淺談隧道二次襯砌的病害及防治措施

中鐵二十四局集團(tuán)上海鐵建工程有限公司 上海 200070

隨著高鐵的跨越式發(fā)展，在施工中暴露出來的質(zhì)量問題也愈發(fā)明顯[1]，尤其是隧道二次襯砌的問題不容小覷，本文即以沿海鐵路姚蔣隧道為例進(jìn)行病害分析和防治討論。

1 工程概況及病害統(tǒng)計

1.1 工程概況

姚蔣隧道全長2 572 m，設(shè)計時速200 km，并預(yù)留提速條件，雙線隧道，隧道軌面以上有效面積為92 m2。隧道工程除明洞采用整體式襯砌外，其余暗洞均采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，拱墻初期支護(hù)與二次襯砌間設(shè)EVA類防水板（加無紡?fù)凉げ迹?，模筑襯砌環(huán)向施工縫采用遇水膨脹橡膠止水條，在二次襯砌背后環(huán)向采用Φ50 mm塑料排水盲管，每8 m設(shè)1 環(huán)；縱向在洞內(nèi)兩側(cè)水溝泄水孔標(biāo)高處設(shè)Φ80 mm塑料排水盲溝1 道，每8 m設(shè)1 段。模板采用自行式液壓襯砌模板臺車，混凝土采用洞外拌合站集中拌合，混凝土罐車運送，液壓地泵泵送混凝土施工。

1.2 檢測結(jié)果統(tǒng)計

根據(jù)鐵路總公司要求，對運營隧道進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)檢測，同時安排線路養(yǎng)護(hù)單位對既有隧道進(jìn)行裂紋和滲水調(diào)查。檢測和調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該隧道存在多處脫空、裂紋和滲水。具體病害不一一列出，僅統(tǒng)計部分有代表性的病害。調(diào)查結(jié)果見表1、表2。

表1 地質(zhì)雷達(dá)檢測統(tǒng)計表

表2 裂紋、滲水統(tǒng)計表

2 病害成因分析

2.1 襯砌脫空成因分析

2.1.1 光面爆破不到位，初期支護(hù)平整度不到位引起脫空

據(jù)統(tǒng)計本隧道脫空87%的發(fā)生在Ⅱ、Ⅲ級圍巖，8%發(fā)生在Ⅳ級圍巖，5%發(fā)生在Ⅴ級圍巖。從以上數(shù)據(jù)說明，光面爆破效果差給后期二次襯砌的混凝土施工埋下了質(zhì)量隱患[2]。經(jīng)分析，問題主要是在施工時未嚴(yán)格按照爆破設(shè)計方案操作，單循環(huán)進(jìn)尺、周邊眼間距、單孔裝藥量、雷管段位設(shè)置不合理，造成開挖后圍巖周邊輪廓線超欠不一，平整度達(dá)不到規(guī)范要求。其次，錨噴作業(yè)不到位，未充分利用噴射混凝土來彌補前道工序造成的質(zhì)量缺陷，給后續(xù)施工埋下質(zhì)量隱患。

2.1.2 防水層鋪設(shè)富余量不足引起脫空

本隧道采用復(fù)合式防水，為無紡?fù)凉げ?EVA類防水板[3]。防水板鋪設(shè)富余量的多少決定混凝土脫空的程度。防水板如果掛設(shè)太松，在混凝土澆筑過程中會因受擠壓形成褶皺，在褶皺之間留下空隙；防水板如果掛設(shè)太緊，造成防水板與初支面之間留下空隙，有時可能會壓垮臺車。

2.1.3 泵送壓力不合理引起脫空

泵送壓力過大，壓壞模板臺車，致使振搗坍陷，導(dǎo)致頂面混凝土與襯砌間出現(xiàn)空隙，產(chǎn)生脫空；泵送壓力不足，模板內(nèi)的混凝土壓力則不足，導(dǎo)致拱頂面的混凝土在輸送過程中把部分空氣密封在狹小的空間內(nèi)無法排出，造成留有空隙產(chǎn)生脫空。

2.1.4 混凝土的收縮或自重下沉引起脫空

混凝土凝結(jié)初期或硬化過程中出現(xiàn)的體積縮小現(xiàn)象，混凝土含水量越高水泥漿量越大，坍落度越大，混凝土振搗不密實，混凝土自重下沉[4]；水灰比越大收縮越大，從而使二次襯砌混凝土不可避免地出現(xiàn)空隙。

2.2 襯砌滲水成因分析

二次襯砌施工縫、混凝土冷縫、裂縫滲水不僅表明防水板已失效，也說明積水區(qū)具有一定的滲透水壓。此外，主要有以下幾個原因[5-8]：

（a）環(huán)向排水盲管未設(shè)或設(shè)置間距過大，致使?jié)B水不能到達(dá)環(huán)向盲管，造成積水無法排進(jìn)管內(nèi)的永久失效。

（b）環(huán)向排水盲管或縱向盲管斷路或堵塞造成永久失效。

（c）環(huán)向盲管或縱向盲管在混凝土施工時被壓扁、聯(lián)接不暢通而造成部分失效。

（d）初支面滲水量或上部下泄的水量較大，而正常排水無法滿足，上部積水，造成暫時失效。

（e）環(huán)向排水盲管或縱向盲管內(nèi)某點正在被水垢沉淀物堵塞，致使排水盲管從部分失效向永久失效過渡。

（f）在防水板鋪設(shè)過程中操作不當(dāng)造成防水板破損致使防水板失效。

綜上所述，隨著時間的推移，滲水情況可能會逐步加劇。

2.3 襯砌裂紋成因分析

通過現(xiàn)場觀察及統(tǒng)計，二次襯砌裂縫表現(xiàn)為邊墻與仰拱連接處較寬，向拱頂方向發(fā)展，裂縫逐漸變窄至很細(xì)微或消失。

2.3.1 施工不當(dāng)引起的裂紋

（a）未開展監(jiān)控量測工作， 僅憑經(jīng)驗來確定二次襯砌的施作時間， 安全可靠性差， 造成二次襯砌超設(shè)計荷載承受圍巖壓力。

（b）混凝土生產(chǎn)時原材料計量誤差大， 尤其外加劑的摻加隨意性大，沒有根據(jù)砂、 石料的實際含水率及時調(diào)整施工用水量， 造成混凝土水灰比增大。在混凝土運輸及泵送過程中隨意加水?；炷翝仓r不振搗或漏振，混凝土均質(zhì)性差。

（c）盲目追求施工進(jìn)度，隨意提前脫模時間， 使低強度混凝土過量承受荷載，破壞了混凝土結(jié)構(gòu)。脫模后沒有進(jìn)行混凝土的潮濕養(yǎng)護(hù)。

2.3.2 混凝土本身引起的裂紋

（a）混凝土在硬化過程中水分逐漸蒸發(fā)散失， 使凝結(jié)膠體干燥收縮產(chǎn)生變形，由于受到圍巖和模板的約束，變形產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力值超過混凝土的抗拉強度時，就會出現(xiàn)干縮裂縫。干縮裂縫多為表面性的，走向沒有規(guī)律。影響混凝土干縮裂縫的因素主要有：水泥品種、 用量及水灰比、骨料的大小和級配、外加劑品種和摻量。

（b）水泥水化過程中產(chǎn)生大量的熱量，在混凝土內(nèi)部和表面間形成溫度梯度而產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)溫度應(yīng)力超過混凝土內(nèi)外的約束力時， 就會產(chǎn)生溫度裂縫。裂縫寬度冬季較寬， 夏季較窄。溫度裂縫的產(chǎn)生與二次襯砌混凝土的厚度及水泥的品種、用量有關(guān)。

2.3.3 混凝土澆筑時間不同引起的裂紋

隧道施工先澆筑仰拱及邊墻基礎(chǔ)，二次襯砌澆筑較仰拱及邊墻基礎(chǔ)晚，且中間間隔時間較長；因此二次襯砌澆筑時，仰拱及邊墻基礎(chǔ)變形基本趨于穩(wěn)定，二次襯砌拱墻與仰拱邊墻基礎(chǔ)的接觸端成為受約束端，使得襯砌混凝土在收縮應(yīng)力作用下不能與仰拱邊墻一起收縮變形，而引起應(yīng)力集中，造成襯砌沿著仰拱施工縫開裂。

3 病害治理方案

3.1 二次襯砌脫空的治理方案

3.1.1 鉆孔位置的確定

二次襯砌脫空處理分為拱頂和拱腰2 種處理方式，拱頂處理原則上根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)的波形圖[9]，在脫空處邊緣進(jìn)行打孔注漿，拱腰處理原則上根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)的波形圖在脫空的上邊緣進(jìn)行打孔注漿。

3.1.2 注漿要點

（a）為增強注漿效果，減少水泥用量，降低成本，注漿宜采用水泥砂漿，其可以通過含砂率來調(diào)節(jié)漿液的稠度，將流動性控制在一個較合適的范圍，并且水泥砂漿還能減少干縮。水泥砂漿的配比為：水泥∶砂∶水=2∶1∶1（質(zhì)量比），砂子采用細(xì)砂。

（b）注漿設(shè)備選擇。注漿機宜選用注漿壓力合適的吸入式注漿機，注漿管應(yīng)盡量選擇1 根整體管道，避免多段搭接導(dǎo)致搭接處管徑縮小，造成局部壓力過大，堵管爆管概率大增。

（c）注漿前需進(jìn)行吸水試驗來檢查注漿管路系統(tǒng)，采用1. 5～2. 0 倍注漿終壓進(jìn)行吸水試驗，從而檢查機械設(shè)備是否正常，注漿管路系統(tǒng)能否耐壓，有無漏水， 試運行20 min 后， 再進(jìn)行注漿現(xiàn)場試驗，從而確定注漿參數(shù)。試驗及壓漿過程中，要求有工程技術(shù)人員在場， 對數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、觀察，并根據(jù)現(xiàn)場注漿實際情況，作出準(zhǔn)確判斷，及時調(diào)整漿液稠度和凝固時間。

（d）注漿過程中發(fā)現(xiàn)襯砌施工縫或表面流出漿液，應(yīng)減慢注漿速度，降低注漿壓力，待砂漿稍微凝固后再進(jìn)行注漿，若漿液流出速度很快甚至成股噴出，可考慮在漿液中添加適量的速凝劑，摻量應(yīng)由試驗結(jié)果得出，以防止速凝劑添加過多，漿液過快凝固從而堵塞注漿設(shè)備和管道。

（e）注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)需用注漿壓力和注漿時間、注漿量3 個方面來確定：當(dāng)出現(xiàn)下述情況之一時即可結(jié)束注漿： 注漿壓力達(dá)到設(shè)計終壓時； 注漿量達(dá)到或超過理論注漿量， 孔口管出現(xiàn)冒漿時；注漿壓強已達(dá)到設(shè)計終壓， 且穩(wěn)壓10 min 后， 即使進(jìn)漿量仍未達(dá)到理論漿量， 也可結(jié)束注漿。

3.2 襯砌裂紋、滲水的治理方案

3.2.1 整治原則[10]

隧道滲漏水整治采取“拱部以堵為主、邊墻以排為主，防、堵、排、截相結(jié)合”的原則，隧道的滲漏水結(jié)合隧道襯砌裂損、襯砌背后注漿等進(jìn)行綜合整治。襯砌裂紋按照裂縫嵌補處理措施處理，跟襯砌裂縫處表面無明水情況處理方法基本一致，采用貼嘴注環(huán)氧樹脂的方法進(jìn)行整治。

3.2.2 裂縫滲漏水處理措施

（a）隧道襯砌裂縫處表面潮濕而無明水（有濕漬）時，裂縫處理步驟如下：

把裂縫兩邊各3 cm寬范圍內(nèi)襯砌表面刷洗干凈，清除松動混凝土塊，沿裂縫間隔20～30 cm貼一處膠帶；

涂J-1快干型封縫膠2 道，封縫膠固化后揭除膠帶，安設(shè)灌漿嘴；

灌注環(huán)氧樹脂，待樹脂固化后，拆除灌漿嘴并清理表面封縫膠；

沿裂縫走向在兩側(cè)各20 cm范圍內(nèi)的基層表面涂布水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料2 次，用量不小于1.5 kg/m2，且涂抹厚度不小于2.0 mm。

（b）隧道襯砌裂縫處表面有明水滲出時，處理步驟如下：

把裂縫兩邊各5 cm寬范圍內(nèi)襯砌表面刷洗干凈，清除松動混凝土塊；

在裂縫上涂J-1快干型封縫膠2 道；

在裂縫處一側(cè)100～250 mm處鉆孔，鉆孔交叉布置在裂縫兩側(cè)，鉆孔斜穿裂縫，垂直深度為混凝土結(jié)構(gòu)厚度h的1/3～1/2，孔徑不大于20 mm，斜孔角θ為45°～60°；

通過注漿嘴往鉆孔內(nèi)注環(huán)氧樹脂，注漿嘴深入鉆孔的深度不大于鉆孔長度的1/2，待樹脂固化后，拆除灌漿嘴并清理表面封縫膠；

沿裂縫走向在兩側(cè)各20 cm范圍內(nèi)的基層表面涂布水泥基滲透型防水涂料2 次，用量不小于1.5 kg/m2，且涂抹厚度不小于2.0 mm。

3.2.3 單個漏水點處理措施

在出水點周圍鑿寬5～7 cm、深5 cm的楔形槽，用清水清洗槽及周圍，然后將調(diào)和好的速凝型無機防水堵漏劑填入槽中并稍稍高出，然后用抹刀抹平，并至少保持15 min的濕潤，然后在槽及周圍刮涂滲透結(jié)晶型防水涂料2 層，為防止快修堵漏劑脫落，在槽中增加水泥鋼釘與鋼絲網(wǎng)。帶有承水壓進(jìn)行引排處理。

3.2.4 邊墻滲漏水處理措施

在出水點采用鑿槽埋管引排措施。排水槽采用切割機切割成內(nèi)寬外窄倒梯形結(jié)構(gòu)，槽內(nèi)根據(jù)滲水的嚴(yán)重程度斜向上45°鉆Φ30 mm引水孔，孔深為二次襯砌厚度，墻角設(shè)坡度不小于3%的水平方向引水孔，孔內(nèi)插入Φ30 mm亂絲盲管（外包無紡?fù)凉げ迹?，將水引入排水槽，通過排水管引入水溝。排水槽內(nèi)埋設(shè)Φ100 mm半圓形塑料管，采用鋼卡固定后，用速凝型無機防水堵漏劑封堵填充，外刮滲透結(jié)晶型防水涂料刮涂2 層防水。

3.2.5 襯砌表面濕漬處理措施

對于襯砌表面的濕漬，采取襯砌表面設(shè)置剛性防水層措施，涂抹滲透結(jié)晶型防水涂料2 層進(jìn)行防水處理即可。

4 預(yù)防及緩解病害的措施

4.1 提高設(shè)計質(zhì)量

加強工程前期地質(zhì)工作， 為設(shè)計提供詳盡的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)勘探資料，提高設(shè)計的質(zhì)量。

4.2 優(yōu)化混凝土配合比設(shè)計和把好材料進(jìn)場關(guān)，嚴(yán)格控制混凝土原材料的質(zhì)量

（a）配合比設(shè)計。為盡可能地減小水化熱，降低水灰比，配合比設(shè)計時應(yīng)盡可能的減少水泥用量，增加粉煤灰、礦粉等摻合料和高性能減水劑，增加結(jié)構(gòu)的致密性和穩(wěn)定性。為增加混凝土的和易性，配合比設(shè)計時粗骨料采用兩級配，最大粒徑不宜大于31.5 mm。

（b）把好原材料關(guān)，嚴(yán)格控制混凝土原材料的質(zhì)量，混凝土所用原材料必須符合《鐵路混凝土工程施工技術(shù)指南》的相關(guān)要求，對每批次進(jìn)場的原材料進(jìn)行抽樣檢測，試驗不合格的一律清退出場?；炷恋陌韬蛧?yán)格按施工配料單計量，定期檢查校正計量裝置。加強砂石料含水率檢測，及時調(diào)整拌和用水量?？刂苹炷恋娜肽囟?。夏季施工，當(dāng)氣溫高于 32 °C時，砂石料、攪拌機應(yīng)搭設(shè)遮陽棚，用冷水沖洗碎石降溫，混凝土攪拌時間不得小于120 s。

4.3 嚴(yán)格控制施工工藝

（a）提高鉆眼技術(shù)水平，優(yōu)化鉆爆參數(shù)，提高光面爆破效果，加強隧道開挖斷面檢測，嚴(yán)格控制超欠挖，為襯砌施工創(chuàng)造良好的條件。

（b）二次襯砌施作時間， 應(yīng)在圍巖和初期支護(hù)變形基本穩(wěn)定時進(jìn)行。當(dāng)圍巖變形較大、 流變特性明顯，需提前進(jìn)行二次襯砌時，必須對初期支護(hù)或襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強。

（c）規(guī)范防水層施工。掛設(shè)防水板之前對初期支護(hù)表面進(jìn)行檢查，清除外露的錨桿頭及鋼筋網(wǎng)頭，并用水泥砂漿抹平，使混凝土表面平順。防水板掛設(shè)完成后檢查防水板是否與初期支護(hù)密貼，對存在坑洼處預(yù)留一定的變形量，確保混凝土在澆筑過程中能夠擠滿縫隙。防水板掛設(shè)時焊接點數(shù)量和間距要滿足設(shè)計要求，保證拱部防水板掛設(shè)穩(wěn)固，防止防水板因掛設(shè)不穩(wěn)在混凝土澆筑過程中掉落后壓入兩側(cè)混凝土，造成拱部空洞。

（d）混凝土的灌注?；炷猎谶\輸和泵送過程中嚴(yán)禁加水。適當(dāng)放慢灌注速度，兩側(cè)邊墻對稱分層灌注，到墻、拱交界處應(yīng)適當(dāng)暫停，待邊墻混凝土下沉穩(wěn)定后，再灌注拱部混凝土。灌注頂部混凝土?xí)r，輸送泵要保持一定的壓力（一般為7～8 MPa），混凝土灌注過程中必須振搗，提高混凝土的密實度和均質(zhì)性，減少內(nèi)部微裂縫和氣孔，提高抗裂性。

（e）混凝土的脫模、 養(yǎng)護(hù)?；炷敛鹉r的強度必須符合設(shè)計或規(guī)范要求，嚴(yán)禁未經(jīng)試驗人員同意提前脫模，脫模時不得損傷混凝土。傳統(tǒng)的混凝土灑水養(yǎng)護(hù)方法，增加了隧道內(nèi)的文明施工難度，灑水也不均勻，使混凝土早期強度得不到保證。建議使用噴涂混凝土養(yǎng)護(hù)液的方法進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

5 結(jié)語

二次襯砌與隱蔽工程不同， 它是一個隧道最直觀展現(xiàn)的部分，也是保護(hù)鐵路運營安全的最后一道屏障。本文通過對姚蔣隧道中出現(xiàn)的脫空、裂縫、滲水等病害分別進(jìn)行分析， 同時通過對病害的處理也取得了良好的效果，為以后對于隧道病害的處理和預(yù)防積累了更多的實際操作經(jīng)驗。