剖析鐵路隧道基底病害成因及預防措施

陳　泉（中鐵二院南寧勘察設計研究院，廣西 南寧 530022）

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剖析鐵路隧道基底病害成因及預防措施

陳泉（中鐵二院南寧勘察設計研究院，廣西 南寧 530022）

從源頭上剖析鐵路隧道基底病害產生的因素，并提出預防病害產生的辦法。

鐵路隧道；基底病害；產生因素；預防措施

1　引言

近年來隨著我國經濟蓬勃發展，使全社會對運輸需求總量不斷增長，鐵路作為一種經濟的、大運量的交通方式，在生活中占有非常重要的地位。由于我國幅員遼闊，地形、地質復雜多樣，為提高列車運行速度、改善鐵路線型，繞避重大不良地質區域，以保障行車的安全性、舒適性，隧道的數量和占路線的比例越來越高。目前我國己成為世界上隧道工程最多、發展最快的國家。

鐵路隧道建成后在長期的使用過程中出現了各種各樣的病害，部分隧道甚至在未使用時就開始出現比較嚴重的病害。隧道病害一直是困擾鐵路運營管理部門的一大難題，其中隧道基底病害直接影響運營行車，它惡化了行車條件，限制了行車速度，嚴重危及行車安全。

2　基底病害產生因素

隧道基底病害包括仰拱（底板）破裂、翻漿冒泥、基底軟化、基床下沉及基底吊空等，具有危害大、難整治的特點。國家每年用于隧道基底病害整治和維護的費用數額巨大，但均是治標不治本。要整治隧道基底病害，就必須徹底分析病害產生的原因，才能對癥下藥，標本兼治，并為設計、施工及運營養護提供指導，從源頭上減輕或避免病害產生。基底病害產生的因素主要有以下幾點：

2.1隧底結構裂縫

2.1.1荷載變形縫

混凝土澆筑后，盲目追求施工進度，襯砌脫模過早，使低強度混凝土過早承受荷載，導致混凝土開裂，形成荷載變形縫；施工時底部的虛渣未清理干凈，混凝土澆筑后，隧道基底產生不均勻受力，同樣也會形成荷載變形縫。

2.1.2溫度裂縫

水泥水化產生大量的熱，混凝土溫度升高，體積膨脹。在無約束時，不會產生溫度應力；受到外部約束時，在混凝土內部和表面間形成溫度梯度，便會產生溫度應力，當溫度應力超過混凝土表面的約束力時，就會產生溫度裂縫。

2.1.3干縮裂縫

干縮裂縫是表面性的，紋理細小，走向沒有規律，在混凝土養護過程中水分逐漸蒸發消失，使水泥凝結膠體干燥收縮產生變形，由于受到圍巖和模板的約束，內部產生應力，當應力超過混凝土抗拉強度時，便會出現干縮裂縫。

隧底結構裂縫的形成為基底病害產生的初始因素，裂縫越多，隧道的初始缺陷越多。

2.2隧道道床積水

熟話說“十隧九漏”，隧道襯砌滲漏水一直是難以處理的問題。雖然隧道自身有防排水系統，但只要圍巖中有地下水存在，隧道開挖建成后就會成為地下水的匯集通道。一旦地下水含量豐富，襯砌排水系統能力不足，或由于管道堵塞而使排水系統失效，就會造成地下水聚積在襯砌與圍巖之間的裂隙中，形成水壓，襯砌外積水必然會通過一切縫隙進入隧道中。根據水壓、水量、空隙大小和部位的不同，可形成滲、滴、淋、涌等形式各異的出水方式。防水板老化開裂、防水板施工時操作不當被刺穿、“三縫”防水措施施作不當、襯砌開裂等均為隧道滲漏水的主要原因。此時如果沒有及時發現漏水部位，或采取針對性整治措施，將水引進水溝，就會造成道床漫流。當隧道水溝淤積，缺乏定期養護疏通，洞內水無法順暢排出洞外時，就會造成道床積水。

隧道滲漏水及洞內水溝排水不暢為基底病害形成提供了條件。

2.3地下水侵蝕

當隧道襯砌遇到有侵蝕性的地下水時，會降低混凝土強度，影響結構的正常使用。根據不同環境地下水對混凝土的腐蝕機理，可分為以下幾種形式：

（1）在碳化環境中，由于保護層混凝土碳化，導致鋼筋銹蝕失效，混凝土受拉開裂。

（2）在氯鹽環境中，氯鹽滲入混凝土內部，導致鋼筋銹蝕失效，混凝土受拉開裂。

（3）在化學侵蝕環境中，硫酸鹽等化學物質與水泥化合物發生化學反應，導致混凝土不斷分解溶出，生成物流失后形成侵蝕。遭受這種侵蝕的混凝土，常有白色析出物，使混凝土結構呈多孔狀，導致材質酥松，強度下降。

（4）在鹽類環境中，硫酸鹽等化學物質與混凝土中化學成分作用后形成新生成物，在混凝土中析出晶體，發生體積膨脹，從而造成混凝土破壞。

（5）在凍融環境中，由于混凝土微孔隙中的水在正負溫度交替作用下，形成冰脹壓力和滲透壓力聯合作用的疲勞應力，在這種疲勞應力的作用下混凝土產生了由表及里的剝蝕作用，從而混凝土強度降低，出現掉塊脫落。

有侵蝕性的地下水會在一定程度上使混凝土結構受損，其也是基底病害產生的因素之一。

2.4列車動載作用

在正常情況下，道床應干燥、無水、搗固良好。列車經過時，荷載通過鋼軌、軌枕和道碴均勻平穩地傳給路基，壓縮變形被道床的空隙吸收。當道床積水時，含有粘土礦物成分的地下水與道砟碎屑、粉末以及列車行駛過程中散落的泥沙、煤屑混合，形成泥漿，并充滿道床空隙。當列車通過時，道床受壓縮，空隙變小，泥漿被擠出，使軌枕下部固體顆粒發生沖刷和流失，列車經過后，基床下空隙形成真空，迅速由四周泥水補充，固體顆粒流失卻得不到補充，造成軌枕下被淘空。列車再次經過時，由于部分軌枕懸空，荷載的傳遞不再是均勻的，懸空的軌枕在列車的作用下，對其下的水以很大的速度進行拍擊，致使道床中水的運動速度加快，沖刷能力和夾帶泥沙的能力更強。在反復的抽吸作用下，一部分漿液向外擠噴，另一部分擠進周圍道碴和襯砌仰拱或底板的裂縫中，造成道床污染和隧道基底結構劈裂破壞，形成翻漿冒泥。

當基底圍巖含有夾層、基底結構與圍巖之間存在空隙或空洞時，隧道和圍巖之間不密貼，兩者不能很好的粘結共同變形，列車經過會發生層間拍打作用。當隧道基底混凝土結構存在小裂縫時，不均勻受力及反復振動會加速裂縫的擴展；同時基底圍巖在列車動載的反復振動、沖擊下，部分巖塊間失去平衡，引起相對位移、相互摩擦、滑動，造成破碎和逐漸粉化，形成小顆粒而被地下水帶走，使基巖與基床交界面更粗糙、軟弱，在地下水的侵蝕作用下，導致隧道基底軟化。

隨著隧道基底軟化及基底與圍巖之間空隙不斷擴大，便會形成基床下沉及基底吊空，此時列車的反復振動會加速隧道基底結構裂縫擴展，致使仰拱（底板）破裂，直接影響到結構的承載能力。如此惡性循環，甚至有些地段結構會喪失承載能力，危及行車安全。

當隧道基底結構本身就存在多種不良狀況時，列車動載的作用加速了基底病害的形成，并加劇了病害的惡劣程度。

3　基底病害預防措施

從以上分析可以看出，基底病害產生的主要因素有四個，即裂縫、水、襯砌與圍巖不密貼和列車動載。后者是鐵路運營的主體，無法加以改變，而裂縫、水、襯砌與圍巖不密貼是可通過人工措施而加以控制的。因此，只要我們在設計、施工及日常運營養護中著重控制隧道混凝土施工質量、加強隧道防排水、重視耐久性措施和減少超挖規范回填，是可以從源頭上消減隧道基底的不良狀況，從根本上預防和減少隧道產生基底病害。

3.1提高設計水平

設計是把思維轉化為用途的過程，是把理論轉化為現實的前期，優質的設計可以為隧道帶來更高的安全性、更廣的適用性及更強的耐久性，因此設計決定著隧道的合理性，提高設計水平，可以從源頭上預防、減少病害：

（1）根據圍巖的性質及狀態、埋置深度、地下水發育情況制定合理的隧道斷面形式與支護參數。初期支護應能承受開挖后的大部分圍巖壓力，二次襯砌應留有安全儲備。采用曲墻襯砌，Ⅲ級以上圍巖設置仰拱。巖體破碎、圍巖壓力大及高壓富水地段采用鋼筋混凝土。

（2）防排水采用“防、排、截、堵結合，因地制宜，綜合治理”的原則。根據地下水情況設計水溝尺寸、形狀及溝底標高，可通過集中引排、增加泄水孔、加大加密盲管的辦法減少襯砌背后水壓力，必要時可采用注漿堵水或泄水洞方式處理地下水。

（3）在地下水侵蝕環境下，提高襯砌混凝土抗滲等級，并根據不同的侵蝕環境進行耐久性設計，使混凝土具有足夠的承載力及良好的抗裂能力，并強化混凝土的耐腐蝕性。

（4）應重視隧道軟弱基底或軟硬巖交界的不均勻沉降，采取地基處理、增設變形縫等措施。

3.2提高施工水平

施工建設作為隧道從無到有，從開挖到建成的一個過程，施工質量的好壞決定著一個隧道缺陷的多少，缺陷越多，就越容易發展成病害，因此提高施工建設水平，可以在生產過程中減少病害：

（1）重視施工排水，避免隧道底部長期積水而導致基底軟化。

（2）仰拱或底板施作前，必須將隧底虛砟、雜物、積水等清除干凈，超挖部分應采用同級混凝土回填與找平，避免脫空。嚴禁采用棄砟回填超挖部分，避免在隧底混凝土與基底間形成不密貼夾層。

（3）仰拱或底板施作應一次成型，不得分部澆筑。

（4）混凝土原材料、配合比、抗壓強度、耐久性指標、結構厚度、鋼筋保護層厚度均應滿足設計要求。

（5）嚴格要求混凝土施工工藝，混凝土澆筑過程中必須振搗，提高混凝土的密實度和均質性，減少內部細微裂縫和氣孔，提高抗裂性；混凝土拆模時的強度必須符合設計或規范要求，嚴禁提前脫模，脫模時不得損傷混凝土；脫模后注意保養，避免產生裂縫。

（6）規范隧道防排水施工工藝，防水板施作時避免過松或過緊，防水板鋪設時避免刺穿或焊接不密實；施工縫、變形縫為結構防排水中最薄弱的環節，應給予足夠重視，按要求施作止水帶、止水條、嵌縫材料等；及時疏通排水管、排水盲管及泄水孔，避免水泥漿或雜物堵塞，地下水不能順暢排出，造成襯砌背后水壓過高。

3.3加強運營養護維修

隧道缺陷的發展是一個由量變到質變的過程，如果維護得當，在隧道運營過程中能夠發現細小缺陷，并及時處理，可以阻止缺陷發展成病害；若是病害初期，能夠及時對癥下藥，可以將病害產生的危害程度降到最低。因此必須加強運營養護維修：

（1）建立完善的清理制度，定期清理道床或水溝中的雜物或淤積物，確保洞內排水順暢。

（2）及時疏通盲管出口或泄水孔孔眼，避免襯砌后水排不出而造成水壓過大。

（3）定期清篩道砟，避免道床板結，失去彈性。

（4）加強巡查，及時發現隧道病害并有針對性整治，避免病害逐步擴大，形成危害。

4　結語

隧底病害是多個因素共同作用的結果，只有認識病害，查清病害產生的因素，才能有針對性克服病害；設計、施工及運營養護作為隧道從構思到運營使用的過程，只有給予足夠重視才能杜絕病害的產生并消滅病害。

［1］《鐵路隧道設計規范》（TB10003-2005）.

［2］《鐵路混凝土結構耐久性設計規范》（TB10005-2010）.

［3］《鐵路混凝土工程施工技術指南》（鐵建設【2010】241號）.

［4］《鐵路隧道防排水施工技術指南》（TZ331-2009）.

［5］《鐵路工程設計技術手冊隧道》（1995年出版）.

2016-3-8

U457.2

A

2095-2066（2016）09-0174-02