淺談隧道二次襯砌的病害及防治措施

中鐵二十四局集團上海鐵建工程有限公司 上海 200070

隨著高鐵的跨越式發展，在施工中暴露出來的質量問題也愈發明顯[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行病害分析和防治討論。

1 工程概況及病害統計

1.1 工程概況

姚蔣隧道全長2 572 m，設計時速200 km，并預留提速條件，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，其余暗洞均采用復合式襯砌結構，拱墻初期支護與二次襯砌間設EVA類防水板（加無紡土工布），模筑襯砌環向施工縫采用遇水膨脹橡膠止水條，在二次襯砌背后環向采用Φ50 mm塑料排水盲管，每8 m設1 環；縱向在洞內兩側水溝泄水孔標高處設Φ80 mm塑料排水盲溝1 道，每8 m設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 檢測結果統計

根據鐵路總公司要求，對運營隧道進行地質雷達檢測，同時安排線路養護單位對既有隧道進行裂紋和滲水調查。檢測和調查發現，該隧道存在多處脫空、裂紋和滲水。具體病害不一一列出，僅統計部分有代表性的病害。調查結果見表1、表2。

表1 地質雷達檢測統計表

表2 裂紋、滲水統計表

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，初期支護平整度不到位引起脫空

據統計本隧道脫空87%的發生在Ⅱ、Ⅲ級圍巖，8%發生在Ⅳ級圍巖，5%發生在Ⅴ級圍巖。從以上數據說明，光面爆破效果差給后期二次襯砌的混凝土施工埋下了質量隱患[2]。經分析，問題主要是在施工時未嚴格按照爆破設計方案操作，單循環進尺、周邊眼間距、單孔裝藥量、雷管段位設置不合理，造成開挖后圍巖周邊輪廓線超欠不一，平整度達不到規范要求。其次，錨噴作業不到位，未充分利用噴射混凝土來彌補前道工序造成的質量缺陷，給后續施工埋下質量隱患。

2.1.2 防水層鋪設富余量不足引起脫空

本隧道采用復合式防水，為無紡土工布+EVA類防水板[3]。防水板鋪設富余量的多少決定混凝土脫空的程度。防水板如果掛設太松，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，導致頂面混凝土與襯砌間出現空隙，產生脫空；泵送壓力不足，模板內的混凝土壓力則不足，導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無法排出，造成留有空隙產生脫空。

2.1.4 混凝土的收縮或自重下沉引起脫空

混凝土凝結初期或硬化過程中出現的體積縮小現象，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，也說明積水區具有一定的滲透水壓。此外，主要有以下幾個原因[5-8]：

（a）環向排水盲管未設或設置間距過大，致使滲水不能到達環向盲管，造成積水無法排進管內的永久失效。

（b）環向排水盲管或縱向盲管斷路或堵塞造成永久失效。

（c）環向盲管或縱向盲管在混凝土施工時被壓扁、聯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）環向排水盲管或縱向盲管內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）在防水板鋪設過程中操作不當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

通過現場觀察及統計，二次襯砌裂縫表現為邊墻與仰拱連接處較寬，向拱頂方向發展，裂縫逐漸變窄至很細微或消失。

2.3.1 施工不當引起的裂紋

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

（b）混凝土生產時原材料計量誤差大， 尤其外加劑的摻加隨意性大，沒有根據砂、 石料的實際含水率及時調整施工用水量， 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。混凝土澆筑時不振搗或漏振，混凝土均質性差。

（c）盲目追求施工進度，隨意提前脫模時間， 使低強度混凝土過量承受荷載，破壞了混凝土結構。脫模后沒有進行混凝土的潮濕養護。

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散失， 使凝結膠體干燥收縮產生變形，由于受到圍巖和模板的約束，變形產生應力，當應力值超過混凝土的抗拉強度時，就會出現干縮裂縫。干縮裂縫多為表面性的，走向沒有規律。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）水泥水化過程中產生大量的熱量，在混凝土內部和表面間形成溫度梯度而產生應力，當溫度應力超過混凝土內外的約束力時， 就會產生溫度裂縫。裂縫寬度冬季較寬， 夏季較窄。溫度裂縫的產生與二次襯砌混凝土的厚度及水泥的品種、用量有關。

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，二次襯砌澆筑較仰拱及邊墻基礎晚，且中間間隔時間較長；因此二次襯砌澆筑時，仰拱及邊墻基礎變形基本趨于穩定，二次襯砌拱墻與仰拱邊墻基礎的接觸端成為受約束端，使得襯砌混凝土在收縮應力作用下不能與仰拱邊墻一起收縮變形，而引起應力集中，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地質雷達的波形圖[9]，在脫空處邊緣進行打孔注漿，拱腰處理原則上根據地質雷達的波形圖在脫空的上邊緣進行打孔注漿。

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節漿液的稠度，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（質量比），砂子采用細砂。

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

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

（d）注漿過程中發現襯砌施工縫或表面流出漿液，應減慢注漿速度，降低注漿壓力，待砂漿稍微凝固后再進行注漿，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，摻量應由試驗結果得出，以防止速凝劑添加過多，漿液過快凝固從而堵塞注漿設備和管道。

（e）注漿結束標準需用注漿壓力和注漿時間、注漿量3 個方面來確定：當出現下述情況之一時即可結束注漿： 注漿壓力達到設計終壓時； 注漿量達到或超過理論注漿量， 孔口管出現冒漿時；注漿壓強已達到設計終壓， 且穩壓10 min 后， 即使進漿量仍未達到理論漿量， 也可結束注漿。

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、截相結合”的原則，隧道的滲漏水結合隧道襯砌裂損、襯砌背后注漿等進行綜合整治。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，采用貼嘴注環氧樹脂的方法進行整治。

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，安設灌漿嘴；

灌注環氧樹脂，待樹脂固化后，拆除灌漿嘴并清理表面封縫膠；

沿裂縫走向在兩側各20 cm范圍內的基層表面涂布水泥基滲透結晶型防水涂料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100～250 mm處鉆孔，鉆孔交叉布置在裂縫兩側，鉆孔斜穿裂縫，垂直深度為混凝土結構厚度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注環氧樹脂，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；

沿裂縫走向在兩側各20 cm范圍內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。帶有承水壓進行引排處理。

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寬外窄倒梯形結構，槽內根據滲水的嚴重程度斜向上45°鉆Φ30 mm引水孔，孔深為二次襯砌厚度，墻角設坡度不小于3%的水平方向引水孔，孔內插入Φ30 mm亂絲盲管（外包無紡土工布），將水引入排水槽，通過排水管引入水溝。排水槽內埋設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，采取襯砌表面設置剛性防水層措施，涂抹滲透結晶型防水涂料2 層進行防水處理即可。

4 預防及緩解病害的措施

4.1 提高設計質量

加強工程前期地質工作， 為設計提供詳盡的工程地質、水文地質勘探資料，提高設計的質量。

4.2 優化混凝土配合比設計和把好材料進場關，嚴格控制混凝土原材料的質量

（a）配合比設計。為盡可能地減小水化熱，降低水灰比，配合比設計時應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，增加結構的致密性和穩定性。為增加混凝土的和易性，配合比設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，嚴格控制混凝土原材料的質量，混凝土所用原材料必須符合《鐵路混凝土工程施工技術指南》的相關要求，對每批次進場的原材料進行抽樣檢測，試驗不合格的一律清退出場。混凝土的拌和嚴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，及時調整拌和用水量。控制混凝土的入模溫度。夏季施工，當氣溫高于 32 °C時，砂石料、攪拌機應搭設遮陽棚，用冷水沖洗碎石降溫，混凝土攪拌時間不得小于120 s。

4.3 嚴格控制施工工藝

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

（b）二次襯砌施作時間， 應在圍巖和初期支護變形基本穩定時進行。當圍巖變形較大、 流變特性明顯，需提前進行二次襯砌時，必須對初期支護或襯砌結構進行加強。

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

（d）混凝土的灌注。混凝土在運輸和泵送過程中嚴禁加水。適當放慢灌注速度，兩側邊墻對稱分層灌注，到墻、拱交界處應適當暫停，待邊墻混凝土下沉穩定后，再灌注拱部混凝土。灌注頂部混凝土時，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性，減少內部微裂縫和氣孔，提高抗裂性。

（e）混凝土的脫模、 養護。混凝土拆模時的強度必須符合設計或規范要求，嚴禁未經試驗人員同意提前脫模，脫模時不得損傷混凝土。傳統的混凝土灑水養護方法，增加了隧道內的文明施工難度，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護液的方法進行養護。

5 結語

二次襯砌與隱蔽工程不同， 它是一個隧道最直觀展現的部分，也是保護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的脫空、裂縫、滲水等病害分別進行分析， 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防積累了更多的實際操作經驗。