土浇筑受浇筑条件、人为因素、混凝土供应、机械设备状态、混凝土干缩、和易性、徐变等诸多因素的影响，在防水板与二次衬砌拱部间产生空洞，分析原因包括：①在浇筑过程中混凝土振捣欠密实，内部存在空洞和气孔等，浇筑完成上部混凝土后在自重作用下下沉，然后在拱部造成空洞;②澆筑拱部混凝土时，由于输送泵压力不足，致使浇筑拱顶位置的混凝土不足，形成空洞;③拼接端头模板不密实，浇筑完成后在接缝或端头模板部位产生跑浆和漏浆等，致使拱部混凝土下陷而形成空洞;④在混凝土浇筑后，混凝土输送管拆除过早，未形成自稳能力的混凝土随输送管掉落下来，致使混凝土掉落形成漏斗，造成衬砌脱空;⑤由于液压千斤顶沉落或者衬砌台车支撑不稳固，在浇筑过程中或浇筑混凝土后变形下沉，从而形成拱部空洞。
3.3.2防治措施
从工艺工装方面，二衬台车设置布设下料管，实施分窗布料，避免由一个窗口下料导致砼离析，导致砼不密实，需要加强砼的捣固，加强对施工人员的技术培训，提高施工人员的技能水平和质量意识、创精品工程。在混凝土浇筑过程，作业人员捣固要及时，不要漏捣，不因捣固不密实而造成空洞。浇筑过程按顺序振捣密实，排除空气，防止形成空洞。在二衬混凝土浇筑过程中，往往因各种原因造成输送泵堵管，在现场等待的砼，试验人员要重新进行坍落度试验，不合格的返场或者用于其他附属工程，不要将和易性不好的砼强行用于二衬浇筑，以免造成各种各样的质量缺陷，如人字坡、冷缝、蜂窝麻面、露骨、空洞等。
从技术方面，每环衬砌进行3D断面扫描，扫描成果通过专用软件进行成果处理，成果处理完成后，准确计算每环二衬的砼方量，根据计算结果，配备足够的设备及材料，确保混凝土浇筑连续。二衬台车采用钢端模，有效降低漏浆跑模现象，提高二衬混凝土浇筑质量。混凝土浇筑时模板应采用刚性支撑，绝不可用液压杆支撑模板。
采取以上处理措施，二衬背后脱空率减少，其DK183+100～DK183+200，DK183+235～DK183+240，总计305m，检测拱顶、拱顶左右侧中线、左右侧拱腰5条测线，存在6处脱空缺陷，极大地提高了隧道衬砌质量，降低了安全质量风险，提高了经济效益和社会效益。
4 结论
隧道衬砌背后脱空是目前施工单位面临的重大难题，通过以上方法及施工措施，有效降低衬砌质量缺陷，同时施工单位、设计、业主也在从工装、工艺、新材料、新技术等方面加强衬砌质量施工，提高高铁隧道衬砌施工质量，保障高铁运行安全。
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