劉 斌,袁 軍,伍毅敏
(1.大同公路分局, 山西大同市 037006;2.山西遠方路橋有限公司, 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重的安全質(zhì)量控制問題進行探討,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,其風險更高[1]。由于隧道圍巖穩(wěn)定性和支護結(jié)構(gòu)荷載大小與其開挖支護質(zhì)量、時機等密切相關(guān),隧道開挖和支護中的一些缺陷,表面看似不嚴重,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、后果嚴重而又容易被忽視的關(guān)鍵問題進行分析探討,以引起工程管理和技術(shù)工作者的重視。
管棚是隧道洞口段、塌方段和極差圍巖段超前支護加強的主要手段,具有超前長度大和支護剛度強的特點。管棚的作用機理類似于梁,其前端支撐于未開挖圍巖,后端支撐于套拱,形成大剛度的棚護結(jié)構(gòu),嚴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。
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,也不能進入開挖輪廓線,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)這一目標的基本保障手段。如果外插角過大,隨著鉆進深度的增大,鋼管距離開挖輪廓線越來越遠;而另一方面,由于鉆桿自重的影響或其剛度不足,隨著鉆進深度的增大,鉆頭將逐步下?lián)?,最終可能進入開挖輪廓線。目前我國公路、鐵路隧道管棚鉆進大多采用潛孔鉆機鉆孔,當管棚長度超過20m時,管棚下?lián)线M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,其鉆孔質(zhì)量難以檢測,而一旦施工質(zhì)量沒有達到設(shè)計要求,將可能引起嚴重后果。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,塌方或大量掉塊不可避免,由于誤以為有管棚棚護,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,必須采取其它措施加強超前支護,否則也容易出現(xiàn)塌方。
因此,為了避免管棚遠離或侵入開挖輪廓線,必須嚴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。
由于管棚完全依靠鋼管的大剛度強制抵抗圍巖變形,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行連接。由于焊接質(zhì)量欠佳、焊條選型不當,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,必須嚴格要求管棚鋼管采用套箍連接,確保連接部位的剛度。
超前錨桿或超前小導(dǎo)管是隧道超前支護的2種主要形式。通過超前錨桿和超前小導(dǎo)管的預(yù)支護作用,在拱圈環(huán)向形成一個小的棚護結(jié)構(gòu),同時也在縱向加強圍巖間的聯(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)支護的軟弱圍巖被當作已經(jīng)預(yù)支護來進行開挖和支護,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 超前支護搭接長度不足
超挖通常是隧道鉆爆法施工不可避免的問題。當超挖量值不大時,按照錨噴初期支護的一般施工方法,可以將這些超挖部分填平,不會引起質(zhì)量安全問題。當超挖量值較大時,如達到50cm,甚至1m以上,按照施工規(guī)范要求采用噴射混凝土進行回填,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?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,由于初期支護背后存在空腔,圍巖和初期支護結(jié)構(gòu)并沒有達到相互作用、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,達到一定程度時,可能引起掉塊、坍塌,給初期支護結(jié)構(gòu)施加一個沖擊荷載,導(dǎo)致初期支護裂損或坍塌。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)嚴格按要求回填密實,初期支護完成后,還應(yīng)采用地質(zhì)雷達進行掃描檢測,發(fā)現(xiàn)空洞后通過注漿等方法進行充填。
鋼支撐是柔性初期支護結(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結(jié)構(gòu)剛度較小、強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。
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)存在一定的隨機性。當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。
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,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,相鄰節(jié)段的工字鋼不能準確連接的現(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。當不能準確連接時,少穿甚至不穿高強螺栓、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、強度和穩(wěn)定性的預(yù)期和設(shè)想不符,從而使初期支護失穩(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,加強檢查,確保連接牢固。與此同時,仍有必要研究其它連接方法。
隧道仰拱使整個支護襯砌結(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仰拱部分。在施工中,將初期支護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部分或在初期支護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。
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(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行定位和彎曲,當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。
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。