鐵路隧道仰拱、底板質(zhì)量缺陷整治技術

鄧健

摘 要：隨著高速鐵路的迅猛發(fā)展，無砟軌道被廣泛應用，橋隧群、長大鐵路隧道等多采用無砟軌道結構。無砟軌道對隧道仰拱、底板等下部結構質(zhì)量要求高，隧道施工質(zhì)量提升跟不上高速鐵路發(fā)展的腳步，在施工過程中產(chǎn)生了部分質(zhì)量缺陷，嚴重影響鐵路工程整體質(zhì)量，必須進行徹底整治，確保鐵路運營安全。

關鍵詞：隧道；仰拱；缺陷；整治；技術

1 概述

近年來，我國高速鐵路建設迅猛發(fā)展，成為全世界擁有高速鐵路最多的國家，許多先進的施工生產(chǎn)技術和管理經(jīng)驗被廣泛應用，鐵路工程整體質(zhì)量得到很大提升。同時，鐵路隧道施工仍然延續(xù)以前的施工生產(chǎn)模式，質(zhì)量提高緩慢，在已經(jīng)開通運營的多條高鐵線路中，隧底滲水、返漿、冒泥、下沉等病害時有發(fā)生，嚴重影響鐵路工程整體質(zhì)量，造成較大安全隱患，且處理難度大、耗費成本高。因此，對鐵路隧道仰拱、底板質(zhì)量缺陷，必須在施工過程中進行徹底整治，確保鐵路運營安全。

仰拱是隧道襯砌結構的主要組成部分之一，仰拱可以看做是承受地層永久荷載和路面臨時荷載（動荷載）的一種地基梁（板），它是整個隧道襯砌的基礎。高速鐵路隧道施工斷面大，隧道結構受力較為復雜，尤以隧道底部最復雜，邊墻底與仰拱連接處應力較集中。仰拱的設置能夠?qū)⑺淼郎喜康牡貙訅毫νㄟ^隧道邊墻結構或?qū)⒙访嫔系暮奢d有效的傳遞到地下，同時還有效的抵抗隧道下部地層傳來的反力。特別是在側壓力系數(shù)較大的軟弱圍巖、初始地應力場中具有較大的水平構造應力的圍巖、流變明顯的圍巖以及膨脹性巖體等情況，仰拱的作用就更為明顯。對于穿越軟弱圍巖地質(zhì)條件的客運專線大斷面隧道，仰拱的質(zhì)量對隧道襯砌體系長期使用的安全性和耐久性意義重大。

2 某鐵路隧道仰拱、底板質(zhì)量缺陷現(xiàn)狀

2.1 某隧道工程地質(zhì)概況

浙南地區(qū)某鐵路隧道位于低山區(qū)，自然坡度40°～50°，相對高差約200～300m。中線所經(jīng)之地有大部分地勢較險，植被茂密，溝谷發(fā)育。該隧道地層比較單一，主要有侏羅系上統(tǒng)高塢組熔結凝灰?guī)r及燕山期侵入的流紋斑巖；另外，在山間谷地、洼地及山坡地表上還零星分布有第四系坡洪積和殘坡積層。隧址區(qū)屬于華南加里東褶皺系的浙東南褶皺帶。區(qū)內(nèi)未見元古代變質(zhì)基底出露，全為中生代晚侏羅世一套巨厚的酸性火山巖。構造以斷裂為主，從空間展布方位看，發(fā)育有北東方向的兩條斷裂，區(qū)內(nèi)褶皺不發(fā)育。隧址區(qū)未見不良地質(zhì)及特殊巖土。

2.2 隧道仰拱、底板質(zhì)量缺陷情況

該鐵路隧道全長9.4km，為雙線無砟軌道隧道，在隧道仰拱、底板施工完成后，無砟軌道施工之前，進行了仰拱、底板鉆芯取樣檢測。檢測共發(fā)現(xiàn)65處質(zhì)量缺陷，其中隧底虛碴缺陷36處，約720m，虛碴厚度5～35cm；隧道仰拱厚度不足缺陷29處，約580m，厚度不足2～30cm；仰拱、底板缺陷長度約占隧道總長度的13.8%。其中，隧底虛碴缺陷主要出現(xiàn)在Ⅱ、Ⅲa兩種圍巖級別地段，仰拱厚度不足缺陷主要出現(xiàn)在Ⅲb、Ⅳa兩種圍巖級別地段。

3 仰拱、底板質(zhì)量缺陷原因分析

3.1 隧道虛碴產(chǎn)生的原因分析

①隧底開挖過程中，打眼外插角度過大，造成底部局部超挖嚴重，機械清碴不干凈，未采用人工進行清理。

②底板炮眼間距過大，爆破后隧底凹凸不平，清底過程中出現(xiàn)凹處堆積虛碴的情況，未認真進行人工清碴。

③部分超深較多部分，可能存在人為回填洞碴或碎石整平情況。

3.2 仰拱結構厚度不足原因分析

①仰拱開挖過程中，炮眼間距過大，爆破后隧底凹凸不平，凸出部位欠挖，沒有進行二次補炮處理，造成仰拱局部厚度不足。

②仰拱開挖斷面檢查過程中，測量點位數(shù)量不足，未找出欠挖部位加以處理，造成隧底存在局部欠挖現(xiàn)象。

4 隧道仰拱、底板質(zhì)量缺陷整治措施

根據(jù)隧道地質(zhì)、水文情況，在確保隧道正常使用功能的前提下，結合以往施工經(jīng)驗，以盡量少破壞既有結構為原則，采用以下措施對隧道仰拱、底板質(zhì)量缺陷進行處理。

4.1 隧底虛碴處理措施

隧底虛碴強度低，且將隧底圍巖與隧道底板混凝土隔離，降低了隧道底板混凝土承載能力。虛碴厚度較小時，可采用注漿、錨桿加固等措施加以處理，使隧底虛碴固結，將圍巖與底板混凝土連接成整體，增強底板混凝土承載力。虛碴厚度過大以后，底板結構已經(jīng)不能滿足受力要求，必須返工處理，鑿除底板，重新施做。

（1）注漿處理

Ⅱ級、Ⅲa級圍巖復合式襯砌虛碴厚度在0～10cm之間，采用注漿固結方式進行處理。注漿材料宜采用早期強度高，分散度高，漿液終凝時間不大于3h的水泥基灌漿材料，水灰比0.75：1～1.25：1，注漿壓力0.3～0.5MPa。注漿過程中，不得隨意停泵，以防管路堵塞。注漿時應注意注漿壓力、儲漿桶漿液下降情況及跑漿情況。若注漿時間很長而不升壓，可能漿液流竄太遠，應縮短漿液凝結時間或停止注漿。注漿時，安排專人記錄漿液消耗量、注漿時間、注漿壓力等技術參數(shù)?？拷行墓軠弦粋茸{孔注漿時，應防止?jié){液流入中心管溝，必要時可采取縮短漿液凝結時間或間歇注漿進行處理。注漿完成后，進行取芯檢查，對固結效果不佳部位進行補注漿，直至虛碴完全固結。雙線無砟軌道鐵路隧道Ⅱ級、Ⅲa級圍巖底板注漿孔布置見下圖：

（2）注漿+錨桿加固處理

Ⅱ級、Ⅲa級圍巖復合式襯砌虛碴厚度在10～25cm之間，采用注漿加錨桿方式進行處理。隧道底板下虛碴經(jīng)注漿固結后，采用Φ32自進式錨桿進行加固處理。自進式錨桿每橫斷面4根，縱向間距2m。錨桿伸入基巖長度不小于2.0m，錨桿尾端設置錨墊板。錨桿抗拔力不小于120kN（錨固長度按2m計），砂漿飽和度不小于90%。錨桿長度可結合現(xiàn)場取芯情況確定，錨桿墊板應埋入隧道仰拱填充層中，且不得破壞隧道底板內(nèi)鋼筋。錨桿加固可結合注漿鉆孔孔位進行，且需在注漿漿液初凝以后才能開展加固施工。雙線無砟軌道鐵路隧道Ⅱ級、Ⅲa級圍巖底板錨桿布置見下圖：

（3）返工處理

Ⅱ級、Ⅲa級圍巖隧底虛碴厚度在25cm以上時，采取返工處理。為了減少對已施工完成的隧道排水系統(tǒng)造成破壞，在返工處理時，只挖除左、右線路以下部分，隧道中心管溝及兩側電纜溝槽下部不返工。

4.2 仰拱厚度不足處理措施

仰拱厚度不足，降低了仰拱混凝土承載能力。同時，又使仰拱較標準設計抬高，改變了仰拱的弧度，導致仰拱混凝土幾何形狀變差，降低了仰拱混凝土物理力學性能。當仰拱厚度大于設計厚度的80%以上時，仰拱物理力學性能降低較少，可采用錨桿加固措施進行處理。錨桿的主要作用為把隧底圍巖、初期支護、仰拱混凝土、仰拱填充混凝土緊密組合在一起整體受力，相當于加厚了仰拱。打設錨桿后，可以改善仰拱物理力學性能，提高仰拱的彈性模量和粘聚力，和圍巖共同作用形成承載拱，約束隧底圍巖向上隆起，抑制仰拱結構變形。當仰拱厚度不足設計厚度的60～70%以后，仰拱結構已經(jīng)不能滿足受力要求，喪失了仰拱施做初衷，必須返工處理，拆除仰拱，重新施做。

（1）錨桿加固處理

Ⅲb仰拱厚度在設計厚度60%～80%以內(nèi)，且混凝土強度滿足設計要求的，采用錨桿補強處理；IV級、V級圍巖仰拱厚度在設計厚度70%～80%以內(nèi)，且混凝土強度滿足設計要求的，采用錨桿補強處理。隧道仰拱采用Φ32自進式錨桿進行加固處理。自進式錨桿每橫斷面4根，縱向間距2.5m。錨桿伸入基巖長度不小于2.5m，錨桿尾端設置墊板。錨桿抗拔力不小于120kN（錨固長度按2.5m計），砂漿飽和度不小于90%。錨桿長度長度可結合現(xiàn)場取芯情況確定，錨桿墊板應埋入隧道仰拱填充層中。隧道仰拱補強處理應在隧道仰拱下虛碴注漿固結處理完成后進行。雙線無砟軌道鐵路隧道Ⅲb級、Ⅳ級、Ⅴ級圍巖仰拱錨桿布置見下圖：

（2）返工處理

Ⅲb仰拱厚度不足設計厚度60%的，返工處理。IV、V級圍巖仰拱厚度不足設計厚度70%的，返工處理。為了減少對已施工完成的隧道排水系統(tǒng)造成破壞，在返工處理時，只挖除左、右線路以下部分，隧道中心管溝及兩側電纜溝槽下部不返工。

5 結束語

5.1 徹底處理仰拱、底板質(zhì)量缺陷

對隧道仰拱、底板進行加密取芯檢測，確定質(zhì)量缺陷處理范圍，徹底處理隧道仰拱、底板質(zhì)量缺陷，保證隧道仰拱、底板滿足使用功能，確保高速鐵路運營安全。

5.2 加強施工質(zhì)量過程控制

為了確保今后施工的隧道仰拱、底板施工質(zhì)量，杜絕隧底虛碴、仰拱厚度不足等問題的再次發(fā)生，必須加強施工質(zhì)量過程控制。所有隧道施工工點，每次仰拱、底板施工之前，必須采用人工清理隧底虛碴，準確測量仰拱厚度。清理完成后，由施工單位、監(jiān)理單位現(xiàn)場負責人共同檢查，確保隧底虛碴清理干凈、厚度符合設計要求后，方可進行仰拱、底板施工。進一步提升隧道工程施工質(zhì)量，確保高速鐵路運營安全。

參考文獻：

[1]《高速鐵路隧道工程施工質(zhì)量驗收標準》（TB10753-2010）[M].北京，中國鐵道出版社，2011.

[2]《高速鐵路隧道工程施工技術指南》（鐵建設[2010]241號）[M].北京，中國鐵道出版社，2011.

（3）返工處理

Ⅱ級、Ⅲa級圍巖隧底虛碴厚度在25cm以上時，采取返工處理。為了減少對已施工完成的隧道排水系統(tǒng)造成破壞，在返工處理時，只挖除左、右線路以下部分，隧道中心管溝及兩側電纜溝槽下部不返工。

4.2 仰拱厚度不足處理措施

仰拱厚度不足，降低了仰拱混凝土承載能力。同時，又使仰拱較標準設計抬高，改變了仰拱的弧度，導致仰拱混凝土幾何形狀變差，降低了仰拱混凝土物理力學性能。當仰拱厚度大于設計厚度的80%以上時，仰拱物理力學性能降低較少，可采用錨桿加固措施進行處理。錨桿的主要作用為把隧底圍巖、初期支護、仰拱混凝土、仰拱填充混凝土緊密組合在一起整體受力，相當于加厚了仰拱。打設錨桿后，可以改善仰拱物理力學性能，提高仰拱的彈性模量和粘聚力，和圍巖共同作用形成承載拱，約束隧底圍巖向上隆起，抑制仰拱結構變形。當仰拱厚度不足設計厚度的60～70%以后，仰拱結構已經(jīng)不能滿足受力要求，喪失了仰拱施做初衷，必須返工處理，拆除仰拱，重新施做。

（1）錨桿加固處理

Ⅲb仰拱厚度在設計厚度60%～80%以內(nèi)，且混凝土強度滿足設計要求的，采用錨桿補強處理；IV級、V級圍巖仰拱厚度在設計厚度70%～80%以內(nèi)，且混凝土強度滿足設計要求的，采用錨桿補強處理。隧道仰拱采用Φ32自進式錨桿進行加固處理。自進式錨桿每橫斷面4根，縱向間距2.5m。錨桿伸入基巖長度不小于2.5m，錨桿尾端設置墊板。錨桿抗拔力不小于120kN（錨固長度按2.5m計），砂漿飽和度不小于90%。錨桿長度長度可結合現(xiàn)場取芯情況確定，錨桿墊板應埋入隧道仰拱填充層中。隧道仰拱補強處理應在隧道仰拱下虛碴注漿固結處理完成后進行。雙線無砟軌道鐵路隧道Ⅲb級、Ⅳ級、Ⅴ級圍巖仰拱錨桿布置見下圖：

（2）返工處理

Ⅲb仰拱厚度不足設計厚度60%的，返工處理。IV、V級圍巖仰拱厚度不足設計厚度70%的，返工處理。為了減少對已施工完成的隧道排水系統(tǒng)造成破壞，在返工處理時，只挖除左、右線路以下部分，隧道中心管溝及兩側電纜溝槽下部不返工。

5 結束語

5.1 徹底處理仰拱、底板質(zhì)量缺陷

對隧道仰拱、底板進行加密取芯檢測，確定質(zhì)量缺陷處理范圍，徹底處理隧道仰拱、底板質(zhì)量缺陷，保證隧道仰拱、底板滿足使用功能，確保高速鐵路運營安全。

5.2 加強施工質(zhì)量過程控制

為了確保今后施工的隧道仰拱、底板施工質(zhì)量，杜絕隧底虛碴、仰拱厚度不足等問題的再次發(fā)生，必須加強施工質(zhì)量過程控制。所有隧道施工工點，每次仰拱、底板施工之前，必須采用人工清理隧底虛碴，準確測量仰拱厚度。清理完成后，由施工單位、監(jiān)理單位現(xiàn)場負責人共同檢查，確保隧底虛碴清理干凈、厚度符合設計要求后，方可進行仰拱、底板施工。進一步提升隧道工程施工質(zhì)量，確保高速鐵路運營安全。

參考文獻：

[1]《高速鐵路隧道工程施工質(zhì)量驗收標準》（TB10753-2010）[M].北京，中國鐵道出版社，2011.

[2]《高速鐵路隧道工程施工技術指南》（鐵建設[2010]241號）[M].北京，中國鐵道出版社，2011.

（3）返工處理

Ⅱ級、Ⅲa級圍巖隧底虛碴厚度在25cm以上時，采取返工處理。為了減少對已施工完成的隧道排水系統(tǒng)造成破壞，在返工處理時，只挖除左、右線路以下部分，隧道中心管溝及兩側電纜溝槽下部不返工。

4.2 仰拱厚度不足處理措施

仰拱厚度不足，降低了仰拱混凝土承載能力。同時，又使仰拱較標準設計抬高，改變了仰拱的弧度，導致仰拱混凝土幾何形狀變差，降低了仰拱混凝土物理力學性能。當仰拱厚度大于設計厚度的80%以上時，仰拱物理力學性能降低較少，可采用錨桿加固措施進行處理。錨桿的主要作用為把隧底圍巖、初期支護、仰拱混凝土、仰拱填充混凝土緊密組合在一起整體受力，相當于加厚了仰拱。打設錨桿后，可以改善仰拱物理力學性能，提高仰拱的彈性模量和粘聚力，和圍巖共同作用形成承載拱，約束隧底圍巖向上隆起，抑制仰拱結構變形。當仰拱厚度不足設計厚度的60～70%以后，仰拱結構已經(jīng)不能滿足受力要求，喪失了仰拱施做初衷，必須返工處理，拆除仰拱，重新施做。

（1）錨桿加固處理

Ⅲb仰拱厚度在設計厚度60%～80%以內(nèi)，且混凝土強度滿足設計要求的，采用錨桿補強處理；IV級、V級圍巖仰拱厚度在設計厚度70%～80%以內(nèi)，且混凝土強度滿足設計要求的，采用錨桿補強處理。隧道仰拱采用Φ32自進式錨桿進行加固處理。自進式錨桿每橫斷面4根，縱向間距2.5m。錨桿伸入基巖長度不小于2.5m，錨桿尾端設置墊板。錨桿抗拔力不小于120kN（錨固長度按2.5m計），砂漿飽和度不小于90%。錨桿長度長度可結合現(xiàn)場取芯情況確定，錨桿墊板應埋入隧道仰拱填充層中。隧道仰拱補強處理應在隧道仰拱下虛碴注漿固結處理完成后進行。雙線無砟軌道鐵路隧道Ⅲb級、Ⅳ級、Ⅴ級圍巖仰拱錨桿布置見下圖：

（2）返工處理

Ⅲb仰拱厚度不足設計厚度60%的，返工處理。IV、V級圍巖仰拱厚度不足設計厚度70%的，返工處理。為了減少對已施工完成的隧道排水系統(tǒng)造成破壞，在返工處理時，只挖除左、右線路以下部分，隧道中心管溝及兩側電纜溝槽下部不返工。

5 結束語

5.1 徹底處理仰拱、底板質(zhì)量缺陷

對隧道仰拱、底板進行加密取芯檢測，確定質(zhì)量缺陷處理范圍，徹底處理隧道仰拱、底板質(zhì)量缺陷，保證隧道仰拱、底板滿足使用功能，確保高速鐵路運營安全。

5.2 加強施工質(zhì)量過程控制

為了確保今后施工的隧道仰拱、底板施工質(zhì)量，杜絕隧底虛碴、仰拱厚度不足等問題的再次發(fā)生，必須加強施工質(zhì)量過程控制。所有隧道施工工點，每次仰拱、底板施工之前，必須采用人工清理隧底虛碴，準確測量仰拱厚度。清理完成后，由施工單位、監(jiān)理單位現(xiàn)場負責人共同檢查，確保隧底虛碴清理干凈、厚度符合設計要求后，方可進行仰拱、底板施工。進一步提升隧道工程施工質(zhì)量，確保高速鐵路運營安全。

參考文獻：

[1]《高速鐵路隧道工程施工質(zhì)量驗收標準》（TB10753-2010）[M].北京，中國鐵道出版社，2011.

[2]《高速鐵路隧道工程施工技術指南》（鐵建設[2010]241號）[M].北京，中國鐵道出版社，2011.