铁路隧道二次衬砌空洞智能化防治技术应用及展望--中国期刊网

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铁路隧道二次衬砌空洞智能化防治技术应用及展望

发表时间：2021/6/11 来源：《基层建设》2021年第6期作者：赵文磊

[导读] 摘要：随着我国铁路建设规模的扩大和运营速度的逐步提升，隧道工程在整个运营线路中占的比重增大，在施工过程中的衬砌质量问题和运营中出现的安全问题也愈发明显。

        杭黄铁路有限公司浙江杭州 310000
        摘要：随着我国铁路建设规模的扩大和运营速度的逐步提升，隧道工程在整个运营线路中占的比重增大，在施工过程中的衬砌质量问题和运营中出现的安全问题也愈发明显。本文介绍隧道衬砌背后空洞成因分析，并结合工程实践经验从施工和施工管理角度提出了智能化防治技术措施，对现场二次衬砌浇筑施工中减小空洞的形成具有指导意义。
        关键词：隧道衬砌；空洞；智能化；防治技术
        智能建造技术在铁路领域的综合应用，是铁路运输发展的必然方向。隧道智能建造是在智能系统顶层设计的基础上的单一方向专业延伸实践，也是工程建设发展的必然趋势，我国铁路隧道建造技术共经历了技术起步、初步发展、快速发展和引领世界的四个阶段。设计、建造工艺、工法和新技术应用不断迭代发展。
        近年来随着铁路隧道的总延长不断增加，我国隧道已经进入高维修时期，在铁路隧道施工中存在的质量问题也逐步显露出来。其中二次衬砌背后空洞导致衬砌厚度不足、裂缝，给后期运营带来了极大安全隐患，已成为严重的质量通病。为了解决这一难题，国铁集团在路内强推设备配套、分仓浇筑、带模注浆等“四新”工艺技术。在湖杭铁路建设过程中，充分利用基于智能化建造信息平台的“3+2”四新技术，即断面三维激光扫描技术、拱顶防脱空技术、衬砌质量智能管理系统，隧道特种检测机器人新设备和自粘式防水板新材料，在源头上防止空洞形成，为进一步提升隧道衬砌质量奠定了坚实的基础。
        1.衬砌空洞防治的必要性
        隧道围岩、初期支护和二次衬砌之间依次紧密接触是地下结构区别于地面结构的主要特征。对于新奥法施工的复合式衬砌的隧道，初支与围岩共同变形、共同承载，在Ⅱ、Ⅲ坚固地层中，二次衬砌约承受30%围岩松散荷载，主要作为安全储备。但在Ⅳ、Ⅴ软弱围岩中，二次衬砌不再是一种单纯的安全储备，而是受力结构的一个主要组成部分，它承受着50%~70%围岩松散荷载及较大的后期围岩变形压力。
        在既往的隧道施工中，由于各种因素存在，隧道衬砌空洞一般同时伴随着二衬混凝土厚度不足，由于二衬承载着较大的围岩松散压力，隧道衬砌背后是否存在空洞将直接影响隧道的安全性能。若有空洞存在，即便是带模注浆后将空洞填充密实，软弱围岩-初支体系施加于衬砌的荷载不连续，而出现变形增大或裂纹（裂缝）破坏。由于结构的设计承载能力余量和初支的过度承载，延迟和减缓了危害发生的时间和程度，给列车后期运营安全和结构使用寿命周期都带来影响，鉴于此隧道二衬背后空洞防治就显得尤其重要。

        2.衬砌空洞的成因分析
        隧道二衬背后空洞主要集中在拱顶、拱腰和拱脚等部位。从二衬背后空洞发生的部位梳理分析，总结得出大致有基面平整度、设备设施、原材料质量、混凝土浇筑工艺等几个主要原因：
        2.1光面爆破效果差，防水板铺设基面不平整。目前铁路山岭隧道主要以新奥法爆破开挖为主，爆破技术差参不齐，现场超欠挖普遍存在，初支喷射混凝土平整度达不到规范要求，局部存在较深的凹坑，防水板铺挂后形成空腔，因防水板松弛度所限，在混凝土浇筑中冲顶压力和饱满度控制不到位易形成空洞。
        2.2设备设施存在缺陷和不足。衬砌台车底座支撑不牢固，在现场施工过程中，台车多采用方木支垫行车轨道，由于衬砌台车附近较潮湿，方木容易糟烂，在混凝土浇筑过程中或浇筑后方木被压变形引起台车下沉，形成顶部衬砌空洞。二衬模板台车端头封堵不密实，浇筑完成后在等强度过程中从接缝漏浆、跑浆，使拱部混凝土下落，形成空洞。
        2.3原材料质量控制不严，砂粒过细，施工配合比水灰比偏大、混凝土坍落度过大，浇筑后混凝土收缩徐变，形成空洞。或隧道处于较陡纵坡上（20‰），在上坡端易出现空洞。
        2.4混凝土在浇筑工艺不能有效落实，存在浇筑过程中振捣不密实，浇筑冲顶工艺和压力控制不到位，内部存在气孔、空洞等，上部混凝土浇筑完成后在自重作用下下沉，在拱部造成空洞。
        3. 衬砌空洞智能化防治技术措施
        针对上述隧道施工中形成空洞的主要存在原因，基于智能建造信息化管理平台，湖杭铁路智慧工地管理采用多个智能化模块，实现数据采集、上传、分析和报警处置等方面，从源头上主动控制二衬混凝土施工过程中各项技术措施，预防空洞形成，现场成效十分显著。
        3.1 断面三维激光扫描技术。
        三维激光扫描技术可以快速获取目标表面三维坐标点云信息，准确建立三维矢量模型，初期支护、二次衬砌设计断面的三维模型在同一坐标下嵌套，其目的是分析数据控制围岩开挖净空和超欠挖数据，解决防水板铺设基面平整度，计算和控制二衬混凝土实际浇筑方量，以浇注用量控制衬砌混凝土的充盈情况。
        3.1.1控制开挖断面净空。为快速取得隧道从开挖至衬砌各工序后的净空数据，建立隧道“净空数字化档案”，在隧道施工中使用三维激光扫描仪，2分钟即可完成一站60m净空扫描，并现场处理生成点云数据、生成三维点云图，分析出超欠挖数据及识别出侵限区域。

        3.1.2分析数据，监控混凝土用量。应用PC端输入衬砌类型设计参数数据，根据云数据、三维点云图数据，准确计算初期支护、二衬实际厚度数据，针对数据对开挖基面超欠挖进行处理，对比设计参数计算出每节段衬砌混凝土浇筑所需用量，基于智能化信息平台对实际混凝土超耗量进行预控。采用三维激光扫描技术的计量，与拌合站统计的方量相比误差减少，更加接近真值，能够实现二衬混凝土配量和浇筑实际用量的精准指导。

        3.2自粘式防水板施工新工艺
        3.2.1在铺设防水板前加强光面爆破控制和初支平整度控制，欠挖部位应先加以凿除，提高围岩基面平整度；严格施工过程控制，对喷射混凝土表面凹凸显著部位应分层喷射找平，确保初支基面平整。
        3.2.2传统防水板热熔垫片焊接工艺，需要采用热焊机熔化防水板，将防水板与热熔垫片焊接，对操作工人的技术要求较高，存在不同程度的不可控因素，且容易产生漏焊、焊穿或焊接不牢固等质量问题。
        3.3.3自粘式防水板是通过防水板背后自粘带与自粘土工布之间有效的物理粘接，取代了传统的热熔垫片焊接工艺，规避了防水板焊穿、焊焦、漏焊的质量问题，简化了防水板施工工艺，降低了隧道的渗漏水风险。防水板铺设工艺操作简便，速度快，提高了施工效率，施工时将防水板背后粘结带密贴在土工布上，用橡胶锤适当锤击，即可牢固地粘结在土工布上，粘结强度达3.6N/cm2，防水板粘贴牢固，在防水板铺设工序上防治了空洞的发生。

        3.3隧道衬砌拱顶防脱空装置技术
        隧道衬砌拱顶空洞是难于克服的质量通病，通过在拱部衬砌浇筑过程中实现主动监测，动态掌握混凝土浇筑密实状态，及时采取干预措施，可以防止衬砌拱顶空洞缺陷的发生。
        3.3.1隧道衬砌防脱空技术是在防水板与土工布之间提前布设分布式压密传感带，通过采用纯物理方法识别两层界面是否被压密，两种灯光颜色来判定混凝土浇筑密实状况。

        3.3.2分布式传感带为自粘式，施工前需将它沿拱顶纵向粘贴在土工布上，传感带内部按照0.8m间距平均排列布置传感器，带长12m平均布置15个传感器，传感器件在10kpa且持续的压力下，监测终端呈现绿灯显示，表示浇筑密实，红色表示为未浇筑密实。
        3.3.3分布式传感带信号数据线预留在衬砌端头以外，与监测终端相连，可通过蓝牙、无线网桥实现监测数据实时上传至云监测平台和智慧工地信息平台，实现数据采集、质量预警，管理人员通过手机或电脑客户端实现实时监测拱部混凝土浇筑质量和饱满度。

        3.4隧道特种检测机器人
        目前隧道衬砌质量检测传统的检测方式以无损检测地质雷达法为主，特点是连续、高效、无损，具有分辨率高、图像直观、对场地条件要求低等优点，可快速准确地找出隧道衬砌质量隐患，缺点是检测条件要求高，探头与接触面耦合度较高，过程需检测台车配合、人工托举检测探头，检测波形图难免出现不连续，影响检测数据，作业条件也存在较多安全隐患。为彻底摆脱传统隧道检测模式，湖杭铁路采用了施工单位自主研发的隧道特种检测机器人，首次在高铁隧道衬砌质量检测中应用，具有检测手段革命性创新特点。
        3.4.1检测机器人的应用代替了人工高空作业，摆脱了检测车及工人配合等难题，规避了高空作业安全风险和现场交通拥堵，加快了施工进度。
        3.4.2隧道特种检测机器人可实现无人化智能检测系统和衬砌质量管理管理系统合二为一体，形成AI智能质量监控平台，检测人员可独自完成检测。
        3.4.3机器人采用SLAM智能化定位技术，在室内未知环境下或无GNSS定位数据下精准定位。设计合理的GPS/INS紧耦合组合系统，携带高清扫描，机器人在红外感应下探测前方障碍，运算合理路线。
        嵌入式AI分析系统不断学习积累，统一尺度判别缺陷、统一格式输出报告，并将检测结果数据准确排列在隧道质量监控系统模型。

        3.5隧道衬砌质量智能监控系统
        隧道衬砌质量智能监控系统是以科学、规范、准确的现场检测结果及检测数据为基础，以云端隧道衬砌质量检测管理系统为中心，检测数据导入后台，将隧道存在质量问题三维建模直观展示，全流程影像化反映隧道实体质量。
        3.5.1隧道衬砌质量缺陷进行统一集中管理。铁路工程建设特点是线路长、标段多，发现质量缺陷不能统一管理，通过智能监控系统云检测平台和各标段计算机、手机APP端搭建模式，进一步优化问题管理模式，自动汇总分析，方便用户随时查看不能标段、不同隧道、不同里程的缺陷整治销号数据。
        3.5.2检测数据导入简便。在云检测平台中规范、固定问题库格式录入方式，可以采用检测设备储存工具利用分计算机导入，也可以用蓝牙接入手机APP端随时导入，检测数据导入更为便捷。
        3.5.3质量缺陷的可视化。利用三维立体模型将隧道质量缺陷按里程、位置、大小进行可视化显示，用户可以在二维数据统计表与三维立体可视化显示中随意转换，点击缺陷位置可以读取详细各项数据。
        3.5.4质量缺陷整治过程、销号验收更为直观。管理人员通过手机或电脑客户端实现实时进行质量缺陷监管，通过在监控系统云监测平台录入详细缺陷整治设计图各类型整治方案和参数，当用户导入问题时，云端自动将问题进行归类。不同质量问题以不同颜色区分，等比呈现缺陷大小、标准测线及衬砌板缝，以数字区间划分缺陷等级。相关人员可以通过各类指标进行对比，发现存在问题项目，针对此项目进行工艺指导，整治相关资料查阅更为简便。

        隧道衬砌质量检测管理系统界面

        4.隧道属于地下隐蔽工程，建成后存在的衬砌空洞问题将很难发现和处理难度极大，在后期运营过程中列车行驶产生的震动波亦会造成衬砌与初支间的密实度增大，严重者逐步形成空洞，整体受力结构也会随之改变，空洞问题如不能有效整治，会对列车运营安全造成极大安全隐患。故在施工每一环二衬时需对初期支护效果、二衬施工质量进行评价，通过智能化防治技术措施，能够及时、方便、快捷的查阅各项建设、预防、整治数据，给施工阶段和运营阶段都带来最大的安全保障和经济利益。
        5.衬砌质量控制智能化技术展望。本文只针对湖杭铁路建设项目中隧道二衬空洞在预防和整治方面应用的智能化防治措施进行了阐述，其他质量问题宜可用相关措施进行预控，文中各项技术措施如能形成统一、一体化管理体系才能有效的解决隧道质量问题。
        综合当前高速铁路隧道建设需求，现阶段技术水平和发展现状，我国智能化建造技术的发展趋势，如能够建立涵盖管理单位、建设单位、设计单位、施工单位、监理单位等单位的标准化铁路隧道管理模式，形成安全、经济、高效与可普适推广的新型管理体系，构造以智能装备、智能感知、数据资源、智能决策和智能管控等层次的隧道智能化建造系统工程，基于物联网、云计算、移动互联、大数据、BIM等新兴技术系统理论，不断完善各类地质条件下的隧道设计、施工方法，最终突破基于深度学习的隧道智能化建造技术理论，实现自学习、自适应的隧道智能化建造体系，随后建立动态感知、实施分析、精准决策、自主执行的隧道智能化建造体系，全面推广、实现隧道智能化建造[1]。
        参考文献
        [1]王同军.我国铁路隧道智能化建造技术发展现状及展望.中国铁路.2020(12).
        [2]王震.铁路隧道二次衬砌脱空原因分析及防治措施.现代城市交通.2019(7).
        [3]杨文平,张立兴.隧道二次衬砌背后脱空的防治[J].中国港湾建设,2013(05):62-64.