某高速鐵路隧道襯砌缺陷整治方案研究

胡慶龍 張 延

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京 100055)

鐵路隧道病害會對鐵路行車構(gòu)成嚴重的安全隱患[1-2]。因此，確定隧道缺陷的類型，選擇合理的整治措施，對于鐵路正常運營至關(guān)重要。吳江濱等[3]總結(jié)了鐵路運營隧道病害現(xiàn)狀。高波等[5]統(tǒng)計了汶川地震后公路隧道的震害情況，并對隧道的缺陷修復(fù)原則提出了相應(yīng)的建議。郝小蘇[6]結(jié)合蘭渝鐵路圖山寺隧道缺陷整治，提出了局部鑿除換襯的治理方案。唐智勇等[7]認為隧道的常見缺陷主要有：二次襯砌厚度不足、二襯內(nèi)為單層鋼筋或鋼筋缺失、混凝土襯砌強度不足、二次襯砌與初期支護之間存在空洞、混凝土表面存在裂縫等。

綜上所述，隧道襯砌缺陷嚴重影響行車安全，對于不同缺陷，所采取的整治措施也不相同，“對癥下藥”是處理隧道襯砌缺陷的重要原則。常見的缺陷整治措施有：二襯結(jié)構(gòu)補強、注漿充填加固、注膠粘合法維修裂縫、二次襯砌局部拆換、鋼筋混凝土套襯、波紋鋼板套襯等[8]。結(jié)合某高速鐵路隧道運營期間存在的病害缺陷，根據(jù)既有線的運營特點，并輔以模型計算，提出鋼筋混凝凝土套襯的整治方案，可為類似隧道工程的缺陷治理提供借鑒。

1 工程概況

1.1 隧道概況

某高速鐵路隧道全長455 m，位于直線段，隧道內(nèi)縱向為單面上坡，坡度為5.8‰，設(shè)計速度250 km/h。二襯缺陷段落長10 m，里程為：DK89+102～DK89+112。距離隧道出口15 m。

1.2 地質(zhì)概況

隧址區(qū)位于丘陵地帶，地形起伏較大，最大高差約30 m，植被較發(fā)育。隧道進出口地表為殘坡積粉質(zhì)黏土，洞身主要穿越強風化-全風化花崗巖，最大埋深約25 m，全隧為Ⅴ級圍巖。

1.3 原設(shè)計襯砌概況

全隧采用Ⅴb型復(fù)合式襯砌支護。初支采用C25網(wǎng)噴混凝土，厚28 cm，二襯采用C35鋼筋混凝土，厚50 cm。

1.4 襯砌缺陷概況

通過人工檢測和鉆孔破檢，發(fā)現(xiàn)該段襯砌缺陷情況如下：

(1)由地質(zhì)雷達掃描結(jié)果看，隧道內(nèi)K357+209～K358+219缺陷段(縱向10 m，環(huán)向4 m)二襯厚度為10～32 cm(原設(shè)計二襯厚度為50 cm)，不滿足設(shè)計要求，且原設(shè)計K357+210～K357+214段二襯內(nèi)為雙層鋼筋，實測二襯內(nèi)鋼筋為單層鋼筋或鋼筋缺失。

(2)從混凝土襯砌強度反彈測試結(jié)果看，該段襯砌混凝土強度為33.0 MPa，不滿足設(shè)計強度(35.0 MPa)。

(3)根據(jù)鉆孔驗證及破檢情況(鉆孔10處，破檢1處)，其中有4處在孔深10～22 cm之間時見防水板，且存在脫空，脫空范圍為2～5 cm。

(4)在破檢處有1條環(huán)向長約5 m的裂紋，經(jīng)驗證，該裂紋為施工冷縫。

2 檢測儀器

地質(zhì)雷達是探測隱蔽介質(zhì)結(jié)構(gòu)位置和分布的非破壞性探測儀器，具有快速、準確、無損等優(yōu)點[9-11]。地質(zhì)雷達的采集參數(shù)包括時間窗口、采樣點數(shù)、天線中心頻率、測點點距與發(fā)射、接收天線間距等。

3 隧道二次襯砌缺陷產(chǎn)生的原因

根據(jù)檢測和鉆孔破檢情況，造成缺陷的原因主要是該隧道存在欠挖或初支完成后沉降超限且未進行處理，二襯厚度不足，局部僅設(shè)置單層鋼筋，混凝土澆筑不完全，防水板與初支分離脫落，二襯施工完成后未及時施作拱頂及回填注漿等。

4 處理方案

4.1 方案介紹

對于山嶺隧道，常見的缺陷整治措施有：二次襯砌結(jié)構(gòu)補強、二次襯砌局部拆換、注漿充填加固、注膠粘合法維修裂縫、鋼筋混凝土套襯、波紋鋼板套襯等。對于不同類型的缺陷，所采取的整治措施也不相同。襯砌背后有較大面積空洞時，通常采用輕型膨脹聚氨酯材料填充、泡沫混凝土填充等方法進行處理。

缺陷段存在二襯厚度嚴重不足、襯砌混凝土強度不足、脫空、防水板切割二襯等問題，且本段為Ⅴ級圍巖地段，埋深淺，常規(guī)的隧道填充技術(shù)對原有隧道襯砌強度破壞較大。因此，對缺陷段落施作鋼筋混凝土套襯進行補強。設(shè)置鋼筋混凝土套襯會使得隧道凈空斷面面積減小，應(yīng)合理制定套襯的設(shè)置厚度，以滿足行車要求。套襯厚度設(shè)計為25 cm，利用了隧道內(nèi)30 cm的工程技術(shù)作業(yè)空間，在規(guī)范允許的范圍之內(nèi)[12]。

4.2 套襯設(shè)置長度

噴射與模筑是澆筑混凝土常用的兩種方法，噴射混凝土可以與圍巖表面密貼，模筑混凝土可以更好地控制施工質(zhì)量。為確保結(jié)構(gòu)安全，增強結(jié)構(gòu)的整體性，采用模筑法對缺陷段(前后各延長0.5 m)設(shè)置鋼筋混凝土套襯。

4.3 二襯套襯補強加固處理方案主要施工步驟

套襯施工流程如下：

①鑿毛；②植筋；③打設(shè)鎖腳錨桿；④施作套襯鋼筋；⑤施作套襯混凝土；⑥打磨套襯內(nèi)表面混凝土；⑦涂刷防水涂料。處理方案見圖1。

圖1 拱墻套襯橫斷面

5 計算分析

計算時，可將套襯結(jié)構(gòu)變形作為平面應(yīng)變問題來近似處理。考慮圍巖與結(jié)構(gòu)的共同作用，采用荷載-結(jié)構(gòu)模型平面桿系有限元法的SAP84軟件建立二維隧道結(jié)構(gòu)模型。計算方法采用破損階段法，根據(jù)《鐵路工程設(shè)計技術(shù)手冊》，二次襯砌承受30%～50%的圍巖壓力。如果考慮二襯全部失效，按照最不利情況，鋼筋混凝土套襯承擔50%荷載[13]，計算荷載模型見圖2。

圖2 結(jié)構(gòu)計算荷載(單位：MPa)

5.1 基本計算參數(shù)

圍巖容重為20 kN/m3，彈性反力系數(shù)為150 MPa/m，埋深8.5 m，圍巖計算摩擦角為22°，頂板土柱兩側(cè)摩擦角為13.2°。計算參數(shù)的取值僅針對本隧道，不具有代表性。

5.2 計算荷載

(1)結(jié)構(gòu)自重

鋼筋混凝土容重為25 kN/m3，程序自動加載。

(2)土壓力

垂直均布壓力

q=γh(1-λhtanθ/B)=0.156 MPa

(1)

(2)

結(jié)構(gòu)水平壓力為：

e1=γh1λ=0.090 MPa

(3)

e2=γh2λ=0.181 MPa

(4)

式中q——圍巖垂直均布壓力/MPa；

γ——圍巖重度/(kN/m3)；

h——洞頂離地面的高度/m；

θ——頂板土柱兩側(cè)摩擦角/(°)，為經(jīng)驗數(shù)值；

B——隧道寬度/m；

λ——側(cè)壓力系數(shù)；

φc——圍巖計算摩擦角/(°)；

β——產(chǎn)生最大推力時的破裂角/(°)。

5.3 荷載組合

本次計算主要考慮永久荷載，包括結(jié)構(gòu)自重和圍巖壓力，計算方法采用破損階段法，荷載分項系數(shù)均取1。

5.4 結(jié)果分析

該模型考慮了結(jié)構(gòu)自重和土壓力，未考慮套襯與既有二襯間疊合結(jié)構(gòu)的有利作用。隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力見圖3～圖4。經(jīng)過計算，鋼筋混凝土套襯結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)為2.8，裂縫寬度為0.107 mm，滿足規(guī)范要求[14]。通過模型計算，鋼筋混凝土套襯方案可以滿足正常使用的極限狀態(tài)要求。

圖3 結(jié)構(gòu)彎矩(單位：kN·m)

圖4 結(jié)構(gòu)軸力(單位：kN)

6 整治效果

鐵路隧道缺陷整治是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程。運營鐵路隧道具有天窗時間短、空間小、任務(wù)重、安全及質(zhì)量要求高等特點，需要運營、設(shè)計、施工等單位多個部門相互協(xié)調(diào)配合。

經(jīng)過現(xiàn)場各方的努力，在沒有中斷線路運營的情況下，完成了對隧道缺陷里程K357+209～K358+219段的鋼筋混凝土套襯施工，達到了較好的整治效果，確保了行車的安全。模筑襯砌較鋼拱架外形美觀，耐久性更好，得到了廣泛的好評[15-16]。隧道整治前和整治后的現(xiàn)場情況如圖5、圖6所示。

圖5 隧道整治前

7 結(jié)論

鋼筋混凝土套襯方案具有安全性、耐久性、耐火性等優(yōu)點，結(jié)構(gòu)計算體系較成熟，施工過程中對既有二襯的強度影響小，不會破壞原有襯砌結(jié)構(gòu)的整體性和強度，可以達到“一次整治，不留后患”的效果。但也存在施工難度大，施工周期長，對行車干擾大，投資高，自重大等缺點，故建議僅在隧道內(nèi)出現(xiàn)嚴重結(jié)構(gòu)性裂縫、襯砌掉塊、大范圍空洞、防水板切割混凝土等嚴重質(zhì)量缺陷的情況下采用。