既有鐵路隧道襯砌裂損整治措施研究

裴濤濤，陳禮偉，史憲明，師亞龍

(1．中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，北京 100081;2．西南交通大學(xué)，四川 成都 610031;3．中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，四川 成都 611731)

既有鐵路隧道襯砌裂損整治措施研究

裴濤濤1，陳禮偉2，3，史憲明3，師亞龍3

(1．中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，北京 100081;2．西南交通大學(xué)，四川 成都 610031;3．中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，四川 成都 611731)

既有鐵道隧道病害已成為制約鐵路提速和提高單線運(yùn)輸能力的瓶頸。本文根據(jù)某鐵路沿線既有隧道襯砌開(kāi)裂形態(tài)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，在分析地質(zhì)環(huán)境、設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)維護(hù)等方面原因的基礎(chǔ)上，針對(duì)襯砌裂損與滲漏水病害的并發(fā)情況，分別提出無(wú)水裂損和滲漏水裂損病害的整治措施。同時(shí)，為保證整治效果，建議從材料把關(guān)、施工過(guò)程控制及竣工驗(yàn)收等方面對(duì)其進(jìn)行控制和評(píng)價(jià)。

既有鐵路隧道 病害 襯砌裂損 措施

隨著交通運(yùn)輸事業(yè)發(fā)展的需要，鐵路隧道通車?yán)锍碳眲≡鲩L(zhǎng)，運(yùn)營(yíng)速度也不斷提高，而諸多既有鐵路隧道病害又成為制約鐵路提速和提高單線運(yùn)載能力的瓶頸。襯砌裂損是隧道病害的主要表現(xiàn)形式，也為滲漏水等其他病害的發(fā)生和發(fā)展提供了先決條件。襯砌開(kāi)裂破壞隧道結(jié)構(gòu)的整體性，降低襯砌結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備，縮短鐵路隧道的使用壽命，導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失。本文旨在通過(guò)對(duì)襯砌開(kāi)裂形態(tài)及其原因分析，提出相應(yīng)整治措施，并給出整治施工控制方法和檢測(cè)手段。

1 襯砌開(kāi)裂基本形態(tài)

根據(jù)我國(guó)鐵路88座典型隧道、全長(zhǎng)78 km的統(tǒng)計(jì)調(diào)查，裂縫總長(zhǎng)度達(dá)32 482 m。結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)和某鐵路沿線隧道病害調(diào)查結(jié)果，本文對(duì)裂縫按走向分為縱向裂縫、斜向裂縫和環(huán)向裂縫3種，詳見(jiàn)表1［1］。

表1 隧道混凝土襯砌裂縫情況調(diào)查統(tǒng)計(jì)

1)縱向裂縫(圖1(a)、圖1(b))。走向與隧道軸線基本平行，其危害性最大，任其發(fā)展可引起隧道掉拱、邊墻斷裂甚至坍塌。

2)斜向裂縫(圖1(c))。一般和隧道縱軸呈45°夾角，常因混凝土襯砌的環(huán)向應(yīng)力和縱向受力組合而成的拉應(yīng)力造成，其危害性僅次于縱向裂縫，也需要認(rèn)真對(duì)待。

圖1 襯砌開(kāi)裂基本形態(tài)

3)環(huán)向裂縫(圖1(d))。主要由縱向不均勻荷載、圍巖地層變化、沉降縫處理不當(dāng)?shù)人?，多發(fā)生在洞口或不良地質(zhì)地帶與完整巖石的交界處。

2 襯砌開(kāi)裂原因分析

2.1 工程地質(zhì)環(huán)境方面的原因

客觀上講，山嶺隧道所處的地質(zhì)和地形環(huán)境都比較復(fù)雜。在不同的斷面里程，隧道所處圍巖等級(jí)和上覆蓋層情況也不盡相同，襯砌受力不均勻，易造成縱向沉降差。其次，偏壓、節(jié)理和斷層等不對(duì)稱地形和地質(zhì)條件的存在，也會(huì)導(dǎo)致襯砌產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性裂縫。這一點(diǎn)在山嶺隧道的洞口段、滑坡段和地質(zhì)突變段表現(xiàn)尤為明顯。最后，地下水環(huán)境也對(duì)襯砌裂縫的發(fā)展起著催化作用。

2.2 隧道設(shè)計(jì)方面的原因［2］

既有鐵路隧道一般修建年代較久遠(yuǎn)，修建時(shí)期的勘測(cè)設(shè)計(jì)條件有限，而隧道穿越山體的工程和水文地質(zhì)條件復(fù)雜多變，設(shè)計(jì)階段難以取得完整準(zhǔn)確的地質(zhì)資料。這就容易導(dǎo)致一些地段的圍巖級(jí)別劃分不準(zhǔn)、襯砌類型選擇不當(dāng)，使襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖實(shí)際荷載不相適應(yīng)而在運(yùn)營(yíng)期間出現(xiàn)開(kāi)裂。如對(duì)某些膨脹性圍巖、偏壓地段或斷層破碎帶等未采取針對(duì)性設(shè)計(jì)，造成該地段襯砌因受力不均或承載力不足而出現(xiàn)開(kāi)裂錯(cuò)臺(tái)甚至掉塊塌方。

2.3 隧道施工方面的原因

施工方面的因素，可以說(shuō)是在整個(gè)隧道建設(shè)過(guò)程中最不確定，同時(shí)也是造成隧道襯砌開(kāi)裂的最重要因素之一。因受技術(shù)條件限制，施工方法不當(dāng)、管理不善，都易造成工程質(zhì)量不良。主要表現(xiàn)在:由于施工方法選擇不當(dāng)，施工質(zhì)量難以控制，造成圍巖松動(dòng)，壓力增大;襯砌厚度不夠，強(qiáng)度不足;對(duì)于超挖部分和塌方地段回填不及時(shí)、不完全，襯砌背后回填不密實(shí)等。此外，施工拌制混凝土?xí)r，對(duì)原材料中堿骨料含量控制不嚴(yán)，也會(huì)因堿骨料反應(yīng)的膨脹效應(yīng)而導(dǎo)致混凝土襯砌開(kāi)裂。

2.4 運(yùn)營(yíng)維護(hù)方面的原因［3］

運(yùn)營(yíng)維護(hù)方面的原因主要?dú)w咎于維護(hù)不當(dāng)，即對(duì)襯砌裂損病害未能做到及早發(fā)現(xiàn)、及時(shí)處理，或?qū)σ巡槊鞯娜毕?、病害處理措施不合理而使其進(jìn)一步惡化。如對(duì)已出現(xiàn)的微小裂縫、滲漏水重視不夠或預(yù)見(jiàn)不足，未能采取積極有效的維護(hù)措施遏制，任其逐步發(fā)展成貫通性裂縫、滲漏水甚至涌水裂縫，從而對(duì)正常運(yùn)營(yíng)構(gòu)成威脅。

2.5 其他方面的原因

其他方面的原因主要是指地震、火車脫軌引發(fā)隧洞內(nèi)火災(zāi)等不可抗力或不可預(yù)知因素等。在隧道進(jìn)出口地段，溫度應(yīng)力和凍融循環(huán)對(duì)混凝土襯砌造成的危害也不容忽視。此外，既有鐵路尤其是貨運(yùn)鐵路隧道洞內(nèi)易積存侵蝕性介質(zhì)，如各種酸、堿、鹽以及大氣中各種有害氣體，會(huì)加劇混凝土襯砌開(kāi)裂程度。

3 襯砌開(kāi)裂的整治措施

針對(duì)不同原因造成的襯砌開(kāi)裂，應(yīng)采取不同的整治措施。在運(yùn)營(yíng)條件下，針對(duì)隧道襯砌裂損病害的整治原則有［1］:應(yīng)在加強(qiáng)觀測(cè)，掌握裂縫變形情況和地質(zhì)資料、查清病害原因的基礎(chǔ)上，對(duì)不同裂損地段采用不同的工程措施;注意對(duì)襯砌漏水、腐蝕等病害，一并綜合進(jìn)行整治，貫徹徹底整治的原則，達(dá)到穩(wěn)定圍巖、加固襯砌、確保運(yùn)營(yíng)安全的目的;合理安排施工慢行封鎖計(jì)劃，盡量減少對(duì)正常運(yùn)營(yíng)的干擾;精心測(cè)量，保證整治后的隧道凈空滿足限界要求;精心施工，確保錨噴加固襯砌、拱背壓漿等各項(xiàng)整治措施的施工質(zhì)量。因水的存在與否對(duì)襯砌裂損病害整治在工藝選擇和工序安排上有很大影響，本文對(duì)無(wú)水裂損和滲漏水裂損區(qū)別對(duì)待。

3.1 無(wú)水裂損病害的整治

無(wú)水裂損病害指襯砌因受工程地質(zhì)、設(shè)計(jì)施工等因素影響而形成開(kāi)裂，但開(kāi)裂面常年干燥或不形成水珠，已對(duì)行人、行車構(gòu)成威脅或進(jìn)一步發(fā)展將危及行車安全的病害。這類病害的整治主要是在病害情況調(diào)查和地質(zhì)資料搜集的基礎(chǔ)上分析出開(kāi)裂的主要原因，并根據(jù)不同的開(kāi)裂程度和現(xiàn)有的施工機(jī)具選擇針對(duì)性的工程措施。目前常用的整治手段有以下幾種。

1)砂漿抹面整治一般淺表性裂縫。按照“預(yù)防為主、預(yù)防與整治相結(jié)合”原則［4］，砂漿抹面主要目的是防止細(xì)小裂縫進(jìn)一步發(fā)展、阻止隧道內(nèi)有害氣體和水汽進(jìn)入襯砌內(nèi)部造成更大危害。此外，砂漿抹面還可以起到美化作用。

2)鑿槽或低壓灌注樹(shù)脂漿液整治未貫穿襯砌厚度的局部細(xì)小裂縫。針對(duì)那些已停止發(fā)展且又對(duì)結(jié)構(gòu)整體性影響不大的未貫通裂縫，可以采用鑿槽或低壓灌注樹(shù)脂漿液的方法進(jìn)行修補(bǔ)。鑿槽的施工步驟是在襯砌開(kāi)裂處開(kāi)鑿“V”形或“U”形槽口，用環(huán)氧樹(shù)脂漿液嵌補(bǔ);低壓灌注的施工步驟是首先對(duì)裂縫進(jìn)行清潔處理、統(tǒng)計(jì)裂縫寬度，預(yù)留注漿口封閉裂縫，安設(shè)注漿底座并進(jìn)行漿液注入，待漿液固化后即可清除封膠和底座［5-6］。

3)襯砌背后回填注漿適用于因施工回填不密實(shí)等造成襯砌裂損病害的整治。當(dāng)襯砌開(kāi)裂形式表現(xiàn)為拱腰受彎張口型裂縫、拱頂受擠壓閉口型裂縫時(shí)，多數(shù)是由于拱頂回填不密實(shí)造成的?；靥钭{的兩個(gè)難點(diǎn)是注漿量和注漿壓力的控制。注漿施工之前應(yīng)根據(jù)可靠的檢測(cè)手段探明空洞大小，并進(jìn)行壓水或壓氣試驗(yàn)以擬定注漿量和注漿壓力。注漿過(guò)程中要嚴(yán)控注漿壓力，密切關(guān)注進(jìn)漿量，同時(shí)要對(duì)襯砌變形做好觀測(cè)。注漿結(jié)束后要對(duì)注漿效果進(jìn)行檢查，對(duì)未達(dá)到設(shè)計(jì)要求的斷面進(jìn)行補(bǔ)注漿。

4)噴錨支護(hù)整治襯砌大面積裂損病害。該施工方法可分為素噴、網(wǎng)噴、錨網(wǎng)噴和噴射早強(qiáng)鋼纖維混凝土等4種，主要對(duì)隧道襯砌開(kāi)裂嚴(yán)重、原襯砌混凝土還具備一定承載能力或局部襯砌厚度小于最小設(shè)計(jì)值地段進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)。噴錨加固的噴層與原襯砌之間具有緊密黏結(jié)能力，使新舊拱形成剛度更大的組合拱結(jié)構(gòu)，可以恢復(fù)和提高原襯砌的承載能力;布設(shè)鋼筋網(wǎng)后，增強(qiáng)了組合拱結(jié)構(gòu)的抗裂性和抗彎強(qiáng)度，因而可大幅提高襯砌承載能力。噴錨加固襯砌相比于套拱或換拱施工法具有施工進(jìn)度快、勞動(dòng)強(qiáng)度小、工程費(fèi)用低、行車干擾少、安全可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。具體應(yīng)用過(guò)程中，可根據(jù)圍巖穩(wěn)定情況、襯砌裂損程度和整治要求選用不同噴錨方式，其操作可參考新建隧道的噴錨支護(hù)施工;不同之處在于整治施工中需要對(duì)噴射面進(jìn)行鑿毛或涂刷界面膠以提高新舊拱圈的黏結(jié)強(qiáng)度。

5)套拱或換拱整治襯砌腐蝕裂損嚴(yán)重地段。套拱法適用于襯砌開(kāi)裂明顯、材料劣化嚴(yán)重但尚未失去使用功能，伴有地壓或近接施工等外力影響，限界富裕能滿足套拱厚度要求的情況;換拱法適用于開(kāi)裂、接縫錯(cuò)動(dòng)、剝落、剝離等襯砌材料劣化程度顯著且深及內(nèi)部，隧道限界富裕不足或已經(jīng)侵限，其他整治措施無(wú)法根治的情況［7］。套拱或換拱法對(duì)病害的整治較徹底，適用于整治病害嚴(yán)重或多種病害并發(fā)的情況，但施工工期較長(zhǎng)、勞動(dòng)強(qiáng)度較大、工程費(fèi)用較高、對(duì)運(yùn)營(yíng)干擾較大。套拱法需要解決好新舊拱圈的銜接問(wèn)題，目前常用方法是設(shè)置栓釘或界面鑿毛刷涂界面劑;拱腳處的支撐設(shè)置也需要特別注意。換拱法根據(jù)更換部位不同分做拱部置換、邊墻置換和全環(huán)置換;換拱法需要解決好松動(dòng)圍巖的預(yù)加固處理、既有拱圈的拆除施工、跳槽施工和搭接間距的合理布置，以及新增拱圈支撐點(diǎn)的設(shè)計(jì)等問(wèn)題。

3.2 滲漏水裂損病害的整治

滲漏水裂損病害指襯砌不僅發(fā)生開(kāi)裂，同時(shí)還伴隨著滲漏水、甚至涌水的一種病害形式。這類病害的整治不僅要考慮修補(bǔ)恢復(fù)裂損襯砌強(qiáng)度，而且要在病害調(diào)查和資料搜集的基礎(chǔ)上查清水源補(bǔ)給形式和滲漏水的季節(jié)特性，以進(jìn)行堵水或排水設(shè)計(jì)和施工［8］。應(yīng)遵循“防、截、排、堵相結(jié)合，因地制宜，綜合治理”的原則進(jìn)行整治，宜采取“拱堵邊排”方案，區(qū)別對(duì)待。目前常用的針對(duì)此類病害的整治手段有以下幾種。

1)噴射或涂層整治法。噴射法適用于大面積發(fā)生滲漏水，但漏水量小且止水無(wú)有害影響時(shí)的裂損病害整治;涂層法應(yīng)用于滲漏水范圍較小、漏水程度輕微，襯砌表面較平整情況下的襯砌裂縫修復(fù)。噴射法作為整治滲漏水病害的常用手段，同時(shí)可以作為整治襯砌大范圍裂損、劣化的補(bǔ)強(qiáng)措施，區(qū)別在于噴射層的厚度大小、界面處理要求、水灰比設(shè)計(jì)、對(duì)鋼筋網(wǎng)或錨桿的要求程度等。此外，涂層法與砂漿抹面的區(qū)別在于適用范圍、滲漏水量的考慮、經(jīng)濟(jì)效益、對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性等。

2)鑿槽排水或嵌縫堵漏整治法。鑿槽排水適用于漏水量較多，漏水沿施工縫或襯砌開(kāi)裂處呈線狀分布的情況;嵌縫堵漏適用于程度較輕，漏水沿施工縫或襯砌開(kāi)裂處呈線狀且止水無(wú)不良影響的情況。鑿槽排水與鑿槽封堵法整治無(wú)水裂縫的區(qū)別是前者需要埋設(shè)排水管路，溝槽斷面和封堵材料也有所不同。嵌縫堵漏相對(duì)于低壓灌注法，對(duì)材料的要求更高，不僅要求與開(kāi)裂面有很好的黏結(jié)性，而且要求能速凝以達(dá)到堵水目的。

3)注漿回填堵漏整治法。該法是用壓注的方式充填襯砌背后、隧道周邊圍巖中的空隙、空洞，封堵或減少地下水流向襯砌內(nèi)部的通路，以防止漏水強(qiáng)化襯砌。主要適用于拱部漏水嚴(yán)重，襯砌背后有空洞的情況;也用于襯砌背后的空隙形成通路，雨水、地表水等水源直接補(bǔ)給襯砌漏水的情況。這種方法不僅可以防滲堵漏，而且使得襯砌與圍巖密貼，改善襯砌受力情況。相對(duì)于回填注漿，堵漏注漿對(duì)注漿材料的要求更高，成本也相應(yīng)增加。

需要指出，在上述具體裂損病害整治中需根據(jù)病害調(diào)查情況和裂損嚴(yán)重程度綜合選用不同的施工方法，可以單獨(dú)使用其中一種措施，也可綜合應(yīng)用其中兩種或多種方法;此外，一種整治措施并不是專門(mén)針對(duì)某一種病害，也可能適用于其他類型病害的整治修復(fù)。

4 整治措施的施工控制

目前，既有鐵路隧道病害整治的施工主要由各路局工務(wù)段負(fù)責(zé)完成，設(shè)計(jì)單位和監(jiān)理單位對(duì)施工過(guò)程的控制和監(jiān)管不到位，各項(xiàng)驗(yàn)收又缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。鑒于這種情況，本文參照新建鐵路隧道等相關(guān)分部分項(xiàng)工程的施工驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)［4，9-11］，提出了針對(duì)襯砌裂損整治施工的控制方法，希望能對(duì)保證工程質(zhì)量、提高施工效率提供幫助。

襯砌開(kāi)裂的原因是多方面的，相應(yīng)的設(shè)計(jì)和施工就不能一成不變。要想達(dá)到預(yù)期的整治效果，必須在各個(gè)細(xì)節(jié)和工序上嚴(yán)格把關(guān)，才能保證整個(gè)工程滿足要求。

1)材料把關(guān)。材料的優(yōu)劣直接關(guān)系著工程的最終質(zhì)量，當(dāng)材料無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，施工過(guò)程控制再好也不能彌補(bǔ)材料質(zhì)量缺陷。在襯砌裂損整治過(guò)程中，需要用到多種工程材料，必須嚴(yán)格做好進(jìn)場(chǎng)檢驗(yàn)和復(fù)驗(yàn)。

2)施工過(guò)程控制。施工過(guò)程控制的好壞，對(duì)保證工程質(zhì)量起著關(guān)鍵性作用?？刂频卯?dāng)既能保證工程質(zhì)量，也能節(jié)約材料、降低成本。病害整治施工一般是在保證線路正常運(yùn)營(yíng)情況下綜合利用天窗和行車間歇時(shí)間進(jìn)行的，施工難度大、時(shí)間利用率低;而某些關(guān)鍵性工序?qū)^(guò)程控制的依賴性較高，如界面處理、鑿槽施工和灌注漿等，這就要求在施工中必須做好監(jiān)督控制并形成驗(yàn)收性文件以備查驗(yàn)。

3)竣工驗(yàn)收。病害整治完工后必須對(duì)整個(gè)工程進(jìn)行竣工驗(yàn)收，達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)方可交付使用。竣工驗(yàn)收應(yīng)在各檢驗(yàn)批合格的基礎(chǔ)之上進(jìn)行，包括混凝土強(qiáng)度和厚度符合設(shè)計(jì)要求，隧道限界滿足凈空要求，以及滲漏水病害得到有效治理等方面。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)既有鐵路隧道襯砌開(kāi)裂的基本形態(tài)和常見(jiàn)原因分析，得出了針對(duì)不同開(kāi)裂類型的整治措施，并提出相應(yīng)的施工驗(yàn)收控制方法，為監(jiān)督施工過(guò)程、保證施工質(zhì)量提供了一定參考，對(duì)以后的工程實(shí)踐具有一定的借鑒意義。

［1］鐵道部工務(wù)局．鐵路工務(wù)技術(shù)手冊(cè)——隧道［M］．北京:中國(guó)鐵道出版社，1997．

［2］楊新安，黃宏偉．隧道病害與防治［M］．上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，2003．

［3］陳禮偉．淺析隧道病害產(chǎn)生的原因［J］．隧道建設(shè)，2004，24(2):83-85．

［4］中華人民共和國(guó)建設(shè)部．鐵運(yùn)［2010］38號(hào) 鐵路橋隧建筑物修理規(guī)則［S］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2010．

［5］鐵道部運(yùn)輸局基礎(chǔ)部．鐵路橋隧建筑物修理規(guī)則條文說(shuō)明［S］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2011．

［6］王明陽(yáng)．某鐵路隧道襯砌裂縫成因分析與整治［J］．隧道建設(shè)，2006，26(4):52-53．

［7］關(guān)寶樹(shù)．隧道工程維修管理要點(diǎn)集［M］．北京:人民交通出版社，2004．

［8］黃波，鄧德華，元強(qiáng)，等．西南地區(qū)鐵路隧道襯砌病害分析［J］．鐵道建筑，2010(5):48-52．

［9］中華人民共和國(guó)鐵道部．TB 10417—2003 鐵路隧道工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)［S］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2004．

［10］中華人民共和國(guó)建設(shè)部．GB 50208—2002 地下防水工程質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范［S］．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002．

［11］龍正聰，王貴波，伍致力．隧道病害整治方法探討［J］．公路工程，2012，37(2):29-32．

Study on treatment measures of cracks in lining of existing railway tunnel
PEI Taotao1，CHEN Liwei2，3，SHI Xianming3，SHI Yalong3

(1．China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China;2．Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China;3．Southwest Research Institute Co．，Ltd of C．R．E．C，Chengdu Sichuan 611731，China)

Existing railway tunnel disease has become a bottleneck restricting the increase of railway speed and single transport capacity．Based on the statistical results of the existing tunnels lining crack status in the railway，the paper analyzed the reasons of geology，design，construction and maintenance，and proposed the treatment measures of anhydrous-crack and leakage-crack according to the concurrent diseases of lining crack and water leakage．Meanwhile，the material control，construction process control and final acceptance should be given enough attention in order to ensure the treatment effect．

Existing railway tunnel;Disease;Lining crack;Measure

U457．2

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2013．04．24

1003-1995(2013)04-0076-04

2012-10-10;

2012-12-12

裴濤濤(1986— )，男，河南駐馬店人，助理工程師，碩士。

(責(zé)任審編 孟慶伶)