運(yùn)營隧道襯砌裂縫及滲漏水病害整治技術(shù)研究

曾 曉 東

(中鐵西北科學(xué)研究院有限公司， 甘肅 蘭州 730000)

隨著我國交通建設(shè)的蓬勃發(fā)展，修建的高等級公路、鐵路隧道數(shù)量越來越多。由于地質(zhì)、環(huán)境、施工缺陷及不可抗力等方面的原因，在運(yùn)營過程中隧道襯砌出現(xiàn)不同程度的開裂并伴隨滲漏水等病害現(xiàn)象，襯砌裂縫及滲漏水不僅影響襯砌的美觀，同時對襯砌的穩(wěn)定性、接觸網(wǎng)安全等造成較大的影響，嚴(yán)重情況下甚至影響鐵路的正常運(yùn)營和使用安全。目前，對于隧道襯砌裂縫的處理通常采用粘鋼法、套拱加固法、注漿加固及其它加固方法，對滲漏水主要采取以堵為主，局部引排的措施。張民慶等[1-4]對隧道裂縫成因和案例進(jìn)行了分析。劉穎等[5-6]對襯砌結(jié)構(gòu)外空洞對襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相關(guān)評價。吳啟勇等[7-8]對襯砌表層粘貼碳纖維布進(jìn)行了研究，并取得了相關(guān)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。黃庭華等[9-11]對隧道滲漏水病害采用引排和注漿進(jìn)行了分析。各種加固措施均存在各自的優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍,本文針對某鐵路隧道裂縫采取了打設(shè)注漿錨桿加粘貼碳纖維布加固技術(shù)進(jìn)行了處理，對滲漏水采用了拱部注防水型TGRM水泥基特種灌漿料進(jìn)行注漿加固，邊墻開槽引排的措施進(jìn)行處理，通過現(xiàn)場試驗(yàn)及后期觀測分析，取得了較好的效果。

1 研究背景

本文以某鐵路隧道襯砌裂縫病害整治為工程背景，隧道進(jìn)口里程K150+098.58，出口里程DK158+420，全長6 407 m，設(shè)計(jì)為雙線隧道。隧道位于太行山山脈中部，系舟山山系北端，橫穿寺鋪山，屬剝蝕高中山區(qū)，地形起伏大，山勢陡峻，山頂多為尖頂狀，山脊呈魚鰭狀，溝谷深切，多呈“V”字型。

工程從1996年7月開工，至1999年10月工程完工，開通運(yùn)營。線路中心間距為4 m，隧道內(nèi)設(shè)有照明設(shè)備，隧道建成于1999年，運(yùn)營至今。

2 襯砌裂縫及滲漏水病害調(diào)查及分析

2.1 襯砌裂縫及滲漏水病害現(xiàn)場調(diào)查

襯砌裂縫病害的整治必須以結(jié)構(gòu)可靠性為依據(jù)，通過現(xiàn)場調(diào)查、分析，對裂縫部位、成因、等級等做出判定，并根據(jù)裂縫的當(dāng)前的發(fā)展程度、運(yùn)營環(huán)境和有無伴隨其它病害等進(jìn)行系統(tǒng)分析，有針對性的選擇切實(shí)有效的修補(bǔ)方法進(jìn)行處理。

(1) 裂縫及滲漏水病害資料收集[11]。① 隧道修建的年代、地理位置；② 隧道竣工圖紙及相關(guān)；③ 隧道開挖揭示工程地質(zhì)、水文地質(zhì)及變更情況；④ 施工日志及監(jiān)理日志等現(xiàn)場資料；⑤ 隧道竣工驗(yàn)收資料。

(2) 現(xiàn)場裂縫及滲漏水調(diào)查和分析。采用鋼尺、量角器、鐵錘及細(xì)鋼絲、水桶、小型水泵等設(shè)備對襯砌裂縫所在部位、裂縫長度、角度、寬度、深度以及裂縫處是否滲漏水，滲漏水水量、水的侵蝕性、裂縫背后是否空響等各種狀態(tài)進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查。同時，對裂縫所處部位、裂縫趨勢、滲漏水狀況等均繪出詳細(xì)的書面記錄和影像資料，對各個裂縫及滲漏水點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的編碼，確保記錄準(zhǔn)確無誤，為后期分析提供切實(shí)可靠的依據(jù)。

2.2 襯砌裂縫病害統(tǒng)計(jì)分析準(zhǔn)則

根據(jù)裂縫寬度、長度及程度級別的裂縫統(tǒng)計(jì)見表1[13-14]。

表1 裂縫及滲漏水病害量化指標(biāo)

2.3 襯砌裂縫及滲漏水病害統(tǒng)計(jì)結(jié)果及裂縫機(jī)理研究

對襯砌裂縫及滲漏水病害等進(jìn)行了現(xiàn)場調(diào)查記錄，該隧道裂縫以縱向?yàn)橹?，且同時伴隨斜向、環(huán)形、網(wǎng)狀等多種裂縫并存，且δ≥5 mm的裂縫比例較大。分布于拱頂及邊墻的裂縫處大部分同時存在滲漏水病害現(xiàn)象。根據(jù)《鐵路橋隧建筑物修理規(guī)則》[15](TG/GW 103—2010)，該隧道主要裂縫情況統(tǒng)計(jì)見表2、表3。

表2 裂縫類型統(tǒng)計(jì)表

表3 裂縫部位統(tǒng)計(jì)表

對該隧道裂縫進(jìn)行綜合分析可知：隧道拱部及兩側(cè)拱腰部位裂縫分布較多，且以縱向裂縫為主，伴隨斜向裂縫，拱頂部分存在網(wǎng)狀裂縫及環(huán)形裂縫等病害；施工縫在運(yùn)營階段多發(fā)展為環(huán)向裂縫，且大部分伴隨存在滲漏水病害；邊墻部位則多發(fā)生縱向裂縫，局部裂縫處存在錯臺。經(jīng)過調(diào)查，其原因主要為拱部或拱腰部位處襯砌背后存在空洞，不密實(shí)等現(xiàn)象，造成圍巖松動、受力不均所致，拱頂網(wǎng)狀裂縫主要為襯砌厚度不足，圍巖松動掉塊所致；環(huán)向裂縫處混凝土碳化較大，主要為施工質(zhì)量不達(dá)標(biāo)造成；其余裂縫則可能由于地下水發(fā)育，造成圍巖弱化，受力不均所致[16]。

3 襯砌裂縫及滲漏水病害整治

3.1 襯砌裂縫病害整治

針對本隧道病害段工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件及病害分布程度，結(jié)合既有線行車、施工要求及技術(shù)要求，采取安全、行之有效、技術(shù)可靠、經(jīng)濟(jì)合理的措施。根據(jù)裂縫調(diào)查分析概況，有針對性的對裂縫處理制定了相應(yīng)的病害處理原則和方案。

(1) 表面封閉法。一般情況下，寬度小于0.5 mm以下的邊墻局部裂縫，如果無水滲出，其對隧道的安全性和穩(wěn)定性影響不大，可用鋼絲刷將裂縫兩側(cè)清洗干凈，采用涂抹材料(環(huán)氧砂漿、早強(qiáng)水泥砂漿、結(jié)晶滲透性材料等)，按一定比例配置，直接涂抹。如裂縫中有水滲出，應(yīng)先堵水，再涂抹裂縫。

(2) 局部裂縫注漿及錨固。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查，當(dāng)襯砌裂縫寬度0.5 mm≤δ<1 mm時，裂縫深度通常不會貫通襯砌厚度。針對此類裂縫在兩側(cè)間隔1 m設(shè)置長度約3.5 m的砂漿錨桿加固結(jié)構(gòu)，同時對襯砌裂縫高壓注入水泥漿進(jìn)行封閉處理，注漿壓力可現(xiàn)場試驗(yàn)確定，一般應(yīng)大于1.0 MPa。

(3) Φ32自進(jìn)式錨桿+裂縫注漿+粘貼碳纖維布加固(見圖1)。

圖1錨桿注漿加固及裂縫注漿處理

① 在裂縫兩側(cè)間隔0.75 m設(shè)置Φ32自進(jìn)式注漿錨桿，錨桿的長度可根據(jù)竣工圖紙中圍巖狀況確定，一般情況下應(yīng)打入堅(jiān)硬的巖土體1 m以上。

② 錨桿打設(shè)完畢后，采用封堵膠對裂縫進(jìn)行封堵處理，同時在裂縫內(nèi)間隔1.5 m設(shè)置一處針管式注漿管，封堵完畢后對裂縫注入TGRM水泥基特種灌漿料(水灰比0.4)充填裂縫空隙，注漿壓力可通過現(xiàn)場試驗(yàn)確定，或可采用0.3 MPa～0.5 MPa。

③ 裂縫注漿封堵后，清除裂縫兩側(cè)襯砌表面雜質(zhì)、浮沉等，涂刷水泥基滲透型結(jié)晶防水涂料，同時粘貼碳纖維布對裂縫進(jìn)行加固處理，確保裂縫處理的牢固性，耐久性。

(4) Φ32自進(jìn)式錨桿+掏槽修復(fù)+粘貼碳纖維布加固(見圖2)。

圖2錨桿注漿加固及鑿槽修補(bǔ)

① 在裂縫兩側(cè)間隔1 m設(shè)置Φ32自進(jìn)式注漿錨桿，錨桿的長度可根據(jù)竣工圖紙中圍巖狀況確定，一般情況下應(yīng)打入堅(jiān)硬的巖土體1 m以上。

② 錨桿打設(shè)完畢后，在裂縫處鑿除4 cm×8 cm×5 cm(內(nèi)寬×外寬×深)的梯形槽，裂縫兩端向外延伸10 cm，并清除槽內(nèi)的雜質(zhì)。

③ 在鑿除的槽道內(nèi)充填聚合物改性水泥基砂漿修補(bǔ)，同時間隔1.5 m設(shè)置一處針管式注漿管，槽道修補(bǔ)完成后對裂縫注入TGRM水泥基特種灌漿料(水灰比0.4)充填裂縫空隙，注漿壓力可通過現(xiàn)場試驗(yàn)確定或可采用0.3 MPa～0.5 MPa。

④ 裂縫注漿完畢后，清除裂縫兩側(cè)襯砌表面雜質(zhì)、浮沉等，涂刷水泥基滲透型結(jié)晶防水涂料。

⑤ 沿裂縫兩側(cè)粘貼碳纖維布對裂縫進(jìn)行加固處理，確保裂縫處理的牢固性，耐久性。

(5) 襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)增加拱架加強(qiáng)見圖3。當(dāng)襯砌結(jié)構(gòu)裂縫寬度達(dá)到5 mm～10 mm，同時出現(xiàn)斜向、環(huán)向裂縫等相互交叉處，在襯砌結(jié)構(gòu)不至于發(fā)生整體失穩(wěn)，但可能出現(xiàn)局部掉塊的部位，可采用掏槽嵌入鋼拱架的加強(qiáng)措施對既有襯砌進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，確保結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

圖3襯砌表面拱架補(bǔ)強(qiáng)圖

① 對隧道襯砌表層出現(xiàn)松動，腐蝕的部分進(jìn)行鑿除，同時清理結(jié)構(gòu)表面附著的油污等雜質(zhì)。

② 對襯砌鑿除部分植入鋼筋網(wǎng)片，采用修補(bǔ)砂漿充填密實(shí)。

③ 測量鋼拱架設(shè)置部位的隧道輪廓，拱部輪廓滿足規(guī)范要求部位可將拱架緊貼襯砌表面，兩側(cè)及拱架底部位置在襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)掏槽，槽深滿足拱架放置需求即可。

④ 為了便于安裝，單次安裝不宜過長，盡量采用等長的段落組裝，鋼架需做防銹措施。

⑤ 為了鋼架具有剛好的整體穩(wěn)定性，為既有結(jié)構(gòu)提供有效的支撐，拱部鋼架與襯砌表面空隙處填塞扁鋼支撐，確保鋼架與既有襯砌結(jié)構(gòu)形成整體，相鄰拱架之間采用Φ22螺紋鋼筋縱向連接，連接鋼筋位于鋼架內(nèi)側(cè)，環(huán)向間距可采用0.5 m。拱架連接處采用錨桿將拱架牢靠固定在既有襯砌及圍巖內(nèi)部，對空隙處采用修補(bǔ)砂漿充填密實(shí)。

⑥ 為了確保鋼架的耐久性能，對出露的鋼架、連接鋼筋等應(yīng)做好防銹蝕和絕緣措施。

⑦ 為了確保既有隧道運(yùn)營安全，安裝鋼架安裝應(yīng)做好接地措施。

3.2 隧道襯砌結(jié)構(gòu)滲漏水

(1) 隧道拱部。基于隧道拱部存在空洞，存在裂縫和滲漏水的部位可采用注入泡沫混凝土充填空洞，空隙處采用加壓注入防水型TGRM特種灌漿料進(jìn)行加強(qiáng)，注漿壓力現(xiàn)場試驗(yàn)確定，一般為0.4 MPa～0.6 MPa，注漿后做到拱頂密實(shí)，襯砌不漏水的效果。

注漿管可采用Φ42 mm，壁厚3.5 mm的無縫開孔鋼花管(見圖4所示)。

圖4注漿管構(gòu)造圖

鋼管前端宜做成圓錐狀，在后端焊接鋼筋箍，管體布設(shè)梅花型溢漿孔，鋼管呈梅花形布置，橫、縱向間距均為2 m，單孔有效擴(kuò)散半徑1.5 m。

(2) 邊墻滲漏水。針對邊墻滲漏水，臨空側(cè)鑿除160 mm、圍巖側(cè)鑿除200 mm寬楔形槽，內(nèi)部埋設(shè)Φ80 mm排水管，同時在排水管處增設(shè)Φ40 mm斜向泄水孔將襯砌背后的滲水引排至既有隧道側(cè)溝的措施進(jìn)行處理，楔形槽自內(nèi)向襯砌表面依次采用2 cm厚鋼絲堵漏劑隔水層、不小于0.8 mm厚的抗?jié)B劑、2 cm厚地?zé)岜匕濉? cm厚鋼絲修補(bǔ)劑填充楔形槽。在洞口寒冷地段采用埋設(shè)融冰超熱導(dǎo)管，確保冬季不結(jié)冰，排水順暢(見圖5、圖6)。

圖5 邊墻滲漏水引排處理示意圖

圖6 I-I剖面導(dǎo)水管及引排槽示意圖

4 粘貼碳纖維布

粘貼碳纖維布加固混凝土結(jié)構(gòu)是采用外貼高性能復(fù)合材料加固結(jié)構(gòu)的新技術(shù)，國內(nèi)外有關(guān)研究和工程單位開展了大量的研究和實(shí)踐應(yīng)用，取得了較好的效果。

4.1 粘貼碳纖維布加固機(jī)理

通過配套的膠粘劑將碳纖維布粘貼于構(gòu)件表面，通過膠粘劑粘合所產(chǎn)生的剪應(yīng)力使碳纖維布與結(jié)構(gòu)共同承受抵抗荷載產(chǎn)生的拉力，以此起到加強(qiáng)襯砌結(jié)構(gòu)，共同受力的目的[11]。

碳纖維布具有抗拉強(qiáng)度高、耐酸堿，抗腐蝕，比重輕等特點(diǎn)；同時，其施工不受襯砌結(jié)構(gòu)表面弧度限制，可根據(jù)需要自由裁剪，易于施工等優(yōu)點(diǎn)。在不增加結(jié)構(gòu)重量的條件下，可大幅提高結(jié)構(gòu)的承載能力。碳纖維復(fù)合材料安全性鑒定標(biāo)準(zhǔn)如表4所示。

表4 碳纖維復(fù)合材料安全性鑒定標(biāo)準(zhǔn)

4.2 碳纖維布加固工藝

粘貼碳纖維布施工工藝流程為[17]：施工準(zhǔn)備→襯砌表面處理→涂刷底膠→找平處理→粘貼碳纖維布。具體要求如圖7所示。

5 襯砌裂縫病害整治效果評價

通過對本隧道襯砌裂縫病害的處理，施工完成后2 a時間的現(xiàn)場觀察，裂縫得到了有效的控制，無進(jìn)一步發(fā)展的跡象(見圖8、圖9)。

圖7 粘貼碳纖維布加固施工工藝流程

圖8 襯砌裂縫處粘貼碳纖維布

圖9碳纖維布撕裂試驗(yàn)

碳纖維布粘貼在裂縫病害處理中發(fā)揮了良好的性能，而且耐久性好，有效解決了襯砌表面曲面及局部不平順等工程加固修復(fù)問題，應(yīng)用潛力大。

6 結(jié) 語

(1) 運(yùn)營隧道襯砌裂縫、滲漏水、掉塊及腐蝕等病害的整治是一項(xiàng)復(fù)雜艱巨的任務(wù)，其整治過程對施工安全和鐵路運(yùn)營安全要求較高，且只能利用天窗時間來完成。由于既有線路運(yùn)營繁忙，天窗時間有限，因此，應(yīng)采取切實(shí)可行、合理可靠、有針對性的治理方案。

(2) 運(yùn)營隧道襯砌開裂、滲漏水等是最為常見且較難根治的隧道病害，長期滲漏水對隧道內(nèi)接觸網(wǎng)，軌道結(jié)構(gòu)均產(chǎn)生較大的影響。因此，運(yùn)營中應(yīng)加強(qiáng)檢查，發(fā)現(xiàn)病害應(yīng)及時觀測，調(diào)查其活動狀況及規(guī)律，根據(jù)觀測數(shù)據(jù)制定合理的治理措施。

(3) 粘貼碳纖維布在處理受拉應(yīng)力較大部位有明顯的效果，由于隧道襯砌裂縫大部分為張拉裂縫，因此，在對碳纖維布性能進(jìn)一步了解和加強(qiáng)的情況下，采用碳纖維布加固既有隧道襯砌裂縫能得到進(jìn)一步的發(fā)展，為該類問題的解決提供新的途徑。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張民慶,何志軍,肖廣智，等.鐵路隧道襯砌嚴(yán)重開裂原因與處理典型案例[J]．鐵道工程學(xué)報,2016,33(1):87-90.

[2] 張孫文,淺談隧道襯砌后期裂縫成因及處理施工技術(shù)[J]．低碳世界，2016(5):172-173.

[3] 段亞鵬,張耀輝.淺談隧道襯砌裂縫的成因與整治[J]．水電施工技術(shù),2017(1):31-33.

[4] 羅吉鵬，柴軍瑞，許增光，等.單裂隙輻射流滲流試驗(yàn)研究[J].水資源與水工程學(xué)報，2017,18(3):211-215.

[5] 劉 穎．山嶺隧道襯砌背后空洞對襯砌結(jié)構(gòu)多因素影響分析[J]．水利與建筑工程學(xué)報，2015，13(2)：222-230．

[6] 宋 磊．襯砌背后空洞對既有隧道受力影響研究[J]．水利與建筑工程學(xué)報,2017,15(4):134-137.

[7] 吳啟勇,蔡葉瀾.碳纖維布在連拱隧道襯砌裂縫病害治理中的應(yīng)用[J]．現(xiàn)代隧道技術(shù),2006,43(6):70-75.

[8] 潘紅桂，王志杰，李 波，等.高寒地區(qū)集包線某運(yùn)營鐵路隧道滲漏水及凍害整治技術(shù)[J]．隧道建設(shè),2014,34(7):696-702.

[9] 黃庭華．隧道二次襯砌后滲漏水處理技術(shù)探討[J]．中國科技投資,2014(A15):281-281.

[10] 梅 華,趙鵬宇,謝 政，等.某山嶺隧道二次襯砌滲水影響因素研究[J]．四川理工學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2013,26(5):56-59.

[11] 江 彬.淺析隧道襯砌滲漏水處理技術(shù)[J]．低碳世界,2015(35):140-141.

[12] 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：DG/TJ08—012—2002[S].上海：上海市工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化辦公室.

[13] 張素磊．隧道襯砌結(jié)構(gòu)健康診斷及技術(shù)狀況評定研究[D]．北京：北京交通大學(xué)，2012．

[14] 羅建春,高菊如.既有線鐵路隧道病害分級方法與評價體系研究[J]．現(xiàn)代隧道技術(shù),2016,53(6):12-17.

[15] 中華人民共和國鐵道部.鐵路橋隧建筑物修理規(guī)則：TG/GW 103—2010[S].北京：中國鐵道出版社，2010.

[16] 王魁東．單線鐵路隧道襯砌開裂原因分析及相應(yīng)的處理措施[J]．鐵道建筑技術(shù),2015(6):53-56.

[17] 辰日株式會社．加固混凝土構(gòu)造物的碳纖維補(bǔ)強(qiáng)工法的設(shè)計(jì)(隧道篇)[S].日本:[出版者不詳],2002.