西南地區(qū)鐵路隧道襯砌病害分析

黃 波，鄧德華，元 強(qiáng)，鄭 斌，田冬梅

(1.中南大學(xué) 土木建筑學(xué)院，長(zhǎng)沙 410075;2.福州大學(xué) 土木建筑學(xué)院，福州 350108)

0 引言

隨著我國(guó)西部大開(kāi)發(fā)的不斷推進(jìn)，西南地區(qū)的鐵路建設(shè)正處于一個(gè)快速發(fā)展時(shí)期。西南地區(qū)山脈綿延，峻嶺疊巒，鐵路隧道眾多。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)既有鐵路隧道襯砌結(jié)構(gòu)均出現(xiàn)了不同程度的粉化、剝落、開(kāi)裂和強(qiáng)度下降等劣化現(xiàn)象，對(duì)列車運(yùn)營(yíng)安全造成重大隱患。為保證未來(lái)新建鐵路隧道的長(zhǎng)期服役性能，減少維護(hù)成本，保證運(yùn)營(yíng)安全，迫切需要解決西南地區(qū)鐵路隧道襯砌結(jié)構(gòu)的耐久性問(wèn)題。首先必須把握西南地區(qū)鐵路隧道襯砌的主要病害類型及其機(jī)理。為此，以西南地區(qū)鐵路隧道襯砌病害調(diào)研資料為基礎(chǔ)，歸納總結(jié)出該地區(qū)鐵路隧道襯砌的主導(dǎo)病害類型及其危害，并對(duì)其進(jìn)行特征描述與原因分析，為西南地區(qū)鐵路隧道襯砌結(jié)構(gòu)與材料研究工作的深入開(kāi)展提供依據(jù)，同時(shí)對(duì)類似地區(qū)隧道建設(shè)中襯砌結(jié)構(gòu)與材料設(shè)計(jì)也具有借鑒作用。

1 調(diào)查說(shuō)明

所調(diào)研隧道的地質(zhì)條件在西南地區(qū)較有代表性，它穿過(guò)富含侵蝕性鹽類的鹽漬土地區(qū)，圍巖較差，巖層主要為紅砂巖、泥質(zhì)粉砂巖等。調(diào)研的目的是為了確定西南地區(qū)鐵路隧道襯砌的主導(dǎo)病害類型，筆者選擇了襯砌病害具有代表性的成昆線法拉隧道和碧雞關(guān)隧道進(jìn)行了重點(diǎn)調(diào)研。

2 調(diào)研隧道概況

成昆線法拉隧道全長(zhǎng)1 532 m，隧道通過(guò)鹽漬土地段。

成昆線碧雞關(guān)隧道全長(zhǎng)2 282.07 m，地質(zhì)條件:進(jìn)洞后是玄武巖細(xì)壓碎粒狀帶，大部穿過(guò)砂頁(yè)巖互層;玄武巖、砂頁(yè)巖軟硬變化均交替頻繁，個(gè)別地帶風(fēng)化破碎，極易坍塌;地下裂隙水比較發(fā)育。

兩隧道襯砌病害情況見(jiàn)表1。

3 襯砌病害類型、危害及機(jī)理分析

雖然所調(diào)研隧道在結(jié)構(gòu)與材料方面均存在差異，但其襯砌的主要病害形式與特征具有相似性。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研與資料統(tǒng)計(jì)，其主導(dǎo)病害類型歸結(jié)為以下六類:①襯砌表層混凝土剝落;②襯砌滲漏水;③排水孔翻漿;④襯砌裂損;⑤襯砌表層混凝土粉化;⑥修補(bǔ)噴射混凝土泥質(zhì)化。

3.1 襯砌表層混凝土剝落

所調(diào)研隧道在某些地下水豐富地段，襯砌臨空面表層混凝土出現(xiàn)多層剝落掉塊，隧道拱部混凝土剝落掉塊嚴(yán)重影響了列車的行車安全。對(duì)隧道內(nèi)地下水取樣分析發(fā)現(xiàn)其中富含硫酸鹽(硫酸根離子含量高達(dá)3 378 mg/L)，該類侵蝕性環(huán)境水?dāng)U散、滲透至襯砌混凝土內(nèi)部，在混凝土內(nèi)部出現(xiàn)結(jié)晶現(xiàn)象，在結(jié)晶壓的作用下，表層混凝土發(fā)生剝落，襯砌厚度逐漸減小，抗裂性能逐漸降低，隧道安全儲(chǔ)備得不到保證。

表1 調(diào)研隧道襯砌病害及整治概況

侵蝕性環(huán)境水通過(guò)滲漏到達(dá)襯砌臨空面后，由于隧道內(nèi)自然風(fēng)、活塞風(fēng)以及溫度變化等的共同作用，表層混凝土孔隙中的鹽溶液(環(huán)境水)有可能產(chǎn)生過(guò)飽和現(xiàn)象，鹽晶體將在混凝土孔隙中析出。隨著環(huán)境水的不斷滲入，表層混凝土出現(xiàn)干濕循環(huán)過(guò)程，混凝土孔隙中鹽晶體將不斷富積和長(zhǎng)大，從而產(chǎn)生鹽結(jié)晶膨脹，形成結(jié)晶壓，最終導(dǎo)致表層混凝土發(fā)生鹽結(jié)晶破壞［1］。表層剝落后的襯砌骨料暴露，表面凹凸不平，增大了臨空面表面積，在硫酸鹽環(huán)境水存在的條件下進(jìn)一步加速了結(jié)晶破壞的進(jìn)程，形成惡性循環(huán)。

圖1 隧道襯砌表層混凝土剝落物及結(jié)晶物微觀分析

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)表層剝落混凝土取樣并做微觀分析進(jìn)一步證實(shí)了上述的觀點(diǎn)。如圖1所示，圖中給出了現(xiàn)場(chǎng)表層混凝土剝落物及結(jié)晶物的典型照片和微觀測(cè)試照片，從中可以看到，剝落的混凝土中出現(xiàn)了鹽的結(jié)晶體，微觀分析表明，主要是硫酸鈉鹽的結(jié)晶及腐蝕產(chǎn)物。

3.2 襯砌滲漏水

所調(diào)研隧道襯砌出現(xiàn)大面積滲漏水現(xiàn)象，嚴(yán)重惡化了洞內(nèi)行車環(huán)境，影響一些技術(shù)設(shè)備的正常使用。其主要危害有:①在電力牽引區(qū)段，拱部漏水會(huì)造成接觸網(wǎng)跳閘、放電漏電，影響安全運(yùn)營(yíng)。②在嚴(yán)寒季節(jié)，隧道漏水會(huì)造成邊墻結(jié)冰、拱部掛冰，侵入限界，影響隧道正常運(yùn)營(yíng)。還會(huì)造成襯砌凍脹裂損和洞內(nèi)線路凍脹起伏不平等病害。③在洞內(nèi)線路排水不良地段，造成土質(zhì)和軟巖地基的基床翻漿冒泥，整體道床下沉裂損病害，影響列車運(yùn)營(yíng)安全，增加養(yǎng)護(hù)維修工作量。④洞內(nèi)漏水潮濕，降低輪軌黏著力，加速鋼軌扣件和管線的銹蝕，加速木枕和膠墊腐朽，縮短線路設(shè)備使用壽命。⑤西南地區(qū)大量隧道所處環(huán)境水中含有侵蝕性介質(zhì)，造成襯砌混凝土受腐蝕，降低襯砌的支承能力，增加大維修費(fèi)用。

造成所調(diào)研隧道襯砌滲漏水嚴(yán)重的原因主要有以下幾方面:①除地下水豐富外，還有隧道防排水考慮不周全，對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)防蝕、耐凍、抗?jié)B也未作專項(xiàng)設(shè)計(jì)等。隧道修建后，將成為所穿過(guò)山體附近地下水集聚的通道。當(dāng)隧道的防排水設(shè)備不完善時(shí)，必然發(fā)生隧道漏水病害。②隧道穿過(guò)含水的地層。所調(diào)研隧道某些地段穿過(guò)砂類土和泥質(zhì)粉砂巖等含水地層;某些地段穿過(guò)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖與石膏巖互層等可溶性巖層，并有充水的溶洞、暗河等與隧道相連通。③隧道襯砌綜合防排水措施不完善。所調(diào)研隧道建于上世紀(jì)60年代，襯砌采用一次性施作，未采用止水板對(duì)襯砌進(jìn)行防水處理，致使隧道襯砌直接暴露于侵蝕性承壓水環(huán)境中。④襯砌自身防水性能不良。襯砌混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)僅為C15左右，且施工質(zhì)量較差，孔隙裂縫多，自身防水能力差;混凝土的工作縫、伸縮縫、沉降縫等接縫處理不當(dāng)，未做好防水處理;襯砌變形、開(kāi)裂后滲漏水。⑤隧道防排水設(shè)施年久失效。如襯砌背后的暗溝、盲溝，排水孔等，年久失修阻塞。

3.3 排水孔翻漿

所調(diào)研隧道多處可見(jiàn)排水孔出現(xiàn)翻漿現(xiàn)象，除了影響隧道襯砌表面的美觀外，更重要的危害在于:隨著原巖和土隨環(huán)境水的流失，襯砌背面容易形成溶洞，影響到原巖的整體穩(wěn)定，對(duì)隧道洞身的安全造成隱患。另外，溶洞的形成也會(huì)引起地下水的匯集，形成惡性循環(huán)，同時(shí)侵蝕性環(huán)境水的匯集也會(huì)加速對(duì)襯砌混凝土的侵蝕破壞。

為探究排水孔翻漿是否因?yàn)榄h(huán)境水對(duì)襯砌混凝土的溶蝕，對(duì)紅色物質(zhì)取樣進(jìn)行了微觀分析，分析表明紅色物質(zhì)中含有大量Fe(OH)3膠體(圖2)，為泥狀膠結(jié)結(jié)構(gòu)的紅砂巖受環(huán)境水長(zhǎng)期侵蝕后呈現(xiàn)渣狀、泥狀崩解，并隨環(huán)境水沿排水孔流出后的堆積物。

圖2 隧道排水孔翻漿處紅色物質(zhì)微觀分析

筆者認(rèn)為，除了地下水比較豐富外，造成調(diào)研隧道排水孔翻漿的原因有以下幾點(diǎn):①隧道未埋設(shè)排水軟管，直接采用大孔徑排水孔排水，造成襯砌背面原巖和土隨地下水沿排水孔排出。②某些排水孔翻漿地段圍巖類別較低，圍巖成泥砂狀或?yàn)轲ね令?，易被流?dòng)的地下水沖刷。③某些排水孔翻漿地段原本圍巖類別較高，但在環(huán)境水的長(zhǎng)期浸泡和侵蝕下逐漸泥質(zhì)化，并隨環(huán)境流水沿排水孔排出。

3.4 襯砌裂損

相關(guān)資料顯示，所調(diào)研隧道在運(yùn)營(yíng)期間出現(xiàn)過(guò)不同程度的襯砌裂損現(xiàn)象，襯砌裂損是隧道病害的主要形式之一［2］。隧道襯砌裂損破壞了隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，降低了襯砌結(jié)構(gòu)的安全可靠性，影響隧道的正常使用，甚至危及行車安全。襯砌裂損的主要危害有:

1)降低襯砌結(jié)構(gòu)對(duì)圍巖的承載能力;

2)拱部襯砌掉塊，影響行車和人身安全;

3)裂縫漏水，造成洞內(nèi)設(shè)施銹蝕，道床翻漿，嚴(yán)寒季節(jié)產(chǎn)生凍害;

4)導(dǎo)致道床和仰拱破損，基床翻漿、線路變形、危及列車運(yùn)營(yíng)安全，大量增加養(yǎng)護(hù)維修工作量;

5)在運(yùn)營(yíng)條件下對(duì)裂損襯砌進(jìn)行大修整治，施工與列車運(yùn)營(yíng)互相干擾，費(fèi)用增大。

襯砌裂損的發(fā)生多是由于隧道通過(guò)巖體破碎地段或斷層破碎帶地段，圍巖的形變壓力、松動(dòng)壓力作用、腐蝕性介質(zhì)作用、運(yùn)營(yíng)車輛的循環(huán)荷載作用等(環(huán)境外力因素);或是襯砌厚度不足、支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不夠、無(wú)仰拱、防排水體系不完善等(設(shè)計(jì)施工因素)。其中環(huán)境外力因素是引起西南地區(qū)隧道襯砌開(kāi)裂變形的主要原因。

所調(diào)研隧道歷次的維修加固采用了鋼筋網(wǎng)噴C20混凝土及素噴C20混凝土等措施，襯砌開(kāi)裂基本得到控制。

3.5 襯砌表層混凝土粉化

所調(diào)研隧道大面積襯砌表層混凝土結(jié)構(gòu)疏松、強(qiáng)度偏低，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)分析及取樣分析，將其定性為襯砌表層混凝土粉化。

襯砌表層混凝土粉化導(dǎo)致表層混凝土結(jié)構(gòu)疏松、強(qiáng)度偏低，使得侵蝕性環(huán)境水、CO2等有害介質(zhì)更易侵入，形成惡性循環(huán);同時(shí)又減小了襯砌的有效厚度，降低了襯砌的有效承載力，使得襯砌更易開(kāi)裂變形，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的安全構(gòu)成威脅。

導(dǎo)致襯砌表層混凝土粉化的發(fā)生主要原因有三方面:

1)襯砌混凝土澆筑后養(yǎng)護(hù)不當(dāng)，施工早期水分散失過(guò)快，形成大量的水孔，表層的水泥得不到足夠的水分進(jìn)行水化，因而表層混凝土的結(jié)構(gòu)疏松，強(qiáng)度偏低。

2)雨季襯砌表面流水的溶蝕作用。雨季襯砌滲漏水較嚴(yán)重的地段，襯砌混凝土表面流水會(huì)將水泥水化產(chǎn)物中可溶性的離子、骨料中的可溶性物質(zhì)等帶走，使表層混凝土結(jié)構(gòu)變得疏松。同時(shí)，水泥水化產(chǎn)物中可溶性Ca2+的流失亦會(huì)導(dǎo)致水化產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化［3］，降低固化水泥漿體的密實(shí)性。

3)發(fā)生碳硫硅鈣石型硫酸鹽侵蝕(TSA)［4-6］，TSA不同于通常所說(shuō)的硫酸鹽侵蝕模式，它所侵害的目標(biāo)是硬化水泥基材料中的水化硅酸鈣C-S-H，而C-S-H是碳硫硅鈣石形成反應(yīng)的主要反應(yīng)物。眾所周知，C-S-H是硅酸鹽水泥的主要膠凝物質(zhì)，而碳硫硅鈣石已被證明是一種松軟而無(wú)膠結(jié)能力的物質(zhì)。因此，TSA的主要劣化形式是使堅(jiān)硬的水泥硬化體或其他硅酸鹽凝膠體轉(zhuǎn)變成柔軟、無(wú)膠結(jié)力的物質(zhì)，從而導(dǎo)致襯砌混凝土的結(jié)構(gòu)破壞和強(qiáng)度損失。

圖3為調(diào)研隧道襯砌粉化區(qū)提取物微觀分析照片，粉化區(qū)混凝土表面出現(xiàn)了一層糊狀物質(zhì)，基本無(wú)黏結(jié)性，從SEM、EDS、XRD測(cè)試分析圖譜可知，形成了碳硫硅鈣石、石膏、鈣礬石等化學(xué)產(chǎn)物，混凝土內(nèi)部水化產(chǎn)物發(fā)生轉(zhuǎn)變，微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了劣化。

3.6 修補(bǔ)噴射混凝土泥質(zhì)化

所調(diào)研隧道多處采用了噴射混凝土封堵襯砌滲漏水，在侵蝕性環(huán)境水的浸泡下，噴射混凝土完全失去了膠結(jié)強(qiáng)度，呈現(xiàn)泥質(zhì)化。

圖3 襯砌粉化處提取物微觀分析

修補(bǔ)噴射混凝土泥質(zhì)化會(huì)導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)松散，降低其與原襯砌表面的黏結(jié)性能，襯砌滲漏水將得不到有效控制，且在自重及列車荷載的循環(huán)振動(dòng)下易脫落掉塊，尤其是隧道拱部修補(bǔ)噴射混凝土泥質(zhì)化會(huì)對(duì)列車的運(yùn)營(yíng)安全構(gòu)成威脅。

侵蝕性硫酸鹽環(huán)境流動(dòng)水的長(zhǎng)期滲流是引起修補(bǔ)噴射混凝土泥質(zhì)化的主要原因。

眾所周知，水泥混凝土具有多相多孔結(jié)構(gòu)，在集料界面過(guò)渡區(qū)［7］、Ca(OH)2晶體與C-S-H凝膠接觸區(qū)形成一個(gè)連續(xù)的毛細(xì)孔隙網(wǎng)，侵蝕性離子通過(guò)擴(kuò)散、滲透進(jìn)入孔隙溶液中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)［8］。

腐蝕產(chǎn)物形成時(shí)的固相體積增加及其在孔內(nèi)以針狀或棒狀晶體定向生長(zhǎng)［9］，對(duì)孔壁產(chǎn)生很大的結(jié)晶壓力，造成混凝土開(kāi)裂。從而侵蝕性水體沿裂縫的滲透速度更快，混凝土中孔溶液pH值將降低?？紫度芤簆H值降低后，C-S-H凝膠的穩(wěn)定性大大降低，當(dāng)pH值低于8.8時(shí)，C-S-H凝膠釋放出全部 Ca2+轉(zhuǎn)變成硅膠［10］。硅膠膠結(jié)性能遠(yuǎn)不如C-S-H凝膠，導(dǎo)致噴射混凝土變?yōu)闊o(wú)強(qiáng)度的松散堆積體。因此，侵蝕性流水腐蝕導(dǎo)致噴射混凝土孔隙溶液pH值的持續(xù)下降，是噴射水泥混凝土泥質(zhì)化的重要原因。

除上述化學(xué)腐蝕外，流動(dòng)水體對(duì)水泥水化產(chǎn)物的溶蝕作用、干濕循環(huán)導(dǎo)致的結(jié)晶破壞、腐蝕產(chǎn)物的碳化和溫差引起的體積效應(yīng)等作用加速了化學(xué)腐蝕破壞。

4 總結(jié)

通過(guò)成昆線多座隧道現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和調(diào)研資料總結(jié)分析，對(duì)西南地區(qū)鐵路隧道襯砌病害的發(fā)生規(guī)律有以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí):

1)特殊的自然條件是各種病害產(chǎn)生的基本原因，地下水的高硫酸鹽含量導(dǎo)致其具有強(qiáng)侵蝕性，硫酸鹽的物理結(jié)晶作用以及化學(xué)侵蝕作用是導(dǎo)致西南地區(qū)鐵路隧道襯砌混凝土表層剝落和失去膠結(jié)強(qiáng)度的重要原因。

2)所調(diào)研鐵路隧道襯砌混凝土病害的發(fā)生，是由設(shè)計(jì)施工因素、環(huán)境外力因素以及鹽漬地區(qū)地下水侵蝕破壞因素等共同作用的結(jié)果。隧道建成以后，后兩種因素對(duì)襯砌混凝土的劣化產(chǎn)生相互影響，容易導(dǎo)致惡性循環(huán)。

3)穿過(guò)硫酸鹽型鹽漬地段的隧道，有必要對(duì)襯砌混凝土做抗硫酸鹽侵蝕設(shè)計(jì);用于襯砌堵滲堵漏的噴射混凝土，為防止其泥質(zhì)化，做抗硫酸鹽侵蝕設(shè)計(jì)也勢(shì)在必行。

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