高速鐵路隧道襯砌裂縫整治措施研究

李多偉

摘要： 隨著我國經濟水平的提升，我國也大力開展高鐵建設。在高鐵工程中，隧道是非常重要的一項內容，其自身結構的質量高低將對整個列車的安全運行具有十分重要的意義。而在實際隧道建設中，隧道襯砌裂縫可以說是經常出現的一類病害，將對結構安全造成非常嚴重的影響。在本文中，將就高速鐵路隧道襯砌裂縫整治措施進行一定的研究與分析。

Abstract： With the ascension of economy level， the high-speed railway construction is rapidly developed in China. In high-speed railway engineering， tunnel is a very important content. The quality of its structure has great significance for the safety of the train operation. But in the actual tunnel construction， tunnel lining crack is a kind of disease often appears， it will cause serious influence to the structure safety. This paper studies and analyzes the control measures of tunnel crack of the high-speed railway.

關鍵詞： 高速鐵路；隧道襯砌；裂縫整治

Key words： high-speed railway；tunnel lining；crack control

中圖分類號：U457 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）08-0070-03

0 引言

自日本于1964年修建第一條高速鐵路以來，高鐵建設事業就在全球范圍內得到了迅速發展，整個設計速度也實現了從200km/h到300km/h的大幅度跨越，近年來我國的高鐵建設事業也在迎頭趕上，并實現了跨越式的超越，在全世界范圍內也處于領先水平。但是在高速鐵路建設過程中也遇到了一些問題。

隧道襯砌裂縫是高鐵隧道實際應用中經常出現的一類問題，當隧道襯砌發生裂縫問題時，襯砌截面承載面積將得到減小，并因此對整個隧道的結構承載能力產生影響。同時，裂縫問題的出現，也常常伴隨著襯砌變形以及滲漏水問題，并因此在引發多種病害的同時，對整個襯砌結構造成了更大的安全隱患。面對此種問題，就需要積極的做好病害防治工作。一般來說，引起隧道襯砌出現開裂的原因主要有襯砌厚度不足、混凝土質量沒有滿足要求、背后存在孔洞以及存在偏壓情況等。而對于這部分因素來說，則可以歸結為以下兩方面：第一，由于整個隧道圍巖工程穩定性較差；第二，結構設計無法滿足隧道安全承載需求。基于這部分特點，本文擬從隧道襯砌強度以及圍巖穩定性這兩方面入手，對隧道結構進行加固，并對襯砌裂縫進行整治，以增強隧道的穩定性，確保其安全運營。

1 高速鐵路隧道結構不穩定及襯砌開裂成因及危害

隧道開裂是指襯砌表面出現裂縫，包括張裂、壓潰、錯臺三種狀態。隧道結構不穩定一方面是因為結構設計不合理所致，另一方面也可能因為施工或運營期間的某些因素所致。襯砌開裂有施工方面原因，也有高速鐵路隧道運營期間行車荷載的原因。由此可見，高速鐵路結構不穩定與襯砌開裂在成因及危害上有共通之處，本文將這兩種現象的成因及危害進行綜合分析。具體來講，高速鐵路隧道結構不穩定及襯砌開裂的其成因及危害如下：

①施工縫的崩邊崩塊，當高速列車以350km/h的速度通過隧道時，產生的高速壓縮風和隧道震動極易引起崩塊掉落，會給高速運行的動車組帶來極大的安全隱患，甚至會像高速行駛的子彈一樣擊穿動車組車廂。

②拱墻干裂縫，空氣的濕度和酸堿度極易造成隧道內壁的混凝土裂縫，破壞了混凝土的整體結構，進而影響到整個工程性能并縮短了其使用壽命，甚至會影響到隧道的安全通車問題。

③二襯表面露筋、翻砂和離析，當動車組以極高的速度穿過隧道時，產生的強大氣流會吹動隧道內壁的沙粒并形成灰塵，降低了隧道內部的能見度，并影響了信號燈的正常使用，也會帶來很大的安全隱患。對于隧道二寸表面的保護不足，也會引起裸露的鋼筋銹蝕，使得混凝土開裂掉塊，造成安全隱患。

④錯臺，動車組高速通過隧道時，會對錯臺形成反方向作用力的風和氣流漩渦，擾動動車的正常運行。

2 不穩定高速鐵路隧道結構及隧道襯砌裂縫加固方法

針對高速鐵路隧道結構不穩定、襯砌開裂以及兩種缺陷同時存在的現象，提出下列加固整治方案：

2.1 不穩定高速鐵路隧道結構的錨固注漿加固方式

目前，對隧道圍巖穩定性進行提升的方式主要有深孔注漿以及錨固注漿等方式。如果目標圍巖級別較高，通過鉆孔、壓降以及錨桿打入方式的應用，則能夠使襯砌周圍巖體在互相間粘結的同時形成具有一定厚度的承載拱。而如果對襯砌的破碎巖體進行壓漿，則能夠在圍巖周圍區域形成一定大小的固結圈，能夠使施加在該圈的壓力能夠形成更有利的分布以及轉化。

①錨固注漿加固工藝流程（圖1）。

②錨桿設計參數及現場布置。

錨桿設計參數：超前錨桿采用Φ25中空錨桿，長5.0m，環向間距0.8m，外插角20度，縱向相鄰兩排錨桿的水平搭接長度3.2m。現場布置詳見表1。

③技術措施。

采用30號水泥漿液，水灰比1：1（重量比），注漿壓力：0.5～1.0MPa。

在錨固注漿加固過程中，其所使用的材料主要有水泥砂漿、防水砂漿、中空錨桿以及化學注漿液等。工藝方面：第一，要進行錨桿的鉆孔以及安裝。通過鑿巖機設備的應用將3m長的中空錨桿鉆入到設計深度，在將間距控制在1.2m的同時以梅花形的方式對其進行布置。同時，需要在錨桿外側對用于觀察以及排氣的軟管進行設置，并做好螺母、止漿塞以及墊板的安裝；第二，初次注漿。即將提前已經配置完畢的水泥砂漿材料進行壓注，一般來說，該環節需要將壓力控制在0.6-0.7MPa，如果在注漿過程中發現進漿較少或者不再進漿，則可以結束注漿工作；第三，進行二次注漿。在初次注漿完成后，由于砂漿材料的干縮以及離析沉淀，則會形成具有較小縫隙的通道，對于該種情況，則需要在初次注漿、漿液終凝之前對其進行二次注漿處理，并將壓力控制在0.9MPa左右；第四，襯砌找平。即通過防水砂漿材料的應用對混凝土錨固注漿區域進行過找平，以此在對存在裂縫進行封閉的同時對錨桿外露墊板實現覆蓋。在該項工作完成后，則正式進行養護。

2.2 高速鐵路隧道襯砌裂縫碳纖維加固方式

目前，我國以襯砌混凝土為對象的裂縫處理主要有碳纖維布加固、裂縫嵌補、錨噴加固以及注漿加固這幾種方式。其中，噴粉加固方式即將混凝土材料噴射到隧道襯砌結構上，在對結構上存在縫隙進行填充的同時使新、舊材料間在粘結作用的影響下形成整體，并因此提升襯砌結構的結構剛度以及材料強度。

而對于碳纖維布方式來說，則是將碳纖維材料直接在產生裂縫的位置進行粘貼，通過混凝土梁同碳纖維布間的粘結性提升整個襯砌結構的承載，并獲得其抗彎承載力的提升。注漿加固方式，則是通過化學漿液材料以及混凝土材料的應用對存在裂隙以及孔洞的襯砌位置進行直接填充，以此獲得襯砌材料質量的改善。

①碳纖維加固工藝流程。

對襯砌結構混凝土材料進行加固方式的實質，都是通過對隧道襯砌強度的提升獲得結構承載力的增強。具體工藝流程詳見圖2。

②加固措施。

在采用碳纖維加固隧道襯砌裂縫時，所使用的材料主要有粘結膠、碳纖維布、密封膠、粘結樹脂以及底層樹脂等。工藝方面：第一，面層處理。即通過砂輪設備的應用對隧道襯砌表面的混凝土裂化層進行徹底的清除，保證在處理完畢后其表面具有充分干燥的特點，且平整度能夠滿足工程要求；第二，裂縫封閉。即通過密封膠材料的應用對裂縫進行封閉，并做好基層的處理；第三，底膠預涂。通過滾筒設備的應用在襯砌表面對底層樹脂進行涂刷，保證其厚度在0.04mm以下；第四，找平。如果在樹脂涂刷之后，其表面存在氣泡問題，則需要這部分樹脂材料完全干燥、固化之后，通過電動砂輪設備的應用做好氣泡的去除以及整平；第五，碳纖維粘貼。在該環節中，通過滾筒毛刷的應用將樹脂以及粘貼膠等材料以均勻的方式對碳纖維布以及襯砌目標位置進行涂刷，在對碳纖維布粘貼完成后做好表面的滾壓，以此對底層同碳纖維布間存在的氣泡進行徹底的清除，并做好養護。

2.3 不穩定高速鐵路隧道結構及襯砌裂縫加固方法

對于襯砌變形較大、且開裂情況較為嚴重的情況，則需要通過穩定性提升以及強度增強這兩種方式的共同應用對結構存在的裂縫以及變形問題進行處理。在加固過程中，要求將襯砌偏壓荷載降低10%，將混凝土抗拉強度提升10%，在此情況下按照以上兩套工藝流程對結構不穩定且存在襯砌裂縫的高速鐵路隧道進行加固。

2.4 其他加固方法

除不穩定隧道結構加固法和襯砌裂縫加固法以外，對于隧道襯砌裂縫，還可以結合現場工況，采用以下方法來修補裂縫。

①騎縫注漿法。

在該方式中，其所使用的材料主要有漿液以及環氧樹脂砂漿。工藝方面：第一，要沿著裂縫走向進行鑿槽，并從裂縫位置向兩端延伸10cm的距離，保證槽寬為5cm；第二，通過毛刷工具的應用及時做好槽內浮塵的清除；第三，順著裂縫對注漿鋼管進行設置，保證其間距為0.6-0.7m，并通過環氧樹脂砂漿材料的應用做好溝槽的嵌填以及注漿管的固定；第四，注漿。當砂漿完全凝固后，對環氧樹脂漿液材料進行壓注，保證其壓力為0.4MPa左右；第五，割管。當完成注漿工作之后，則可以對注漿管外露部分進行及時的割掉，并做好填色料以及掛抹料的涂刷。

②鑿槽嵌補法。

在該方式中，其所使用的材料主要有聚合物砂漿等。工藝方面：第一，沿著裂縫方向進行鑿槽，保證其寬度在3cm-5cm之間，并聯系裂縫實際深度對槽深進行確定，之后通過高壓縫以及鋼絲刷工具的應用對槽內存在的粉塵以及浮渣進行處理，保證縫隙具有整潔、干燥的特點；第二，在槽的地面以及兩側位置，需要對0.3mm厚的底膠進行涂刷；第三，該通過接縫材料的應用做好填縫處理，并鼓搗密實；第四，通過防水砂漿材料的應用對裂縫表面進行，抹平，并做好養護處理。

③直接涂抹法。

在該方式中，其所使用的材料主要有水泥基滲透結晶型材料等。工藝方面：第一，做好混凝土基面處理，使混凝土基面具有潔凈以及粗糙的特點；第二，做好混合料的配制，并將其噴射到混凝土基面上，保證混合料能夠直接噴射到表面存在的裂縫以及空隙當中；第三，當第一層涂料涂刷完成、初凝后則進行第二層涂刷，并及時做好養護。

3 加固效果對比分析

本文針對高速鐵路隧道結構不穩定、襯砌開裂以及結構不穩定與襯砌裂縫兩種缺陷同時存在的現象，結合每一類現象的加固整治方案進行了效果對比，得到了表2所示的對比結果。

4 結論及建議

隧道襯砌病害防治是現今隧道施工中必須引起重視的一項工作，在上文中，我們對高速鐵路隧道襯砌裂縫整治措施進行了一定的研究，需要在實際處理中能夠聯系實際，通過適當方式的科學選擇保障整治效果。

另外，在高速鐵路實際建設及工后運營維護中，無論使用何種方式對圍巖進行加固，其目的就是對圍巖的強度、剛度以及完整性進行提升，進而獲得其穩定性的改善。但是有的結構缺陷或開裂現象并不十分嚴重，應該根據其開裂現象及嚴重等級合理選擇加固整治成本。具體可按照如下建議仔細權衡：①針對不穩定的隧道結構，或已存在的結構裂縫，采取錨固注漿加固方案，將結構裂縫控制在4條以內，且不存在縱深裂縫就達到了安全標準，這樣即保證了結構穩定，又不必花費過多的施工成本，經濟又安全。②針對深度較淺的襯砌裂縫，盡量采用碳纖維加固方案。在實際施工中，可根據裂縫深度酌情考慮是否需要錨固注漿。③針對隧道結構不穩定及襯砌裂縫同時存在的隧道結構，則必須綜合運用考慮錨固注漿及碳纖維加固方案，做到一步到位，徹底整治。以免工后再返工，浪費時間和成本。

參考文獻：

[1]徐穎，陳建平，左昌群.武當群片巖隧道剪切型縱向裂縫破壞機理[J].中南大學學報（自然科學版），2013（07）：101-103.

[2]劉學增，包浩杉，周敏.縱向裂縫對隧道鋼筋混凝土襯砌結構影響的試驗[J].上海交通大學學報，2012（03）：77-80.

[3]葉飛，何川，夏永旭.公路隧道襯砌裂縫的跟蹤監測與分析研究[J].土木工程學報，2010（07）：11-14.

[4]范振華.公路隧道襯砌質量安全評估方法及應用[J].低溫建筑技術，2015（05）：159.

[5]鄢康翌.高速鐵路隧道襯砌質量問題及對策研究[J].山西建筑，2013（19）：211-212.

[6]尉海榮.青海省公路隧道施工襯砌質量控制[J].科技信息，2012（31）：33-35.