剖析鐵路隧道基底病害成因及預(yù)防措施

陳　泉（中鐵二院南寧勘察設(shè)計(jì)研究院，廣西 南寧 530022）

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剖析鐵路隧道基底病害成因及預(yù)防措施

陳泉（中鐵二院南寧勘察設(shè)計(jì)研究院，廣西 南寧 530022）

從源頭上剖析鐵路隧道基底病害產(chǎn)生的因素，并提出預(yù)防病害產(chǎn)生的辦法。

鐵路隧道；基底病害；產(chǎn)生因素；預(yù)防措施

1　引言

近年來隨著我國經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展，使全社會(huì)對(duì)運(yùn)輸需求總量不斷增長，鐵路作為一種經(jīng)濟(jì)的、大運(yùn)量的交通方式，在生活中占有非常重要的地位。由于我國幅員遼闊，地形、地質(zhì)復(fù)雜多樣，為提高列車運(yùn)行速度、改善鐵路線型，繞避重大不良地質(zhì)區(qū)域，以保障行車的安全性、舒適性，隧道的數(shù)量和占路線的比例越來越高。目前我國己成為世界上隧道工程最多、發(fā)展最快的國家。

鐵路隧道建成后在長期的使用過程中出現(xiàn)了各種各樣的病害，部分隧道甚至在未使用時(shí)就開始出現(xiàn)比較嚴(yán)重的病害。隧道病害一直是困擾鐵路運(yùn)營管理部門的一大難題，其中隧道基底病害直接影響運(yùn)營行車，它惡化了行車條件，限制了行車速度，嚴(yán)重危及行車安全。

2　基底病害產(chǎn)生因素

隧道基底病害包括仰拱（底板）破裂、翻漿冒泥、基底軟化、基床下沉及基底吊空等，具有危害大、難整治的特點(diǎn)。國家每年用于隧道基底病害整治和維護(hù)的費(fèi)用數(shù)額巨大，但均是治標(biāo)不治本。要整治隧道基底病害，就必須徹底分析病害產(chǎn)生的原因，才能對(duì)癥下藥，標(biāo)本兼治，并為設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營養(yǎng)護(hù)提供指導(dǎo)，從源頭上減輕或避免病害產(chǎn)生。基底病害產(chǎn)生的因素主要有以下幾點(diǎn)：

2.1隧底結(jié)構(gòu)裂縫

2.1.1荷載變形縫

混凝土澆筑后，盲目追求施工進(jìn)度，襯砌脫模過早，使低強(qiáng)度混凝土過早承受荷載，導(dǎo)致混凝土開裂，形成荷載變形縫；施工時(shí)底部的虛渣未清理干凈，混凝土澆筑后，隧道基底產(chǎn)生不均勻受力，同樣也會(huì)形成荷載變形縫。

2.1.2溫度裂縫

水泥水化產(chǎn)生大量的熱，混凝土溫度升高，體積膨脹。在無約束時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生溫度應(yīng)力；受到外部約束時(shí)，在混凝土內(nèi)部和表面間形成溫度梯度，便會(huì)產(chǎn)生溫度應(yīng)力，當(dāng)溫度應(yīng)力超過混凝土表面的約束力時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生溫度裂縫。

2.1.3干縮裂縫

干縮裂縫是表面性的，紋理細(xì)小，走向沒有規(guī)律，在混凝土養(yǎng)護(hù)過程中水分逐漸蒸發(fā)消失，使水泥凝結(jié)膠體干燥收縮產(chǎn)生變形，由于受到圍巖和模板的約束，內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)，便會(huì)出現(xiàn)干縮裂縫。

隧底結(jié)構(gòu)裂縫的形成為基底病害產(chǎn)生的初始因素，裂縫越多，隧道的初始缺陷越多。

2.2隧道道床積水

熟話說“十隧九漏”，隧道襯砌滲漏水一直是難以處理的問題。雖然隧道自身有防排水系統(tǒng)，但只要圍巖中有地下水存在，隧道開挖建成后就會(huì)成為地下水的匯集通道。一旦地下水含量豐富，襯砌排水系統(tǒng)能力不足，或由于管道堵塞而使排水系統(tǒng)失效，就會(huì)造成地下水聚積在襯砌與圍巖之間的裂隙中，形成水壓，襯砌外積水必然會(huì)通過一切縫隙進(jìn)入隧道中。根據(jù)水壓、水量、空隙大小和部位的不同，可形成滲、滴、淋、涌等形式各異的出水方式。防水板老化開裂、防水板施工時(shí)操作不當(dāng)被刺穿、“三縫”防水措施施作不當(dāng)、襯砌開裂等均為隧道滲漏水的主要原因。此時(shí)如果沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)漏水部位，或采取針對(duì)性整治措施，將水引進(jìn)水溝，就會(huì)造成道床漫流。當(dāng)隧道水溝淤積，缺乏定期養(yǎng)護(hù)疏通，洞內(nèi)水無法順暢排出洞外時(shí)，就會(huì)造成道床積水。

隧道滲漏水及洞內(nèi)水溝排水不暢為基底病害形成提供了條件。

2.3地下水侵蝕

當(dāng)隧道襯砌遇到有侵蝕性的地下水時(shí)，會(huì)降低混凝土強(qiáng)度，影響結(jié)構(gòu)的正常使用。根據(jù)不同環(huán)境地下水對(duì)混凝土的腐蝕機(jī)理，可分為以下幾種形式：

（1）在碳化環(huán)境中，由于保護(hù)層混凝土碳化，導(dǎo)致鋼筋銹蝕失效，混凝土受拉開裂。

（2）在氯鹽環(huán)境中，氯鹽滲入混凝土內(nèi)部，導(dǎo)致鋼筋銹蝕失效，混凝土受拉開裂。

（3）在化學(xué)侵蝕環(huán)境中，硫酸鹽等化學(xué)物質(zhì)與水泥化合物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致混凝土不斷分解溶出，生成物流失后形成侵蝕。遭受這種侵蝕的混凝土，常有白色析出物，使混凝土結(jié)構(gòu)呈多孔狀，導(dǎo)致材質(zhì)酥松，強(qiáng)度下降。

（4）在鹽類環(huán)境中，硫酸鹽等化學(xué)物質(zhì)與混凝土中化學(xué)成分作用后形成新生成物，在混凝土中析出晶體，發(fā)生體積膨脹，從而造成混凝土破壞。

（5）在凍融環(huán)境中，由于混凝土微孔隙中的水在正負(fù)溫度交替作用下，形成冰脹壓力和滲透壓力聯(lián)合作用的疲勞應(yīng)力，在這種疲勞應(yīng)力的作用下混凝土產(chǎn)生了由表及里的剝蝕作用，從而混凝土強(qiáng)度降低，出現(xiàn)掉塊脫落。

有侵蝕性的地下水會(huì)在一定程度上使混凝土結(jié)構(gòu)受損，其也是基底病害產(chǎn)生的因素之一。

2.4列車動(dòng)載作用

在正常情況下，道床應(yīng)干燥、無水、搗固良好。列車經(jīng)過時(shí)，荷載通過鋼軌、軌枕和道碴均勻平穩(wěn)地傳給路基，壓縮變形被道床的空隙吸收。當(dāng)?shù)来卜e水時(shí)，含有粘土礦物成分的地下水與道砟碎屑、粉末以及列車行駛過程中散落的泥沙、煤屑混合，形成泥漿，并充滿道床空隙。當(dāng)列車通過時(shí)，道床受壓縮，空隙變小，泥漿被擠出，使軌枕下部固體顆粒發(fā)生沖刷和流失，列車經(jīng)過后，基床下空隙形成真空，迅速由四周泥水補(bǔ)充，固體顆粒流失卻得不到補(bǔ)充，造成軌枕下被淘空。列車再次經(jīng)過時(shí)，由于部分軌枕懸空，荷載的傳遞不再是均勻的，懸空的軌枕在列車的作用下，對(duì)其下的水以很大的速度進(jìn)行拍擊，致使道床中水的運(yùn)動(dòng)速度加快，沖刷能力和夾帶泥沙的能力更強(qiáng)。在反復(fù)的抽吸作用下，一部分漿液向外擠噴，另一部分?jǐn)D進(jìn)周圍道碴和襯砌仰拱或底板的裂縫中，造成道床污染和隧道基底結(jié)構(gòu)劈裂破壞，形成翻漿冒泥。

當(dāng)基底圍巖含有夾層、基底結(jié)構(gòu)與圍巖之間存在空隙或空洞時(shí)，隧道和圍巖之間不密貼，兩者不能很好的粘結(jié)共同變形，列車經(jīng)過會(huì)發(fā)生層間拍打作用。當(dāng)隧道基底混凝土結(jié)構(gòu)存在小裂縫時(shí)，不均勻受力及反復(fù)振動(dòng)會(huì)加速裂縫的擴(kuò)展；同時(shí)基底圍巖在列車動(dòng)載的反復(fù)振動(dòng)、沖擊下，部分巖塊間失去平衡，引起相對(duì)位移、相互摩擦、滑動(dòng)，造成破碎和逐漸粉化，形成小顆粒而被地下水帶走，使基巖與基床交界面更粗糙、軟弱，在地下水的侵蝕作用下，導(dǎo)致隧道基底軟化。

隨著隧道基底軟化及基底與圍巖之間空隙不斷擴(kuò)大，便會(huì)形成基床下沉及基底吊空，此時(shí)列車的反復(fù)振動(dòng)會(huì)加速隧道基底結(jié)構(gòu)裂縫擴(kuò)展，致使仰拱（底板）破裂，直接影響到結(jié)構(gòu)的承載能力。如此惡性循環(huán)，甚至有些地段結(jié)構(gòu)會(huì)喪失承載能力，危及行車安全。

當(dāng)隧道基底結(jié)構(gòu)本身就存在多種不良狀況時(shí)，列車動(dòng)載的作用加速了基底病害的形成，并加劇了病害的惡劣程度。

3　基底病害預(yù)防措施

從以上分析可以看出，基底病害產(chǎn)生的主要因素有四個(gè)，即裂縫、水、襯砌與圍巖不密貼和列車動(dòng)載。后者是鐵路運(yùn)營的主體，無法加以改變，而裂縫、水、襯砌與圍巖不密貼是可通過人工措施而加以控制的。因此，只要我們?cè)谠O(shè)計(jì)、施工及日常運(yùn)營養(yǎng)護(hù)中著重控制隧道混凝土施工質(zhì)量、加強(qiáng)隧道防排水、重視耐久性措施和減少超挖規(guī)范回填，是可以從源頭上消減隧道基底的不良狀況，從根本上預(yù)防和減少隧道產(chǎn)生基底病害。

3.1提高設(shè)計(jì)水平

設(shè)計(jì)是把思維轉(zhuǎn)化為用途的過程，是把理論轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)的前期，優(yōu)質(zhì)的設(shè)計(jì)可以為隧道帶來更高的安全性、更廣的適用性及更強(qiáng)的耐久性，因此設(shè)計(jì)決定著隧道的合理性，提高設(shè)計(jì)水平，可以從源頭上預(yù)防、減少病害：

（1）根據(jù)圍巖的性質(zhì)及狀態(tài)、埋置深度、地下水發(fā)育情況制定合理的隧道斷面形式與支護(hù)參數(shù)。初期支護(hù)應(yīng)能承受開挖后的大部分圍巖壓力，二次襯砌應(yīng)留有安全儲(chǔ)備。采用曲墻襯砌，Ⅲ級(jí)以上圍巖設(shè)置仰拱。巖體破碎、圍巖壓力大及高壓富水地段采用鋼筋混凝土。

（2）防排水采用“防、排、截、堵結(jié)合，因地制宜，綜合治理”的原則。根據(jù)地下水情況設(shè)計(jì)水溝尺寸、形狀及溝底標(biāo)高，可通過集中引排、增加泄水孔、加大加密盲管的辦法減少襯砌背后水壓力，必要時(shí)可采用注漿堵水或泄水洞方式處理地下水。

（3）在地下水侵蝕環(huán)境下，提高襯砌混凝土抗?jié)B等級(jí)，并根據(jù)不同的侵蝕環(huán)境進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì)，使混凝土具有足夠的承載力及良好的抗裂能力，并強(qiáng)化混凝土的耐腐蝕性。

（4）應(yīng)重視隧道軟弱基底或軟硬巖交界的不均勻沉降，采取地基處理、增設(shè)變形縫等措施。

3.2提高施工水平

施工建設(shè)作為隧道從無到有，從開挖到建成的一個(gè)過程，施工質(zhì)量的好壞決定著一個(gè)隧道缺陷的多少，缺陷越多，就越容易發(fā)展成病害，因此提高施工建設(shè)水平，可以在生產(chǎn)過程中減少病害：

（1）重視施工排水，避免隧道底部長期積水而導(dǎo)致基底軟化。

（2）仰拱或底板施作前，必須將隧底虛砟、雜物、積水等清除干凈，超挖部分應(yīng)采用同級(jí)混凝土回填與找平，避免脫空。嚴(yán)禁采用棄砟回填超挖部分，避免在隧底混凝土與基底間形成不密貼夾層。

（3）仰拱或底板施作應(yīng)一次成型，不得分部澆筑。

（4）混凝土原材料、配合比、抗壓強(qiáng)度、耐久性指標(biāo)、結(jié)構(gòu)厚度、鋼筋保護(hù)層厚度均應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求。

（5）嚴(yán)格要求混凝土施工工藝，混凝土澆筑過程中必須振搗，提高混凝土的密實(shí)度和均質(zhì)性，減少內(nèi)部細(xì)微裂縫和氣孔，提高抗裂性；混凝土拆模時(shí)的強(qiáng)度必須符合設(shè)計(jì)或規(guī)范要求，嚴(yán)禁提前脫模，脫模時(shí)不得損傷混凝土；脫模后注意保養(yǎng)，避免產(chǎn)生裂縫。

（6）規(guī)范隧道防排水施工工藝，防水板施作時(shí)避免過松或過緊，防水板鋪設(shè)時(shí)避免刺穿或焊接不密實(shí)；施工縫、變形縫為結(jié)構(gòu)防排水中最薄弱的環(huán)節(jié)，應(yīng)給予足夠重視，按要求施作止水帶、止水條、嵌縫材料等；及時(shí)疏通排水管、排水盲管及泄水孔，避免水泥漿或雜物堵塞，地下水不能順暢排出，造成襯砌背后水壓過高。

3.3加強(qiáng)運(yùn)營養(yǎng)護(hù)維修

隧道缺陷的發(fā)展是一個(gè)由量變到質(zhì)變的過程，如果維護(hù)得當(dāng)，在隧道運(yùn)營過程中能夠發(fā)現(xiàn)細(xì)小缺陷，并及時(shí)處理，可以阻止缺陷發(fā)展成病害；若是病害初期，能夠及時(shí)對(duì)癥下藥，可以將病害產(chǎn)生的危害程度降到最低。因此必須加強(qiáng)運(yùn)營養(yǎng)護(hù)維修：

（1）建立完善的清理制度，定期清理道床或水溝中的雜物或淤積物，確保洞內(nèi)排水順暢。

（2）及時(shí)疏通盲管出口或泄水孔孔眼，避免襯砌后水排不出而造成水壓過大。

（3）定期清篩道砟，避免道床板結(jié)，失去彈性。

（4）加強(qiáng)巡查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)隧道病害并有針對(duì)性整治，避免病害逐步擴(kuò)大，形成危害。

4　結(jié)語

隧底病害是多個(gè)因素共同作用的結(jié)果，只有認(rèn)識(shí)病害，查清病害產(chǎn)生的因素，才能有針對(duì)性克服病害；設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營養(yǎng)護(hù)作為隧道從構(gòu)思到運(yùn)營使用的過程，只有給予足夠重視才能杜絕病害的產(chǎn)生并消滅病害。

［1］《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10003-2005）.

［2］《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10005-2010）.

［3］《鐵路混凝土工程施工技術(shù)指南》（鐵建設(shè)【2010】241號(hào)）.

［4］《鐵路隧道防排水施工技術(shù)指南》（TZ331-2009）.

［5］《鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)隧道》（1995年出版）.

2016-3-8

U457.2

A

2095-2066（2016）09-0174-02