從當前鐵路隧道襯砌典型病害談設計施工改進措施

肖廣智

(中國鐵路總公司工程管理中心，北京 100844)

0 引言

隨著鐵路事業(yè)的快速發(fā)展，隧道的數(shù)量也急劇增長，目前我國已成為世界隧道大國，特別是高速鐵路隧道數(shù)量居世界之首。截至2017年底，我國鐵路營業(yè)里程達12.7萬km，投入運營的隧道14 768座，總長15 781 km，其中高速鐵路隧道3 220座，總長5 359 km，在建鐵路隧道總長8 234 km，其中高速鐵路隧道總長3 850 km[1]。通過克服高壓富水巖溶、斷層、巖爆、高地應力軟巖、瓦斯等各種復雜地質(zhì)條件及高寒、高地溫、高海拔等惡劣環(huán)境條件，我國的鐵路隧道建設技術取得了長足的進步，安全事故逐年下降，施工質(zhì)量逐步提升。但在即將開通和已經(jīng)開通運營的部分隧道中，仍存在仰拱上拱、涌水、拱頂?shù)魤K風險3種典型的襯砌病害現(xiàn)象。鑒于鐵路隧道，特別是高速鐵路隧道高安全性的運營環(huán)境要求，筆者結(jié)合近年來組織或參與病害處治的體會和思考，對當前鐵路隧道典型病害原因進行分析，并對隧道的設計施工技術措施提出建議。

1 仰拱上拱

在近年來建成的鐵路隧道中，部分隧道在開通運營前或運營后出現(xiàn)了仰拱或底板上拱現(xiàn)象，造成軌道上浮，對運營安全帶來一定影響。下面結(jié)合工作體會和研究心得對產(chǎn)生上拱的原因進行分析，并對隧道設計施工措施提出建議。

1.1 原因分析

有的隧道產(chǎn)生上拱的原因比較單一，也比較明確，有的則比較復雜，原因分析存在很大分歧，難以達成共識。但綜合來看，從主客觀方面分析其原因如下。

客觀因素：1)地應力。部分地段存在較大的水平構造地應力，緩傾薄層巖層在隧道開挖后產(chǎn)生“彎曲”應力；2)地下水。處于季節(jié)變動帶的巖溶裂隙、管道等受強降雨影響，隧道底部產(chǎn)生水壓；仰拱回填層和找平層層間“囊狀水”受列車往復作用產(chǎn)生局部水壓，如圖1所示；3)膨脹性圍巖。隧道開挖施工打破了原有山體的水力平衡，全隧貫通后在隧道周邊形成了過水通道，開挖失水、貫通匯水造成的干濕交替以及旱季、雨季水量變化造成圍巖含水率變化，引起膨脹性圍巖產(chǎn)生膨脹力[2]。

圖1 仰拱后澆層與先澆層存在層間“囊狀水”Fig.1 "Cystic water" exists between post-pouring layer and first pouring layer of inverted arch

主觀因素：1)存在施工質(zhì)量缺陷，仰拱厚度嚴重不足，或仰拱開挖形狀不符合設計要求，致使結(jié)構受力薄弱；2)對隧道底部無碴軌道適應變形的敏感性研究不足。無碴軌道要求變形控制在毫米級，而隧底結(jié)構變形適應能力在厘米級，常規(guī)設計中隧底結(jié)構按強度控制設計，未考慮按毫米級變形控制設計；3)對膨脹性圍巖作用在隧道結(jié)構上的力學行為和變形機制研究不足。近年來發(fā)生上拱的隧道多為微、弱膨脹性圍巖，在采用無碴軌道的隧道中，其膨脹性圍巖設計標準需研究和調(diào)整。

對于因地下水、高地應力、施工質(zhì)量等引起上拱的隧道，其產(chǎn)生上拱的原因相對比較明確，而對于緩傾泥質(zhì)巖層隧道，發(fā)生上拱的原因則比較復雜，較多隧道在治理過程中對上拱原因分析未形成一致意見。下面結(jié)合十幾座類似地層隧道(具體隧道統(tǒng)計表略去)上拱規(guī)律統(tǒng)計，對其產(chǎn)生上拱的原因進行分析。

1.1.1 緩傾泥質(zhì)巖層隧道發(fā)生上拱的規(guī)律統(tǒng)計

1)發(fā)生上拱的時間一般在隧道貫通1～3年內(nèi)，持續(xù)時間最長的已達5年；

2)發(fā)生上拱的圍巖大部分為Ⅳ級圍巖，個別為Ⅲ、Ⅴ級圍巖；

3)上拱值在微、弱膨脹性圍巖中一般為15～30 mm；若增加富水、腐蝕性環(huán)境或膨脹性礦物含量超標等因素，則上拱值可達到40～70 mm。

1.1.2 緩傾泥質(zhì)巖層隧道上拱原因分析

隧道上拱實際上是隧道底部圍巖支承能力與支護抗力不足以抵抗圍巖作用力后產(chǎn)生的變形，發(fā)生的原因十分復雜，可能與微、弱膨脹作用，板彎曲應力作用，水平地應力作用，泥巖的劣化、蠕變，質(zhì)量缺陷和結(jié)構薄弱等因素有關。

1)微、弱膨脹作用。泥巖為隔水層，一般為弱富水，隧道開挖、排水使圍巖失水，導致含水率降低，而隧道在運營后形成永久排水通道，通過圍巖裂隙襲奪地下水，使得圍巖含水率增加而產(chǎn)生膨脹力。北方的隧道夏季比冬季嚴重，而南方并不明顯。

2)泥巖的劣化、蠕變。泥質(zhì)巖層在地下水和動荷載作用下，發(fā)生劣化和蠕變，強度大大降低，且持續(xù)時間較長。

3)體積擴容膨脹作用。節(jié)理裂隙發(fā)育富水地段、含石膏等膨脹性礦物、腐蝕性環(huán)境等可產(chǎn)生較大的體積擴容膨脹力，使仰拱產(chǎn)生較大的上拱值。如中南部通道南呂梁山隧道膏溶角礫巖段隧道邊墻開裂、道床上拱，最大值達70 mm；達成鐵路擴能改造工程云頂隧道泥巖較富水、腐蝕性環(huán)境，道床上拱最大值達52 mm。

4)板彎曲應力作用。隧道開挖后應力釋放造成緩傾薄層巖層彎曲變形，如蘭渝鐵路四方山隧道泥質(zhì)砂巖在施工中發(fā)生仰拱圍巖開裂，在開通前發(fā)生多處道床上拱；中南部通道石樓隧道在施工中發(fā)生仰拱、下臺階開裂上拱，加強底部結(jié)構后未發(fā)生道床上拱。水平巖層彎曲變形圖示及現(xiàn)場照片見圖2。

(a) 變形圖示

(b) 現(xiàn)場照片

5)水平地應力作用。局部存在較大的水平構造地應力，使隧道底部產(chǎn)生擠壓變形，如蘭渝鐵路玄真關、六沾鐵路三聯(lián)隧道等。

6)質(zhì)量缺陷。仰拱實際施工的形狀和厚度往往存在缺陷，達不到設計要求，這也是目前的一個質(zhì)量通病。

7)結(jié)構薄弱。雙線隧道跨度較大，在隧道結(jié)構中仰拱為受力的薄弱環(huán)節(jié)，特別是在Ⅲ、Ⅳ級圍巖中初期支護仰拱不封閉，不但使仰拱結(jié)構比拱墻更加薄弱，也使得仰拱開挖失去安裝鋼架的制約，其輪廓往往更加不易滿足設計要求；單線隧道邊墻由于曲率較小，成為受力的薄弱環(huán)節(jié)。因此，病害表現(xiàn)形式一般是雙線隧道道床上拱，單線隧道邊墻開裂(平底板結(jié)構或膨脹力較大時道床也發(fā)生上拱)。

1.2 設計施工措施建議

1)有上拱風險的隧道應進行無砟和有砟軌道方案論證，采用無砟軌道時可考慮采用單元板式無砟軌道，或采用便于更換、調(diào)高處理的新型無砟軌道。

2)應高度重視緩傾薄層泥質(zhì)巖層對隧道結(jié)構，特別是仰拱結(jié)構的影響，并開展相關研究對其工程特性和隧道力學行為進行分析；對已產(chǎn)生上拱病害的隧道開展長期監(jiān)測，掌握變形發(fā)展趨勢、底板下部巖層深部變形、結(jié)構受力等。

3)加強勘察設計。應對緩傾泥質(zhì)巖層進行專項勘察和特殊設計，隧道底部結(jié)構設計方法由原來的按裂縫控制的強度設計法改為按無砟軌道允許變形控制的剛度設計法。

4)單線隧道宜增大邊墻曲率，改善受力條件；雙線隧道宜增大仰拱曲率，以加強仰拱結(jié)構，防止上拱。存在上拱風險的Ⅲ、Ⅳ級圍巖，可在仰拱增設鋼拱架以封閉初期支護，二次襯砌采用鋼筋混凝土。必要時在仰拱下設置錨桿。

5)加強防排水措施，避免圍巖特別是底部積聚地下水，如設置泄水洞、隧底深埋水溝、可維護性排水設施等。

6)研究隧道底部混凝土施工工藝。底部混凝土可一次灌注成型，避免分層灌注出現(xiàn)“囊狀水”；當必須分層灌注時應切實做好清理、鑿毛等措施，防止分層縫進水產(chǎn)生水壓，引起軌道上拱。

7)加強仰拱施工質(zhì)量控制，對基底虛碴、仰拱輪廓、厚度等進行專項檢查，留存可追溯性文檔。

2 涌水、漏水

近年來，在開通的部分鐵路隧道中發(fā)生了涌水、漏水病害，比較典型的有：1)底部涌水造成仰拱及軌道上拱；2)邊墻涌水造成邊墻開裂、內(nèi)擠甚至掉塊；3)拱頂嚴重漏水，主要是拱頂施工縫、壓漿孔、蜂窩麻面漏水、射水等(見圖3)。下面對涌水、漏水病害原因進行初步分析，并從設計、施工、建設管理與運營維護等方面提出建議措施。

(a) 仰拱產(chǎn)生高壓水

(b) 邊墻產(chǎn)生水壓，開裂

(c) 拱頂射水

2.1 原因分析

1)存在巖溶管道，未采取有效的排水措施，遇強降雨時，水壓、水量突然增加；2)處于季節(jié)變動帶的富水地段，遇強降雨時，水壓、水量突然增加；3)墻底排水系統(tǒng)失效或排水能力不足，泄水洞未起到泄水作用，致使水位上升、靜壓過大；4)施工縫存在質(zhì)量缺陷；5)拱部混凝土存在不同程度的空洞或空隙[2]。

2.2 設計、施工及管理措施建議

2.2.1 優(yōu)化和加強設計措施

1)加強巖溶隧道勘察選線工作，盡量繞避巖溶強烈發(fā)育地帶、可溶巖和非可溶巖接觸帶、巖溶水富集區(qū)及巖溶水排泄帶；不能繞避時，應詳細調(diào)查工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，并以最短的距離通過。線路高程宜在垂直滲流帶中，不宜在水平徑流帶中[3]。

2)對于施工揭示的巖溶，應充分評估長期運營條件下的強降雨危害，提前采取泄水洞及其他泄排水措施。

3)巖溶發(fā)育區(qū)段可考慮采用鋼筋混凝土加強襯砌結(jié)構，使其具有一定抗水壓能力。

4)復雜地質(zhì)區(qū)段不宜設置下錨段等變斷面結(jié)構。

5)富水地段應加強防排水措施，進行專項設計。

6)抗水壓襯砌與非抗水壓襯砌之間應進行分區(qū)防水設計，水文地質(zhì)條件相差較大的單元之間宜進行分區(qū)防水設計。

7)巖溶承壓水、富水斷層等地段宜設計永久泄水降壓措施，泄水洞宜與溶洞直接聯(lián)通。

8)優(yōu)化施工縫防水設計，試驗研究中埋式止水帶改進或替代措施。

9)施工中對開挖揭示的水文地質(zhì)情況進行再評價，必要時增加防排水措施并加強結(jié)構。

2.2.2 加強施工管理，優(yōu)化施工工藝

1)采取可靠的措施，確保初期支護與圍巖密貼，初期支護背后空洞應及時進行注漿回填[4-6]。

2)繼續(xù)深化研究和改進襯砌混凝土灌注工藝，保證混凝土灌注密實，及時注漿回填拱部存在的空洞。

3)提高防水板鋪設的牢固度和焊接質(zhì)量，提高防水板的柔韌性，并研究開發(fā)新型防水材料和施工工藝。

4)富水地段加強襯砌背后排水及墻底泄水措施的施工質(zhì)量。

5)泄水工程必須施作到位，保證泄水通暢。

2.2.3 加強建設和運營維護管理

1)加強施工質(zhì)量檢查。重點是初期支護背后脫空、防水板和止水帶安裝、襯砌密實度等的檢查。

2)建立和完善襯砌質(zhì)量評估系統(tǒng)。收集檢查、驗收發(fā)現(xiàn)的問題并建立質(zhì)量問題庫，落實整改責任和時限，并組織對整改情況進行復查，實現(xiàn)閉環(huán)管理。

3)加強運營維護管理。①鐵路隧道運營維修工作應按照“預防為主，預防和整治相結(jié)合”的原則進行，采取經(jīng)常保養(yǎng)和綜合維修相結(jié)合的方式，及時消除危及行車安全的病害；②成立專業(yè)的檢查維修隊伍，加強對排水設施的維護管理，定期檢查(特別是汛期前應進行全面排查)，及時對泄水洞、排水洞、排水溝、排水廊道等進行清淤，對排水盲管進行清理結(jié)晶物等疏通工作；③積極研究和配置專業(yè)測試和維修設備，發(fā)展機械化作業(yè)，提高維修效率和維修質(zhì)量。

3 拱頂?shù)魤K

近年來，在建或運營的部分隧道出現(xiàn)了不同程度的二次襯砌拱頂空洞、襯砌厚度不足、裂縫、施工縫開裂、空鼓、混凝土不密實等質(zhì)量問題，導致隧道產(chǎn)生掉塊風險?，F(xiàn)場敲擊檢查處理后的照片見圖4—5。

(a)

(b)

(c)

(a)

(b)

(c)

3.1 拱頂?shù)魤K原因分析

3.1.1 拱部混凝土產(chǎn)生空洞、厚度不足的原因

混凝土質(zhì)量的主要控制因素為施工工藝、工裝設備配備、施工管理等。

1)拱部灌注混凝土施工工藝控制不到位。

①拱頂灌注工藝不合理。拱部混凝土灌注進料口布置、排氣、振搗灌注方法等不合理，導致混凝土未能有效充填拱部。

②防水板存在脫落風險，導致拱頂防水板與初期支護之間存在空隙。澆筑襯砌邊墻時混凝土沖擊造成防水板下滑，使拱頂防水板與初期支護之間存在空隙，導致混凝土在拱頂出現(xiàn)空洞。

③回填注漿針對性差，未能達到確保拱部回填密實的目的?；炷凉嘧⑼瓿珊?，對空洞情況不清楚，盲目進行程序性回填注漿。

④缺乏配套工裝設備。

2)質(zhì)量自控不到位。

①混凝土灌注質(zhì)量自檢不到位。在補注漿前未進行無損檢測，缺乏評估依據(jù)，造成回填注漿缺乏針對性；回填注漿后，未再次進行復檢。

②欠挖、初期支護變形侵限檢查及處理不到位，致使二次襯砌混凝土厚度不足。

3)第三方檢測時機不當。

第三方檢測的時機應合理確定，現(xiàn)場存在的問題主要為：①施工單位未進行自檢，未進行回填注漿和復檢，直接進行第三方檢測，造成第三方檢測代替自檢；②隧道貫通，并進行接觸網(wǎng)立柱安裝后，才進行第三方檢測，增加了檢測盲區(qū)，缺乏對接觸網(wǎng)槽道和立柱附近檢測盲區(qū)的補充檢測手段。

3.1.2 施工縫缺陷原因

隧道施工縫產(chǎn)生開裂、空鼓、掉塊的主要原因是：1)隧道施工縫中埋止水帶偏位切割混凝土，造成混凝土厚度不足、空鼓產(chǎn)生掉塊，占隧道施工縫開裂空鼓掉塊問題的70%以上；2)臺車固定時頂裂已完成的襯砌；3)施工縫處漏漿、離析產(chǎn)生蜂窩麻面，造成開裂掉塊(以上簡稱施工縫“三掉塊”)。另外，襯砌混凝土不密實、澆筑不連續(xù)而產(chǎn)生施工冷縫或夾層、局部襯砌厚度不足等也是造成施工縫開裂掉塊的重要原因。

3.1.3 襯砌開裂原因

襯砌開裂的原因比較復雜，主要有以下幾個方面。

1)外荷載。如地形偏壓、順層偏壓、膨脹、蠕變、水壓、凍脹、地應力等。

2)施工質(zhì)量、施工工藝。如襯砌拆模時間過早，混凝土養(yǎng)護不到位，初期支護變形較大時過早施作二次襯砌，基底存在虛砟或軟弱基礎使結(jié)構產(chǎn)生不均勻沉降，仰拱和邊墻襯砌施工縫不對應，襯砌厚度、強度不足等。

3)溫度、干縮等。如溫差較大的洞口段、一次灌注混凝土過長、襯砌施工時存在混凝土澆注冷縫、未按規(guī)定采取相關措施等。

3.2 設計、施工措施建議

為防范鐵路隧道混凝土襯砌掉塊，確保運營安全，提出設計、施工措施建議如下。

3.2.1 優(yōu)化結(jié)構設計

1) 優(yōu)化下錨段斷面型式及結(jié)構設計，盡量減少隧道斷面頻繁變化，下錨段宜設計為鋼筋混凝土襯砌或配置構造鋼筋。

2)盡量減少隧道內(nèi)附屬洞室的設置數(shù)量。

3)優(yōu)化施工縫防水設計，試驗研究中埋式止水帶替代措施。

4)加強特殊工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件的評估，確保結(jié)構設計受力工況與實際相符。

5)研究試驗施工縫預留“V”型槽結(jié)構型式。通過借鑒日本某隧道施工，安順—六盤水鐵路隧道施工縫采用預留“V”型槽結(jié)構型式，取得了較好效果，見圖6—7。

圖6 日本某隧道“V”型槽施工縫Fig.6 Construction joints of V-shaped groove of a tunnel in Japan

圖7 安六鐵路隧道“V”型槽施工縫Fig.7 Construction joints of V-shaped groove of Anshun-Liupanshui Railway Tunnel

3.2.2 加強施工管理，優(yōu)化施工工藝，確保施工質(zhì)量滿足設計和規(guī)范要求

為預防鐵路隧道二次襯砌拱頂空洞，提高施工質(zhì)量，鐵路總公司組織開展了現(xiàn)場試驗和研究，總結(jié)了鐵路隧道二次襯砌預防拱頂空洞實施意見，對襯砌臺車剛度、排氣孔設置、隧道開挖成形控制、防水板鋪設、混凝土澆注方法、回填注漿及檢查等提出了具體要求。2016年11月17日在京沈客專召開了隧道襯砌施工成套技術現(xiàn)場觀摩會，會議形成了指導意見。成套技術主要包括襯砌臺車加裝料斗與滑槽實現(xiàn)混凝土分層逐窗入模澆注、徑向預埋RPC注漿管與拱頂帶模注漿技術及注制漿一體機、二次襯砌定型組合鋼模板、仰拱輕便弧形腹膜與定性組合鋼模板、防水板鋪設臺車與超聲波焊機、襯砌噴淋養(yǎng)護臺車與霧炮、水溝電纜槽移動模架等。

目前正在結(jié)合科研課題開展新型智能襯砌臺車襯砌綜合施工技術研究和試驗，以改變傳統(tǒng)的襯砌臺車僅提供襯砌模板的理念，建立襯砌臺車是保證混凝土澆注質(zhì)量、承載混凝土施工技術載體的理念。新型智能襯砌臺車擬實現(xiàn)建立在自動檢測、監(jiān)測、報警、數(shù)據(jù)傳輸?shù)然A上的信息化，并進而依托管理平臺實現(xiàn)智能化。

具體施工技術措施建議如下：

1) 加強隧道光面爆破控制，提高開挖輪廓成型質(zhì)量[4-6]。

2) 加強隧道開挖輪廓的測量，及時處理超欠挖[4-6]。

3) 采取可靠的措施，確保初期支護與圍巖密貼；初期支護背后空洞應及時進行注漿回填[4-6]。

4) 提高防水板鋪設的牢固度和焊接質(zhì)量，避免因防水板脫落或撕裂造成襯砌分層；提高防水板的柔軟性，防水板與墊圈應同材質(zhì)、同廠家。

5) 嚴禁采用抹面、勾縫的方法對襯砌施工縫、蜂窩麻面等部位隨意修補。

6) 襯砌混凝土應連續(xù)澆筑。采取可靠工藝措施保證混凝土灌注密實，及時注漿回填拱部存在的空洞。冷縫應采取植筋等處理措施。仰拱與邊墻施工縫應相對應。

7) 臺車支立時應加強對已澆筑襯砌端頭的保護，防止混凝土受損。

8) 加強混凝土養(yǎng)護管理，采用噴淋、養(yǎng)護臺車等措施進行養(yǎng)護[7]。

9) 加強仰拱開挖輪廓控制，確保仰拱輪廓與設計相符，仰拱下禁止存在虛碴。

4 結(jié)論與建議

1)鐵路隧道仰拱上拱的主要原因為水壓力及水對地層的軟化作用，地層構造應力、結(jié)構應力、膨脹力，施工質(zhì)量，結(jié)構剛度不足等，建議采取無碴軌道結(jié)構優(yōu)化、加強隧底防排水、加大仰拱矢跨比、加強仰拱結(jié)構剛度和強度、確保仰拱施工質(zhì)量等措施。

2)隧道產(chǎn)生涌水的主要原因是巖溶、斷層等復雜的水文地質(zhì)條件，排、泄水設施未充分發(fā)揮作用，施工質(zhì)量缺陷等，建議采取加強工程地質(zhì)與水文地質(zhì)勘察及施工地質(zhì)評估，加強排、泄水措施設計，加強排、泄水設施維護、管理，加強襯砌施工質(zhì)量控制等措施。

3)隧道產(chǎn)生拱頂?shù)魤K風險的主要原因是襯砌拱部存在空洞、厚度不足、開裂、施工縫缺陷等施工質(zhì)量問題，建議采取優(yōu)化施工縫結(jié)構設計、加強開挖和防水板鋪設質(zhì)量控制、配備先進工裝設備以確保拱部混凝土及施工縫施工質(zhì)量等措施。

建議對以下問題進一步研究：1)隧道內(nèi)無碴軌道結(jié)構型式深化研究、緩傾薄層泥質(zhì)地層力學特性、蠕變特性及仰拱上拱機制；2)仰拱或底板下排水問題；3)排水盲管的可維護性問題；4)拱部襯砌混凝土灌注工裝、工藝深化研究等。