摘要：“一带一路”建设是我国十分重要的战略方针，随着我国不断发展，在国际社会的地位越来越重要，中国高铁举世闻名，这项辉煌成就与一代又一代铁路工作者的顽强拼搏和无私奉献精神是分不开的。我国铁路施工高效率高质量招牌响誉全世界。铁路项目中的重难点工程多为隧道工程，由于目前地质探测技术有限，对于复杂资质条件下的隧道施工十分困难，常见的地质风险为塌方、突水、突泥、高地应力、高地热、有毒有害气体、地质辐射等。单线小断面隧道由于施工作业面狭小，在隧道衬砌施工的拱顶部位经常被施工作业人员忽视，造成拱顶脱空质量缺陷。本文首先根据新奥法施工理论说明隧道施工的关键工序，然后对隧道二次衬砌施工过程中拱顶脱空问题产生原因进行分析，对比常用的隧道拱顶脱空处理方案进行说明，根据雷达检测等方法进行复检，提出控制隧道拱顶脱空施工技术主要措施，规范控制工序的施工标准，综合分析控制效果，为相关隧道施工提供借鉴与参考，推广使用，保证隧道施工质量安全。
关键词：新奥法；拱顶脱空；施工技术；标准化
一、绪论
本文基于新建大瑞铁路工程的控制性隧道工程之一的三台山隧道施工过程中的实践经验，对隧道施工中出现的隧道拱顶脱空质量缺陷进行原因分析，通过缺陷处理造成的经济损失进行对比，提出预防脱空缺陷的施工技术标准和管理体系，为复杂地质隧道施工提供参考意义。
1.1工程背景
大瑞铁路的全称是新建大理至瑞丽铁路工程，作为我国《中长期铁路网规划》中的新建项目之一，主要目的是完善路网布局和西部开发战略。此项目是中缅国际铁路通道进出我国西南境内的重要通道之一。为贯彻国家西部大开发战略，加快与东南亚、南亚国际通道关键交通线路基础设施建设，实现连接东南亚半岛的经济走廊，重建南方丝绸之路，大瑞铁路有着鲜明的政治意义及临边滇缅公路的独特历史背景。
三台山隧道位于云南省西部德宏傣族景颇族自治州芒市境内的三台山地区，为单线隧道，设计时速140km/h，最大埋深约420m，全长9363m，起讫里程为D1K278+035~D2K287+398，线路为人字坡，线路纵坡为3‰，下坡道线路纵坡为-9‰。
隧区位于云南西部横断山脉的西南侧，属于构造、剥蚀低中山地貌，线路相对高差100m~450m，自然横坡20~45°，局部山体为陡壁，地形起伏大，沟壑发育、切割深、斜坡陡。基岩风化层较厚，本隧道地质构造与三江经向构造带中南段及南岭纬向构造延伸带西延部分的复合，地质构造复杂，褶皱，断裂构造地形迹发育，区内构造体系主要为东北向构造体系。构造运动特征主要受到印度板块向北的推挤和青藏高原南部向东南方向的挤压叠加作用，板块总体表现强烈抬升和滑移。隧区处于龙陵地震区，区域稳定性较差，构造运动表现为地壳隆起及断陷盆地、火山活动、地热活动和活动性断裂。活动断裂规模大，分部密集，属于大震发生的断裂构造带，对沉积建造、岩浆活动和变质作用具有控制性。
二、新奥法理论介绍
2.1新奥法背景
新奥法[1]由奥地利学者L·V·腊布希维兹在1948年提出的一种新的隧道设计施工方法，后来经多为学者进一步研究改进，并通过实践归纳在1963年正式确定命名。
与传统隧道设计方法不同，新奥法假设隧道岩体为连续介质材料，结合塑性力学理论，将围岩自身的粘性、弹性、塑性物理特性作为一种自稳能力，根据洞室开挖后围岩松散程度与时间变化的关系，在适当时间采用锚喷等支护方法达到围岩相对稳定。此方法大大提高了隧道施工的经济成本与安全性。
光面爆破、锚喷支护、监控量测是新奥法施工和三大核心内容。管超前、严注浆、短进尺、强支护、早封闭、勤测量的施工原则有效控制隧道的安全风险，在隧道施工中广泛应用。
光面爆破是通过理论计算和实践经验选择适当的爆破参数进行专项爆破设计，爆破轮廓线控制较好，减少隧道超欠挖，有效降低爆破对围岩产生的裂隙，促进隧道通风降低有毒有害气体危害，经济性优点突出。
隧道超前支护大多以超前小导管形式深入围岩，通过注浆填满岩石裂隙与管壁和固结，形成一定的刚度达到初期自稳目的。
监控量测是保证隧道施工安全风险可控的重要监测方法，铁路施工规范要求监控量测纳入施工工序中，并贯穿整个施工过程，为隧道施工提供围岩稳定性、支护结构承载能力和安全信息，根据沉降和收敛数值合理安排二衬施工时间，对于观测数据较稳定的围岩段落为设计变更调整围岩级别及支护方案提供参数，为进一步优化施工方案及施工组织，加快施工进度提供依据。
2.2新奥法理论基础
隧道在开挖过程中势必会对围岩造成扰动影响，新奥法理论认为这种围岩扰动越小，开挖工序的施工风险越小。采用光面爆破，控制隧道的爆破轮廓线一次成型在较短的时间内完成对围岩的初期支护是隧道施工重要原则。如果要求围岩形变量为0，则需要采取与之对应的支护反力进行抵消，这在技术上与经济性上显然较难实现。如果初期支护允许存在一定柔性，在围岩自稳形变值[Δr]范围内设计初期支护，使支护反力大于失稳应力Pmin，从而实现隧道整体稳定性。
在弹性力学中可知环向隧洞在重力场下应力分布曲线如图2.1所示，根据重力场中围岩应力分布情况确定所需支护的最小反力值。
图2.1环向孔洞σr～Δr曲线如图
围岩的支护反力包括如下：
（2-1）
式中—围岩中的锚杆反力；
—喷射砼的反力；
—喷射砼中钢筋网的反力；
—围岩自身存在的支撑反力；
图2.2摩尔圆应力图
根据图2.2摩尔圆应力图相关理论可知
（1）围岩剪切破坏的锚杆反力为
（2-2）
式中—围岩中的锚杆反力；
—为围岩剪切角；
—为锚杆面积；
—为锚杆应力；
—锚杆与水平夹角，；
e、t为锚杆间距。
（2）喷射砼反力为
（2-3）
式中—喷射砼反力；
—初支厚度；
—为喷射砼抗剪强度；
b—剪切高；
—喷射砼剪切角。
（3）喷射砼钢筋网反力
（2-4）
式中—钢筋网反力；
—隧道单位长度钢筋网截面积；
—钢筋网抗剪强度；
b—剪切高；
—钢筋网剪切角。
（4）围岩自身存在的支撑反力
（2-5）
式中—围岩自身存在的支撑反力；
S—剪切体在初支环上的长度；
—围岩内摩擦角；
—围岩抗剪强度；
—剪切面上的正应力；
b—剪切高；
和根据摩尔圆可知
（2-6）
式中—为初支反力，即
—锚杆径向反力，
（2-7）
（2-8）
—围岩粘结力；
—围岩内摩擦角；
三、隧道拱顶脱空防治施工技术
3.1拱顶脱空缺陷原因分析
隧道在二次衬砌施工过程中往往需要较长工序时间，而拱顶泵送混凝土处于工序结束阶段，现场管理人员及施工人员容易产生怠惰情绪，忽视施工质量造成施工管控不到位。一般来说拱顶脱空[2]缺陷主要分为初支背后脱空、防水板与初支间脱空、防水板与二衬间脱空三类。其主要形成原因如下：
（1）爆破参数控制不到位，拱顶部位轮廓线不理想，局部出现凹陷，挂网喷浆后凹陷处容易产生初支背后脱空。
（2）拱顶防水板松弛度控制不到位，防水板过松导致混凝土浇筑时产生褶皱，形成脱空。防水板过于绷紧，由于初支面为曲面，防水板与初支面间的缝隙产生脱空。
（3）初支平整度控制不到位，产生防水板与初支间脱空。
（4）混凝土塌落度过小，泵站压力不足，混凝土未填满拱顶形成防水板与二衬之间脱空，同时出现二衬厚度不足缺陷。
（5）拱顶排气管未安装或工艺控制不到位，拱顶气体无法排出形成脱空。
3.2拱顶脱空常规处理方法
3.2.1脱空检测
隧道脱空常用的检测方法为地质雷达检测法[3]，地质雷达根据广谱电磁技术确定地下介质的分部情况，雷达一端发射电磁波，另一端接收天线根据电磁波在地层中在地层中的变化，通过接收时长、波长、波形等信息推断探测层中的地质条件情况。图3.1为雷达检测脱空波形图。
图3.1雷达检测脱空波形图
3.2.2脱空处理
经地质雷达扫描后发现的脱空缺陷目前施工中常用的处理办法为注浆[4]处理。脱空注浆处理原则要保证隧道实体质量满足设计及规范要求，确保铁路运营期间质量安全。检测发现缺陷的部位要进行二次加密探测、取芯验证，确定脱空范围、深度及脱空类型。
脱空处理前对脱空部位进行检查，确保结构范围内无裂缝，如有细微裂缝应对裂缝进行修凿、打磨、冲洗、吹干，采用环氧树脂溶液粘结剂或早凝溶液粘结剂涂抹渗透至裂缝内，使环氧树脂溶液与衬砌结构紧密粘结，缝面稍微突出形成弧形，保证溶液充分渗透裂缝。大于0.2mm或贯通性裂缝属于深裂缝，用亲水性较好的丙酮糠醛系环氧浆液进行灌注，每隔10-30cm间距沿裂缝设置注浆管，为防止漏浆将裂缝其余部分用胶带或水玻璃密封，电动泵将修补浆液依次由低向高注入注浆管，待上层注浆管流出浆液与注入浆液流量及状态基本一致时，封堵注浆孔进行上层注浆。待全部注浆管完成注浆与裂缝凝结后，对裂缝表面水玻璃或封堵剂进行打磨，在涂抹一层环氧基液封闭裂缝表面。
如图3.2所示，脱空注浆孔为Φ42mm。注浆材料为0.8：1微膨胀水泥砂浆或1：1水泥净浆。如地下水具有侵蚀性应采取相应的防腐措施，注浆结束后宜稳压0.3Mpa并保持5分钟。
图3.2隧道断面示意图
注浆管间距为100mm，梅花形布置，选用Φ32钢管并用植筋胶水锚固于注浆孔内，单管注浆时除排气孔外要对其他相邻注浆管进行封堵，避免漏浆。注浆管设置如图3.3。注浆过程中要对相应编号的注浆孔统计注浆量，根据注浆总量与脱空检测结果的缺陷大小进行对比，保证浆液充分注满脱空处。
注浆完成后将注浆孔清洗干净并用微膨胀水泥砂浆封堵，胶凝材料（水泥、膨胀剂和掺合料的总量）应大于350kg/m³，膨胀剂掺量控制在10~15%之间，浆液凝结后对衬砌表面打磨后涂抹环氧砂浆进行防水处理。
3.3注浆管布置示意图
3.3关于拱顶脱空预防施工技术方法
衬砌拱顶脱空注浆处理[5]在一定程度上保证了隧道整体的功能性与质量安全，但是由于隧道施工工作面狭小，拱顶缺陷处理时会隧道施工进度甚至造成隧道停工，根据现场施工调查归纳统计发现每一处脱空处理时间平均在3天左右，严重影响施工企业的经济效益，产生巨大的管理成本浪费，同时质量缺陷也会带来施工单位不良声誉，其损失更加不可估量。因此把好质量控制源头关，在施工过程中加强施工管控，采用优化的施工方法提高施工质量，减少缺陷问题尤为重要。
3.3.1防水板施工标准化
防水板施工标准化主要避免初支与防水板间存在脱空问题，在防水板施工前要严格履行报检验收手续，检查初支面平整度符合要求，初支平整度（采用1m直尺加塞尺检测）应控制在1/10以内；平整度大于1/10的采用喷射混凝土补平。三台山隧道通过湿喷机械手进行隧道初期支护施工，有效避免初支背后脱空、初支平整度差的问题，缩短了喷砼工序时间，减少施工人员的工作强度，改善施工条件。防水板施工流程如图3.4。
图3.4防水板施工流程图
施工工人在作业台架将土工布沿隧道初支从拱顶向边墙展开，用射钉枪将土工布固定在初支表面。两幅土工布的搭接宽度应控制在50mm内，要求铺设平顺、无隆起、无皱褶。防水板固定的热熔垫片按照设计要求间距呈梅花型布置，为保证防水板松弛度符合要求，拱顶垫片间距宜控制在60cm左右，根据现场实际情况隧道中线两侧60°夹角内为拱顶区域，其余部分拱腰及边墙位置垫片宽度可适当加宽至1m左右，保证防水板施工质量同时减少工序时间，提高施工进度。垫片设计位置如图3.5所示
图3.5热熔垫片施工示意图
防水板固定采用电磁焊接机将热熔垫片与防水板固定在初支表面，施工工人一手持焊机，另一手压住防水板，焊机与防水板面保持垂直并进行焊接作业，焊接时间宜控制在3-4秒。相比传统的超声波焊接机电磁焊接机操作方便，超声波焊机通常要在防水板焊接3-4个固定点，操作不当时容易出现将防水板焊漏情况，另外点焊接相比电磁焊机的面焊接受力性能差，焊接不牢固也是形成脱空缺陷的原因之一。防水板施工结束后经验收检验，合格后进入下道工序。
3.3.2拱顶防脱空装置安装及使用标准化
2018年11月中国铁路总公司工程管理中心下发了工管站前涵[2018]236号文《关于铁路隧道衬砌公布防脱空装置安设要求》的通知。文件中明确要求各级单位高度重视二衬施工质量，要求必须安装隧道拱顶防脱空装置。
目前拱顶防脱空装置主要分为液位连通式和压触连通式两种。其工作原理是当混凝土浇筑至拱顶时利用混凝土液面升高将拱顶预先设置好的线路闭合形成回路，指示灯亮起说明已浇筑至拱顶。
三台山隧道项目团队经过认真考虑，由于压触连通式防脱空装置需要利用压力传感器，成本投入大及安装技术不容易掌握等因素，决定采用液位连通式防脱空装置，其工作原理如图3.6所示。
图3.6防脱空装置工作示意图
主要工材料为配电箱1个、漏电保护器1个、电源开关1个、继电器5个、指示灯5个铜芯绝缘线若干。接触端子采用绝缘铜芯导线设置，导线端头需裸露2cm长，控制箱宜固定在台车侧面显眼位置，方便观察，控制箱上方应设置遮挡防止混凝土掉落污染指示灯。为避免影响后期的二衬检测结果，接触端子导线设置在固定拱顶正中心的预留注浆管内，由注浆花管孔伸出孔外，接触端子导线末端剥出长度不小于 2cm 的金属头作为检测电极，检测电极两根金属对距离不小于10cm，且检测电极不能紧贴防水板，需留1cm的空隙，防止防水板面过度湿润引起指示灯亮起发出错误信息。
图3.7为防脱空装置安装示意图
根据现场施工经验发现拱顶脱空经常出现在距离砼输送泵管口较远台车两端的施工缝处，可适当在预留注浆管相应部位设置接触端子检测孔，有针对性的监测易脱空部位的浇筑质量，接触端子为一束多芯导线，通过不同颜色导线所连接的指示灯确定对应部位的浇筑情况，如有未亮的指示灯可快速确定脱空大概位置，在混凝土初凝前采取处理措施。
图3.8防脱空装置及正常工作情况
接触端子导线穿入注浆花管可预先完成，避免工人占用隧道施工工序时间，缩短循环用时，同时实现对检测部位精确定位。防脱空装置工作完成后，在下一道带模注浆工序施工前由工人将导线抽出循环使用，节省材料。
3.3.3拱顶带模注浆工艺标准化
拱顶带模注浆是控制衬砌施工质量的最后一道工序，在注浆泵的作用下将拱顶剩余脱空部位用浆液填满，完成二衬施工工序。
二衬施工前在台车拱顶两端和中部预留3个径向排气管，排气管为φ30mm预制高强活性粉末混凝土管，顶部管口设置深度和宽度为10～20mm的U型溢浆槽。径向排气管固定端由两段Φ42×3mm无缝钢管采用法兰盘连接，两段长度分别为5cm和20cm。长度5cm的焊接固定在台车上，下部20cm用法兰盘连接。台车定位后将φ30mm高强活性粉末混凝土管通过固定端穿入二次衬砌顶部，管口与防水板顶紧，使防水板与初支面密贴并确定好排气管的长度，如图3.9、3.10。
图3.9 高强活性粉末混凝土管及设置情况
图3.10径向排气管结构示意图
拱顶纵向注浆管、排气管均采用Φ30mm的PVC管，排气加工为花管安装前穿入防脱空接触端子，花管孔间距15cm，孔径5mm，梅花型布置，防脱空接触端子导线伸出部分可根据需要适当加宽孔径。将注浆管与排气管用固定条焊接固定于拱顶，两管间距5～8cm，固定条间距为1m，固定条采用40cm×10cm矩形防水板预贴于防水板上。PVC管加长采用直接接头连接。如图3.11。
图3.11 纵向注浆管排气管布置示意图
注浆完成后拆除径向混凝土管，方便台车脱模。
3.3.4标准化工艺施工效果验证
三台山隧道以2#斜井工点为新工艺试验工点，以连续3版二衬施工作为试验段，严格按照施工工艺执行，现场负责人全程落实，做好施工记录。达到检测条件后采用地质雷达进行脱空检测，如图3.12.其检测结果与预期一致，均未出现大面积脱空质量缺陷，合格率为100%。可对隧工点进行推广使用。
图3.12 雷达检测波形图
3.4问题库与质量管理体系建立
隧道工程由于其工作面的特殊性，施工风险性，质量缺陷问题整改会造成巨大损失，新的施工工艺需要与之相配套的完善的质量管理体系。大瑞项目根据铁路总公司要求积极推广应用铁路工程管理平台，将拌合站、试验室、问题库统一形成信息化管理体系，对拌合站混凝土出厂进行源头控制，对试验室试验进行实时预警，根据问题库对缺陷持续跟踪。传统管理方式与新的信息化技术相结合，有效保证施工质量可控。
四、结论与展望
本文首先根据新奥法理论基础对隧道施工基本原则进行说明，结合大瑞铁路工程项目的施工经验对隧道拱顶脱空质量问题进行缺陷分析与处理整治。通过采取防水板施工工艺、防脱空装置应用、拱顶带模注浆技术有效减少隧道拱顶脱空缺粮缺陷发生，积累宝贵的施工经验，为全项目隧道施工提供参考和借鉴。本文的创新之处在于通过多道工序的施工工法管控，形成质量管理体系，实现隧道施工质量的提高，同时兼顾考虑到对施工进度的影响，保证施工企业利益。
参考文献：
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论文作者:张先宇
论文发表刊物:《基层建设》2019年第12期
论文发表时间:2019/7/19
标签：拱顶论文; 隧道论文; 围岩论文; 注浆论文; 缺陷论文; 工序论文; 混凝土论文; 《基层建设》2019年第12期论文;