隧道喷射混凝土空洞缺陷的成因及处理方案

第２１卷第５期　２００７年１０月　土　工　基　础　Ｓｏｉｌ　Ｅｎｇ．ａｎｄ　Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　Ｖ＿０１．２１　ＮＯ．５　Ｏｃｔ．２００７　隧道喷射混凝土空洞缺陷的成因及处理方案　赵国刚　（陕西交通职业技术学院，西安７１００２１）　摘要：针对隧道喷射混凝土的空洞缺陷，结合工程实例的检测成果分析其成因，并对处理方案进行了比选，提出　在目前管理水平下应从施工、监理、设计等方面进行预防和解决。　关键词：隧道，喷射混凝土，空洞缺陷，成因，处理方案　中图分类号：Ｕ４５５　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００４—３１５２（２００７）０５—００２４—０４　１　引言　随着公路隧道工程数量的增加和建设速度的加　快，已建成的和正在建设的部分公路隧道都不同程　度地出现了质量问题，这些问题大都与初期支护特　３空洞的成因　３。ｌ　空洞缺陷概况　检测人员对该高速公路隧道初期支护施工质量　进行了检测，全线共发现内部缺陷和背后空洞９０４　处。空洞的出现主要集中在Ｉ、Ⅱ、Ⅲ类围岩初期支　护当中，Ⅳ、Ｖ类围岩中基本不出现。Ｉ、Ⅱ、Ⅲ类围　别是喷射混凝土的质量有密切的关系，其中喷射混　凝土的强度不足或与围岩之间出现空洞及不密实现　象，是主要的质量问题。支护与围岩之间存在空洞　岩支护厚度为１８　ｃｍ～２８　ｃｍ，围岩主要由第四系黄　土、残坡积土、花岗岩、绿泥石片岩、辉长岩、碳质片　时，会导致围岩松弛，使支护结构产生弯曲应力，进　而损伤支护结构的功能，降低其承载能力，极大地影　响隧道的安全使用。现以一条在建高速公路建设过　程中出现的空洞及不密实现象为例，探讨隧道衬砌　空洞缺陷的成因及处理方案，为解决此类问题提供　参考资料。　岩和大理岩等构成。为进一步搞清初期支护内部缺　陷和背后空洞情况，对全线１０个标段共随机抽取　３６５处，对每一处空洞距表面的距离和长度进行了　统计，如表１所示。　表１　空洞距喷射混凝土表面距离统计表　２　工程概况　某高速公路是“西部大开发”战略提出后交通部　规划的“四纵四横”八条省际间大通道中的一条。该　路穿越秦岭，地质条件复杂。设计为双向四车道；时　速８０　ｋｍ／ｈ；特长隧道建筑限界净宽１０。５　ｍ，其余　隧道建筑限界净宽９。７５　ｍ，限高５。０　ｍ，内轮廓净　高７．０　ｍ。施工一段时间后，抽检发现隧道初期支　护与围岩不密实，局部出现了空洞的情况，为保证工　程质量，用地质雷达分别在拱顶、左右拱腰、左右拱　３。２区域工程地质条件　沿隧道纵向在Ｋ３４＋９９５桩号附近出现断层，　产状近直立，走向５９。，宽０．６　ｍ～１。２　ｍ，但勘察报　告未发现。该断层的出现是塌方的主要原因之一，　也是地下水下渗的通道之一。　（１）地形、地貌　脚五条线上对隧道的喷射混凝土质量进行检测。根　据对全线初期支护的检测，空洞现象普遍存在。　隧道所在区为秦岭构造侵蚀地貌，属秦岭中低　山地貌单元，山脊标高为１２００　ｍ～１４００　ｍ，相对高　收稿日期：２００７—０４—２５　作者简介：赵国刚，男，１９６７年生，工程师，从事地质勘查、隧道工程方面的研究工作。　维普资讯 http://www.cqvip.com

第５期　赵国刚：隧道喷射ｆ昆凝土空洞缺陷的成因及处理方案　差２００　ｍ～６００　ｍ。在花岗岩分布区为深切“Ｖ”型　峡谷地形；在变质岩分布区多出现较宽缓的“Ｕ”型　河谷。　工时，要严格控制眼孔方向，外插角角度要尽量小，　布眼要均匀，相邻眼孔要尽量保持平行，以减少超欠　挖量，达到光面爆破的要求。　实际施工时均为人工钻孔，未严格按设计要求　施工，存在的问题主要有：周边眼间距普遍大于设计　（２）地层岩性　出露地层为中下元古界及第四系地层，另有大　面积的中生代燕山期岩浆岩侵入。岩性主要为混合　花岗岩、绿片岩、片麻岩、片岩、大理岩、花岗岩等。　第四系地层主要为离石黄土。　（３）地质构造　间距，外插角度误差较大，布眼不均匀。掏槽未采用　双层斜眼楔形，辅助眼密度过稀，未根据岩体软硬变　化程度调整或虽然调整但间距过大。　③装药施工要求如下：钻孔结束后，用高压风吹　区内主要褶皱构造为迷魂阵背斜和夏家村倒转　背斜。主要断层有秦岭山前断裂（Ｆ１）和铁炉子一　三要断裂（Ｆ２）。节理裂隙较为发育，尤以高倾角剪　节理为多，贯通性差，断续出露，将岩体切割成块状，　致使高陡边坡常发生崩塌破坏。　３．３空洞成因分析　隧道初期支护出现空洞及喷射混凝土不密实，　是由多种原因造成的。经分析主要有以下几个方　面：　（１）地质条件复杂　区内地质条件复杂，下元古界地层形成的时间　较早，由于形成时区域地质活动强烈，因此构造发　育，岩石破碎，且受褶皱控制，节理较相邻地区发育，　对隧道开挖有非常不利的影响。第四系地层形成较　新，多与坡积物结合，多为Ｉ、Ⅱ类围岩。燕山期花　岗岩受秦岭山前断裂（Ｆ１）及铁炉子一三要断裂　（Ｆ２）影响，节理裂隙较为发育，尤以高倾角剪节理　为多，岩石十分破碎。　（２）隧道断面开挖超欠挖现象严重　根据关宝树等人调查和研究的结果，影响超欠　挖的因素主要有以下几点：钻孔精度、爆破技术、施　工组织管理、测量放线和地质条件变化等；根据对　２７６个开挖循环的统计，九成超欠挖是施工方的原　因造成的。　①施工要求Ｉ类围岩采用上下台阶法开挖，以　人工配合机械为主，部分比较坚硬的岩石采用个别　爆破，严格控制装药量；Ｉ／类围岩采用预裂爆破，上　下台阶留核心土法施工；Ⅲ类围岩采用正台阶法，光　面爆破开挖；ＩＶ类围岩采用全断面光面爆破开挖。　②掘进采用自制简易作业平台及小型气腿式凿　岩机配合钻孔。采用双层斜眼楔形掏槽，以利于增　加掏槽深度，增快循环进度。辅助眼根据岩体软硬　程度调整炮眼间排距，软弱岩体１２０　ＣｌＴＩ～ｌ６０　ＣＩＴＩ，　中硬岩体１００　ＣＩＴＩ～１２０　ＣＩＴＩ，坚硬岩体６０　ＣＩＴＩ～１００　ｃｍ。周边眼按光面爆破技术要求布置，软岩炮眼间　距３０　ＣＩＴＩ，中硬岩４０　ＣＩＴＩ，坚硬岩５０　ＣＩＴＩ。周边眼施　孔，经检查合格后装药。装药时分片分组进行，自上　而下严格按爆破设计规定的装药量、雷管段号“对号　入座”。然后连接网络并做进一步的检查。　实际施工时，未严格按爆破设计规定的装药量　装药，雷管段号低于设计段号，或用普通雷管代替，　并且为了减少补炮而加大装药量。炸药使用的是炮　弹退役药，猛度大，对围岩造成破坏，易形成超挖。　④堵塞设计如下：所有装药的炮眼均应堵塞炮　泥，堵塞长度不小于３０　ＣＩＴＩ～４０　ＣＩＴＩ。实际施工时，　主要是未堵塞或堵塞长度不足；未用炮泥，以装药的　湿纸箱代替炮泥。结果严重影响了爆破效果。　⑤连接起爆网络、警戒及起爆的要求如下：采用　塑料导爆管、毫秒雷管起爆系统，起爆前设好警戒，　各位警戒人员须和安全负责人统一信号，各警戒区　互通起爆信号后方可起爆。实际施工时，初期未全　部用塑料导爆管、毫秒雷管起爆，爆破效果差。　⑥循环进尺：施工方每一循环进尺过大，导致装　药量增大，未遵循“短进尺，弱爆破”的原则。也未能　及时修正爆破参数，以确保开挖断面有良好的爆破　效果。施工时钻孔外插角误差较大，造成两茬炮相　接处超挖。　当地质条件变化（围岩突变、地下水发育、断层　等）时，受钻孔精度、爆破技术、施工组织管理和测量　放线等因素的影响，不能及时调整设计参数，超挖成　为必然。　（３）初期支护工序混乱，未严格执行施工程序　施工要求：为保证喷射混凝土的厚度和质量，应　分初喷和复喷二步完成。初喷在刷帮、找顶后进行，　喷射厚度４　ＣＩＴＩ￣５　ＣＩＴＩ，及早快速封闭围岩，放炮后　由人工在渣堆上喷护。复喷是在完成锚杆、挂网、钢　架工序的作业后进行的，喷射前首先要对岩面进行　修整，清除松动岩块，对个别欠挖突出部分进行凿　除、对超挖部分用Ｃ２５喷射混凝土补平。超挖较大　部分采用增加短锚杆挂小网的方式喷混凝土回填，　喷前用高压水将岩面冲洗干净，对遇水易潮解的岩　层，则用高压风清扫岩面；检查喷射机工作是否正　维普资讯 http://www.cqvip.com

２６　土　工　基　础　常；进行喷射试验，一切正常后可进行混凝土喷射工　作。　喷射混凝土分段、分片、分层进行，由下向上，从　无水、少水向有水、多水地段集中，多水处安放导管　将水排出。一次喷射厚度控制在４　ｃｍ～６　ｃｍ，每段　由于监理费用占工程总造价比例较低，不能吸　引优秀的技术人员从事监理工作，进而导致行业利　润降低，发展缓慢，且监督手段落后，监理人员责任　心不强，对于空洞等隐蔽的缺陷，不能及时发现，有　效控制。　长度不超过３　ｍ，喷射回弹物不得重新用做喷射材　料。新喷射的混凝土按规定洒水养护。　（７）支护设计不尽合理，安全系数过大　据国外有关资料显示，喷射混凝土厚度在１４　ｃｍ左右即可发挥其最佳作用，过厚没有必要，过薄　则不能充分发挥其作用。对该高速公路的３６５个空　隧道开挖后，应及时进行素混凝土初期喷射，封　闭围岩的张裂隙和节理，加固围岩结构面，阻止洞内　潮湿空气和水对围岩的侵蚀，防止围岩表面风化和　水分散失。特别是当围岩类别为Ｉ、Ⅱ类时，水分散　失可能改变围岩的结构。　在实际施工中，施工人员未对围岩进行初喷，或　虽进行了初喷，也对个别超挖部分用喷射混凝土补　平，但效果差；部分超挖较大的区域实际未挂小网，　未用喷射混凝土补平，对工序进行了合并，直接进行　工字钢架或格栅钢架立架，同时进行锚杆施工，布设　钢筋网片；初喷混凝土前未彻底清理岩层表面，为空　洞的形成创造了条件；钢筋网片施工工序错误，对喷　射混凝土直接接触岩面起到了一定的阻碍作用，特　别是钢架后面和边角处，不易喷实，易形成空洞；合　并工序后，初喷时间被推迟到３　ｈ～４　ｈ以后，围岩　在此期间没有约束，易坍塌或变形，坍塌土石不易清　理干净，变形未得到有效控制，喷射后检测即为不密　实或空洞。　（４）隧道自检体系不健全，以包代管现象严重　目前国内隧道施工有一个公开的秘密，即都是　分包或劳务承包。承包商并没有自己的施工队伍，　普遍只有自己的管理队伍，隧道施工大多以劳务分　包的形式，分包给“专业施工队伍”。所谓“专业施工　队伍”实际上是国内个人注册的企业，虽然从业人员　相对固定，有一定的隧道施工经验，但他们有地域　性，文化程度较低，人员流动性较大。承包商的管理　有一定的难度，表现如下：　掌握隧道施工技术的成熟技术人员少；技术工　人严重不足，普遍没有经过培训；承包商对分包或劳　务承包企业是按量计价，因此片面追求喷护面积，很　少关注初期支护的内在质量。　（５）监控量测不能有效指导施工　隧坦施工普遍采用新奥法，由于高素质的工程　技术人员不足，对新奥法理解运用有限，再加上监控　量测指导施工有一定的滞后期，使得监控量测数据　没有真正起到指导施工的作用。　（６）监理水平较低，监督手段落后，监理人员责　任心不强　洞进行分析发现，９０　的空洞距喷射混凝土表面的　距离大于１５　ｃｍ，其中５０　以上的在１５　ｃｍ～３０　ｃｍ　之间，只有１０　的空洞距初期支护表面小于１５　ｃｍ。　目前易出现空洞的Ｉ、Ⅱ、Ⅲ类围岩支护厚度设计值　在１８　ｃｍ～２８　ｃｍ之间，再加上隧道的允许超挖量　（边墙以ｌＯｃｍ计，拱顶以２５ｃｍ计），实际支护厚度　应在２８　ｃｍ至５３　ｃｍ之间，已达最佳厚度的四倍，安　全系数过大，为空洞的形成创造了条件。　（８）施工工期不合理　目前我国高速公路的建设周期较短，一般在四　年左右，再加上变更较多，对公路建设的影响普遍存　在。施工中常把多次喷射混凝土合并为一次完成，　使隧道空洞等缺陷的形成变成了可能。　４预防措施　为确保初期支护的质量，根据以上分析，应严格　控制超挖，因为超挖是空洞形成的先决条件，对于已　经形成的超挖，先处理至与设计开挖面一致后，再进　行下道工序的施工。在施工过程中，采取以下措施：　（１）严格按已获监理工程师批准的方案施工，开　挖过程中根据围岩的变化及每次的爆破效果，及时　修正爆破参数，确保开挖断面有良好的爆破效果。　（２）硬岩应采用光面爆破，软岩宜采用预裂爆　破，分步开挖时可采用预留光面层光面爆破；钻爆开　挖不得危及衬砌、初期支护，并尽可能减少对围岩的　扰动。爆破后应有专人负责清帮找顶，如发现险情　或隐患应及时采取措施。　（３）钻爆施工应依据“浅孑Ｌ、密布、弱爆、循序渐　进”的原则进行微差控爆。钻爆作业必须按照已获　监理工程师批准的方案进行钻眼、装药、接线和引　爆。钻眼前应绘出开挖断面中线、水平和竖直轮廓　线，并根据钻爆设计标出炮眼位置，经检查符合要求　后方可钻眼。坚硬岩石施工采取加强掏槽爆破，严　格控制周边眼间距，将超欠挖指标控制在规范允许　的范围内。　维普资讯 http://www.cqvip.com

第５期　赵国刚：隧道喷射混凝土空洞缺陷的成因及处理方案　２７　（４）施工中应严格控制超欠挖，根据施工图纸和　规范的要求，采取相应的量测方法，建立复核制度，　勤测勤量，保证隧道中线、高程、开挖断面的几何尺　寸符合设计要求，避免超欠挖。　（５）在开挖过程中应加强施工管理，合理控制循　且大量开仓处理会破坏初期支护的完整性，补救方　法是采用高标号早强水泥用１：１的水泥砂浆充填。　较小的空洞和缺陷，进行压浆充填，再用地质雷达检　测，直至密实为止。需注意的是，不可以用水泥净浆　充填，因水泥净浆凝固后收缩，再次检测仍存在空　环进尺。　洞，必须用１：１的水泥砂浆充填。　（６）当出现超挖或小规模塌方时，应立即喷射混　凝土并分层回填密实，超挖过大时加设钢筋网，增设　６　结束语　短锚杆，并做好回填注浆。　（７）加强管理，对技术人员和技术工人如喷浆　隧道空洞缺陷的存在是目前我国隧道施工管理　工、爆破工进行培训，进行技术交底。严格按规范和　水平的真实反映，要全面地消除空洞缺陷尚需施工、　作业指导书施工。　监理、设计等方面共同做出努力。　５空洞补救方法　参　考　文　献　较大的空洞采用开仓的方法，用大于喷射混凝　口］　关宝树．隧道施工要点集［Ｍ］．北京：人民交通出版社　土标号的混凝土充填，并预留注浆孔，待混凝土凝固　［２］刘吉士．桥梁与隧道施工监理指南［Ｍ］．北京：人民交通出版社　后用１：１的水泥砂浆充填。对于距初衬表面距离　［３］黄光成．公路隧道施工［Ｍ］．北京：人民交通出版社　较大、形状不规则的片状空洞，开仓处理难度较大，　Ｔｈｅ　Ｏｒｉｇｉｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｃａｖｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｈｏｔｃｒｅｔｅ　ｉｎ　Ｔｕｎｎｅｌ　ａｎｄ　ｔｈｅ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｐｌａｎ　ＺＨＡＯ　Ｇｕｏ　ｇａｎｇ　（Ｓｈａｎｘｉ　ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉａｎ　７１００２１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｄｅａｌ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｃａｖｉｔｙ　ｏｆ　ｓｈｏｔｃｒｅｔｅ　ｉｎ　ｔｕｎｎｅｌ，ｔｈｅ　ｏｒｉｇｉｎ　ｏｆ　ｃａｖｉｔｙ　ｉｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｅｘａｍ—　ｐｉｅ　ａｎｄ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｒｅｓｕｌｔｓ，ｔｈｅｎ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｐｒｏｇｒａｍｓ　ａｒｅ　ｅｖａｌｕａｔｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ　ｔｈｅ　ｎｅｗ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｐｒｏｇｒａｍ，ｆｏｃｕｓｅｄ　ｏｎ　ｆｏｒｅ—　ｃａｓｔｉｎｇ　ａｎｄ　ｔｒｅａｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃａｖｉｔｙ　ｏｆ　ｓｈｏｔｃｒｅｔｅ　ｆｒｏｍ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ａｓｐｅｃｔｓ，ｓｕｃｈ　ａｓ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ｓｕｐｅｒｖｉｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｓｏ　ｏｎ，ｉｓ　ｉｎ—　ｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｐｒｅｓｅｎｔ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ｌｅｖｅ１．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　ｔｕｎｎｅｌ，ｓｈｏｔｃｒｅｔｅ，ｃａｖｉｔｙ　ａｎｄ　ｆｌａｗ，ｏｒｉｇｉｎ，ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｐｌａｎ