寒區老舊鐵路隧道改造方案研究

趙志剛

(中國鐵路沈陽局集團有限公司,沈陽 110001)

1 工程概況

1.1 線路概況

長圖鐵路長春至吉林段西起長春市長春站(含)，東至吉林市江北站(含)，修建于1910～1912年，之后分別于1975～1978年，1998～2002年增建復線，正線線路長度134.850 km。

1.2 隧道分布概況

本段分布既有隧道3座，總長1 253.8 m，其中單線隧道2座，雙線隧道1座。3座隧道分別修建于1912年，1978年和2002年，分別代表了我國鐵路隧道修建技術發展的3個不同的時期，隧道建筑限界、建筑材料標準及施工工藝水平相差迥異，襯砌缺陷及病害較為典型，在我國老舊隧道中具有較強的代表性。

1.3 隧道地質概況

1.3.1 工程地質

隧道位于吉林省中部松遼平原向東部山區過渡地帶丘陵區，隧道洞身穿越地層主要為第四系全新統殘坡積粉質黏土層、華力西期花崗巖，全～強風化。

1.3.2 水文地質

隧址區地表水系發育，水位隨季節漲落，主要接受大氣降水補給。沿線地下水發育，主要分為孔隙潛水、基巖裂隙水、孔隙承壓水。地表水、地下水一般對混凝土結構不具侵蝕性。

1.3.3 地震動參數區劃

隧址區地震動峰值加速度為0.10g，相當于地震基本烈度Ⅶ度，地震動反應譜特征周期0.35 s。

1.3.4 氣象特征

隧址區屬東北亞溫帶濕潤半濕潤大陸性季風氣候，屬嚴寒地區，最冷月(1月)平均氣溫-16.1～-15.1 ℃，極端最低氣溫-36.5～-42.5 ℃，土壤最大凍結深度192 cm。

1.3.5 既有隧道信息(表1)

1.4 隧道概況

1.4.1 隧道限界

根據收集到的既有資料，通過現場調查和現場斷面測量，大山嘴隧道和土門嶺2號隧道軌面以上凈高滿足接觸網現狀掛網高度要求，土門嶺1號隧道凈高不足。本段隧道設計采用的限界標準及目前實際凈空量測情況見表2。

表1 長圖鐵路長春至吉林段既有隧道信息統計

表2 隧道設計限界及斷面復測情況統計

1.4.2 襯砌及洞門結構

大山嘴隧道襯砌為復合式襯砌，土門嶺1號、2號隧道為整體式襯砌，襯砌材料、長度及最大埋深等見表3。

表3 隧道襯砌類型、長度及洞門結構類型統計

1.4.3 隧道襯砌缺陷及病害檢查方法及現狀

隧道襯砌缺陷檢測采用了無損檢測法，采用SIR-3000型地質雷達儀，隧道表面共布設6條測線，拱部2條、兩側拱腰和邊墻各2條，檢測內容為襯砌厚度、襯砌背后回填密實度、脫空、鋼筋及鋼拱架分布[1-6]，雷達檢測成像見圖1。

病害檢查方法主要為現場調查及測量，技術人員進洞進行實際調查，對病害類型、位置、狀態進行統計、測量，并現場繪制病害展開圖。

通過地質雷達檢測及現場調查，3座隧道均存在較多的襯砌缺陷及病害，缺陷類型主要為襯砌厚度不足、襯砌背后脫空和不密實，病害主要類型為滲漏水、凍害、襯砌開裂、襯砌腐蝕等。隧道襯砌缺陷統計見表4，病害統計見表5，典型襯砌病害見圖2。

表4 隧道襯砌缺陷檢測統計

圖1 雷達檢測影像

圖2 隧道襯砌典型病害

2 隧道缺陷、病害成因分析及影響評價

2.1 大山嘴隧道

2.1.1 襯砌缺陷

缺陷類型：隧道襯砌缺陷主要為襯砌厚度不足、襯砌背后脫空。

成因分析：襯砌缺陷主要由于施工期間存在局部欠挖，混凝土澆筑壓力不足，拱頂壓漿不到位以及施工縫滲漏水帶出了襯砌背后部分泥沙引起。

影響評價：隧道襯砌背后脫空對結構承載能力損失嚴重，可能引起襯砌背后土體持續的塌落，對襯砌結構安全影響較大，運營安全存在隱患。

2.1.2 襯砌病害

病害類型：隧道主要病害為襯砌開裂和施工縫滲漏水。

成因分析：根據查閱竣工驗收資料及現場調查，本隧道襯砌裂縫多為非結構裂縫，部分在施工期間已形成，且經長期觀測未有進一步發展，主要是由于施工工藝及混凝土收縮造成；滲漏水病害主要發生在施工縫位置，主要原因是隧道防水層及施工縫加強防水措施失效，滲漏水含泥量高。

影響評價：襯砌裂縫為非結構裂縫，對結構整體穩定性基本無影響；持續的滲漏水易導致襯砌背后土體流失，進一步加劇襯砌背后脫空面積增大，對襯砌結構長期穩定性有一定的影響，拱部滲漏水對電氣化影響較大，邊墻滲漏水對電氣化基本無影響。

2.2 土們嶺1號隧道

2.2.1 襯砌缺陷

缺陷類型：隧道主要缺陷為襯砌背后脫空及不密實。

成因分析：襯砌缺陷產生的原因主要為隧道修建年代久遠，襯砌材料標準低，施工工藝水平低，襯砌混凝土澆筑不密實，襯砌與圍巖不密貼，長期滲漏水造成。

影響評價：本隧道襯砌綜合缺陷嚴重，襯砌強度低，部分段落為漿砌料石襯砌。根據檢測資料及長期運營狀態分析，襯砌厚度不足對目前襯砌結構安全影響不大；襯砌不密實及襯砌背后脫空面積大，對結構承載能力影響大，對襯砌結構安全影響較大，運營安全存在隱患。

2.2.2 襯砌病害

病害類型：隧道襯砌病害類型主要為襯砌腐蝕、滲漏水、凍害及限界不足。

成因分析：產生上述病害的主要原因為本隧道運營時間已超過100年，襯砌劣化嚴重，隧道防水層失效，排水不暢，襯砌變形造成個別地段限界不足。

影響評價：限界不足、滲漏水及凍害對電氣化改造工程影響大。

2.3 土們嶺2號隧道

2.3.1 襯砌缺陷

缺陷類型：隧道主要缺陷為襯砌背后脫空、不密實、襯砌厚度不足及照明不良。

成因分析：襯砌缺陷產生的主要原因為施工工藝水平低，襯砌混凝土澆筑不密實，襯砌與圍巖不密貼，長期滲漏水造成；隧道內未設置照明設施。

影響評價：同大山嘴隧道。

2.3.2 襯砌病害

病害類型：隧道襯砌病害類型主要為滲漏水、凍害、襯砌腐蝕、無砟軌道病害及照明不良。

成因分析：產生上述病害的主要原因為隧道采用先拱后墻法施工，水平施工縫位于起拱線位置，環向施工縫設置過多(約2.5 m/道)，拱部施工縫與邊墻施工縫不對縫，錯開約1 m，施工縫多且拱部與邊墻不對應，隧道防水層失效，排水系統失效，導致襯砌表面及接縫處大面積滲漏水，冬季低溫時形成凍害；隧道未設置仰拱，底板混凝土強度等級低，在水的長期浸泡下導致道床基礎強度不足；隧道內未設置照明設施。

影響評價：隧道襯砌表面及接縫大面積滲漏水，冬季凍害嚴重，無砟軌道病害嚴重，已進行過多次治理，但效果不明顯，對電氣化、運營安全影響大。

3 隧道改造方案

3.1 大山嘴隧道

本隧道軌上凈高滿足接觸網掛網高度要求，襯砌結構狀態良好，改造方案應本著盡量利舊的原則，對既有隧道凈空、襯砌進行予以利用[7-13]。掛網前對襯砌背后脫空缺陷及施工縫滲漏水病害進行治理，其余缺陷及病害在運營期間加強觀測，結合日常維修處理。

(1)襯砌背后脫空處理

襯砌背后的空洞治理前應首先探明空洞的位置和大小。二次襯砌與防水板之間的空洞一般較小，采用鉆孔注漿的方式進行回填。注漿管采用φ42 mm鋼管，t=2.5 mm，鉆孔穿透二次襯砌但不破壞防水層。注漿作業分兩次進行，第一次注漿采用微膨脹性水泥砂漿，水灰砂比為0.6∶1：(1～2.5)，注漿壓力0.1～0.2 MPa；第二次注漿采用普通硅酸鹽超細水泥漿，水灰比為(0.6～0.8)：1，注漿壓力0.2～0.3 MPa，確保回填密實。

防水板以外與圍巖間的脫空，空洞深度小于20 cm的，采用鉆孔注漿的方式進行回填，鉆孔深度穿過防水板至巖面處，注漿管布置及注漿參數同二次襯砌與防水板間脫空處理。

對于防水板以外，深度20 cm以上的脫空，先打設φ25 mm中空錨桿對缺陷襯砌進行加固，錨桿布置間距1.0～1.5 m，長度根據空洞深度確定，錨桿均設置墊板，墊板尺寸15 cm×15 cm，厚度0.8 cm。錨桿端頭及墊板應進行鍍鋅防銹處理，鍍鋅采用熱浸鍍，鍍鋅層平均厚度應不小于70 μm。注漿管采用φ108 mm鋼管，間距1.5～2.0 m，梅花形布置。

施作中應根據襯砌背后脫空的大小及范圍布置注漿孔，鉆孔深度穿破防水板至巖面處。回填分兩次進行，第一次采用氣泡混合輕質混凝土，干密度不大于400 kg/m3，抗壓強度不小于0.8 MPa，水灰比為50%，氣泡漿液體積比為65%，注漿壓力0.1～0.2 MPa；第二次注漿采用普通硅酸鹽超細水泥漿，水灰比為(0.6～0.8)∶1，注漿壓力0.2～0.3 MPa。襯砌背后脫空處理見圖3。

(2)施工縫滲漏水處理

施工縫滲漏水采取拱部封堵，邊墻引排的方式進行處理[14-15]。首先鉆孔宜交叉布置在施工縫兩側，鉆斜孔穿過裂縫(或穿過襯砌結構至止水帶迎水面)，安裝注漿管時，應清洗孔壁混凝土殘屑，用封縫固管材料緊密填塞孔管間隙，孔口用鐵抹壓實抹平。鉆孔間距宜為20～30 cm(施工縫鉆孔間距宜為50～100 cm)，斜孔傾角宜為45°～60°。裂縫兩側各20 cm范圍涂刷水泥基滲透結晶型防水涂料，至少涂刷2層，在第1層干后涂刷第2層，第2層涂刷方向應與第1層的涂刷方向相垂直，用量不應小于1.5 kg/m2，厚度不應小于2 mm。在施工縫內表面鑿出深10 cm、內大(10 cm)外小(8 cm)的倒梯形槽，槽長度由裂縫起止點向外延伸10 cm，用毛刷刷凈槽內浮塵；底部反扣Φ80 mm PVC半管，半管采用U形卡安裝牢固；在PVC管兩側擠壓一層遇水膨脹膩子條，外面采用環氧樹脂分層封堵，抹至與襯砌混凝土表面齊平，每層厚度不大于1 cm，表面涂刷水泥基滲透結晶型防水涂料至少涂刷2層。施工縫滲漏水處理見圖4。

圖3 二次襯砌背后脫空處理示意

圖4 施工縫滲漏水處理示意(單位：cm)

3.2 土們嶺1號隧道

本隧道軌上凈高不滿足接觸網掛網高度要求，凈寬不滿足隧道建筑限界要求。考慮本隧道所處區間為雙線，改建施工期間可利用上行線作為過渡線路，本著“盡量利舊，節約投資”的原則，隧道改造采取封閉后原位擴挖改建的方案，改建標準同新建單線隧道標準。

隧道建筑限界采用“隧限-2A”，不考慮大機養護作業。隧道明挖段采用整體式明洞襯砌，暗挖段采用復合式襯砌；拱墻設置分離式防水層，防水層采用EVA防水板+土工布，防水板厚度不小于1.5 mm，土工布質量不小于350 g/m2; 防水板與初期支護間設置環向φ50 mm排水盲管，兩側邊墻腳部設置φ100 mm縱向排水盲管，地下水發育地段設置豎向深埋碎石盲溝，洞內設置貫通的φ400 mm中心深埋水溝，洞外設置深埋保溫暗溝及保溫出水口。環縱向盲管及豎向碎石盲溝直接接入中心深埋水溝，經洞外深埋暗溝排出洞外，確保防水有效，排水暢通。

隧道擴挖圍巖范圍及施工工序見圖5。

圖5 隧道改建擴挖圍巖范圍及施工工序

3.3 土們嶺2號隧道

本隧道軌上凈空滿足接觸網掛網高度要求，采用利舊的改建方案。隧道地下水發育，襯砌病害嚴重，特別是滲漏水、凍害及無砟軌道病害對電氣化及運營安全影響大，接觸網掛網前對襯砌缺陷及病害進行整治。經綜合分析，除了襯砌自身存在不足外，隧道排水系統失效是產生以上眾多病害的根源。構筑完善的防水和保溫排水系統是解決本隧道諸多病害問題的關鍵。本隧道所處區間為雙線，改建施工期間可利用下行線作為過渡線路，具備封鎖后改建施工的條件。隧道主要改建措施如下。

(1)隧道改建利用現狀凈空，隧道建筑限界以滿足接觸網掛網需要進行確定，除局部凈高不滿足要求地段對拱部進行擴挖外，原則上其余地段拱部與邊墻不再擴挖圍巖。

(2)更換全隧隧底結構，擴挖后設置仰拱結構，改建后隧道內鋪設有砟軌道。

(3)全隧增設貫通的中心深埋水溝，水溝位于仰拱以下，埋深按凍結深度確定并留有余量。

(4)地下水發育、綜合病害嚴重地段襯砌采取拆換處理的方案，拆換襯砌段采用復合式襯砌，襯砌防水及排水系統同土門嶺1號隧道改建標準。

(5)原錨噴襯砌段增設二次襯砌及襯砌背后防排水設施。

(6)其余地段對拱墻襯砌予以利舊，掛網前完成病害治理。

4 結論與建議

長圖線長春至吉林段3座隧道的改造條件分別代表了目前類似改造工程中比較常見的3種類型，通過對本線隧道改造方案的研究，得出以下結論與建議。

(1)老舊隧道電氣化改造方案的研究，應本著確保施工、運營安全及使用功能的前提下充分利舊的原則。改造方案的確定應在對隧道資料充分研究的基礎上，通過經濟技術比較后確定。

(2)項目勘測前應對隧道竣工資料、大修資料、限界資料及病害資料等進行收集，初步了解隧道現狀，制定勘測方案。勘察期間通過現場病害調查檢測、斷面凈空測量、襯砌缺陷檢測等方式充分收集隧道相關信息，并對病害進行分級，評估隧道狀態。

(3)隧道病害整治方案應建立在對既有隧道現狀充分了解，對襯砌缺陷、病害原因進行透徹分析的基礎上，找到問題的癥結，對癥下藥。

(4)對于凈空不滿足電氣化要求的隧道，應綜合考慮施工過渡方案、施工風險、運營安全，經比較后確定改建方案。對于具備施工過渡條件的隧道，盡量采用封鎖后原位擴挖改建的方案，盡可能多利用既有凈空、設備，降低工程投資。

(5)對于凈空滿足電化要求的隧道，應盡量利舊。對影響電氣化掛網、隧道結構和運營安全的缺陷和病害進行整治，其余缺陷及病害在運營期間加強觀測，結合日常維修處理。

(6)日常維修過程中，應特別重視含泥砂的滲漏水點，發現后應及時治理，避免襯砌背后土體流失造成襯砌背后大面積脫空，影響運營安全。