基于矿山法铁路隧道复合式衬砌断面尺寸的施工问题分析及解决对策探讨

阮清林

(中铁隧道局集团有限公司， 广东 广州 511458)

0 引言

铁路隧道衬砌有矿山法、开敞式掘进机法、护盾式掘进机法或盾构法隧道衬砌3大类。矿山法铁路隧道复合式衬砌相对后两者，有开挖成形、超欠挖、衬砌厚度控制难等诸多隧道断面尺寸问题及质量“顽疾”。文献[1]给出了复合式衬砌各级围岩隧道预留变形量值，以保障衬砌结构设计厚度。文献[2-3]明确了隧道支护、衬砌施工放样时可将设计的轮廓线扩大5 cm以保证衬砌净空尺寸，规定了开挖、支护、二次衬砌等工序的断面尺寸允许施工误差(偏差)以保证结构厚度。

针对隧道断面尺寸问题及质量“顽疾”，研究人员在隧道断面尺寸的预设，开挖轮廓放样、周边眼开孔、光面爆破欠挖，钢架制安，喷混凝土厚度变化、表面粗糙程度，衬砌净空轮廓，隧道断面测量，欠挖处理，拱墙衬砌台车浇筑混凝土方量等方面展开了问题分析和施工对策研究。矿山法铁路隧道复合式衬砌是由围岩、初期支护、结构防排水、二次衬砌组成的多层叠合结构，它们的施工误差相互直接或间接地彼此影响，因此，不仅要考虑隧道围岩预留变形量值和衬砌预留净空值，还要考虑符合规程和验收标准规定的断面尺寸施工允许误差(偏差)所需空间的“消化或容纳”问题。按施工顺序，上道工序均必须为下一道工序提供合格的基面，即要有保证合格结构所需要的空间，这就凸显了开挖轮廓尺寸预设和实际开挖形成断面的重要性。

文献[4]提出周边开眼偏差是引起欠挖的主要因素，周边炮孔间距不合理，将产生超挖或欠挖，采用钻孔补炮的方法处理欠挖预示着更大的超挖，其观点是“少超少欠”。文献[5]提出周边孔孔口控制在设计轮廓线内5 cm，周边孔间距为35 cm，主要目标是控制平均线性超挖小于10 cm。以往研究多重在控超，而对于防欠方面研究不够。文献[6]介绍了应用三维激光扫描基于点云的隧道断面检测技术，但未研究喷混凝土表面粗糙程度、测量误差和衬砌台车施工误差带来的影响，而单纯地将初期支护侵限阈值设置为0，未考虑到超挖值在0～3 cm有可能出现二次衬砌厚度不够的风险。文献[7-8]介绍了铣挖机铣挖隧道围岩的情况，对初期支护喷混凝土引起的欠挖未进行研究。

本文基于高铁单洞双线隧道复合式衬砌设计和施工实践[9]，针对断面尺寸问题进行分析，按照保证衬砌不欠挖同时严格控制超挖的理念，提出矿山法铁路隧道复合式衬砌断面尺寸问题及质量“顽疾”的解决对策和建议。

1 矿山法铁路隧道复合式衬砌断面设计概况

铁路隧道复合式衬砌容许围岩产生一定的变形且充分发挥围岩自承能力，一般由初期支护、防水层和二次衬砌组合而成[1]。某时速350 km高铁单洞双线隧道复合式衬砌部分设计参数和预留变形值见表1。

表1 隧道复合式衬砌设计参数和预留变形值

复合式衬砌初期支护与二次衬砌之间设置的防水层，一般由防、排水板与缓冲层组成，宜采用分离式。

表1中衬砌结构的防水层和排水管设置如下： 由EVA防水板+土工布缓冲层组成，防水板厚度不小于1.5 mm，土工布质量不小于400 g/m2。隧道衬砌防水板背后环向设置外包土工布的φ50 mm打孔波纹管，当地下水发育时应加密布置，纵向盲管采用外裹土工布的φ150 mm双壁打孔波纹管。施工缝处设中埋式止水带和背贴式止水带，纵向施工缝设钢板止水带。

2 矿山法铁路隧道衬砌施工过程中断面尺寸控制方面存在的问题分析

矿山法铁路隧道工程有隐蔽性大、作业的循环性强、作业空间有限、作业的综合性、环境恶劣、风险大、施工是动态的等特性[10]。其固有特性决定了隧道施工断面尺寸不易控制，现针对有关问题分析如下。

2.1 断面的预留尺寸问题

断面的预留尺寸主要是围岩隧道预留变形量值和衬砌预留净空值。复合式衬砌各级围岩隧道预留变形量值是根据围岩级别、开挖跨度、埋置深度、施工方法和支护条件，采用工程类比法确定的。一般先依照设计设定预留变形量值进行交底施工，再在施工过程中通过量测予以修正。衬砌预留净空值一般为5 cm，隧道支护和衬砌施工时，必须将支护和衬砌的设计轮廓线同时扩大5 cm，以保证衬砌不侵入设计轮廓线和隧道建筑限界。

问题1： 相对隧道衬砌设计内轮廓设定围岩隧道预留变形量值，而不是相对于施工时预留衬砌净空后的内轮廓进行设定，存在的问题见表2。

问题2： 对衬砌预留净空值5 cm的重要性认识不足。文献[11]规定了不同长度的隧道贯通误差和贯通限差，相向开挖长度小于20 km的横向贯通误差在100～360 mm，高程在50 mm。当贯通误差≤50 mm时，在保证隧道建筑限界要求的条件下，可不调整线路中线，按设计线位铺轨；当贯通误差>50 mm时，应采用洞内CPⅢ控制网实测隧道中线，采用线位拟合方法进行调整，调整后的线路应满足轨道平顺性标准和隧道建筑限界的要求[11]。现行验收标准规定隧道竣工后的衬砌轮廓线严禁侵入设计轮廓线。在施工过程中，隧道衬砌台车的施工误差、隧道贯通误差以及隧道贯通后洞内新设CPⅡ测量控制网带来的中线和高程变动是难免的。据了解，一些处于1～30 km长度区间段的隧道贯通误差，横向误差在1～130 mm，高程误差在3～53 mm。衬砌预留的净空对于解决上述问题发挥了重要作用。另外，因隧道的开挖、支护和衬砌轮廓都是事先设定好的，衬砌内轮廓若呈现正误差，则存在二次衬砌厚度可能不足的风险，反之则可能造成预留净空的不足，如图1所示。

表2围岩隧道预留变形量与衬砌预留净空值叠加表

Table 2 Reserved deformation amount of surrounding rock tunnel and reserved clearance value of lining

围岩级别预留变形/cm衬砌预留净空值/cm叠加值/cm问题风险Ⅱ3～55-2～0 不仅无预留变形量,且预留变形量不足5 cm时将引起开挖欠挖、支护和二次衬砌厚度不足Ⅲ5～850～3预留变形量不足直至无Ⅳ8～1053～5预留变形量不足Ⅴ10～1555～10预留变形量不足

“-”表示为欠挖。

图1拱墙衬砌内轮廓测量断面图(单位： mm)

Fig.1 Measurement cross-section of inner profile of arch wall lining (unit： mm)

2.2 施工误差问题

除通过常规的开挖和初期支护断面超欠挖、衬砌净空检查，以及雷达无损检测发现断面尺寸的误差外，还需对断面尺寸过程控制中的一些关键项目进行细化检查，具体见表3。

表3 断面尺寸相关检验项目细化表

通过测量和检测，并加以分析，可以得出对断面尺寸施工误差的以下认识：

1)隧道开挖、初期支护和二次衬砌施工过程中各工序施工断面尺寸误差关联性强。由施工实践和误差研究理论[12]可知，施工误差是不可避免的，也是无法消灭的，且误差在隧道工序间或传递、或相互影响。断面尺寸中各单元误差和空间关联影响如图2所示。

实线表示直接关联，虚线表示间接关联。

图2隧道复合式衬砌各单元误差和空间关联影响

Fig.2 Error and spatial correlation influence of each element of tunnel composite lining

2)断面尺寸施工误差控制水平与围岩、人员技能、机具、施工方法、检验手段等密切相关。

3)开挖毛洞表面、初期支护表面超欠挖施工误差随机性大，误差值相对较大，这也反映出其较难控制。二次衬砌表面施工误差受衬砌台车就位因素影响较大。

4)在进行初期支护喷混凝土表面超欠挖检查时，应高度重视喷混凝土粗糙表面凸凹点对超欠挖测量数值的影响。

2.3 隧道断面测量问题

隧道开挖、初期支护喷混凝土、二次衬砌净空断面的空间位置检查现在一般用全站仪，断面间距由原来的较疏逐渐发展到3 m、1 m，甚至更密。测量点间距一般由测量人员根据检查面的平整度情况选取，通常在50 cm左右。如按表1断面，拱墙初期支护喷混凝土全断面的测点数一般为40个左右，测量1个断面一般用时为6 min左右，有时由于工序时间紧而将测点间距放大。拱墙初期支护喷混凝土全断面超欠挖测量检查断面如图3所示。

图3拱墙初期支护喷混凝土全断面超欠挖测量检查断面(单位： cm)

Fig.3 Cross-section of overbreak and underbreak of shotcrete of primary support in arch wall (unit: cm)

以点代面的断面测量方法，用于二次衬砌净空断面检查基本是可以的，但对于隧道开挖、初期支护喷混凝土断面检查则是不完善的，甚至是有风险的。原因在于，隧道开挖和初期支护喷混凝土表面特征是随机的，波动较大，凸凹不平且表面粗糙。风险问题： 在以点代面断面测量方法缺陷、隧道开挖和初期支护喷混凝土表面特征、防水层、拱墙衬砌台车就位等多种因素的叠加下，断面超挖“0”值点处、近“0”域值点处及其附近很可能出现二次衬砌欠厚问题。测量效率问题： 如果按1 m断面间距来检查初期支护喷混凝土断面的超欠挖，1组11.9 m的预衬砌段大概需要1 h，而隧道施工的循环性很强，留给测量的“天窗”时间有限，因而效率较低。

2.4 欠挖处理和初期支护基面修整问题

隧道欠挖一般有开挖欠挖、初期支护欠挖，后者可能由初期支护施工直接产生，也可能由围岩变形产生。目前隧道欠挖的处理方法有爆破和非爆破2种。对于岩石开挖欠挖，随当班爆破处理。非爆破处理初期支护喷混凝土欠挖，有采用挖掘机破碎锤破除的，也有人工用风镐或錾等凿除的；这样可保护隧道内的施工设施，也可降低对隧道施工的影响，缺点是处理速度慢、难度大、效率低。根据情况采取爆破处理初期支护欠挖也是常有的，其缺点是对施工影响大，还可能引起超挖。在台阶法钢架段湿喷机械手施工时，为防欠挖和保持喷混凝土表面平整平顺，随工采取人工用铲修整喷混凝土表面(见图4)，缺点是效率低、较高处不便作业、不利于职业健康。在欠挖和初期支护基面修整上，还需要寻求更有效、更快速、更安全且能保障职业健康的方法。

(a) 欠挖处理

(b) 随工修整

图4人工处理喷混凝土欠挖和喷混凝土表面随工修整

Fig.4 Artificial treatment of shotcrete underbreak and surface dressing

2.5 拱墙二次衬砌混凝土厚度和方量问题

二次衬砌一般包含结构防排水(土工布、防水板、止水带等)、混凝土，较差围岩衬砌还含有钢筋等。对应表1工程项目，防水材料几何尺寸见表4，1模隧道拱墙衬砌台车施工段所含材料量见表5。

表4 隧道防水材料几何尺寸

表5 1模隧道拱墙衬砌台车施工段部分设计材料量

Table 5 Design material quantity of one construction cross-section for tunnel arch wall lining trolley

衬砌混凝土厚度随结构防排水的设置而变化，混凝土方量也随衬砌包含内容不同而变化。不同部位的结构防排水在衬砌中所占厚度不同。如按表4中尺寸只铺设防水板和土工布的部位，防水层厚度为3.75 mm，焊缝处厚度为5.26 mm，有垫片处厚度至少为5.44 mm，环向盲管处厚度至少为58.23 mm，纵向盲管处厚度至少为158.23 mm；如按表5设置，施工缝处防水层的厚度至少为22.25 mm，而普通段施工缝处防水层的厚度至少为23.75 mm。关于混凝土方量，如按表5，防排水和钢筋合计所占方量约为4.15 m3，若为素混凝土，防排水所占方量约为1.91 m3。从前述的喷混凝土施工误差可知，喷混凝土表面不平顺且较为粗糙，而防水板又具有一定的硬度，两者因素叠加后导致铺设防水层所占衬砌的方量一般会进一步增大。在拱墙衬砌台车施工中，防脱空的重要措施之一是核对所浇混凝土方量是否接近于计算量，若计算量偏差较大，将无法从所浇混凝土方量上判断拱顶是否基本灌满，也不利于混凝土计划的管理。从上述计算情况看，结构防排水和钢筋所占衬砌方量还是有一定数量，计算预浇混凝土方量时需考虑。

3 矿山法铁路隧道衬砌施工过程中断面尺寸问题解决对策

3.1 隧道断面的尺寸预设和调整

在隧道施工前，必须预设隧道断面尺寸，以便进行开挖、钢架制作、衬砌台车制作等工作。开挖预设断面尺寸

R=r+5+d2+x+d1+Δ。

(1)

式中：R为预设的隧道开挖轮廓半径，cm；r为隧道衬砌净空的设计内轮廓半径，cm； 5为隧道衬砌预留净空值，cm；d2为隧道二次衬砌设计厚度，cm；x为隧道设计预留变形量值，cm；d1为隧道初期支护设计厚度，cm；Δ为预设的预防性抵减施工误差影响值，结合“x”设置，cm。

衬砌台车制作断面尺寸，即实际施工衬砌净空内轮廓半径

r1=r+5。

(2)

在上述公式中，“5、x、Δ”显得尤为重要，前二者相对明了，“Δ”需重点讨论。

从隧道开挖一直到二次衬砌完成，工序环环相扣。施工误差包含了若干个隧道工序，其有正负值，误差是不可避免的，也是无法消灭的。因此，预设“Δ”是必要的，原因有以下几方面：

1)周边眼眼口实际位置的负误差可能直接造成欠挖，当其为正误差时，自然是有利的，反则是不利的。2)周边眼间的爆破贯通是1个不规则“撕裂面”，周边炮眼间少量欠挖是较难被发现的。3)钢架制作正误差会使钢架靠向围岩一侧，而这需要有开挖出来的空间来“消化”，否则可能影响钢架安装，而负误差则需要二次衬砌方向有空间来“容纳”它。4)随机的初期支护喷混凝土凸凹表面施工误差，需要二次衬砌方向有足够的空间来“容纳”它，否则会因喷混凝土造成欠挖，使二次衬砌厚度不足。5)衬砌台车的制作和就位叠加产生的施工误差，正误差可能挤占二次衬砌空间，严重的还会引起二次衬砌厚度不足，而其负误差则可能挤占衬砌净空。6)文献[2]第10.2.2条文说明“隧道开挖爆破，不可避免个别部位欠挖，若对其进行补爆，则势必造成较大的超挖和对围岩的二次扰动”。不仅如此，欠挖严重干扰了正常的施工，并且很难处理，如喷混凝土欠挖。7)一旦二次衬砌欠厚，处理费用巨大，相较于“Δ”产生的费用更多，且严重干扰正常施工。8)隧道作业的循环性强，工期紧，任务重，时间成本必须考虑，靠“精雕细凿”耗时处理开挖等工序，会得不偿失。

“Δ”值是动态的。根据表1和本文示例数据例举“Δ”取值思路见表6。在施工过程中， “x、Δ”根据实测情况做相应调整，且“Δ”在隧道贯通面附近段做特殊调整。

表6 隧道围岩预留变形量、衬砌预留净空值与“Δ”取值表

3.2 隧道断面测量方法

目前，隧道出完渣后的开挖循环断面超欠挖测量一般用全站仪。其测量方法有2种(见图5)： 1)如采用徕卡TS15(带马达)，测完第1个点，即可自动完成随后整个断面测量； 2)如采用TS02PLUS，需要人工瞄准，人工逐点完成断面测量。对于二次衬砌前的初期支护喷混凝土超欠挖断面测量，除上述2种方法外，现在还有运用3D扫描仪进行测量的，如FARO Focus3D-X70扫描仪(见图6)。上述几种测量方法对比见表7。

由表7可知，若标段内有若干个隧道或若干个隧道口，可考虑用全站仪和3D扫描仪相结合的方式进行隧道断面测量和扫描，即用全站仪检查开挖毛洞，用3D扫描仪检查初期支护喷混凝土轮廓，这在有的项目已取得了较好的效果。在运用3D扫描仪测量成果时，在处理截取的断面超欠挖值时，需注意喷混凝土表面凸凹特性对数值的影响。当仅有全站仪时，需加密断面间距，尽可能减小其缺点影响。为了及时标示欠挖，建议配置作业车，以实现高效测量作业。该作业车还可用于隧道多方面高空作业，既灵活又安全，如图7所示。

(a) 人工瞄准逐点测量

b) 自动测量

图5全站仪隧道断面测量方法对比(单位： m)

Fig. 5 Comparison of tunnel crpss-section measurement methods with total station (unit: m)

(a) 现场测量

(b) 测点云图

Fig.6 Field measurement and measurement point distribution of 3D scanner

3.3 隧道欠挖处理和初期支护基面修整

鉴于对隧道施工设施和初期支护的保护，不影响其他工序施工，以及保障施工进度和安全，隧道初期支护欠挖一般不宜采用爆破处理。多数情况下喷混凝土欠挖量不大，但很难处理。另外，喷混凝土表面起伏不平，“肋巴骨”在现场较为普遍，铺设防水层的松弛度很难控制，对混凝土厚度和混凝土与初期支护间的密贴性有影响。根据铣挖机的工作条件，岩石单轴抗压强度<60 MPa的岩石可以铣挖，抗压强度为10～15 MPa以下时铣挖效率较高，抗压强度为20～30 MPa的岩石的铣挖效率也可在10 m3/h左右或以上，对于有些Rc值为30～60 MPa的岩石，也可获得较高的铣挖掘进效率。铣挖机在土质隧道、不适宜爆破施工的隧道，已有很多应用。据某组隧道C25喷混凝土试验数据，24 h强度12.4 MPa， 45 h强度 23.8 MPa，3 d强度28.6 MPa，7 d强度30.9 MPa，28 d强度32.3 MPa，从强度来说可以满足铣挖机的工作条件[7-8]。目前，人工处理喷混凝土欠挖一般在防水层作业台架上进行，与防水层和衬砌施工干扰较大。将铣挖头装配在满足作业高度要求的挖掘机上，在仰拱栈桥至开挖掌子面之间区段试验铣挖处理喷混凝土欠挖，以及喷混凝土表面修整打平。对可以用铣挖机处理的开挖毛洞欠挖，试验采用铣挖处理。

此外，研究湿喷机械手喷混凝土施工时的随工修整喷混凝土表面设备，以保证施工安全和人员职业健康，并提高作业效率。

表7 隧道断面测量方法对比

图7 隧道多功能高空作业车

3.4 隧道拱墙衬砌台车二次衬砌浇筑混凝土方量

1模隧道拱墙衬砌台车二次衬砌浇筑混凝土方量

Q=q1-q2-q3-q4。

(3)

式中：Q为隧道1模衬砌台车二次衬砌浇筑混凝土计算总方量；q1为隧道1模衬砌台车对应段喷混凝土面与边墙基顶、衬砌台车面板、堵头、上组衬砌端头所包裹的体积；q2为对应段拱墙防排水所占的体积；q3为对应段拱墙防排水与起伏粗糙的喷混凝土表面叠加而产生的体积(根据现场测量综合取值确定)；q4为对应段拱墙钢筋所占体积，无钢筋时取“0”值。

当使用3D扫描仪测量时: 1)先使用3D扫描仪扫描该模隧道衬砌台车段已变形稳定的喷混凝土面； 2)使用3D扫描仪扫描1模已施工的二次衬砌内表面，将该模衬砌台车就位因素去除后，取得衬砌台车的制作面板数据，并以这个面为基准面； 3)实测衬砌台车的拱顶、两侧的实际就位位置； 4)根据衬砌台车的制作面板和实际就位位置，获得衬砌台车面板的实际空间位置状态； 5)根据式(3)计算浇筑混凝土方量。

当使用全站仪时： 1)先使用全站仪实测该模隧道衬砌台车段已变形稳定的喷混凝土面，断面间距和点间距取小值更精确； 2)实测1模已施工的二次衬砌内表面若干断面，断面间距和点间距取小值更精确，将该模衬砌台车就位因素去除后，取得衬砌台车的制作面板断面数据，并以这个面为基准面； 3)其余步骤同3D扫描仪。

在拱墙衬砌台车施工过程中，以该计算方量计划所需混凝土用量，卡控二次衬砌拱顶是否基本灌满，以防拱顶衬砌脱空。

3.5 隧道断面尺寸质量控制措施

依据铁路隧道验收标准和规程、设计、围岩、人员技能、机具、施工方法、检验手段等制定隧道断面尺寸工序质量管控标准，明确施工允许误差(偏差)，制订技术交底和考核制度，进行管理和技术交底，施工过程中加强检查考核，不断提高质量水平。

4 结论与建议

4.1 结论

1)围岩隧道预留变形量值和衬砌预留净空值各有用途，不宜叠加使用。

2)隧道开挖、初期支护和二次衬砌施工过程中各工序施工断面尺寸和误差具有必然关联的特性。经实测，误差控制水平有待提高。开挖毛洞和初期支护表面具有随机、凸凹不平、粗糙的特征，超欠挖测量和数据处理时需要高度重视该特征，以使测量数据可靠。

3)利用隧道断面的尺寸预设公式和1模隧道拱墙衬砌台车二次衬砌浇筑混凝土方量计算公式，可系统指导隧道施工。

4)采取全站仪和3D扫描仪相结合的方式进行隧道断面测量和扫描，可取得较好的断面尺寸质量控制效果。

5)隧道欠挖处理需要机械化的利器，铣挖机或许是不错的选择。

4.2 建议

1)以大数据为支撑，对隧道施工误差再分析再认识，科学制订隧道断面尺寸各工序施工允许误差(偏差)验收标准。

2)参考设计隧道围岩预留变形量值的思路，隧道复合式衬砌断面结构设计考虑标准中规定的施工允许误差(偏差)值，如当出现影响结构厚度的不利误差时，断面中有空间“消化或容纳”这些施工允许误差(偏差)。这样既可以保证质量，也符合矿山法铁路隧道工程作业循环性强的特性。

3)3D扫描仪在隧道中运用属于隧道测量新技术，应制定相关标准予以规范。应充分挖掘3D扫描仪的优势，为隧道建设更好地服务。

4)在控制欠挖方面，增加了3D扫描仪、带马达的全站仪、欠挖处理设备、相对设计加大断面等措施，在保证不欠挖、严格控制超挖方面积极运用新技术、新方法，不过也增加了相应成本。文献[1]规定“隧道超挖部分应采用同级混凝土回填”，建议测算此方面的成本，在设计概算投资中列入因此而增加的费用。

5)实现隧道断面尺寸工序质量管控信息化，并以信息化为抓手指导各工序施工，进行相关工程数量的计算，为项目计划管理、投资控制、物资计划和消耗、验工计价等方面提供数据支持。提高钢架弯拱机、钢架安装作业和衬砌台车定位的精度，努力实现钢架安装、衬砌台车定位的自动化和智能化。