鐵路隧道襯砌裂損對策研究

李開慶 唐天龍

(1.中鐵十四局集團隧道工程有限公司，山東濟南 250000;2.中交二航局第三工程有限公司，江蘇鎮江 212050)

0 引言

在鐵路隧道運營期間，襯砌混凝土會受到初期支護失效、洞周圍巖松弛變形和地下水環境侵蝕等因素的影響而發生受力和性質的改變，進而產生影響隧道結構正常使用的病害，裂損是其中最典型的一種。經對某鐵路沿線70多座隧道的病害踏勘，襯砌裂損或掉塊占到病害總量的半數以上;且沿線隧道受第四系孔隙水、基巖裂隙水和溶蝕水等影響，裂縫多并發滲漏水病害。

襯砌出現裂損病害后，在混凝土內部形成不連續面，影響結構整體性，降低襯砌的承載能力。其中尤以拱部或邊墻的縱向和斜向裂縫影響最為嚴重(如圖1，圖2所示)。裂損病害進一步發展形成掉塊、錯臺甚至侵限，將嚴重影響行車安全;裂縫向深部發展貫通后為裂隙水的匯聚和滲透提供了條件，加劇滲漏水病害的嚴重程度。

圖1 拱腰縱向裂縫

圖2 邊墻斜向裂縫

國內對襯砌裂損病害的研究工作起步較晚，對裂縫形成、發展過程的監測和研究重視不夠。病害發生后的整治設計多是經驗指導，缺乏針對性;施工過程中又存在管理松散，質量控制措施不到位等問題。另一方面，目前市場上可用于裂損整治的工程材料品種有限，質量良莠不齊，使得鐵路隧道面臨常修常壞的困境。

為保證整治施工質量，除采取可靠的施工方案外，掌握襯砌開裂影響因素也同樣重要。為此，本文從襯砌混凝土裂縫的成因分析出發，分別研究了干燥裂縫和滲水裂縫的整治工法和材料等不同點，總結了整治施工的質量控制要點，為以后的工程實踐提供參考。

1 襯砌裂損成因分析

隧道襯砌從缺陷產生、帶病工作到失格待修，是一個逐步發展的過程，從微觀裂縫(＜0.05 mm)的產生到形成宏觀裂縫(＞0.05 mm)，是材料自身局限性、勘察設計不到位、施工和運營維護不善等多方面因素綜合影響的結果。

1.1 混凝土材料的因素

襯砌混凝土是由水泥漿將砂、石等骨料粘結起來而成的多相復合材料。水泥漿在硬化過程中的收縮會在混凝土內部形成空隙，水灰比不合理、施工期養護不當等因素會加劇內部空隙的產生，甚至貫通，即表現為微裂縫。這種由材料自身屬性引起的微裂縫對結構影響不大，只能減少而不能避免。在運營過程中，材料常因環境影響而發生堿骨料反應、鹽害和劣化等使微裂縫進一步發展而形成宏觀裂縫，甚至病害。

1.2 勘察設計的因素

隧道從勘察定線到結構設計是一個漫長而復雜的過程，需要搜集大量地形、地質資料。受條件限制，隧道某些時候不能避開節理、斷層等不利地段，且難以取得完整準確的地質資料。這易導致一些地段的圍巖級別劃分不準、襯砌類型選擇不當，使襯砌結構與圍巖實際荷載不相適應而在運營期間出現開裂。

1.3 施工的因素

施工因素是隧道建設過程中最不確定的一個因素，同時也是對襯砌裂損病害影響最大的一個因素。施工過程中水灰比控制不合理、對新澆混凝土養護時間不夠或方法不當、拆模時間過早等原因都易引起混凝土性質改變，形成較多微觀裂縫甚至缺陷。此外，施工方法不當、管理不善也會導致工程質量下降，運營期襯砌更早出現裂損、漏水等病害。

1.4 運營維護的因素［1］

運營期間要加強檢查觀測，發現問題及時整治處理。對已出現的小的裂縫、小的滲漏水重視不夠或預見不足，未能采取積極有效的維護遏制其發展，極易發展成貫通性裂縫、滲漏水甚至涌水裂縫，從而對正常運營構成威脅。

2 襯砌裂損整治措施

襯砌裂損病害的整治，應在加強觀測掌握裂縫形態、搜集地質、設計、施工和維護資料查清病害主要原因的基礎上，對不同裂損地段采取針對性措施。應優先整治對運營安全影響較大的縱向、斜向裂縫，注意對襯砌漏水、腐蝕等病害一并綜合整治。

整治施工中，對干裂縫應以充填封閉為主，對滲水裂縫宜采取“堵排結合、拱堵邊排”方案。此外，裂縫是否漏水對材料選擇、工序安排和整治效果有較大影響。如滲水裂縫的整治需對材料抗滲性、耐腐蝕性和凝結特性提出更高要求，其水灰比控制、方案選擇等都有所不同。因此在整治設計、施工方法選擇時應格外注意。根據病害的輕重程度，常用整治措施有以下幾種。

2.1 直接涂抹法

直接涂抹法主要用于整治寬度在0.3 mm以下的靜止干裂縫或少量滲水裂縫。按照“預防為主、預防與整治相結合”原則［2］，涂抹法可阻止微小裂紋進一步發展、防止隧道內有害氣體和水汽進入襯砌內部，以避免病害的發展。干裂縫可采用水泥砂漿等，滲水裂縫常采用具有止水功能的涂膜材料，如KRYTON(凱頓百森)防水材料［3］等。

涂抹施工時需對裂縫周圍的混凝土基面進行處理，為保證粘結性應有一定凹凸度，且保持濕潤狀態。分層涂抹時，應待第一層初凝呈潮濕狀態時進行;混合料應隨用隨拌，且在規定時間內用完，具有揮發性涂料施工時應保證通風條件。

2.2 鑿槽或低壓注漿

針對干裂縫可沿其走向鑿設一定寬度和深度的“V”形或“U”形溝槽，用水泥砂漿(一般為靜止裂縫)或樹脂膠液(一般為發展裂縫)等封閉裂縫(見圖3)。深度較大時可采用低壓灌注法(見圖4)。滲水裂縫常根據滲漏水量進行鑿槽埋管或注漿法引排或封堵。

圖3 鑿槽封堵裂縫

圖4 裂縫內注漿（膠）

開槽多用“U”形，斷面有矩形、梯形和倒梯形等。倒梯形開槽施工麻煩，但封槽固化后效果好;矩形開槽方便，可在兩側加縱向溝以提高封槽效果。開槽后清理槽內碎碴，對深度不大的干裂縫可直接進行封堵處理。遇滲水裂縫則應區分情況采用封堵或埋入半圓形PVC管等引排處理，引排時應注意頭尾防堵。

低壓注漿是在鑿槽的基礎上對深裂縫、需要堵水或集中引排的滲水裂縫進行封堵和引排處理。注漿材料可選用不同細度水泥漿、環氧樹脂漿液或水泥—水玻璃雙液漿，前兩種多用于干裂縫注漿，后者多用于堵水注漿。封槽材料常選用環氧樹脂砂漿、改性環氧樹脂砂漿、雙快水泥和堵漏靈等，需根據開槽面的含水情況選擇。

2.3 回填注漿

施工期間對襯砌背后回填不密實，易造成混凝土的開裂以及地下水的匯聚，引發裂損病害。常表現為拱頂受壓閉口型裂縫、拱腰受拉開口型裂縫。無水裂損情況下主要是充填性注漿，使襯砌與圍巖密貼、改善其受力狀態(見圖5)。空洞較大時需考慮注漿材料自身重量和成本問題，可混入粉煤灰等摻料，如老營盤隧道［4］采用水泥砂漿分層注漿方式進行襯砌背后回填。

圖5 襯砌背后注漿

圖6 集中泄水孔

滲水裂縫的注漿施工需根據滲漏水量確定堵排方案。常在設置泄水孔(管)進行集中引排后注漿封堵地下水通路(見圖6)，注漿材料需特別強調凝結時間、滲透性和對水環境的適應性。

注漿孔的布置常采用梅花形，根據整治需要設計不同孔深，并預留排氣孔。注漿時應從低到高依次注漿，根據進漿量和檢查孔反饋信息來調整注漿壓力，同時注意做好圍巖壓力或襯砌變向監測。

2.4 噴錨支護

噴錨支護主要針對于開裂嚴重、原襯砌尚具備一定承載能力或局部混凝土厚度小于最小設計值地段進行加固補強，按施工方法分為素噴、網噴、錨網噴和噴射早強鋼纖維混凝土等4種。噴射面需要按要求鑿毛、潤濕處理，并保持干凈，根據需要刷涂界面膠以提高噴層與原襯砌之間的粘結力。

滲漏水裂損情況下需要進行堵漏或鑿槽引排后方可進行噴射施工，待混凝土終凝根據是否有大面積潤濕面來檢查堵排水施工效果。噴層厚度宜為10 cm～30 cm，且素噴不小于4 cm、網噴不小于6 cm［5］。根據襯砌裂損變形特性設計錨桿長度、布置形式和噴層厚度。

2.5 套拱補強或換拱

套拱或換拱需根據隧道限界富余情況進行選擇，后者主要用于整治襯砌裂損嚴重且隧道限界富余不足或已經侵限地段［6］，施工難度明顯增大。其對病害的整治較徹底，可用于多種病害的綜合整治;但施工工期長、勞動強度大、工程費用高、對運營干擾大。

整治施工中宜采用控制爆破、跳槽開挖等措施減少對原結構的擾動，必要時可采取注漿等方式對圍巖進行加固。為解決套拱與原拱圈的連接問題，施工中常采用預設鉚釘或錨桿。換拱時，需鋪設防水板或其他防水設施。

滲水裂損的整治需在堵漏或鑿槽引排后實施，混凝土的抗滲等級和強度標號一般需做相應提高;干裂損的整治相對簡單。套拱或換拱一般需要較長的天窗時間，同時需要配套模板臺車，或改線封閉施工以保證質量。

3 整治現狀及質量控制措施

3.1 裂損整治現狀

襯砌出現裂紋(縫)后，應加強檢查力度，安設測標，定期觀測。病害繼續發展對行車構成威脅時，應積極進行整治。但目前病害整治設計和施工中還存在著諸多問題。

整治設計工作中，常由于時間倉促、資金限制等原因，導致病害調查過程不夠深入，對襯砌裂損的真正誘因、發展過程了解不足。從而使得整治措施選擇不夠合理，只能一定程度上減輕病害，甚至會因措施不當誘發新的病害。如盲目堵水后易導致襯砌薄弱段出現裂損或滲漏水。此外，竣工驗收資料不齊全、無施工塌方處理記錄等問題，也是整治設計面臨的一個挑戰。

施工中由于受天窗時間限制、操作不當、運營列車震動等影響，整治材料的功能不能有效發揮，常出現新增混凝土強度明顯小于設計強度。洞內光線較暗時，裂損整治中襯砌面的鑿毛施工質量也難以保證。同時受施工人員專業素質不夠、材料配比不當等影響，病害整治面臨常修常壞的窘境。

3.2 質量控制措施

為保證病害整治達到預期效果，須在整治設計和施工階段采取必要措施，力求做到設計精準、施工到位，從而避免帶病隧道的危害。

整治設計過程中需保證資料到位、人員到位。資料應包括隧道竣工資料和現場踏勘資料等，掌握圍巖等級、襯砌厚度、施工工法和施工期地質變化記錄(如坍塌)等，通過現場踏勘獲得病害段地質發展變化資料，必要時可借助物探等技術條件。此外，查清地下水環境和水源補給形式對設計工作也十分必要。設計人員應具備豐富的工程經驗，對隧道施工和病害整治都有一定了解，要根據具體隧道實例進行針對性設計，而不能將不同措施生搬硬套。

整治施工時需充分利用天窗時間，合理安排工序。襯砌表面鑿毛、開槽和注漿等環節嚴格按照設計或操作規范進行，所用封槽和注漿材料應隨用隨拌，避免浪費。混凝土等材料水灰比控制嚴格按照設計要求，鋼筋綁扎及混凝土澆筑等應參照新建隧道施工要求，并符合既有鐵路隧道特點。各工序完成之后應組織人員自查，符合要求方可進入下一工序。

4 結語

1)應加快新型整治材料的研究和試驗，解決現有材料的局限性，既能適應鐵路隧道病害整治施工環境，又能滿足凝結時間可控、高強等特殊要求，即保證材料先進性。

2)應對病害進行深入調查，整治設計過程中考慮多種病害的綜合整治，避免治標不治本，或由于設計不當而誘發新的病害。對病害原因不明地段，應積極組織專家研究討論。

3)應嚴控施工管理，合理利用天窗時間。施工中材料、設備的使用和管理應嚴格遵照要求，不浪費，更不應偷工減料。施工工藝符合設計要求，并適應現場條件，根據施工要求進行工藝創新和改進，爭取工藝上先進。

4)應做好隧道維護工作，按照檢查制度對隧道進行巡視，及時發現病害并制定觀測方案，對已發現病害積極整治或預防擴大。

5)在病害整治中發現不足，積極改進。如對現有設備的創新和改進，使其能夠適應病害整治的多功能性、便捷性，做到設備先進。

［1］ 陳禮偉.淺析隧道病害產生的原因［J］.隧道建設，2004，24(2):83-85.

［2］ 鐵道部工務局.鐵路工務技術手冊——隧道［M］.北京:中國鐵道出版社，1997.

［3］ 鐘 翀，羅 瓊，李治國，等.圓梁山隧道襯砌裂縫及滲漏水治理技術［J］.現代隧道技術，2004(41):52-57.

［4］ 陳志強，岳 華.老營盤隧道病害整治技術［J］.鐵道建筑，2011(11):51-53.

［5］ 鐵運［2010］38號，鐵路橋隧建筑物修理規則［S］.

［6］ 關寶樹.隧道工程維修管理要點集［M］.北京:人民交通出版社，2004.