吳 軍
(中國國家鐵路集團(tuán)有限公司建設(shè)管理部,北京 100844)
根據(jù)《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》(發(fā)改基礎(chǔ)[2016]1536號),到2025年,我國鐵路網(wǎng)規(guī)模將達(dá)到17.5萬km左右,其中高速鐵路達(dá)到3.8萬km[1]。路網(wǎng)規(guī)??焖贁U(kuò)大[2-4],對于施工、設(shè)計(jì)、驗(yàn)收的質(zhì)量水平都提出了更高的要求,而隱蔽工程的施工質(zhì)量是關(guān)乎鐵路工程質(zhì)量的核心問題。
隱蔽工程是指在施工過程中某一項(xiàng)工序所完成的工程實(shí)物,被后續(xù)的工序或分項(xiàng)形成的工程實(shí)物所覆蓋、包裹、遮擋,而且不可以逆向作業(yè),包括不易直接檢查或量測的工程[5-7]。隱蔽工程施工質(zhì)量對整個鐵路工程建設(shè)質(zhì)量至關(guān)重要,施工過程中隱蔽工程質(zhì)量一旦失控,整個鐵路工程極易出現(xiàn)質(zhì)量問題,如隧道工程中出現(xiàn)的滲漏水、襯砌開裂掉塊、無砟軌道上鼓等。當(dāng)前,我國鐵路工程建設(shè)隱蔽工程施工質(zhì)量參差不齊,存在因隱蔽工程施工質(zhì)量問題導(dǎo)致鐵路工程質(zhì)量惡化、服役狀態(tài)差的情況[8]。
我國鐵路橋涵、隧道、路基等工程施工技術(shù)規(guī)范對于隱蔽工程的施工均有相關(guān)要求,鐵路工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)中對于隱蔽工程的檢查和驗(yàn)收有相關(guān)規(guī)定。但隱蔽工程質(zhì)量控制仍存在檢查技術(shù)落后、把控不嚴(yán)、檢驗(yàn)不到位等情況,例如鐵路隧道工程由于防排水板原材料檢驗(yàn)、鋪掛、焊接等施工環(huán)節(jié)質(zhì)量控制不到位導(dǎo)致隧道滲漏水。此外,鐵路隱蔽工程施工質(zhì)量效果評價量化程度不夠,施工質(zhì)量缺少量化評價,也不利于提升鐵路工程施工質(zhì)量。
本文對鐵路隧道初期支護(hù)、仰拱及填充和拱墻襯砌等隧道隱蔽工程施工質(zhì)量現(xiàn)狀進(jìn)行闡述,在此基礎(chǔ)上,就應(yīng)用信息化手段來加強(qiáng)鐵路隧道隱蔽工程施工質(zhì)量控制進(jìn)行探討,并針對隧道爆破開挖、錨桿支護(hù)的質(zhì)量效果評價量化方法進(jìn)行探討,以期為鐵路隧道隱蔽工程施工質(zhì)量控制提供參考。
鐵路隧道建設(shè)工程施工質(zhì)量的影響因素有很多[6],要保證鐵路隧道工程的質(zhì)量,就要對這些影響因素實(shí)施有效的質(zhì)量控制。本節(jié)以鐵路隧道初期支護(hù)、仰拱和填充、拱墻襯砌結(jié)構(gòu)等隱蔽工程為例,分析其施工質(zhì)量控制現(xiàn)狀。
初期支護(hù)是為了解決隧道在施工期間的穩(wěn)定和安全的工程措施[9],主要采用錨桿、噴射混凝土、鋼架等支護(hù)形式。施工過程中,若質(zhì)量控制不嚴(yán),容易出現(xiàn):(1)錨桿施作質(zhì)量不合格,主要表現(xiàn)錨桿安裝數(shù)量、長度等與設(shè)計(jì)要求不符;(2)噴射混凝土表面的平整度較差,易脫落,厚度、強(qiáng)度難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求;(3)鋼筋網(wǎng)間距超過標(biāo)準(zhǔn),保護(hù)層厚度不足,搭接的長度不能滿足相關(guān)規(guī)范要求;(4)鋼架安裝質(zhì)量不達(dá)標(biāo),鋼架間距過寬,與圍巖、連接鋼板之間連接不緊密。
初期支護(hù)作為鐵路隧道隱蔽工程在施工過程中由于施工質(zhì)量評價體系不成熟,導(dǎo)致錨桿施作不合格,噴射混凝土不飽滿等情況均會影響到隱蔽工程的質(zhì)量。
仰拱結(jié)構(gòu)是為改善上部支護(hù)結(jié)構(gòu)受力條件而設(shè)置在隧道底部的反向拱形結(jié)構(gòu),是隧道結(jié)構(gòu)的主要組成部分之一。仰拱和填充施工過程中,若質(zhì)量控制不嚴(yán),容易出現(xiàn):(1)仰拱局部不平整、基底虛碴清理不徹底、輪廓線不完全符合設(shè)計(jì)要求;(2)仰拱填充混凝土存在漏搗或搗固強(qiáng)度不足等。
鐵路隧道底部結(jié)構(gòu)作為主要承載部位,若施工質(zhì)量控制出現(xiàn)問題,存在虛砟及積水,不僅影響仰拱與基巖粘結(jié),還可能導(dǎo)致仰拱底部存有壓力水影響隧底穩(wěn)定性,一旦發(fā)生病害會對隧道結(jié)構(gòu)的受力性能和后期運(yùn)營產(chǎn)生較大影響[10]。
拱墻襯砌結(jié)構(gòu)是隧道上部結(jié)構(gòu),與仰拱共同組成二次襯砌,確保了車輛運(yùn)行、設(shè)備運(yùn)作使用空間。拱墻襯砌結(jié)構(gòu)施工過程中,若質(zhì)量控制不嚴(yán),容易出現(xiàn):(1)襯砌混凝土同噴射混凝土接觸不緊密,襯砌在局部應(yīng)力作用下產(chǎn)生開裂、剝落;(2)襯砌混凝土施工不到位,拱頂混凝土灌注不飽滿,振搗不足,混凝土強(qiáng)度、抗?jié)B等性能指標(biāo)不符合設(shè)計(jì)要求;(3)鋼架間距不規(guī)范,襯砌混凝土鋼筋保護(hù)層厚度小。
鐵路隧道中拱墻襯砌結(jié)構(gòu)作為安全儲備,對鐵路安全運(yùn)營具有重要作用。如果混凝土施工控制不嚴(yán),會導(dǎo)致混凝土品質(zhì)下降,這也是造成混凝土裂縫、剝落、滲漏的原因之一。此外,鋼筋保護(hù)層厚度不夠,隨著時間的推移,混凝土炭化深度逐步加深,鋼筋保護(hù)層失去作用,導(dǎo)致鋼筋銹蝕,混凝土剝落,襯砌結(jié)構(gòu)失去作用,對隧道安全運(yùn)營尤為不利[11-13]。
目前,隱蔽工程施工質(zhì)量控制一般采用施工全過程質(zhì)量管理的方法,即事前控制、事中控制、事后控制,往往從技術(shù)手段、制度規(guī)范等方面進(jìn)行質(zhì)量控制。事前控制是指對隱蔽工程準(zhǔn)備階段的控制,如施工原材料質(zhì)量控制;事中、事后控制是指隱蔽工程施工過程中及竣工后質(zhì)量控制,如事中人為監(jiān)督,事后質(zhì)量檢查等。
隨著施工機(jī)械化、信息化不斷發(fā)展,施工質(zhì)量得到了很大提升,從施工信息化的角度對隱蔽工程施工質(zhì)量控制進(jìn)行研究。
為了有效地保障鐵路隧道施工質(zhì)量,需在施工期做好準(zhǔn)備工作,施工材料對工程施工質(zhì)量影響較大,更應(yīng)高度重視。目前追溯管理數(shù)據(jù)的采集,大多仍以手工為主,追溯數(shù)據(jù)常記錄于紙上,難以追蹤和溯源,使得追溯管理適用性、準(zhǔn)確性與實(shí)時性差。通過信息化手段,加強(qiáng)材料的質(zhì)量控制,有效地進(jìn)行材料管理,采用合理的追溯管理模式,制定高效的追溯管理方案,是保證高效的材料管理的關(guān)鍵。
鐵路隧道工程所用的混凝土、噴射混凝土、鋼筋等所用原材料的技術(shù)指標(biāo)應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格把控,做好質(zhì)量源頭控制。錨桿、鋼架等支護(hù)材料及防排水板、止水帶等防排水材料應(yīng)嚴(yán)格實(shí)行工廠化生產(chǎn),并按照品種、規(guī)格等分別標(biāo)識、存放,進(jìn)行信息編碼,以便溯源管理。
由于隱蔽工程的特殊性,隱蔽工程施工質(zhì)量控制的關(guān)鍵便是讓隱蔽工程“去隱蔽化”。對隱蔽工程施工留存照片、視頻資料,是加強(qiáng)隱蔽工程質(zhì)量控制和責(zé)任追溯的重要手段。據(jù)調(diào)查,日本對于隱蔽工程的檢查有拍照留存記錄資料的要求,國內(nèi)公路等行業(yè)驗(yàn)工計(jì)價時需要檢查照片資料[14]。
影像資料管理主要做好3個環(huán)節(jié),影像資料的拍攝、語音和標(biāo)識牌制作、影像資料的整理。
工程影像資料拍攝的工作收集、整理工作,可根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況在最初工作安排中將影像資料的拍攝、收集、整理工作落實(shí)到人,并做好以下幾個方面工作:選擇分辨率不低于1 080×720像素的照相機(jī)或攝像機(jī),由專人進(jìn)行工程影像資料的拍攝,做到施工照片清晰,能反映施工過程實(shí)際狀況;拍攝照片,需按照工序逐一進(jìn)行,還應(yīng)包括實(shí)驗(yàn)、檢測等照片。
標(biāo)識牌應(yīng)包括檢驗(yàn)參與單位名稱、單位工程、分部工程、驗(yàn)收部位、工點(diǎn)里程位置、檢驗(yàn)人員姓名、檢驗(yàn)日期等信息。標(biāo)識牌式樣如表1所示。
表1 XX鐵路XX標(biāo)段視頻采集標(biāo)識牌(示樣)
工程影像資料應(yīng)按照分項(xiàng)工程分類收集,并且注明施工名稱等,對于施工過程、施工工藝、流程以及施工問題的解決等,要附有簡單的文字說明,要求照片和文字說明一一對應(yīng)??梢灾庇^地還原當(dāng)時施工現(xiàn)場,方便及時發(fā)現(xiàn)問題,解決問題,保證施工質(zhì)量。對于施工中的隱蔽工程做好最初的影像資料存儲,主要以照片或者視頻短片為主。工程影像資料要做到及時、清晰、連續(xù)、完整,能反映整個工程施工過程和工程特點(diǎn)。質(zhì)量要求應(yīng)主題清晰、畫面完整、未加修飾剪裁,拍攝角度、距離等應(yīng)能保證影像資料所反映的進(jìn)度、質(zhì)量、安全等狀況。在拍攝實(shí)測尺寸項(xiàng)目時,應(yīng)拍攝持尺情況并清晰顯示尺寸數(shù)字。
基于傳統(tǒng)隧道檢測方法的隧道斷面質(zhì)量管理是利用全站儀、斷面儀等儀器進(jìn)行檢測,測量斷面,由工程師來分析斷面情況,做出判斷。這種方法既耗費(fèi)大量的人力、物力,又占用過多的施工時間,檢測效率很低,準(zhǔn)確率不高[15],嚴(yán)重時甚至?xí)斐砂踩[患。而三維激光掃描技術(shù)可采用我國高速激光掃描測量的方法[16],得到所需的海量“點(diǎn)云數(shù)據(jù)”,能準(zhǔn)確清晰地表示隧道內(nèi)的結(jié)構(gòu)狀況。所以引入基于三維激光掃描技術(shù)的隧道斷面管理系統(tǒng)就顯得尤為重要。
目前,對于隱蔽工程施工質(zhì)量效果量化評價相對較少,往往隱蔽工程施工結(jié)束后,不能明確判定施工質(zhì)量效果。隱蔽工程施工質(zhì)量效果評價應(yīng)該是系統(tǒng)的,包括爆破開挖質(zhì)量評價、混凝土澆筑成型質(zhì)量評價、錨桿施工質(zhì)量評價、鋼筋安裝質(zhì)量評價等內(nèi)容,選擇較為重要的隧道爆破開挖和錨桿支護(hù)的施工質(zhì)量效果評價進(jìn)行探討。
傳統(tǒng)的全站儀測量檢測爆破開挖質(zhì)量是以抽檢式的斷面測量,全站儀的單點(diǎn)精度是可以滿足施工測量的要求[17],但由于全站儀是單點(diǎn)的測量方式,無法全面的檢測超欠挖,有可能導(dǎo)致有些超欠挖無法檢測出來,留下工程隱患。
傳統(tǒng)測量概念里,所測數(shù)據(jù)最終輸出的都是二維結(jié)果(如CAD出圖),在測量儀器里全站儀,GPS比重居多,但測量的數(shù)據(jù)都是二維形式的,在逐步數(shù)字化的今天,三維已經(jīng)逐漸的代替二維,因?yàn)槠渲庇^是二維無法表示的,三維激光掃描儀每次測量的數(shù)據(jù)不僅僅包含(X,Y,Z)點(diǎn)的信息,還包括顏色信息,同時還有物體反射率的信息,這樣全面的信息能給人在電腦里真實(shí)再現(xiàn)物體的感覺,是一般測量手段無法做到的。
隧道爆破后,將三維激光掃描儀放于隧道既定位置,對爆破后隧道輪廓進(jìn)行掃描,并與設(shè)計(jì)輪廓線相對比,定量評價爆破超欠挖量,如圖1所示。
圖1 利用三維激光掃描儀采集隧道點(diǎn)云模型
通過三維激光掃描自動采集終端,并利用專業(yè)分析軟件對點(diǎn)云數(shù)據(jù)的平整度按照相應(yīng)規(guī)范要求進(jìn)行分析,分析結(jié)果自動上傳至預(yù)警平臺進(jìn)行展示和預(yù)警發(fā)布處置,方便鐵路工程施工單位及監(jiān)理單位在平臺上對隧道施工斷面質(zhì)量進(jìn)行管理,提高了工程質(zhì)量的管理水平與效率,達(dá)到了“快速辨識風(fēng)險(xiǎn)、及時預(yù)報(bào)風(fēng)險(xiǎn)、形象展示風(fēng)險(xiǎn)、有效控制風(fēng)險(xiǎn)”的目標(biāo)。
現(xiàn)行鐵路隧道工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)[18-19]對錨桿施工質(zhì)量驗(yàn)收有詳細(xì)的規(guī)定,本文研究是基于現(xiàn)行鐵路隧道工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn),通過給出各個評定項(xiàng)目的權(quán)重,對錨桿支護(hù)施工質(zhì)量進(jìn)行量化,以減少鐵路隧道工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)中可能存在的人為定性判斷、以偏概全的問題,以供使用者參考。
本次提出的錨桿施工質(zhì)量評定方法按每檢驗(yàn)批抽取不少于3個循環(huán)進(jìn)行評定,并結(jié)合檢驗(yàn)批工程實(shí)體質(zhì)量驗(yàn)收開展評定工作,在檢驗(yàn)批驗(yàn)收時形成評價結(jié)論,評定內(nèi)容及標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。
表2 評定標(biāo)準(zhǔn)
其中,每個評定項(xiàng)目符合本標(biāo)準(zhǔn)中全部質(zhì)量控制要求的數(shù)量(X)與總檢查數(shù)量(Y)之間的關(guān)系與得分(Z)對應(yīng)關(guān)系見表3。
表3 評定項(xiàng)目得分對應(yīng)
此外,評定項(xiàng)目根據(jù)工程實(shí)際情況調(diào)整,對于工程中增加部分評定項(xiàng)目導(dǎo)致評定項(xiàng)目總分值超過100分時,應(yīng)先將評定項(xiàng)目總分加權(quán)至100分,再對實(shí)際得分加權(quán)后形成評價得分。
建設(shè)單位或運(yùn)維單位對隧道錨桿施工質(zhì)量有監(jiān)督責(zé)任,建設(shè)單位或運(yùn)維單位應(yīng)根據(jù)工程特點(diǎn)和質(zhì)量控制需要,按有關(guān)規(guī)定組織設(shè)計(jì)、監(jiān)理單位檢查評定。評定結(jié)果≥80分時,則為合格,<80分時,則為不合格,應(yīng)進(jìn)行整改并重新評定,項(xiàng)目合格評定標(biāo)準(zhǔn)如表4所示。
表4 項(xiàng)目合格標(biāo)準(zhǔn)
錨固密實(shí)度、錨桿長度、錨桿數(shù)量、墊板安裝、錨孔間距、桿體外露長度等評定項(xiàng)目均可一次性在錨桿施作完成后或錨桿施作完且被復(fù)噴覆蓋前開展評定。
當(dāng)隧道錨桿支護(hù)采用機(jī)械化信息化施工時,錨桿數(shù)量、錨孔間距等評定項(xiàng)目信息可在施工過程中自動采集,而桿體外露長度、墊板安裝信息可在錨桿施作完成后采用人工全數(shù)檢查或采集視頻資料。當(dāng)隧道錨桿支護(hù)采用非信息化施工時,錨桿數(shù)量、錨孔間距、桿體外露長度、墊板安裝等項(xiàng)目信息可在錨桿施作完成后進(jìn)行檢查。
無損檢測技術(shù)可以有效運(yùn)用到錨桿支護(hù)質(zhì)量評價中,可以對錨桿支護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行定量評價[20]。錨桿長度和錨固密實(shí)度抽檢采用無損檢測儀器,是在錨桿施作完成后或錨桿施作完且被復(fù)噴覆蓋前開展相關(guān)檢測工作。錨桿長度和錨固密實(shí)度抽檢應(yīng)在錨固漿體終凝且具有一定強(qiáng)度后進(jìn)行,比如錨桿錨固材料采用速凝型Ⅰ或速凝型Ⅱ的水泥基注漿材料,單根錨桿注漿完成3~5 h后方可進(jìn)行錨桿長度和錨固密實(shí)度抽檢。單根錨桿長度和錨固密實(shí)度抽檢費(fèi)時視施工現(xiàn)場條件而定,一般1根錨桿抽檢費(fèi)時4~8 min。此外,錨桿施工過程中的相關(guān)信息資料,比如施工現(xiàn)場錨桿的種類、規(guī)格和長度檢驗(yàn),錨桿錨固安裝錄像信息等,也可用于錨桿長度評定的輔助性打分。
在新八達(dá)嶺隧道項(xiàng)目中應(yīng)用基于三維激光掃描技術(shù)的隧道斷面質(zhì)量管理系統(tǒng),在2號斜井至出口工作段使用三維激光掃描對隧道進(jìn)行超欠挖分析,里程范圍DK67+280~DK71+270,共計(jì)4 km,共采集掃描數(shù)據(jù)161站,每一站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)內(nèi)存占306 MB,每一站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)包含300萬個點(diǎn)數(shù)據(jù)。通過系統(tǒng)集成平臺實(shí)現(xiàn)了BIM模型和三維激光掃描技術(shù)的點(diǎn)云模型的信息化融合,通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)得到相應(yīng)的初支模型,與設(shè)計(jì)的初支模型使用超欠挖功能分析計(jì)算得出超欠挖的數(shù)值,并對模型進(jìn)行對比分析,在隧道斷面上能清晰的查看隧道超欠挖的情況,并將分析結(jié)果實(shí)時上傳至系統(tǒng)中進(jìn)行預(yù)警管控,方便對出現(xiàn)欠挖的地方進(jìn)行實(shí)施指導(dǎo)施工,減少了安全隱患,大大提高了隧道斷面施工質(zhì)量。新八達(dá)嶺隧道點(diǎn)云模型見圖2。
圖2 新八達(dá)嶺隧道點(diǎn)云模型
為檢驗(yàn)本文研究內(nèi)容的合理性及可操作性,對新八達(dá)嶺隧道的錨桿施工質(zhì)量評定進(jìn)行試用。
該隧道單洞四線隧道,最大跨度32.7 m,隧道Ⅴ級圍巖段初期支護(hù)拱墻采用噴射C30鋼纖維混凝土,厚35 cm,拱墻預(yù)留變形量20 cm,仰拱厚25 cm。隧道拱墻設(shè)置φ32 mm預(yù)應(yīng)力錨桿,錨桿間距1.2 m×0.8 m(環(huán)×縱),設(shè)計(jì)長度為11 m;同時設(shè)置1 000 kN預(yù)應(yīng)力錨索,間距2.4 m×2.4 m(環(huán)×縱),設(shè)計(jì)長度25 m。隧道掌子面采用品字工法施工,隧道錨桿施工質(zhì)量評定現(xiàn)場試用如下。
(1)錨固密實(shí)度:單根錨桿錨固密實(shí)度不小于80%才合格;現(xiàn)場抽檢錨桿4根;根據(jù)檢測結(jié)果,4根錨桿的錨固密實(shí)度均合格,故本項(xiàng)評分滿分,即25分。
(2)錨桿長度:錨桿設(shè)計(jì)長度11.0 m,錨桿檢測長度符合設(shè)計(jì)要求才合格;根據(jù)檢測結(jié)果,4根錨桿的檢測長度合格,故本項(xiàng)評分為25分。
(3)錨桿數(shù)量:隧道中上臺階一環(huán)錨桿設(shè)計(jì)數(shù)量為20根或21根,現(xiàn)場計(jì)數(shù)一環(huán)錨桿施工數(shù)量為20根,故本項(xiàng)評分滿分,即25分。
(4)墊板安裝:現(xiàn)場錨桿墊板安裝均與初支表面密貼,故本項(xiàng)評分滿分,即15分。
(5)錨孔間距:隧道中上臺階一環(huán)有20根錨桿,錨孔間距不合格的個數(shù)不能大于2個,則錨孔間距項(xiàng)評分為滿分,即5分;現(xiàn)場錨桿鉆孔未先放樣定位再施工,致使邊墻有2個錨孔環(huán)向間距大于1.2 m,故此項(xiàng)評分為5分。
(6)桿體外露長度:現(xiàn)場錨桿桿體外露長度均大于桿體直徑,故本項(xiàng)評分0分。
(7)經(jīng)過上述各項(xiàng)評分,錨桿施工質(zhì)量評定總分為95分,評價為“合格”。
京張現(xiàn)場應(yīng)用表明,前述提出的激光掃描開挖質(zhì)量及錨桿施工質(zhì)量評價體系是有實(shí)用價值的,有效提高了工程安全和質(zhì)量。
隨著鐵路工程建設(shè)機(jī)械化、智能化、信息化的不斷深入,運(yùn)用新技術(shù)、新裝備對鐵路隧道隱蔽工程施工進(jìn)行全過程質(zhì)量控制。目前,針對隱蔽工程建設(shè)整個環(huán)節(jié)采取了工程材料進(jìn)場溯源體系、隱蔽工程影像資料質(zhì)量驗(yàn)收等系統(tǒng)性質(zhì)量控制手段。針對各分項(xiàng)工程,研發(fā)了三維激光掃描技術(shù),三維激光掃描點(diǎn)云模型實(shí)現(xiàn)了對隧道進(jìn)行施工作業(yè)過程開挖、初支、二襯的超欠挖分析、隧道凈空計(jì)算、隧道空洞監(jiān)測等,實(shí)現(xiàn)隧道超欠挖、凈空及空洞方量等三維可視化質(zhì)量管控,節(jié)約大量人力和時間,保證成果數(shù)據(jù)的時效性和真實(shí)性,大大提高參建各方的工作效率,有效指導(dǎo)隧道施工過程,對隧道工程施工過程中的安全風(fēng)險(xiǎn)起到預(yù)防作用。隧道采用了新型質(zhì)量及信息評價體系和系統(tǒng),其中山嶺隧道爆破施工的三維激光掃描技術(shù)及錨桿支護(hù)施工質(zhì)量評價等均能夠?qū)﹁F路隧道隱蔽工程質(zhì)量與效果控制具有一定借鑒價值。