从隧道衬砌检测结果看施工和设计中的问题

1、从隧道衬砌检测结果看施工和设计中的问题笔者近年来对近70座铁路、公路隧道作过衬砌状况或质量检测。检测内容包括衬砌厚度、坍方位置及处理情况、衬砌背后空洞、复合式衬砌中两层衬砌间空段等。这些隧道绝大部分都是刚刚竣工或即将竣工；其中很大一部分施工质量在国内可列为一流的，也有一部分问题较多；隧道分布在山西、河北、陕西、四川、江西的6条铁路或公路线。加上作者检测过十几个工程的喷层厚度，还对十几个隧道衬砌出现的大裂缝等问题进行过调查和分析，它们具有相当的代表性。根据检测结果与对设计资料的分析，可以总结一些出现问题的规律，它对改进设计与施工不无裨益。本文就是根据这些分析，提出作者的意见和建议,与同行讨论。检

2、测的内容包括A. 衬砌厚度（有几座隧道是检测初期支护的喷层厚度）；B. 衬砌背后未充填的空洞、空区；C. 复合式衬砌两层衬砌间的空段；D. 坍方位置及坍方处理情况。雷达探查的深度在一般情况下为2.5m左右，部分重要坍方处换天线探查5m左右深。 在检测的隧道中，有的隧道很好，施工时没出现坍方或坍方很少。例如，长近5km的水泉湾隧道，仅发现4处坍方；长2823m的白茅尖隧道，没有出现坍方。而有的隧道则坍方很多，如Caijiaping3#隧道,长520m,坍方达22处；Tanshanping隧道,在检测的295m范围内，坍方达16处; Mingyuexia隧道，长1285m，坍方37处。（若拱顶，拱

3、腰同一里程坍方，算作一处坍方。）我们通过一些统计数据来分析，发现在不少隧道中出现下列几种情况：A . 好围岩段坍方比例与坏围岩段相近，甚至更高（表1）。 B. 在好坏围岩交界处，在好围岩段中或就在交界部位，坍方比率很高，如统计了19座隧道，在围岩分类交界处坍方的达37处（有31处在好围岩段）。C. 一些短隧道坍方频率高。从表2列的11座短隧道，可见坍方频率之高。读者可以用它与作者检测的一些长隧道的坍方频率（表3）作个对比。表1 一些隧道不同围岩中坍方的频率隧道名长度m较差围岩长m /坍方次数平均坍方间距m较好围岩长m/坍方次数平均坍方间距m备注Mingyuexia1285177（）/444.4

4、772（）/2333.6公路Sipujian东段3254415（，）/4103.82542（）/25101.7铁路Caijiaping520130（）/621.7390（）/1526铁路Tanshanping39572（）/172323（）/1521.5铁路Yukou3#1378350（、）/3116.71028（）/4125铁路Daping3#805335（-）/0 470（）/3156.7铁路Shuiguan655197（、）/1 197458（）/3152.7铁路Lingdong1250320（、）/0220（）/1220铁路Fengshangou1#20070（）/0130（）/265

5、铁路Mawa415211（）/2105.5214（）/9 23.8铁路Tugou 572212（）/730.3360（）/1132.7铁路Miaoshugou 432139（）/269.5155（）/438.8铁路Zhangjiahe 2616266（）/02300（）/3076.7铁路Jijiacun 490105（）/33595（）/423.8铁路表2 一些短隧道的坍方频率隧道名隧道长m坍方次数围岩类别坍方平均间距mZhuangli 2#210 7 、 30Zhuangli 3#112 5、22Caijiaping3#520 22、24Tanshanping 395 17、23Yukou

6、1#138 5、28Yukou 2#230 8、29Dapin2#175 5、35Pianliang 115 4、29Miaoshugou 432 13、33Feixianguan 359 12、30Qinglinpo 237 1220表3 一些长隧道的坍方频率隧道名长度m围岩类别坍方次数水泉湾4925 、 4寺铺尖西段 3152、 5水关 655、 4康庄 650、 1岭东 1250、 2白茅尖 2823 、 0西河一号 1523 、 1会里 1523 、 6张家坪 2905 、 14大坪三号 805 、 3三家店 1015、 0注：上述3个表中的围岩分类是2000年前的铁路隧道围岩分类。

7、究其原因，有施工地质工作不到家的原因，也有重视支护不够的原因。从重视方面来说，大凡在要穿过坏围岩或断层带时，人们往往提高警惕，给以较大注意力，支护措施也能跟上；而在围岩较好时，尤其是类围岩、类围岩中，容易忽视临时喷射混凝土支护，加之未注意光爆（光爆不好，必然周边爆破用炸药量大，对围岩的振动，破坏较大），几个循环未作好喷层临时支护，就易因反复爆破振动产生坍方。我们可以引两个资料来对比说明：朔黄铁路的白茅尖隧道，多穿过、类围岩，但是光爆作得好，曾作为朔黄线光爆的好典型，隧道全长2823m，没发生过一次坍方；而另外标段的许多隧道则坍方频频，如Caijiapin3号隧道，500余米长，坍方达21次；Y

8、ukou3号隧道，长1378m，坍方达44次；Sipujian隧道，全长6400m，两个施工单位平分施工，岩质相近，一个单位坍方5次，而另一个单位则坍方29次;Mingyuexia公路隧道，长1285m，其中类围岩段长772m，全隧道坍方达23次，不止一处坍深在2m以上。另一个资料是宁波镇海招宝山公路隧道，属、类围岩，隧道拱部作了光面爆破，但仍不够好，用声波法实测爆破破坏岩体深度达2m,而在边墙加强了控制爆破工作后，实测爆破破坏岩体的深度仅为0.70.8m。从地质因素看，一些坍方也往往与隧道施工地质工作不够有关。众所周知，在勘察设计阶段，地质勘探仅能给出大的格局。今后相当长一段时间内，对于埋深

9、100300m以上的隧道，是不可能完全查清隧道设计标高范围的地质情况的，更不可能给出准确的定量的资料。勘探阶段给出的地质界线、断层位置，都会有相当的误差。在勘察阶段，如果不使用物探等手段（物探手段也有一定局限和误差）,从地表和少量钻孔资料来推延断层，因断层延伸是弯曲的，有时是波浪形的，推延到隧道的标高出露里程是有相当误差的，岩层界线、围岩分类界线也同样如此。设计图上给出的围岩分级、分类界线，与开挖结果差几十米，这都是正常的。这就是规范中要求作施工地质工作，以及目前强调施工地质预报的原因。因此，在施工开挖时，相比于施工图中隧道纵断面图，较差围岩提前出现或错后时，施工单位按设计地质纵断面图资料里程

10、未发现岩体质量变坏，再向前开挖时，容易麻痹而出现坍方。严格地讲，隧道施工时基本上是不应出现坍方的。除了在通过断层开挖爆破时，断层泥和糜棱岩顺着断层面滑坍，以及在涌水破碎带中难以支护而坍方外（这两种情况也可能超前加固而避免坍方，这就要投入一定的资金和力量，所以也有一个经济比较，决定是否让它坍），一般情况下，在注意了隧道施工地质观察和地质预报的情况下，是不应当坍方的。施工单位在市场经济情况下，应当加强施工管理，特别是开挖承包出去的短隧道更应协助他们提高管理和技术水平，避免坍方并因此带来的经济损失。 衬砌厚度问题1 模筑混凝土衬砌整体式模筑混凝土衬砌出现厚度偏薄的比例较高。实际上衬砌的厚薄是由开挖断

11、面决定的，也就是说，它是在开挖时已经确定了的，浇筑模筑衬砌时可调整衬砌厚度的余地甚小。它多出现下列几种情况：A. 隧道左边和右边衬砌一边合格或较厚，一边偏薄。这显然是开挖时中线有偏差造成的，只要测量班加大中线测量密度和严格周边孔的位置就可解决。B. 围岩级别低的段，衬砌厚度偏薄的比例高，尤其是夹在两侧级别高的围岩中间的低级别围岩，衬砌厚度偏薄的比例高，紧靠高等级围岩的低等级围岩厚度偏薄的比例高。甚至一些质量很好的隧道也有这种现象。（见表5）这种情况有地质的原因，也有管理的原因。常常是按设计围岩分界线里程与开挖有差，设计上纵断面图中标明是较差围岩，而开挖时岩质并未明显变坏，设计与监理又来不及或未

12、及时作变更，施工单位未作扩大开挖断面。在模筑衬砌时衬砌厚度就薄了。再一种情况是开挖进入软弱围岩后，施工单位为避免坍方，不敢去扩大开挖断面，自然，就导致衬砌厚度不够。C. 低级别的衬砌段边墙偏薄。这是由于低等级围岩衬砌边墙的衬砌厚度比拱部厚得多。例如类围岩双线铁路隧道衬砌拱顶厚70cm，而边墙则厚达140cm，施工时边墙扩大的轮廓不够，从而导致边墙模筑衬砌偏薄（见表5）表5 部分隧道衬砌薄段位置及情况隧道名位置围岩里程长度m衬砌厚度cm设计厚度cm备注Huili 左拱腰DK163+960DK164+00444626775+960从到类，设计厚度60cmCaijiapin4#拱顶DK171+510

13、+53020616380两边为类围岩设计厚度70cmBaimaojian 右拱腰DK201+988DK202+017296375从类围岩进入类围岩Caijiapin3# 左拱腰DIK170+610+65040626980夹于类围岩（设计厚度60cm）Zhuangli4#左拱腰右拱腰DIK159+999DIK160+040DIK160+453+530DIK159+970 +99141772178897887788595+040进入类围岩（设计厚度80cm）夹于类围岩之间+040进入类围岩Mawa 右拱腰DK212+180+23757626480夹于类围岩之间（设计厚度60cm）Xihe 1#左边

14、墙DK150+930 +990DK151+330+480601507781828895夹于类围岩之间（设计厚度70cm）Yuzhaokou1#左边墙右边墙DIK174+425+460DIK175+280+310DIK174+425+460DIK175+280 +33635303556878857768687717694进口段+280由类围岩（设计厚度50cm）进入围岩进口段+280由类围岩（设计厚度50cm）Zhangjiapin 左边墙DK177+715 +730DK179+190+410152206366616874+089 +715由类围岩（设计厚度50cm）夹于类围岩和类围岩（设计厚度

15、为70cm）之间 复合式衬砌（1） 喷层厚度在不设钢拱架的段，大部分喷层都偏薄，其中一个原因是在施工时难以控制喷层厚度，在支护完成后的钻孔检查之后，发现了喷层偏薄而补厚，则困难甚大，而且往往没有按规范要求（单线铁路隧道每20m检测一断面，双线铁路隧道每10m检测一断面，每断面上每2m测一点）作检测（实际上作如此密的钻孔丈量检测也是不现实的，应推广快速无损检测方法）。在设钢拱架的段，绝大部分工程都是在钢拱架处喷层厚，基本上将拱架覆盖，而在两拱架之间则薄，使喷层表面沿轴向呈波浪起伏。这也成为近年来施工的不良习惯。在喷层和模筑衬砌间要铺设防水板时，这种情况是极不良的。喷层表面的过大起伏，将导致在两种

16、衬砌之间出现空间和空段，而且难以作充填注浆；甚至会在灌注混凝土衬砌时挤破防水板。（2） 模筑二次衬砌在所检测的复合式衬砌隧道中，模筑衬砌层大大超厚者较多，类围岩可能超厚100%，甚至150% ；类围岩模筑衬砌超厚50100%的也很多。例如，甲子湾二号隧道，长534m，复合式衬砌设计厚度5765cm，大部分地段超厚在20 cm左右，拱腰处有些地段超厚30 cm以上；水泉湾隧道，长4925 m，大部分都大大超厚，拱部衬砌厚度普遍超过设计20 cm，、类围岩段衬砌设计厚度3540cm,超厚达2030 cm，类围岩中有超厚4050 cm者；寺铺尖隧道进口段类围岩进口段有些段超厚2030 cm（设计厚度

17、为40 cm），甚至超厚100%，出口段、类围岩段超厚较多，如拱顶DK155+400+623类围岩段，设计厚度为50 cm，实厚达6875 cm，DK157+257+495类围岩段，设计厚度为30 cm，实厚达6080 cm；古月隧道的DK223+730DK224+035类围岩段，拱顶设计厚度为65 cm，实厚为7085 cm；殿沟隧道IDK285+680 IDK286+040类围岩段左拱腰，设计厚度为40cm，实厚5056 cm；IDK286+040 IDK287+150左拱腰，设计厚度为33cm，实厚为5060 cm。这是与复合式衬砌的初衷相悖的。复合式衬砌企图以喷锚初期支护为主要受力结构

18、，在较好围岩段，模筑二次衬砌仅作为防水和安全贮备；在，类围岩仅承担20%左右荷载。这样就可采用较薄的模筑二次衬砌。超厚这么多，其经济合理性就不存在了。作者认为，采用复合式衬砌，应当与严格的光面爆破相结合，同时应当十分注意控制断面的圆顺性及与设计断面相一致，否则将全因超挖而导致模筑衬砌的过厚，反倒多用了混凝土。实际上，作者认为，对于、类围，应当摒弃喷射混凝土+模筑混凝土的复合式衬砌形式，而改用喷射混凝土+喷射混凝土的复合式衬砌，研究其它方法作防水处理。但也有一些采用复合式衬砌的隧道衬砌大大薄于设计，如Feixianguan隧道（长359m），拱顶和右拱腰有90%比设计（70 cm）薄69 cm

19、，有些段甚至薄1315 cm；Mingyuexia隧道（长1285m），左拱腰有114 m （类围岩段的49.4%）薄于设计厚度（70 cm）914 cm；qinglinpo隧道（长237m）左右拱腰有20.7%薄于设计68cm（类围岩），左边墙有46%薄于设计912cm。衬砌背后的空区空洞及复合式衬砌的二层衬砌间空区不足1m2的空洞，不算大的问题，可不作处理。而对于延续较长的空区，则是隐患，需作回填处理。衬砌背后的空区，是由于开挖轮廓不好，浇注混凝土衬砌时因超挖较多而未能填平所致。有的隧道拱部空区沿隧道中线方向可长达2030 m。若发生在类以下围岩中的，应注浆充填。两层衬砌间的空段，则是光爆

20、不好，喷射混凝土后仍凹凸不平所致。作者也发现过在一些隧道拱部空段沿隧道中线方向延续达20 m的情况。规范中没有规定处理的方法。如果用注浆处理，在两层衬砌间敷设了防水板的情况，在注浆时将钻破防水板，导致漏水，这个问题尚需研究。 问题的原因及对策1 发生问题的主要原因前面提及的发生的问题，大多是可以避免的。之所以出现这些问题，有一些是技术原因，如喷射混凝土的技术有待提高、光面爆破的效果不好、施工单位及监理缺少必要的检测手段和仪器；有一些是设计（包括规范）与施工实际有差异，如设计图中围岩分类界线与施工开挖揭露必然的差异、临时支护+减薄衬砌的设计等；而更主要的原因是施工管理方面的原因，就以坍方来说，为

21、什么基本相同的断面、地质情况，有的隧道坍方不多，有的隧道坍方如此频繁？为什么许多短隧道坍方频率如此之高，而一些长隧道坍方频率则小得多？为什么有的隧道较好岩体段（甚至类围岩）坍方频率远高于较差的岩体段？显然，这不是没有防止坍方的技术，而是是否重视了预防坍方，采取了必要的预防措施。对于短隧道，可能是标段分包后施工时，指挥部或经理部对分包的施工队伍给予的必要技术支持和培训不够，或要求不够严。总之，这都属于施工管理的范畴。2 加大施工管理的力度，深化和全面包含施工管理的内涵施工管理不仅在于如何保证进度，而且应包括如何保证施工质量，如何保证施工安全，并且应当包括如何能达到最好的经济效益。进度是经济效益，

22、因为只有完成了工程量才能得到付款。但工程施工管理者应对各道工序的经济效益及各道工序相互的影响和因此而产生和造成的经济问题，应有清楚的认识、比较及总体的把握。钻爆少钻几个钻孔、钻孔要求粗糙一些、爆破时多装药、不注意光爆，看来似乎节省点时间，但造成开挖轮廓凹凸不平，不仅对围岩稳定不利，而且为填平这些凹凸不平和超挖增加的混凝土和喷射混凝土量和时间增加了费用。开挖轮廓的超挖量过大，都是要用混凝土填入或增加模筑衬砌厚度作代价的，许多隧道的盈利多少实际上由它决定。施工中隧道中线的偏移、轮廓与设计的差异也是控制不严的表现。一次20余方的不大的坍方，起码耽误5天左右，要投入数以十万计的费用，百方左右的坍方则消

23、耗更大。而绝大部分坍方是可以避免的，这正是施工管理的重点内容。加强质量检测，准备必要的质检设备，加强施工地质并进行掌子面前方地质预报也是施工管理的内容。3 从隧道衬砌检测看关于设计规范中的某些可改进的问题(1)衬砌厚度与围岩分类目前的隧道设计规范和标准图是根据不同分级的围岩来给出不同的衬砌厚度。如前所述，设计纵断面图中给出的围岩分级界线里程中，即使由监理和设代组及时作围岩分级的变更，也可能是在掘进几个循环之后。隧道的衬砌厚度，实际上是由开挖断面决定的。开挖之后再想扩大断面，是非常麻烦的事。作者建议，一般情况，无论遇到什么围岩，都采用同一个模筑衬砌厚度，而在其它手段上做文章。例如，在初期支护中加

24、（或加密）锚杆、设钢筋网，模筑衬砌中加钢筋、加格栅拱、提高模筑混凝土强度等。这样，从施工与设计两方来说，从监理与现场设代的角度来说，都会带来许多好处。(2) 初期支护与临时支护A. 初期支护是作为衬砌的一个部分而设的，在复合式衬砌中初期支护承受了主要的外力。如果二次衬砌采用模筑混凝土，则在计算时，是不计算两层衬砌间的切向约束的。在作者检查和参与工作过的上百个隧道中，喷层表面的凹凸不平是普遍的现象。这就可能出现两种情况：在两层衬砌之间出现许多空区；浇筑模筑衬砌时，为填满这些空区，要填入大量混凝土。若两层衬砌间铺设了防水板，浇筑模筑衬砌时可能挤破防水板。因此，复合式衬砌一定要强调光面爆破，而且光爆

25、要求不仅是炮眼残痕率，更应重视沿隧道横断面和纵向开挖轮廓面的圆顺。实际上，若不考虑防水问题，应当采用喷射混凝土+喷锚初期支护的复合式衬砌形式。至于防水，可采用薄（20cm厚）的离壁式预制混凝土结构，或采用防水硬塑料板作装修，或研究其它防水喷混凝土方法。B.关于喷锚作临时支护减薄衬砌问题临时支护是为施工安全服务的，在施工时，作为临时支护的喷射混凝土厚度是不计在衬砌总厚度中的，在、类围岩中，施工临时支护有时仅局部敷设，而且喷层往往很薄。作为临时支护一部分的格栅拱架，其设定间距也有相当的灵活余地。因此，这些临时支护往往并不能起到长期维护围岩整体稳定的作用。在这种安排下，减薄整体式模筑混凝土衬砌的厚度

26、不具合理性。特别在隧道浅埋的情况下，临时支护的薄弱与不及时，再加上先拱后墙的模筑衬砌顺序，有可能导致竣工后衬砌的开裂。作者曾调查过的南昆铁路线的几座隧道，在浅埋段出现衬砌的纵、斜向开裂，分析其原因就在于此。因此，作者认为，如果规定喷锚作临时支护，就不应当考虑减薄衬砌，有关标准图应当更改。4 施工中某些技术问题讨论(1) 喷层混凝土的严格要求对于复合式衬砌，目前有一些不合理的认识，即认为反正复合式衬砌包括喷射混凝土层和模筑混凝土衬砌，衬砌厚度为二者总厚度，因此，喷层可薄一些，模筑衬砌不怕厚一些，这样可节省一些费用。实际上，设计中将初期支护作为主要受力或全部承力的部分，所以，喷层薄是不合理的，施工

27、单位应切实注意。绵广高速公路、京秦高速公路某连络线的几座隧道在喷层厚度及背后空区全面检测通过后才允许作模筑二次衬砌，这是指挥者的清醒之处。对于用喷射混凝土作临时支护，有时施工单位容易忽视。上世纪70年代中以后，提出推广喷锚支护，用以取代木支撑、钢架支撑等临时支护，因而在不采用木支撑等支护的情况下，决不能忽略或取消喷锚临时支护。有些隧道坍方少或无坍方，很大程度上是由于重视喷锚初期支护或临时支护。有的隧道坍方频频，就是不重视喷锚初期支护，或仅作象征性的临时支护的缘故。作者被咨询过的一些隧道，施工后出现纵向、斜向裂缝，究其原因就是在浅埋情况下未注意及时的临时喷锚支护，导致围岩松动所致。(2) 喷射混

28、凝土的厚度控制喷射混凝土厚度的控制是一个长期存在的问题，按规范每20m（单线铁路隧道）或10 m（双线铁路隧道）设一横断面，断面上每隔2 m检测一个喷层厚度，采用钻孔丈量的办法或用仪器设备对喷层厚度作无损检测，但主动添置检测设备的施工单位极少，按规范规定的密度作检测的可能是凤毛麟角。实际上添置无损检测的设备和人员培训所费甚少。在设钢拱架或格栅拱架的情况下，喷射混凝土常常喷成拱架处较厚、两个拱架中间薄，这种喷层表面呈波浪形的，有些人认为这是正常的，殊不知在铺设防水板后，二次模筑衬砌一是不可能将它们填平，造成两层衬砌间的空洞；二是易造成防水层被挤破。因此，将喷层表面喷平才是合理的。(3) 光面爆破

29、问题光面爆破需多打孔，周边孔中要用细药卷或间隔装药，可能要占用一些时间，成本要高一些。但是在采用模筑衬砌及喷锚+模筑衬砌的复合式衬砌时，圆顺及符合设计的开挖轮廓避免了凹凸不平的超挖，减少了掉块造成的需填满的空区，从经济上是十分合算的。 在进行光面爆破时，人们往往更多地注意炮眼残痕率，而实际上，光爆的要求应当更讲究隧道的轮廓，因为它决定了要额外地填入多少混凝土，决定了因光爆不够好要多花多少钱。周边眼的外斜角也应当严格控制在最小范围内，这也是直接与要花多少额外填入混凝土的费用有关的要素。(4) 围岩中的地下水围岩中的地下水是可能导致隧道漏水的源，特别是在不设防水层的隧道中，地下水的渗入并使隧道漏水几乎是