江星宏，閆明超，曾 鵬，楊新安

（1.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201804；2.中國中鐵五局四公司，廣東 韶關(guān)512031）

高鐵隧道復合襯砌脫空統(tǒng)計分析與防治

江星宏1，閆明超2，曾 鵬2，楊新安1

（1.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201804；2.中國中鐵五局四公司，廣東 韶關(guān)512031）

隧道施工中襯砌脫空缺陷廣泛存在，若處理不及時將極大的影響襯砌結(jié)構(gòu)承載力和耐久性?，F(xiàn)有研究多局限于分析拱頂脫空的成因、影響和整治方法，缺乏探究襯砌脫空的分布規(guī)律、空洞特性及其與圍巖條件的關(guān)系。通過統(tǒng)計方法分析某隧道整治前后無損檢測結(jié)果，可得襯砌脫空為主要施工缺陷，拱頂脫空占總脫空37%；脫空長度分布服從λ為4.76 m的泊松函數(shù)，深度分布服從N(9.3,3.62)的正態(tài)分布；圍巖條件越好，脫空長度越大，深度越小；注漿整治效果在拱頂好而在邊墻部分較差。研究結(jié)果對脫空缺陷無損檢測、脫空處理及施工預防具有重要意義。

襯砌脫空；脫空位置；脫空長度；脫空深度；注漿整治

隨著我國鐵路線網(wǎng)結(jié)構(gòu)的不斷完善和線網(wǎng)水平的提高，大量隧道正在或計劃修建。受圍巖條件復雜、施工控制不嚴和混凝土材料自身收縮徐變等因素的影響，新建隧道襯砌脫空缺陷嚴重，為隧道開裂、滲漏水、壓潰掉塊等病害的發(fā)生埋下隱患[1]。

國內(nèi)外學者針對襯砌脫空的危害和機理、檢測與防治做了大量研究[2-5]，對地質(zhì)雷達無損檢測在脫空防治中的應用做了大量試驗，對其測量和解析做出了標定[6-8]。研究表明，地質(zhì)雷達脫空檢測精度達探測電磁波波長的1/4[8]，一般小于50 mm，對于確定空洞大小及識別空洞特征具有良好效果。現(xiàn)有研究多局限于分析襯砌拱頂脫空的成因、影響和整治方法，缺乏探究脫空空洞大小與圍巖等級及斷面形式的關(guān)系，對襯砌脫空后結(jié)構(gòu)不良狀態(tài)的研究停留在數(shù)值模擬階段，缺乏實測驗證[9]。

本文結(jié)合某隧道襯砌脫空無損檢測結(jié)果，統(tǒng)計分析襯砌脫空分布的長度特征、深度特征及注漿整治結(jié)果，對施工缺陷類型、脫空分布、脫空規(guī)律及注漿整治效果進行研究。

1 背景介紹

某隧道為國內(nèi)在建特長隧道之一，是滬昆客專全線控制性工程。隧區(qū)由一系列北東向平行排列的開闊短軸褶曲和高角度壓性逆沖斷層組成，區(qū)內(nèi)節(jié)理發(fā)育，節(jié)理面張開1～15 mm，延伸長度0.5～5 m。隧區(qū)斷裂破碎帶與地表分水嶺一致，地表水沿斷層裂隙下滲。隧區(qū)集高承壓水、巖溶、斷層破碎帶、煤層瓦斯、采空區(qū)、高地應力、巖爆等不良地質(zhì)于一體，施工難度大，屬一級高風險隧道。為控制開挖風險，保障施工安全和工期，應對施工襯砌脫空進行重點控制。

2 病害類型與脫空分布

隧道開挖、支護完成后，主要存在初支脫空、初支后不密實、二襯后脫空、二襯后不密實和二襯厚度不足等缺陷。本隧道缺陷統(tǒng)計共468處，其中脫空385處，占82%；不密實或欠密實共61處，占13%；欠厚14處，占4.7%。襯砌脫空為隧道施工中最主要缺陷類型，施工中需重點預防。

無損檢測縱向測線分別布置在隧道拱頂、左拱腰、左邊墻、左仰拱、右拱腰、右邊墻、右仰拱。統(tǒng)計各部位脫空情況如圖1所示。

由圖可知，隧道拱頂脫空最多，占37%，左、右邊墻脫空分別占15%、23%，左右拱腰各占11%，仰拱小于5%。對比分析可知，脫空發(fā)生概率由大到小依次為拱頂、邊墻、拱腰、仰拱。拱頂脫空為主要脫空，邊墻、拱腰脫空相對較少，但仍占相當比例，在脫空特征識別及脫空缺陷防治時不容忽略。

不同圍巖條件下施工工法與支護參數(shù)存在差異，脫空特征及其影響程度不同。不同圍巖條件下襯砌脫空統(tǒng)計如圖2所示。由圖可知，任意等級圍巖拱頂脫空均最多，占總脫空的30%～50%。Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級圍巖邊墻脫空比例大于拱腰，Ⅴ級圍巖邊墻脫空少于拱腰。圍巖越好，開挖變形越小，因施工控制不良引起的襯砌脫空缺陷無法由圍巖變形充填，脫空出現(xiàn)的可能性越高，對于脫空缺陷的檢測和防治不宜只針對工程地質(zhì)不良區(qū)段，需全面進行。

圖1 不同部位襯砌脫空分布示意圖Fig.1 Distribution of lining disengaging

圖2 不同圍巖等級襯砌脫空分布Fig.2 Distribution of lining disengaging in different surrounding rock

3 脫空特性

隧道脫空沿線路縱向為脫空長度，沿隧道徑向為脫空深度，沿隧道環(huán)向為脫空寬度。對脫空長度、脫空深度及不同圍巖條件下脫空分布特征進行研究，分析脫空性狀，有利于無損檢測測線布置、地質(zhì)雷達天線主頻率選定、整治方案及注漿參數(shù)選定。

3.1 長度規(guī)律

脫空長度與圍巖條件、支護設計和開挖方法及作業(yè)人員技術(shù)能力等相關(guān)，襯砌脫空長度分布情況如圖3中散點所示。由圖可知，長度小于5 m時，脫空頻率隨脫空長度增加而線性遞增；長度大于5 m時，脫空頻率隨脫空長度增加而指數(shù)下降；分布規(guī)律與泊松分布相似。函數(shù)擬合得到此分布函數(shù)見圖3右上角，擬合曲線如圖中實線所示，擬合結(jié)果與概率分布散點圖有較好的一致性，能較好的反映散點分布規(guī)律[10]。受圍巖條件、臺車剛度、混凝土質(zhì)量、施工質(zhì)量等因素的綜合影響，脫空長度分布期望值為4.76 m，脫空長度主要介于4～8 m。此分布規(guī)律可用于確定注漿整治中注漿孔的布置及注漿量的確定，也可用于分析脫空產(chǎn)生原因，確定預防措施。

統(tǒng)計不同圍巖等級脫空數(shù)目、脫空長度如表1。由表可知，檢測區(qū)段內(nèi)脫空發(fā)生在Ⅲ、Ⅳ級圍巖的次數(shù)較多，Ⅱ、Ⅴ級較少，這與圍巖條件及支護方式相關(guān)。隨著圍巖等級的提高，脫空長度均值由大變形區(qū)段的5.14 m增加到Ⅱ級圍巖的7.33 m，平均脫空長度呈線性增加。圍巖條件的好壞決定開挖、支護方式及圍巖變形能力，對襯砌脫空長度有較大影響。

筆者認為，盡管“及時、充分、有效”的補償標準,可以最大程度地保護外國投資者的利益,但卻會給東道國帶來沉重的經(jīng)濟負擔，不利于東道國保護文化遺產(chǎn)政策的執(zhí)行。因此，在補償標準的確定上,首先應充分尊重雙方當事人的意思自治，優(yōu)先適用雙方在投資條約中關(guān)于補償標準的約定；其次，若缺少協(xié)議約定或約定不明,則在一方提起仲裁或訴諸其他爭端解決程序后,應根據(jù)適當補償?shù)脑瓌t,既要考慮東道國保護自然和文化遺產(chǎn)的國家責任和義務,也要兼顧外國投資者的經(jīng)濟利益,根據(jù)外國投資者實際損失或可預見范圍內(nèi)的合理損失來確定賠償?shù)臄?shù)額。

統(tǒng)計進口雙線大跨段和左右洞單線段脫空數(shù)目、脫空長度如表2。雙線大跨段和左右洞單線段襯砌單位脫空間距均約為20 m，大跨段略大；大跨段平均脫空長度為7.55 m，大于單線段平均脫空長度6.52 m。大跨段同等條件下隧道開挖面積更大，二襯混凝土設計厚度和收縮徐變更大，模板臺車更長，施工控制更難，脫空長度較單線段增長1 m。相較于單線段，大跨段圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)受力更為復雜，更大的脫空長度會使其受力狀態(tài)進一步惡化，施工中須加大防治力度。

圖3 襯砌脫空長度分布及特性擬合Fig.3 Distribution and feature fitting of disengaging length

表1 不同等級圍巖脫空長度Tab.1 Disengaging length of different surrounding rock levels

表2 不同區(qū)段圍巖脫空長度Tab.2 Different disengaging length between large-scale section and normal single section

3.2 深度規(guī)律

襯砌脫空深度分布如圖4中散點所示。由圖可知，脫空深度為10 cm時頻率最高，并以10 cm為中心向兩側(cè)遞減，整體上表現(xiàn)為正態(tài)分布。采用正態(tài)分布擬合得圖中正態(tài)曲線，擬合結(jié)果與散點分布具有較好一致性。由擬合結(jié)果可知，隧道脫空深度期望值為9.3 cm，標準差為3.6 cm，隧道脫空深度主要集中于7～12 cm。

不同圍巖等級襯砌脫空缺陷統(tǒng)計結(jié)果如表3所示。由表可知，隨圍巖等級的降低，襯砌脫空深度由Ⅱ級圍巖平均脫空深度8.63 cm增加到大變形圍巖的12.71 cm，表明圍巖條件極大地影響了襯砌脫空深度，圍巖條件越好，襯砌脫空深度越小，圍巖條件越差，脫空深度越大。

襯砌脫空深度在隧道不同部位分布情況如表4所示。由表可知，隧道不同部位脫空深度為8～12 cm，右仰拱及拱頂平均脫空深度最大，分別為11.6，10.51 cm，邊墻部分脫空相對較小，不同部位圍巖脫空深度沒有明顯差別，最大脫空深度與最小脫空深度相差3 cm。

表3 不同等級圍巖脫空深度Tab.3 Disengaging depth of different levels of surrounding rock

圖4 脫空深度分布及擬合特性Fig.4 Distribution and feature fitting of lining diseng aging depth

表4 脫空深度在不同部位分布Tab.4 Distribution of lining disengaging depth

4 脫空危害

隧道襯砌脫空是施工過程中普遍存在的缺陷類型，產(chǎn)生原因很多，如開挖爆破質(zhì)量控制不佳、塌方處理不徹底、回填不密實、防水板掛設松弛度不當、注漿壓力不足、泵管拆除過早、模架變形和混凝土收縮等。脫空缺陷的存在使附近圍巖失去支承，引起二次松弛土壓，導致脫離掉塊或圍巖塌方；脫空缺陷的存在使得襯砌結(jié)構(gòu)受力不均，引起局部應力集中，使混凝土開裂，地下水進入其中腐蝕鋼筋，影響襯砌結(jié)構(gòu)使用壽命及運營安全[3-6]。

分析可知，無脫空缺陷存在時，圍巖與襯砌結(jié)構(gòu)相互作用下，襯砌拱部彎矩較小，邊墻和仰拱部位彎矩較大，邊墻外側(cè)、仰拱內(nèi)側(cè)拉應力較大；拱頂脫空時，拱頂和拱腰彎矩明顯加大，約為無脫空情況的2倍，拱頂外側(cè)，拱腰內(nèi)側(cè)出現(xiàn)較小拉應力；拱腰脫空時，襯砌結(jié)構(gòu)受力極度不利，結(jié)構(gòu)最大彎矩為無脫空時20多倍，拱腰內(nèi)側(cè)拉應力集中；邊墻脫空時，最大彎矩位于邊墻脫空部位，為無脫空時5倍，脫空部位外側(cè)、臨近脫空部位內(nèi)側(cè)出現(xiàn)拉應力集中。

脫空缺陷的存在，極大的破壞了圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)間的協(xié)同受力，影響二襯結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，脫空處及脫空四周產(chǎn)生集中應力，拱腰脫空時影響最大。過大拉應力分布易引起混凝土開裂，降低結(jié)構(gòu)防水功能，影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和耐久性，給運營安全埋下隱患。

5 脫空整治與評價

綜合考慮施工可行性和整治成本，采用控制注漿方式進行脫空缺陷整治，整治流程如圖6所示。

參考《高速鐵路隧道工程施工技術(shù)指南》[11]，二襯混凝土強度達到設計強度后采用貼近防水板面的預埋注漿管逐級加壓注漿。注漿前打開所有止?jié){閥門，先對每組二襯混凝土最低處的注漿孔注漿，當水泥砂漿從其它注漿管溢出時，用木塞加無紡布堵塞有砂漿溢出注漿管。豎向預留孔注漿壓力為0.3～0.5 MPa，縱向預留孔壓力為0.2 MPa，注漿達到設計終壓或排氣孔出漿后，即可終止注漿。

注漿整治完成后，對385處檢測出的脫空缺陷中141處進行復查，不同位置處置后缺陷分布情況分布如表5所示。由表可知，經(jīng)隧道脫空缺陷注漿整治后，112處脫空消失，29處缺陷仍存在，整治成功率為79.4%，總體效果良好。拱頂?shù)恼涡Ч罴眩纬晒β蔬_到95.1%，拱腰次之，邊墻成功率最低，僅為45.1%。注漿整治脫空缺陷具有局限性，在拱頂注漿整治效果好而在邊墻效果不佳，在脫空缺陷整治時，需分別從產(chǎn)生機理、影響程度、整治方法等各方面分別對拱頂、拱腰、邊墻制定整治方案。

圖6 注漿整治流程圖Fig.6 Flowchart of grouting treatment

表5 注漿處理后脫空情況表Tab.5 Disengaging situation after grouting treatment

排除支護設計上的不足，脫空缺陷產(chǎn)生的主要原因為施工控制不足，本質(zhì)問題為施工工藝落后和管理松散，欲消除襯砌脫空缺陷，必須從材料控制，工藝控制出發(fā)，加強施工管理，提高施工水平，具體措施有：加強光面爆破控制和初支控制；控制防水板掛貼松弛度；確保封頭模板拼接密貼、牢靠；振搗密實混凝土等。邊墻脫空整治成功率較低，需盡可能從源頭上減少其發(fā)生。

6 結(jié)論

本文統(tǒng)計分析了某隧道缺陷類型、脫空分布、脫空特性和注漿整治效果，通過分析可以得到如下結(jié)論：

1）襯砌脫空為主要施工缺陷，在各級襯砌中普遍存在，施工過程中需重點防治。

2）拱頂、拱腰、邊墻處均有較大比例脫空分布，頂部脫空最多，占37%，拱腰及邊墻脫空較小但不利程度更大，各部位脫空防治具有同等重要性。

3）隧道脫空與圍巖條件相關(guān)，圍巖條件越好，脫空長度越長；圍巖條件越差，脫空深度越大。

4）脫空長度總體服從λ=4.76泊松分布，大斷面雙線隧道平均脫空長度7.55 m略大于左右線。

5）襯砌脫空深度近似服從N（9.3,3.62）正態(tài)分布，脫空深度主要為7～12 cm；拱頂脫空與其他部位脫空深度無明顯差異，均值介于8～12 cm。

6）注漿整治脫空缺陷具有局限性，整治成功率為79.4%；拱頂?shù)恼涡Ч罴眩_到95.1%，邊墻最低，僅為45.1%。

總之，脫空缺陷一旦產(chǎn)生就很難消除，只有結(jié)合工程實際，從源頭上控制才能有效減少襯砌脫空的發(fā)生。

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Statistical Analysis and Prevention of Voids in Composite Linings of High-speed Railway Tunnels

Jiang Xinghong1,Yan Mingchao2,Zeng Peng2，Yang Xinan1
(1.Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education,Tongji University,Shanghai 201804, China；2.The Fourth Branch of the Fifth Bureau of China Railway Engineering Corporation,Shaoguan 512031,China)

The lining void exists widely in the construction of tunnels,which would in time have a negative impact on the capacity and the durability of the lining structure without being dealt with.The studies nowadays mostly focus on the causes of the void in the crown of the arch,as well as its influence and solution.While the studies on the distribution,characteristics of the void,and the relationship between the void and the condition of the surrounding rock are lacking.Through the statistical analysis of the nondestructive testing results on the tunnel,it found out that the lining void is the main defect during the construction.It concludes that 37%of voids happened in the crown.The length of void is in accordance with Passion distribution/function with the λ of 4.76m.The distribution of lining disengaging depth is in accordance with the normal distribution of N(9.3,3.62). The better the condition of surrounding rock is,the bigger length and the smaller depth the void has.Grouting has more positive effects on the void in the crown than in the side wall.Results are of great importance for the nondestructive testing,solution and prevention of the void during constructions.

lining void;void position;void length;void depth;grouting treatment

U25

A

1005-0523（2015）06-0008-06

(責任編輯 姜紅貴)

2015－06－11

江星宏（1991—）,男,碩士研究生,主要研究方向為隧道工程，城市地下工程。

楊新安（1964—）,男,教授,博士生導師,主要研究方向為隧道工程，城市地下工程。