劉 斌，袁 軍，伍毅敏

（1.大同公路分局， 山西大同市 037006；2.山西遠(yuǎn)方路橋有限公司， 山西大同市 037006；3.中南大學(xué)土木工程學(xué)院， 湖南長沙 410075）

淺議隧道施工質(zhì)量安全控制的幾個關(guān)鍵點

劉 斌1，袁 軍2，伍毅敏3

（1.大同公路分局， 山西大同市 037006；2.山西遠(yuǎn)方路橋有限公司， 山西大同市 037006；3.中南大學(xué)土木工程學(xué)院， 湖南長沙 410075）

立足于我國隧道施工現(xiàn)狀，對施工中多發(fā)的、易忽視但后果十分嚴(yán)重的安全質(zhì)量控制問題進(jìn)行探討，主要涉及管棚安裝質(zhì)量、超前錨桿（小導(dǎo)管）搭接長度、超挖回填、鋼支撐安裝質(zhì)量、仰拱開挖澆筑質(zhì)量和二襯鋼筋綁扎質(zhì)量。通過分析易發(fā)問題的現(xiàn)象、原因和后果，提出了控制要求及對策。

隧道施工；安全質(zhì)量；管棚安裝；超挖回填；仰拱開挖

相對于橋梁和路基，隧道施工面臨更大的不確定性，其風(fēng)險更高［1］。由于隧道圍巖穩(wěn)定性和支護(hù)結(jié)構(gòu)荷載大小與其開挖支護(hù)質(zhì)量、時機(jī)等密切相關(guān)，隧道開挖和支護(hù)中的一些缺陷，表面看似不嚴(yán)重，實際卻可能成為影響隧道質(zhì)量和安全的決定性因素，甚至可能帶來災(zāi)害性的后果，給隧道運營帶來不利影響［2－3］。本文根據(jù)作者長期深入施工一線的經(jīng)驗，在規(guī)范要求的基礎(chǔ)上［4－5］，按照施工順序，對一些多發(fā)的、后果嚴(yán)重而又容易被忽視的關(guān)鍵問題進(jìn)行分析探討，以引起工程管理和技術(shù)工作者的重視。

1 管棚安裝質(zhì)量

管棚是隧道洞口段、塌方段和極差圍巖段超前支護(hù)加強(qiáng)的主要手段，具有超前長度大和支護(hù)剛度強(qiáng)的特點。管棚的作用機(jī)理類似于梁，其前端支撐于未開挖圍巖，后端支撐于套拱，形成大剛度的棚護(hù)結(jié)構(gòu)，嚴(yán)格控制隧道拱部軟弱圍巖的變形，防止松動和坍塌。確保管棚位于開挖輪廓線外側(cè)較近位置，并具有良好的剛度，是管棚發(fā)揮作用的兩個重要方面，也是容易出現(xiàn)質(zhì)量問題的方面。

1.1 鋼管外插角和撓度

為了保證管棚的鋼管位于開挖輪廓線外側(cè)合適位置，既不偏離太遠(yuǎn)，也不能進(jìn)入開挖輪廓線，管棚的鋼管必須以一個較小的角度（一般為1°～2°）鉆孔。管棚鉆孔時的合理外插角是實現(xiàn)這一目標(biāo)的基本保障手段。如果外插角過大，隨著鉆進(jìn)深度的增大，鋼管距離開挖輪廓線越來越遠(yuǎn)；而另一方面，由于鉆桿自重的影響或其剛度不足，隨著鉆進(jìn)深度的增大，鉆頭將逐步下?lián)?，最終可能進(jìn)入開挖輪廓線。目前我國公路、鐵路隧道管棚鉆進(jìn)大多采用潛孔鉆機(jī)鉆孔，當(dāng)管棚長度超過20m時，管棚下?lián)线M(jìn)入隧道開挖輪廓線的現(xiàn)象較為普遍，如圖1所示。

圖1 管棚侵入開挖輪廓線

由于管棚屬于超前支護(hù)，其鉆孔質(zhì)量難以檢測，而一旦施工質(zhì)量沒有達(dá)到設(shè)計要求，將可能引起嚴(yán)重后果。如果管棚超出開挖輪廓線較多，管棚下方大量土體則不能得到棚護(hù)，塌方或大量掉塊不可避免，由于誤以為有管棚棚護(hù)，這種塌方或掉塊往往容易被忽視而導(dǎo)致較大危害。如果管棚下?lián)锨秩腴_挖輪廓線，隧道掘進(jìn)過程不得不割斷管棚鋼管，導(dǎo)致軟弱圍巖段沒有管棚棚護(hù)，必須采取其它措施加強(qiáng)超前支護(hù)，否則也容易出現(xiàn)塌方。

因此，為了避免管棚遠(yuǎn)離或侵入開挖輪廓線，必須嚴(yán)格按照先施工套拱和管棚導(dǎo)向管、后鉆孔的工序施工，管棚導(dǎo)向管應(yīng)精確定位。管棚的實際外插角應(yīng)根據(jù)圍巖硬度和管棚長度靈活調(diào)整。

1.2 鋼管連接質(zhì)量

由于管棚完全依靠鋼管的大剛度強(qiáng)制抵抗圍巖變形，鋼管是否確實具備局部設(shè)計所需的大剛度，將直接影響其作用效果。管棚采用無縫鋼管制成，一般位置的剛度容易保證，而鋼管的連接質(zhì)量就成為控制其剛度的關(guān)鍵點。

為了保證鋼管的連接質(zhì)量，在設(shè)計中，通常都要求采用套箍進(jìn)行鋼管連接。但是，在實際施工中，不少施工單位怕麻煩、圖省事，往往采用焊接的方法進(jìn)行連接。由于焊接質(zhì)量欠佳、焊條選型不當(dāng)，焊接部位剛度下降、甚至幾乎喪失的現(xiàn)象時有發(fā)現(xiàn)，如圖2所示。

圖2 管棚鋼管焊接質(zhì)量不符合要求

由于鋼管連接質(zhì)量不能滿足要求，導(dǎo)致其剛度不能滿足要求，也就直接導(dǎo)致管棚失效，從而可能引起突發(fā)塌方。因此，為了保證安全，必須嚴(yán)格要求管棚鋼管采用套箍連接，確保連接部位的剛度。

2 超前錨桿（或小導(dǎo)管）搭接長度

超前錨桿或超前小導(dǎo)管是隧道超前支護(hù)的2種主要形式。通過超前錨桿和超前小導(dǎo)管的預(yù)支護(hù)作用，在拱圈環(huán)向形成一個小的棚護(hù)結(jié)構(gòu)，同時也在縱向加強(qiáng)圍巖間的聯(lián)系和約束，以避免軟弱圍巖開挖后出現(xiàn)坍塌。

超前支護(hù)施工經(jīng)常被忽視的問題是縱向搭接長度不足或者沒有搭接，如圖3所示。此時，軟弱圍巖外側(cè)的棚護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)間斷，圍巖的縱向連接也不能實現(xiàn)。而這種情況出現(xiàn)時，沒有預(yù)支護(hù)的軟弱圍巖被當(dāng)作已經(jīng)預(yù)支護(hù)來進(jìn)行開挖和支護(hù)，使得掉塊、坍塌顯得出乎預(yù)料，其危害也很大，因此應(yīng)注意避免。

圖3 超前支護(hù)搭接長度不足

3 隧道超挖回填

超挖通常是隧道鉆爆法施工不可避免的問題。當(dāng)超挖量值不大時，按照錨噴初期支護(hù)的一般施工方法，可以將這些超挖部分填平，不會引起質(zhì)量安全問題。當(dāng)超挖量值較大時，如達(dá)到50cm，甚至1m以上，按照施工規(guī)范要求采用噴射混凝土進(jìn)行回填，不僅需要耗費噴射混凝土材料，也要占用大量時間。在這種情況下，偷工減料現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，不適當(dāng)?shù)淖龇ㄖ饕?類：一是將石棉瓦等薄殼材料安裝在鋼支撐背后作為模板；二是將隧道棄渣中的片石堆砌在鋼支撐背后的鋼筋網(wǎng)上。這2種做法都可以阻擋噴射混凝土充填超挖部分，減少噴射混凝土用量，縮短噴射時間。

上述做法在初期支護(hù)背后留下空洞，給隧道工程質(zhì)量和結(jié)構(gòu)安全帶來巨大隱患。一方面，由于初期支護(hù)背后存在空腔，圍巖和初期支護(hù)結(jié)構(gòu)并沒有達(dá)到相互作用、相互平衡的預(yù)期狀態(tài)，圍巖松動和變形可以持續(xù)發(fā)展，達(dá)到一定程度時，可能引起掉塊、坍塌，給初期支護(hù)結(jié)構(gòu)施加一個沖擊荷載，導(dǎo)致初期支護(hù)裂損或坍塌。尤其危險的是，圍巖松動和變形的過程是隱蔽的，這使得初期支護(hù)的坍塌顯得十分突然，因而危害極大。另一方面，即使空洞附近的圍巖最終能夠保持穩(wěn)定，空腔將成為地下水滲水、聚集的空間，容易引起隧道滲漏水，水和空氣的交互作用，也會加速鋼材銹蝕和混凝土老化。

因此，隧道圍巖超挖后，應(yīng)嚴(yán)格按要求回填密實，初期支護(hù)完成后，還應(yīng)采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行掃描檢測，發(fā)現(xiàn)空洞后通過注漿等方法進(jìn)行充填。

4 鋼支撐安裝質(zhì)量

鋼支撐是柔性初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的重要補充，主要用于彌補軟弱圍巖條件下錨噴支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度較小、強(qiáng)度形成速度稍慢等不足。鋼支撐施工除了控制原材材質(zhì)、規(guī)格，安裝間距和垂直度外，還應(yīng)特別注意鋼支撐基底不實、連接不牢等問題。

4.1 鋼支撐基底

型鋼支撐通常在洞外加工成形后搬運到隧道內(nèi)拼裝。洞外加工時，下料和冷彎都是按照統(tǒng)一設(shè)計要求進(jìn)行的，而隧道內(nèi)實際開挖尺寸（尤其是開挖高度）存在一定的隨機(jī)性。當(dāng)隧道開挖高度超過預(yù)期，或開挖高度雖然和預(yù)期一致，但拱腳為松軟地層時，就會導(dǎo)致鋼支撐安裝完成支護(hù)時底部懸空或置于松軟地層上。鋼支撐底部懸空時，不少單位隨意用塊石墊在基底（見圖4）。如果鋼支撐基底不實或墊的塊石不穩(wěn)定，一旦承載，就可能發(fā)生大幅度沉降，引起初期支護(hù)裂損，甚至突然發(fā)生失穩(wěn)，導(dǎo)致塌方。這類由于拱腳不實引起失穩(wěn)坍塌是除掌子面塌方之外的最常見塌方類型。

圖4 鋼支撐基底墊石不穩(wěn)固

針對這一問題，如果不改用其它形式的鋼支撐，應(yīng)預(yù)制楔形混凝土塊以備鋼支撐基底支墊所用，否則應(yīng)采用鋼板、厚模板支墊，與此同時，應(yīng)在鋼支撐底部增加鎖腳錨桿或鎖腳鋼管。最好可以改用U型鋼或鋼管作為鋼支撐，這類支撐可以通過相鄰節(jié)段的滑移，使鋼支撐長度滿足實際開挖要求。

4.2 鋼支撐連接

由于下料和冷彎尺寸與實際開挖不符，以及因安裝定位不準(zhǔn)，還可能導(dǎo)致鋼支撐連接困難。按照設(shè)計要求，鋼支撐要求采用高強(qiáng)螺栓和連接鋼板連接，但是，由于開挖尺寸和預(yù)期不符、安裝定位不準(zhǔn)，相鄰節(jié)段的工字鋼不能準(zhǔn)確連接的現(xiàn)象十分常見。隧道采用側(cè)壁導(dǎo)洞、雙側(cè)壁導(dǎo)洞等分步施工時，這種現(xiàn)象尤為常見。當(dāng)不能準(zhǔn)確連接時，少穿甚至不穿高強(qiáng)螺栓、簡單焊接甚至不焊接的現(xiàn)象較為突出，這導(dǎo)致鋼支撐連接處成為十分薄弱的一個位置，與鋼支撐這一較高剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性的預(yù)期和設(shè)想不符，從而使初期支護(hù)失穩(wěn)、裂損、大變形顯得“出人意料”，引起災(zāi)害事故。

因此，在施工控制中，應(yīng)十分重視鋼支撐的連接問題，加強(qiáng)檢查，確保連接牢固。與此同時，仍有必要研究其它連接方法。

5 隧道仰拱開挖澆筑質(zhì)量

隧道仰拱使整個支護(hù)襯砌結(jié)構(gòu)形成一個封閉結(jié)構(gòu)，有利于改善結(jié)構(gòu)承載特性，并有效控制底部、遏制隧道沉降。但是，由于仰拱開挖時，上部初期支護(hù)一般都處于一個穩(wěn)定狀態(tài)，放松仰拱開挖和澆筑質(zhì)量的現(xiàn)象十分常見，開挖不到位、偷工減料和合并工序的現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生。

（1）仰拱開挖不到位。仰拱開挖時，實際開挖深度沒有達(dá)到設(shè)計要求。有的仰拱中部深度不足，即矢高不足，使仰拱的力學(xué)特性發(fā)生改變，有的仰拱實際做成水平的，完全不成拱。由于仰拱沒有形成預(yù)期的拱效應(yīng)，在運營過程中，仰拱中部往往出現(xiàn)上側(cè)受拉、內(nèi)側(cè)受壓的現(xiàn)象，最終導(dǎo)致仰拱開裂、斷裂，造成翻漿冒泥。此外，仰拱爆破開挖后，松散巖土體不能徹底清除，也是仰拱施工的多發(fā)問題。

（2）仰拱不分層澆筑。在軟弱圍巖區(qū)段，隧道路面以下通常包括路面結(jié)構(gòu)、仰拱填充、二襯仰拱部分和初期支護(hù)仰拱部分。在施工中，將初期支護(hù)和二次襯砌仰拱一次性澆筑的現(xiàn)象也比較常見，甚至有不做初期支護(hù)部分或在初期支護(hù)部分不放型鋼或鋼筋的現(xiàn)象，以次充好，對結(jié)構(gòu)承載有復(fù)雜的不利影響，最終導(dǎo)致隧道拱腳裂損或仰拱病害。

6 二襯鋼筋綁扎定位質(zhì)量

二襯鋼筋在結(jié)構(gòu)中起到提高截面抗彎、抗拉能力的作用，按照截面受力特點和設(shè)計要求，兩層二襯鋼筋應(yīng)當(dāng)對稱地布設(shè)在襯砌斷面的內(nèi)外兩側(cè)。但是，在實際施工中，二襯鋼筋的定位往往被忽視。定位不理想的現(xiàn)象主要有以下幾種。

（1）鋼筋整體偏向外側(cè)。二襯鋼筋通常不專門進(jìn)行冷彎加工，而是在隧道內(nèi)安裝時彎曲，這就使得鋼筋彎曲不到位的現(xiàn)象經(jīng)常出現(xiàn)，鋼筋普遍靠近初期支護(hù)（防水層），有時甚至緊貼防水層，如圖5所示。這不僅使二襯鋼筋起不到預(yù)期的抗彎拉作用，還會帶來保護(hù)層不足、鋼筋銹蝕的問題。

圖5 鋼筋緊貼防水層

（2）仰拱和邊墻連接處鋼筋不分層。仰拱鋼筋向邊墻鋼筋過渡時，經(jīng)常出現(xiàn)分層不清晰、兩層變一層的情況（見圖6），導(dǎo)致仰拱和邊墻連接處這一應(yīng)力集中的關(guān)鍵部位成為薄弱環(huán)節(jié)，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載能力下降。

圖6 仰拱與邊墻連接處鋼筋兩層變一層

（3）兩層鋼筋間距過小。二襯鋼筋依靠仰拱延伸出來的鋼筋進(jìn)行定位和彎曲，當(dāng)仰拱和邊墻交接處鋼筋不分層或間距過小時，直接導(dǎo)致整個拱圈結(jié)構(gòu)的兩層鋼筋間距過小，使截面的抗彎拉能力大幅度下降。

7 結(jié) 語

隧道施工具有施工環(huán)境惡劣而且隱蔽工程多的特點，必須精細(xì)化施工和管理。在整個施工流程中，由于基礎(chǔ)理論、觀念意識的欠缺，一些關(guān)鍵工序的質(zhì)量被忽視，以致僅僅因為管理或操作（而非節(jié)省材料和造價）的因素給隧道施工質(zhì)量和安全埋下巨大隱患，得不償失。相反，如果重視并抓好這些關(guān)鍵工序的施工控制，往往能夠以較小的經(jīng)濟(jì)和時間成本使隧道質(zhì)量安全水平顯著提高。

［1］郭明香，傅鶴林，沈 弘.隧道施工風(fēng)險的動態(tài)分析［J］.采礦技術(shù)，2008，8（4）：105－106.

［2］曹建平，王榮勁，曹大明.既有隧道維修加固施工技術(shù)［J］.隧道建設(shè)，2008，28（1）：97－101.

［3］莊石云.既有隧道維修加固施工技術(shù)［J］.采礦技術(shù)，2010，10（3）：50－51.

［4］JTJ D70－2004.公路隧道設(shè)計規(guī)范［S］.

［5］JTG F60－2009.公路隧道施工技術(shù)規(guī)范［S］.

2011－11－07）

劉 斌（1973－），男，山西大同人，工程師，從事工程管理工作。