京张高铁隧道隐蔽工程施工质量控制及效果评价方法研究

吴 军

(中国国家铁路集团有限公司建设管理部,北京 100844)

根据《中长期铁路网规划》(发改基础[2016]1536号)，到2025年，我国铁路网规模将达到17.5万km左右，其中高速铁路达到3.8万km[1]。路网规模快速扩大[2-4]，对于施工、设计、验收的质量水平都提出了更高的要求，而隐蔽工程的施工质量是关乎铁路工程质量的核心问题。

隐蔽工程是指在施工过程中某一项工序所完成的工程实物，被后续的工序或分项形成的工程实物所覆盖、包裹、遮挡，而且不可以逆向作业，包括不易直接检查或量测的工程[5-7]。隐蔽工程施工质量对整个铁路工程建设质量至关重要，施工过程中隐蔽工程质量一旦失控，整个铁路工程极易出现质量问题，如隧道工程中出现的渗漏水、衬砌开裂掉块、无砟轨道上鼓等。当前，我国铁路工程建设隐蔽工程施工质量参差不齐，存在因隐蔽工程施工质量问题导致铁路工程质量恶化、服役状态差的情况[8]。

我国铁路桥涵、隧道、路基等工程施工技术规范对于隐蔽工程的施工均有相关要求，铁路工程施工质量验收标准中对于隐蔽工程的检查和验收有相关规定。但隐蔽工程质量控制仍存在检查技术落后、把控不严、检验不到位等情况，例如铁路隧道工程由于防排水板原材料检验、铺挂、焊接等施工环节质量控制不到位导致隧道渗漏水。此外，铁路隐蔽工程施工质量效果评价量化程度不够，施工质量缺少量化评价，也不利于提升铁路工程施工质量。

本文对铁路隧道初期支护、仰拱及填充和拱墙衬砌等隧道隐蔽工程施工质量现状进行阐述，在此基础上，就应用信息化手段来加强铁路隧道隐蔽工程施工质量控制进行探讨，并针对隧道爆破开挖、锚杆支护的质量效果评价量化方法进行探讨，以期为铁路隧道隐蔽工程施工质量控制提供参考。

1 铁路隧道隐蔽工程施工质量控制现状

铁路隧道建设工程施工质量的影响因素有很多[6]，要保证铁路隧道工程的质量，就要对这些影响因素实施有效的质量控制。本节以铁路隧道初期支护、仰拱和填充、拱墙衬砌结构等隐蔽工程为例，分析其施工质量控制现状。

1.1 初期支护

初期支护是为了解决隧道在施工期间的稳定和安全的工程措施[9]，主要采用锚杆、喷射混凝土、钢架等支护形式。施工过程中，若质量控制不严，容易出现：(1)锚杆施作质量不合格，主要表现锚杆安装数量、长度等与设计要求不符；(2)喷射混凝土表面的平整度较差，易脱落，厚度、强度难以达到设计要求；(3)钢筋网间距超过标准，保护层厚度不足，搭接的长度不能满足相关规范要求；(4)钢架安装质量不达标，钢架间距过宽，与围岩、连接钢板之间连接不紧密。

初期支护作为铁路隧道隐蔽工程在施工过程中由于施工质量评价体系不成熟，导致锚杆施作不合格，喷射混凝土不饱满等情况均会影响到隐蔽工程的质量。

1.2 仰拱和填充

仰拱结构是为改善上部支护结构受力条件而设置在隧道底部的反向拱形结构，是隧道结构的主要组成部分之一。仰拱和填充施工过程中，若质量控制不严，容易出现：(1)仰拱局部不平整、基底虚碴清理不彻底、轮廓线不完全符合设计要求；(2)仰拱填充混凝土存在漏捣或捣固强度不足等。

铁路隧道底部结构作为主要承载部位，若施工质量控制出现问题，存在虚砟及积水，不仅影响仰拱与基岩粘结，还可能导致仰拱底部存有压力水影响隧底稳定性，一旦发生病害会对隧道结构的受力性能和后期运营产生较大影响[10]。

1.3 拱墙衬砌结构

拱墙衬砌结构是隧道上部结构，与仰拱共同组成二次衬砌，确保了车辆运行、设备运作使用空间。拱墙衬砌结构施工过程中，若质量控制不严，容易出现：(1)衬砌混凝土同喷射混凝土接触不紧密，衬砌在局部应力作用下产生开裂、剥落；(2)衬砌混凝土施工不到位，拱顶混凝土灌注不饱满，振捣不足，混凝土强度、抗渗等性能指标不符合设计要求；(3)钢架间距不规范，衬砌混凝土钢筋保护层厚度小。

铁路隧道中拱墙衬砌结构作为安全储备，对铁路安全运营具有重要作用。如果混凝土施工控制不严，会导致混凝土品质下降，这也是造成混凝土裂缝、剥落、渗漏的原因之一。此外，钢筋保护层厚度不够，随着时间的推移，混凝土炭化深度逐步加深，钢筋保护层失去作用，导致钢筋锈蚀，混凝土剥落，衬砌结构失去作用，对隧道安全运营尤为不利[11-13]。

2 以信息化手段加强铁路隧道隐蔽工程施工质量控制

目前，隐蔽工程施工质量控制一般采用施工全过程质量管理的方法，即事前控制、事中控制、事后控制，往往从技术手段、制度规范等方面进行质量控制。事前控制是指对隐蔽工程准备阶段的控制，如施工原材料质量控制；事中、事后控制是指隐蔽工程施工过程中及竣工后质量控制，如事中人为监督，事后质量检查等。

随着施工机械化、信息化不断发展，施工质量得到了很大提升，从施工信息化的角度对隐蔽工程施工质量控制进行研究。

2.1 铁路隧道隐蔽工程施工前质量控制

为了有效地保障铁路隧道施工质量，需在施工期做好准备工作，施工材料对工程施工质量影响较大，更应高度重视。目前追溯管理数据的采集，大多仍以手工为主，追溯数据常记录于纸上，难以追踪和溯源，使得追溯管理适用性、准确性与实时性差。通过信息化手段，加强材料的质量控制，有效地进行材料管理，采用合理的追溯管理模式，制定高效的追溯管理方案，是保证高效的材料管理的关键。

铁路隧道工程所用的混凝土、喷射混凝土、钢筋等所用原材料的技术指标应进行严格把控，做好质量源头控制。锚杆、钢架等支护材料及防排水板、止水带等防排水材料应严格实行工厂化生产，并按照品种、规格等分别标识、存放，进行信息编码，以便溯源管理。

2.2 铁路隧道隐蔽工程施工验收质量控制

由于隐蔽工程的特殊性，隐蔽工程施工质量控制的关键便是让隐蔽工程“去隐蔽化”。对隐蔽工程施工留存照片、视频资料，是加强隐蔽工程质量控制和责任追溯的重要手段。据调查，日本对于隐蔽工程的检查有拍照留存记录资料的要求，国内公路等行业验工计价时需要检查照片资料[14]。

影像资料管理主要做好3个环节，影像资料的拍摄、语音和标识牌制作、影像资料的整理。

工程影像资料拍摄的工作收集、整理工作，可根据项目实际情况在最初工作安排中将影像资料的拍摄、收集、整理工作落实到人，并做好以下几个方面工作：选择分辨率不低于1 080×720像素的照相机或摄像机，由专人进行工程影像资料的拍摄，做到施工照片清晰，能反映施工过程实际状况；拍摄照片，需按照工序逐一进行，还应包括实验、检测等照片。

标识牌应包括检验参与单位名称、单位工程、分部工程、验收部位、工点里程位置、检验人员姓名、检验日期等信息。标识牌式样如表1所示。

表1 XX铁路XX标段视频采集标识牌(示样)

工程影像资料应按照分项工程分类收集，并且注明施工名称等，对于施工过程、施工工艺、流程以及施工问题的解决等，要附有简单的文字说明，要求照片和文字说明一一对应。可以直观地还原当时施工现场，方便及时发现问题，解决问题，保证施工质量。对于施工中的隐蔽工程做好最初的影像资料存储，主要以照片或者视频短片为主。工程影像资料要做到及时、清晰、连续、完整，能反映整个工程施工过程和工程特点。质量要求应主题清晰、画面完整、未加修饰剪裁，拍摄角度、距离等应能保证影像资料所反映的进度、质量、安全等状况。在拍摄实测尺寸项目时，应拍摄持尺情况并清晰显示尺寸数字。

基于传统隧道检测方法的隧道断面质量管理是利用全站仪、断面仪等仪器进行检测，测量断面，由工程师来分析断面情况，做出判断。这种方法既耗费大量的人力、物力，又占用过多的施工时间，检测效率很低，准确率不高[15]，严重时甚至会造成安全隐患。而三维激光扫描技术可采用我国高速激光扫描测量的方法[16]，得到所需的海量“点云数据”，能准确清晰地表示隧道内的结构状况。所以引入基于三维激光扫描技术的隧道断面管理系统就显得尤为重要。

3 铁路隧道隐蔽工程施工质量效果评价研究

目前，对于隐蔽工程施工质量效果量化评价相对较少，往往隐蔽工程施工结束后，不能明确判定施工质量效果。隐蔽工程施工质量效果评价应该是系统的，包括爆破开挖质量评价、混凝土浇筑成型质量评价、锚杆施工质量评价、钢筋安装质量评价等内容，选择较为重要的隧道爆破开挖和锚杆支护的施工质量效果评价进行探讨。

3.1 隧道爆破开挖施工质量评价研究

传统的全站仪测量检测爆破开挖质量是以抽检式的断面测量，全站仪的单点精度是可以满足施工测量的要求[17]，但由于全站仪是单点的测量方式，无法全面的检测超欠挖，有可能导致有些超欠挖无法检测出来，留下工程隐患。

传统测量概念里，所测数据最终输出的都是二维结果(如CAD出图)，在测量仪器里全站仪，GPS比重居多，但测量的数据都是二维形式的，在逐步数字化的今天，三维已经逐渐的代替二维，因为其直观是二维无法表示的，三维激光扫描仪每次测量的数据不仅仅包含(X，Y，Z)点的信息，还包括颜色信息，同时还有物体反射率的信息，这样全面的信息能给人在电脑里真实再现物体的感觉，是一般测量手段无法做到的。

隧道爆破后，将三维激光扫描仪放于隧道既定位置，对爆破后隧道轮廓进行扫描，并与设计轮廓线相对比，定量评价爆破超欠挖量，如图1所示。

图1 利用三维激光扫描仪采集隧道点云模型

通过三维激光扫描自动采集终端，并利用专业分析软件对点云数据的平整度按照相应规范要求进行分析，分析结果自动上传至预警平台进行展示和预警发布处置，方便铁路工程施工单位及监理单位在平台上对隧道施工断面质量进行管理，提高了工程质量的管理水平与效率，达到了“快速辨识风险、及时预报风险、形象展示风险、有效控制风险”的目标。

3.2 锚杆支护施工质量评价研究

现行铁路隧道工程施工质量验收标准[18-19]对锚杆施工质量验收有详细的规定，本文研究是基于现行铁路隧道工程施工质量验收标准，通过给出各个评定项目的权重，对锚杆支护施工质量进行量化，以减少铁路隧道工程施工质量验收标准中可能存在的人为定性判断、以偏概全的问题，以供使用者参考。

本次提出的锚杆施工质量评定方法按每检验批抽取不少于3个循环进行评定，并结合检验批工程实体质量验收开展评定工作，在检验批验收时形成评价结论，评定内容及标准如表2所示。

表2 评定标准

其中，每个评定项目符合本标准中全部质量控制要求的数量(X)与总检查数量(Y)之间的关系与得分(Z)对应关系见表3。

表3 评定项目得分对应

此外，评定项目根据工程实际情况调整，对于工程中增加部分评定项目导致评定项目总分值超过100分时，应先将评定项目总分加权至100分，再对实际得分加权后形成评价得分。

建设单位或运维单位对隧道锚杆施工质量有监督责任，建设单位或运维单位应根据工程特点和质量控制需要，按有关规定组织设计、监理单位检查评定。评定结果≥80分时，则为合格，<80分时，则为不合格，应进行整改并重新评定，项目合格评定标准如表4所示。

表4 项目合格标准

锚固密实度、锚杆长度、锚杆数量、垫板安装、锚孔间距、杆体外露长度等评定项目均可一次性在锚杆施作完成后或锚杆施作完且被复喷覆盖前开展评定。

当隧道锚杆支护采用机械化信息化施工时，锚杆数量、锚孔间距等评定项目信息可在施工过程中自动采集，而杆体外露长度、垫板安装信息可在锚杆施作完成后采用人工全数检查或采集视频资料。当隧道锚杆支护采用非信息化施工时，锚杆数量、锚孔间距、杆体外露长度、垫板安装等项目信息可在锚杆施作完成后进行检查。

无损检测技术可以有效运用到锚杆支护质量评价中，可以对锚杆支护系统的稳定性进行定量评价[20]。锚杆长度和锚固密实度抽检采用无损检测仪器，是在锚杆施作完成后或锚杆施作完且被复喷覆盖前开展相关检测工作。锚杆长度和锚固密实度抽检应在锚固浆体终凝且具有一定强度后进行，比如锚杆锚固材料采用速凝型Ⅰ或速凝型Ⅱ的水泥基注浆材料，单根锚杆注浆完成3～5 h后方可进行锚杆长度和锚固密实度抽检。单根锚杆长度和锚固密实度抽检费时视施工现场条件而定，一般1根锚杆抽检费时4～8 min。此外，锚杆施工过程中的相关信息资料，比如施工现场锚杆的种类、规格和长度检验，锚杆锚固安装录像信息等，也可用于锚杆长度评定的辅助性打分。

4 工程应用

在新八达岭隧道项目中应用基于三维激光扫描技术的隧道断面质量管理系统，在2号斜井至出口工作段使用三维激光扫描对隧道进行超欠挖分析，里程范围DK67+280～DK71+270，共计4 km，共采集扫描数据161站，每一站的点云数据内存占306 MB，每一站的点云数据包含300万个点数据。通过系统集成平台实现了BIM模型和三维激光扫描技术的点云模型的信息化融合，通过点云数据得到相应的初支模型，与设计的初支模型使用超欠挖功能分析计算得出超欠挖的数值，并对模型进行对比分析，在隧道断面上能清晰的查看隧道超欠挖的情况，并将分析结果实时上传至系统中进行预警管控，方便对出现欠挖的地方进行实施指导施工，减少了安全隐患，大大提高了隧道断面施工质量。新八达岭隧道点云模型见图2。

图2 新八达岭隧道点云模型

为检验本文研究内容的合理性及可操作性，对新八达岭隧道的锚杆施工质量评定进行试用。

该隧道单洞四线隧道，最大跨度32.7 m，隧道Ⅴ级围岩段初期支护拱墙采用喷射C30钢纤维混凝土，厚35 cm，拱墙预留变形量20 cm，仰拱厚25 cm。隧道拱墙设置φ32 mm预应力锚杆，锚杆间距1.2 m×0.8 m(环×纵)，设计长度为11 m；同时设置1 000 kN预应力锚索，间距2.4 m×2.4 m(环×纵)，设计长度25 m。隧道掌子面采用品字工法施工，隧道锚杆施工质量评定现场试用如下。

(1)锚固密实度：单根锚杆锚固密实度不小于80%才合格；现场抽检锚杆4根；根据检测结果，4根锚杆的锚固密实度均合格，故本项评分满分，即25分。

(2)锚杆长度：锚杆设计长度11.0 m，锚杆检测长度符合设计要求才合格；根据检测结果，4根锚杆的检测长度合格，故本项评分为25分。

(3)锚杆数量：隧道中上台阶一环锚杆设计数量为20根或21根，现场计数一环锚杆施工数量为20根，故本项评分满分，即25分。

(4)垫板安装：现场锚杆垫板安装均与初支表面密贴，故本项评分满分，即15分。

(5)锚孔间距：隧道中上台阶一环有20根锚杆，锚孔间距不合格的个数不能大于2个，则锚孔间距项评分为满分，即5分；现场锚杆钻孔未先放样定位再施工，致使边墙有2个锚孔环向间距大于1.2 m，故此项评分为5分。

(6)杆体外露长度：现场锚杆杆体外露长度均大于杆体直径，故本项评分0分。

(7)经过上述各项评分，锚杆施工质量评定总分为95分，评价为“合格”。

京张现场应用表明，前述提出的激光扫描开挖质量及锚杆施工质量评价体系是有实用价值的，有效提高了工程安全和质量。

5 结语

随着铁路工程建设机械化、智能化、信息化的不断深入，运用新技术、新装备对铁路隧道隐蔽工程施工进行全过程质量控制。目前，针对隐蔽工程建设整个环节采取了工程材料进场溯源体系、隐蔽工程影像资料质量验收等系统性质量控制手段。针对各分项工程，研发了三维激光扫描技术，三维激光扫描点云模型实现了对隧道进行施工作业过程开挖、初支、二衬的超欠挖分析、隧道净空计算、隧道空洞监测等，实现隧道超欠挖、净空及空洞方量等三维可视化质量管控，节约大量人力和时间，保证成果数据的时效性和真实性，大大提高参建各方的工作效率，有效指导隧道施工过程，对隧道工程施工过程中的安全风险起到预防作用。隧道采用了新型质量及信息评价体系和系统，其中山岭隧道爆破施工的三维激光扫描技术及锚杆支护施工质量评价等均能够对铁路隧道隐蔽工程质量与效果控制具有一定借鉴价值。