高速鐵路隧道襯砌養護與檢測技術

霍建勛,林傳年,劉 喆

(中國鐵路經濟規劃研究院有限公司,北京 100038)

引言

我國已經成為世界隧道大國，截至2019年底，我國已運營的鐵路隧道共有16 084座，總長度為18 041 km，其中高速鐵路隧道共3 442座，總長度為5 515 km[1]。

目前，國內運營的鐵路隧道襯砌多出現開裂、蜂窩、麻面以及掉渣掉塊等質量問題[2-4]，其主要原因有以下幾方面：混凝土澆筑過程中，混凝土振搗不密實，襯砌質量不過關；施工中對隧道襯砌施工設備監管不到位，襯砌臺車、養護臺車未發揮真正作用；隧道襯砌混凝土養護工作不到位，如養護沒有制定養護工序和標準，沒有相關的養護設備等。

近年來由于采用大容量通風設備改善隧道內的工作環境，使得隧洞坑內溫度及濕度發生急劇變化，破壞了混凝土養護環境。另外，隨著隧道的大斷面化，水泥用量增加，加之高爐礦渣水泥的采用，導致混凝土的品質變數增加。因此，在沒有采用特別養護條件下，混凝土由于溫差容易發生收縮而產生裂縫，從而嚴重影響混凝土襯砌耐久性并直接影響到襯砌質量[5-7]。襯砌結構存在的質量問題會直接影響到隧道運營的安全穩定，還會增加維護成本，因此提出適宜的隧道襯砌檢測技術獲取襯砌質量信息，并根據檢測數據對襯砌養護情況進行判斷具有重要意義。

針對鐵路隧道襯砌養護和檢測技術，國內學者已有一定研究。孟慶伶[8]介紹了日本隧道采用噴霧養護法進行襯砌養護的技術要點。仇文革[9]通過對C30混凝土養護的室內試驗，對比分析了自然養護、噴水養護、汽霧養護和標準養護等4種養護方法養護效果。石迎新[10]依托固西公路炸嘴山隧道工程，提出了蒸汽覆膜養護技術。杜強[11]依托鄭萬鐵路隧道工程，提出了蒸汽養護臺車養護技術。王華夏等[12]結合高速鐵路隧道特點，提出了一套隧道裂縫自動化檢測系統，并對系統工作原理進行闡釋。溫佐彪等[13]以渝利鐵路為實例，介紹了引入GRP5000系統的激光全息掃描技術的原理及方法。以往研究更多集中于傳統襯砌養護技術，對于智能化、信息化養護及檢測方面研究相對較少。

本文根據鐵路隧道的大量現場調查，獲得了鐵路隧道中與襯砌養護相關的典型施工質量缺陷案例，并對其形成的原因進行分析。基于襯砌結構常規的養護措施，提出了新的智能養護技術，最終形成了襯砌結構養護技術和質量檢測技術。

1 襯砌結構典型質量缺陷及分析

1.1 襯砌混凝土強度不足

襯砌混凝土強度不足在襯砌的任何部位均可出現，混凝土強度不足往往導致結構或構件的承載能力降低，主要表現在以下3個方面：一是降低結構強度；二是抗裂性能差；三是構件剛度下降。另外，混凝土強度不足也會嚴重影響其抗滲、抗凍能力，從而降低混凝土襯砌耐久性[14-15]。

襯砌混凝土強度不足主要由施工不當、養護不利等原因造成。

(1)原材料不合格，粗細骨料級配不合理，未嚴格按照混凝土配合比施工。

(2)振搗不到位，混凝土澆筑過程中發生漏振、欠振、過振等問題，這是引起強度不足最主要的原因之一。

(3)養護不及時，混凝土澆筑完成后，未達到設計強度即脫模，未及時采取養護措施，導致混凝土膠凝材料水化不充分，缺乏足夠的粘結力，強度不達標。

1.2 襯砌裂縫

隧道裂縫主要有襯砌環向裂縫、縱向裂縫、斜向裂縫、月牙狀裂縫、十字形裂縫等，是隧道工程中出現頻率較高的病害[16-17]。其中，縱向裂縫(圖1)平行于隧道軸線，其危害性最大，繼續發展可能引起隧道掉拱、邊墻斷裂甚至整個隧道塌方。隧道縱向裂縫分布規律為拱肩部分較拱頂部分多，雙線隧道主要產生在拱肩，單線隧道主要產生在邊墻。

圖1 襯砌縱向裂縫

隧道襯砌以鋼筋混凝土結構或素混凝土為主，施工過程中水化反應不充分、養護不到位、強度不足都會導致襯砌產生裂縫，進而降低結構承載性能。

(1)混凝土澆筑不規范、振搗不到位、拆模過早，導致襯砌混凝土不密實，在外力影響下，襯砌發生開裂。

(2)混凝土養護不到位，甚至不養護，襯砌混凝土因為膠凝材料水化不充分、混凝土干縮等原因出現裂縫。

1.3 襯砌表面蜂窩麻面

襯砌表面蜂窩麻面是隧道較常見病害之一[18-19]，具體表現為混凝土局部酥松、粗糙，或有許多小凹坑，砂漿少石子多，石子之間出現空隙，形成蜂窩狀的孔洞，如圖2所示。

圖2 襯砌蜂窩麻面

隧道襯砌蜂窩麻面一大主要原因是施工工藝與質量控制效果差，主要表現為以下兩個方面。

(1)施工過程管理不善，混凝土和易性差，配合比控制不嚴，塌落度不合理，混凝土搗固質量不佳。

(2)施工工藝不當。混凝土灌注操作不當，混凝土拌和時間不足，混凝土模板臺車拆模過早，養護不及時。

上述隧道襯砌質量缺陷的產生，一是與原材料選擇、使用有關；二是與澆筑過程控制有關；三是與襯砌養護有關。在加強原材料選擇、澆筑過程控制后，襯砌養護便顯得格外重要。襯砌養護能給混凝土提供適宜的硬化條件，進行科學的襯砌養護對于顯著提高隧道襯砌質量，特別是襯砌混凝土強度、表面致密性具有重要意義。

2 襯砌結構傳統養護方法

目前，國內隧道襯砌混凝土養護方法主要有自然養護、噴水養護、汽霧養護、標準養護等，各種養護方法如下。

(1)自然養護：在隧道環境溫濕度條件下，不采取任何輔助方式的養護。此養護方法效果最差，僅在隧道內溫濕度接近標準值時可采用。

(2)噴水養護：在隧道環境溫度下，利用一定的壓力將水噴灑在混凝土表面進行保濕養護，根據隧道環境條件，確定每天噴水次數，以保持混凝土表面濕潤為準。噴水養護費用低，在我國應用比較普遍，但如果水溫與混凝土內部溫度相差太大，則對控制混凝土裂縫不利，且強度損失也較大。當環境平均溫度低于5 ℃時，不可進行噴水養護。

(3)汽霧養護：在規定溫度(20±3) ℃下，采用蒸汽或噴霧方式(確保混凝土表面濕度達到90%以上)進行養護，但在寒區隧道施工，蒸汽養護不能保證養護溫度，不能保證低溫環境下混凝土的養護質量。

(4)標準養護：在標準溫度(20±1) ℃下，向混凝土試件表面灑水或將混凝土試件浸泡在水中，以保持混凝土表面濕度達95%以上。該養護方法在實驗室內普遍采用，應用于山嶺隧道施工現場難度較大。

西南交通大學仇文革等研究人員通過對自然養護、噴水養護、汽霧養護和標準養護等4種養護條件下C30混凝土試件各齡期的抗壓強度進行了室內試驗比較，得到了圖3的試驗結果。由圖3可知，標準養護襯砌混凝土各項力學性能最好，其次是汽霧養護，再次是噴水養護，自然養護最差。汽霧養護和標準養護混凝土28 d抗壓強度均能滿足C30強度等級標準，且各齡期抗壓強度相差不大，而噴水養護和自然養護28 d抗壓強度達不到C30強度等級標準[9]。

圖3 不同養護條件下襯砌混凝土各齡期抗壓強度對比曲線

由于襯砌混凝土處于特殊的環境中，外界氣候環境及隧道洞內溫度、濕度對襯砌混凝土影響很大。襯砌混凝土若不及時養護，就會使其力學和耐久性能降低。從應用實際來看，襯砌養護通常采用噴水自然養護和汽霧養護兩種方法。這兩種方法雖然均能夠在襯砌混凝土硬化過程中提供一定的養護作用，但由于養護過程中不能保證溫度、濕度的恒定，養護質量難以控制，養護效果不佳。而且在養護范圍和養護效率方面也存在較大的局限性，需要耗費大量的人力和財力，難以滿足襯砌結構的養護需求。

3 襯砌質量智能養護技術的應用

考慮到傳統養護方法的弊端，提出了一種應用于京張高速鐵路的襯砌智能化養護臺車，并將其與傳統噴水養護效果進行對比。

3.1 襯砌智能養護臺車

智能養護臺車具有保溫、保濕、走行、信息化等功能，并能實現養護數據的記錄和輸出，可緊跟襯砌臺車對脫模后的襯砌混凝土進行及時的養護作業，可以根據設定的養護溫度曲線，對密閉的養護區域進行智能溫、濕度控制與調節，在養護技術上實現了智能化、信息化施工。

3.2 智能養護臺車養護法

智能養護臺車養護通過升溫-保溫-降溫的自動化控制，使混凝土養護環境溫度隨著芯部溫度而變化，并保證兩者溫差控制在20 ℃以內，通過納米級霧化裝置實現加濕-保濕功能，通過智能控制系統自動檢測，確保養護環境濕度大于90%，力求達到理想的養護條件。

該養護方法具備養護過程的實時監控功能，并能進行養護數據的記錄和輸出，能實現混凝土養護的信息化管理。

3.3 智能養護臺車與傳統養護方式的對比

京張高速鐵路是中國大陸第一條采用中國自主研發的北斗衛星導航系統、設計時速為350 km的智能化高速鐵路，2019年底正式通車。京張高速鐵路全線共有10座隧道，其中八達嶺隧道全長12.01 km，單洞雙線隧道，洞身最小埋深4 m，最大埋深432 m。隧址區屬暖溫帶大陸性半濕潤半干旱氣候，年平均氣溫9.5 ℃，最冷月平均氣溫-8 ℃[20]。八達嶺隧道正洞襯砌采用了智能養護臺車養護法。養護臺車施工現場如圖4所示。

圖4 京張高鐵八達嶺隧道襯砌養護施工

為了驗證智能養護臺車的養護效果，部分區間采取了傳統的噴水養護措施，重點從C35混凝土早期強度、碳化深度以及內外溫差3個方面對兩種養護方法進行了實驗對比。

(1)混凝土強度隨齡期變化情況

對比智能養護臺車養護與傳統噴水養護的養護效果(圖5)，可以看出智能養護臺車養護相比傳統噴水養護在相同齡期的情況下，混凝土早期強度有了顯著的提高。在7 d的齡期時，智能養護臺車養護較噴水養護強度高了13.3 MPa，可見智能養護方式顯著提高了混凝土的早期強度。

圖5 不同養護條件下混凝土抗壓強度隨齡期變化曲線

(2)碳化深度隨齡期變化情況

通過試驗，分別采集了智能養護臺車養護和噴水養護隨著齡期的變化發展的情況(圖6)，可見兩種養護方法的碳化深度都是隨著齡期的增長而呈上升的走勢，但是智能養護臺車養護的混凝土碳化深度上升更平緩，同齡期碳化深度數值也更低。在56 d的齡期時，養護臺車養護較噴水養護的碳化深度小了0.9 mm，更能有效提高襯砌混凝土的密實度和耐久性。

圖6 不同養護條件下混凝土碳化深度隨齡期變化曲線

(3)混凝土表面與芯部溫差隨齡期變化情況

采集了智能養護臺車養護和噴水養護混凝土溫差隨著齡期的變化發展的情況(圖7)，智能養護臺車養護通過溫度自動控制有效解決了芯部與混凝土表面溫度差值過高產生不均勻溫度應力的問題，降低了混凝土由于溫差大產生開裂的風險，減少了裂縫的數量，提高了襯砌混凝土的表面質量。

圖7 不同養護條件下混凝土齡期溫差變化曲線

通過上述對比分析證明：智能養護臺車養護彌補了傳統養護方法的不足，實現了養護區域內溫度和濕度的智能控制與調節，使養護溫度、養護濕度更合理，更容易得到較高質量的襯砌混凝土。隧道襯砌智能養護臺車的推廣應用將終結長期以來國內隧道襯砌養護不規范的歷史，對于全面提高襯砌混凝土表面質量、早期強度以及混凝土耐久性具有重要意義。

4 襯砌檢測技術

襯砌養護效果主要由襯砌結構的質量體現，通過檢測獲取襯砌質量的相關信息對襯砌結構進行評價。

4.1 襯砌質量檢測方法

隧道襯砌質量檢測包括過程性檢測與驗收性檢測。襯砌質量過程性檢測是保障工程施工質量及人員安全的重要方式，驗收性檢測是工程竣工驗收的重要環節。因此本節提出的襯砌質量檢測方法能夠同時適用于過程性檢測與驗收性檢測。

4.2 襯砌質量檢測新技術4.2.1 襯砌表面質量檢測

隧道襯砌表面檢測主要利用CCD攝像、紅外攝像或激光攝像技術等表面成像技術，將隧道襯砌表面質量信息轉換為圖像，進行識別。日本、韓國等國家研發了隧道裂縫檢測車，進行襯砌表面質量檢測。

(1)日本隧道襯砌表面攝影車

日本開發的隧道襯砌表面掃描攝影車，為公鐵兩用車，檢測時的走行速度為3.5～8.5 km/h，目前已在新干線投入使用，如圖8所示。

圖8 日本隧道襯砌表面檢測車

檢測通過激光掃描可對隧道襯砌所有表面進行電子攝像，并可自動生成襯砌表面裂縫、剝落、漏水等分布狀態展開圖；不會受到隧道內明暗的影響，可以檢查出寬度1 mm以上的襯砌裂縫。

(2)韓國隧道裂縫檢測車

該車能以10～50 km/h的速度行駛并進行攝像，同時將檢測結果記錄下來，可檢測出表面寬度0.1 mm以上的裂縫；攝錄好的影視資料可采用圖像軟件(如Image Processing)進行處理，并獲得自動標記用戶所需數據。其缺點是在隧道內攝像時，對照度有特殊要求。

(3)三維激光掃描檢測技術

三維激光掃描儀采用非接觸式數據采集模式，使用近紅外不可見的激光束，可在完全黑暗的情況進行數據采集工作，并可快速生成隧道的真實三維模型，直觀反映隧道真實狀況，如圖9所示。

圖9 三維激光掃描檢測

4.2.2 襯砌內部質量檢測

隧道襯砌內部質量檢測主要利用地質雷達等無損檢測技術，通過分析電磁波能量變化，識別襯砌內部質量缺陷。目前，日本研發了全斷面檢測系統，國內研發了輪胎式隧道襯砌質量檢測車，均實現快速襯砌內部質量快速檢測。

(1)日本全斷面檢測系統

隧道全斷面檢測系統(圖10)以移動式防護支架為基礎，支架搭載了自動檢測混凝土表面開裂和空洞的裝置能夠檢測裂縫及襯砌空洞。同時，移動式防護支架根據具體的隧道寬度，可在6.36～9.56 m范圍內進行調節。

圖10 全斷面檢測系統

(2)輪胎式隧道襯砌質量檢測車

圖11 輪胎式隧道襯砌質量檢測車

輪胎式隧道襯砌質量檢測車(圖11)，配置了檢測上部襯砌結構用的地質雷達和檢測下部隧底填充層及仰拱用的地質雷達。檢測作業速度3～10 km/h，適用于鐵路隧道貫通、襯砌與填充層施工完成后，道床施工前的襯砌質量檢測。

5 結論

通過分析隧道襯砌存在的質量問題及其誘發因素，基于傳統養護方法存在的問題，提出一種使用智能養護臺車的養護方法。根據京張高速鐵路新八達嶺隧道的實際使用情況，將隧道襯砌智能養護方法與傳統噴水養護方法進行了實驗對比，得出以下結論。

(1)襯砌結構養護不當會導致混凝土結構出現強度不足、滲漏水和裂掉塊的問題，選取合理的養護技術能夠有效降低襯砌結構的病害發生率。

(2)智能養護技術具有良好的適用性，在相同齡期情況下，相較于傳統的噴水養護方式，智能養護技術能夠使混凝土抗壓強度提升約30%，使混凝土碳化深度減小約50%，使溫度影響下降約40%，可見智能養護臺車在實際工程中取得了良好的效果。

(3)襯砌結構的養護效果可以通過襯砌質量檢測進行評價，通過襯砌表面檢測，裂縫探測和三維激光掃描技術等能夠對襯砌結構的養護效果進行實時檢測和評價。