鐵路隧道常見病害原因分析及整治技術

楊超　鄒永木

【摘 要】襯砌開裂、脫空、施工縫及底板滲水是鐵路隧道常見四大病害，危及隧道運營安全。為此，文章結合西南地區鐵路建設施工經驗，從設計、施工各環節較為全面地總結了以上四種隧道病害產生的主要原因，并提出了針對不同程度病害的整治措施和預防建議，相關成果可為鐵路隧道的設計、施工提供參考。

【關鍵詞】隧道病害; 裂縫; 脫空; 滲水

【中圖分類號】U457+.2【文獻標志碼】B

2020年，“四縱四橫”高速鐵路主骨架全面建成，“八縱八橫”高速鐵路主通道和普速干線鐵路加快建設，我國鐵路運營里程達到14.6×104 km。在我國近些年的鐵路開通項目中，隧道襯砌開裂、滲水等現象時有發生，不僅降低了混凝土的耐久性和隧道內各種設施的功能，惡化了隧道內的環境，而且嚴重影響隧道的正常運營安全。目前，我國在隧道病害研究防治方面已有了一定的成果，雷波[1]等人根據25座隧道襯砌結構縱向裂縫統計樣本，建立隧道襯砌結構縱向裂縫統計樣本與成因變量的列聯表，并對其進行矩陣規范化處理，分析隧道襯砌縱向開裂的主要成因;劉子陽等人[2]依托六盤山隧道，充分利用天窗時間，提出了一種襯砌開裂掉塊整治及加固方案;江星宏[3]等人統計分析了高鐵隧道復合襯砌脫空分布和特性，并總結了圍巖條件與脫空深度、長度之間關系;龔成明[4]等人簡述了拱頂脫空的危害、常規處理方法，并提出了一種能有效預防脫空的帶模及時注漿工藝，但目前關于隧道病害整治研究的文獻較為零散，多是基于具體工程案例的整治方案。為此，文章結合西南地區鐵路建設施工經驗，較為全面地總結了目前隧道襯砌開裂、脫空，施工縫及底板滲水四種常見病害產生的主要原因，提出了針對不同程度病害的整治措施，相關成果對隧道的設計、施工具有一定的經驗借鑒作用。

1 襯砌裂縫

隧道襯砌裂縫根據產生的原因可分為非荷載性裂縫、荷載性裂縫以及冷縫。非荷載性裂縫是襯砌混凝土自身變形而導致的裂縫，荷載性裂縫是襯砌混凝土受外力作用產生的裂縫[5]，冷縫是由于施工原因造成的裂縫。

1.1 非荷載性裂縫

由于襯砌混凝土縱向收縮受到約束而產生的應力大于混凝土的抗拉強度而引起的裂縫，也是目前隧道裂縫中數量最多的一種裂縫，一般延伸距離不長，裂縫發展初期對襯砌結構受力影響不大，主要表現為環向裂縫，在施工縫、沉降縫、伸縮縫等處居多[6]。

非荷載性裂縫主要整治措施如下：

（1）整治前先采用砂漿塊或貼玻璃片設置裂縫觀測標，觀測確認裂縫發展情況。

（2）裂縫變形穩定后，縫寬不大于5 mm的裂縫，采用沿縫鑿孔壓漿封堵處理。首先沿裂縫鑿楔形孔，孔口寬視裂縫大小為5～10 cm（一般為縫寬+4 cm），鑿孔間距30～50 cm，沖洗干凈后埋入10 mm塑料管，其周圍空隙用環氧砂漿壓實固管（圖1）;隨后采用環氧樹脂進行封縫，由裂縫兩端向裂縫中部注漿，無水裂縫采用環氧漿液，有水裂縫采用水溶性聚氨酯漿液，注漿壓力一般為0.2～0.6 MPa，待其固結后沿縫涂環氧樹脂一遍。

（3）對于寬度大于5 mm的裂縫，采用騎縫錨桿處理（圖2）。襯砌后巖體完整、無水、無空洞時騎縫錨桿采用22 mm砂漿錨桿，襯砌后為軟質巖、有水、有空洞或回填不密實時，采用25 mm中空注漿錨桿。22 mm砂漿錨桿（25 mm中空注漿錨桿）每根長3.5 m，沿裂縫兩側交錯布置，距裂縫50 cm，沿裂縫間距1.0 m。

1.2 荷載性裂縫

分為一般荷載性裂縫和襯砌端頭月牙形裂縫。

荷載裂縫是由于對高地壓（塑性地壓、膨脹性地壓）、偏壓、凍脹作用等處理不當造成外部荷載大于襯砌結構自身的承載能力而產生的裂縫，主要表現為縱向裂縫或斜向裂縫，具有延伸距離長，裂縫深度大的特點，對結構安全構成較大隱患，原則上應采取拆換重建的方式?？筛鶕唧w部位、嚴重程度、地質條件等，研究確定拆除拱部161°范圍或墻拱全部拆除方案，天窗時間緊張的營運線路，在滿足建筑限界要求的前提下可采用增加套襯的整治方案（圖3）。

襯砌端頭月牙形裂縫是由于二襯臺車拆模過早，襯砌混凝土強度不足，在端頭失去約束和受到相鄰襯砌混凝土澆筑時擠壓的條件下產生的裂縫（圖4）。襯砌端頭月牙形裂縫在列車活塞風及混凝土劣化的共同作用下，極易造成掉塊，嚴重影響行車安全。對于寬度小于等于20 cm的月牙形裂縫，采取鑿除方案，打磨后刷涂碳化涂層;對于寬度大于20 cm的月牙形裂縫，原則上采取襯砌拆換處理。

1.3 冷縫

在施工過程中由于某種原因使先澆筑混凝土在已經初凝后，后澆筑混凝土繼續澆筑，使前后混凝土連接處出現的一種軟弱結合面。處理措施：施工冷縫位于拱部需進行拆換處理;位于邊墻處有滲水，先處理滲水，再設置騎縫錨桿處理（與裂縫大于5 mm方案一致）;位于邊墻無滲水，直接進行封縫處理。

2 襯砌脫空

襯砌脫空產生的原因較多，主要可以分為以下8類：

（1）襯砌臺車設計或制作的剛度、強度、外模板厚度不足，在澆筑和振搗過程中發生臺車變形而引起脫空。

（2）由于防水板掛設的松弛度不足和不均勻，局部緊繃，在防水板與噴混凝土面之間形成空腔，甚至拉脫拱部防水板焊點，造成防水板成為阻止拱部混凝土流動填充的“軟墻”[7]。

（3）由于防水板掛設松弛過度、余量大，形成褶皺，造成襯砌脫空。

（4）混凝土未嚴格逐倉、分層澆筑，在振搗和混凝土流動性不足條件下，形成襯砌脫空。

（5）拱頂混凝土采用一次泵滿的方式施工，形成襯砌脫空。

（6）注漿壓力、數量不足就終止了拱頂注漿。

（7）拱部注漿未設置排氣孔或預留排氣孔堵塞形成氣囊，不能將拱部空隙填充密實，從而形成襯砌脫空。

（8）混凝土水灰比控制不當，在澆筑后發生收縮、徐變，在襯砌背后出現空隙[8]。

處理措施：脫空引起的襯砌實際厚度與設計厚度比不小于80 %，原則上可采取注漿處理。注漿材料采用微膨脹水泥砂漿，注漿壓力控制在0.2 MPa以內。當注漿壓力達到設計終壓并穩定5 min以上，吸漿量很少或不吸漿時即可結束注漿;襯砌實際厚度與設計厚度比小于80 %時，需采用拆換措施整治，襯砌拱部存在局部欠厚參照圖5進行拆換整治，襯砌邊墻存在局部欠厚參照圖6進行拆換整治。

襯砌拆除前，應先對拆除段前后襯砌臨時加固;拆除襯砌時，邊緣先采用切割工藝切割到位，再鑿除襯砌混凝土，減少對拆換范圍以外襯砌產生擾動破壞，襯砌拆除應采取縱向分段跳槽方式，Ⅱ、Ⅲ級圍巖每次拆除長度不超過3 m，Ⅳ、Ⅴ級圍巖每次拆除長度不超過1 m。

3 施工縫滲水

施工縫滲水是由于防水板、中埋式止水帶等防水結構被破壞，造成地下水通過施工縫進入隧道內部的一種常見隧道病害。除水量較小的滴水縫可采用注漿封堵外，施工縫滲水整治應以鑿槽引排為主（圖7）。具體整治步驟如下：

（1）沿施工縫鑿槽，槽深60 mm，寬30 mm呈倒梯形狀（圖8），并用高壓水（或高壓空氣）沖洗槽身，清除灰碴、粉塵及松動混凝土塊。

（2）復合式膨脹橡膠條大端向內置于槽底，其兩側應與槽壁密貼，采用環氧砂漿封閉，將水引至側溝排放。

（3）拱部滲水量較大，呈雨淋狀、散體狀自施工縫流出時，病害整治重點是降低拱部水量、水壓。可在整治措施①②后，通過邊墻徑向打孔排水泄壓，將地下水引排至槽道及側溝（圖9）。同時，在拱部120 °范圍內施做V型槽，采用M20膨脹螺栓進行固定，形成防水的第二道防線（圖10）。

4 底板滲水

在列車荷載的反復作用下，底板滲水會逐漸“掏空”道床板（圖11），造成道床的不均勻沉降及道床板變形開裂。從底板滲水來源進行劃分，底板滲水原因主要有以下4種：

（1）澆筑混凝土時，相鄰兩段側溝電纜槽之間的施工縫未鑿毛、刷界面劑，形成滲水通道。側溝水流從施工縫沿路徑C流入道床底部（圖12、圖13）。

（2）橫向引水管出水口堵塞且被破壞，排水沿E路徑滲入道床底部（圖13）。

（3）仰拱中埋式止水帶被破壞，地下承壓水沿仰拱及填充施工縫G→D路徑滲入道床底板（圖13）。

（4）環向、縱向盲管出水口（ 圖13、圖14中0位置）在澆筑混凝土時被堵塞，排水沿施工縫經A→B→C或A→F→D路徑滲入道床底部。

整治步驟如下：①對道床底板滲水段落側溝、中心水溝、橫向引水管進行疏通，保持隧道排水通暢;②在積水段找平層下30 cm增設坡度為2 %橫向引水管，積水通過地漏（圖12）→橫向引水管，排放至中心水溝;③承壓水頭較高地段，在隧道側溝底部進行鉆孔泄壓，鉆穿仰拱并做好泄水孔的反濾措施;④在滲水整治完成后，再進行無砟道床整治。對于道床板與底板間的離縫，可參照TG/GW 115-2012《高速鐵路無砟軌道線路維修規則（試行）》的離縫傷損修復辦法，采用低壓注漿修補材料進行修復。同時采用鉆孔植筋的辦法，加強道床板與隧道結構的連接，在道床與底板間間隔10 cm間距植入4排直徑25 mm鋼筋（圖15、圖16）。

5 建議

目前，隨著一些新工藝、新材料的投入，在隧道病害整治方面，我國鐵路建設者已經積累了一套較為有效的技術體系，但歸根到底，也只是一種補救措施，隧道病害整治需要投入的時間、經濟成本是設計、施工階段的數倍。提高鐵路隧道建設質量水平，需要從設計、施工源頭上進行優化完善，才能徹底解決隧道病害問題。結合鐵路建設經驗及相關文獻成果，提出以下建議：

（1）對于非荷載性裂縫，要加強襯砌澆筑后的養護，通過降低水化熱和加速散熱，控制混凝土溫度變化;同時，要提高初支平整度，特別是在圍巖完整的Ⅱ、Ⅲ級段落，減少初期支護及背后圍巖對襯砌的約束[5]。對于荷載性裂縫，要從勘察設計源頭進行優化，合理確定各階段勘察設計周期，加密地質勘探孔，提高對區域地質構造的判識水平。針對受構造影響嚴重、高地應力等地質復雜長大隧道，應結合地質特征適當降級修正隧道圍巖分級，提出較適應的支護措施。

（2）重視中埋式止水帶。中埋式止水帶是隧道防水結構的最后一道防線，施工過程中質量控制難度大，易發生偏移、跑位、被破壞等現象，一直是隧道施工的頑疾，造成以上結果的原因不僅有現場管理問題、安裝工藝問題，還有橡膠止水帶在橫向剛度方面的材料性能問題[9]，希望設計者重視。

（3）優化排水設計。隧道富水段落，應根據開挖揭示地質水文情況，動態調整排水設計方案，充分考慮施工因素對排水能力的折損，預留足夠的排水富余量;采用深埋中心水溝，將水溝設于仰拱下方，防止隧道底部出現承壓水[10];加深隧道側溝有效過水高度，避免側溝水流通過施工縫流入道床板底部。

（4）預防襯砌脫空，需從控制防水板鋪設松弛度，混凝土澆筑等多方面入手，但其核心仍是加強施工現場過程管理，強化標準化管理，大力推行隧道施工機械化水平，最大限度地減少人為因素的影響。

參考文獻

[1]雷波，漆泰岳，陳小雨，等.基于對應分析模型的隧道縱向裂縫主成因分析[J].鐵道標準設計，2013（10）：102.

[2]劉子陽，程康.六盤山隧道二襯開裂掉塊整治及加固方案[J].蘭州工業學院學報，2017，5：14.

[3]江星宏，閆明超，曾鵬，等.高鐵隧道復合襯砌脫空統計分析與防治[J].華東交通大學學報，2015，32（6）：8.

[4]龔成明，朱嘉斌，佘海龍.鐵路隧道襯砌臺車拱頂帶模及時注漿工藝研究[J].現代隧道技術，2017，54（1）：180.

[5]謝立廣，楊群.隧道襯砌環向裂縫的成因分析及預防建議[J].公路，2020，5：347.

[6]鄒育麟，何川，周藝，等.重慶高速公路現役營運隧道滲漏水病害統計及成因分析[J].公路交通科技，2013，30（1）：89.

[7]王立川，周東，吳劍，等.鐵路隧道復合襯砌脫空的危害分析與防治[J].中國鐵道科學，20l1.32（5）：56.

[8]趙陽川，李亞林，衛 敏，等.隧道襯砌脫空及厚度不足的原因分析與防治措施初[J].現代隧道技術，2019，56（2）：41.

[9]張民慶，黎庶，劉俊成.橫向內置加勁型中埋式橡膠止水帶研制[J].現代隧道技術，2019，56（6）.

[10]肖廣智，薛斌.向莆鐵路隧道道床積水、軌道隆起病害整治技術[J].現代隧道技術，2015，52（3）.

[定稿日期]2021-03-02

[作者簡介]楊超（1987～），男，碩士，工程師，主要從事隧道工程的建設管理工作;鄒永木（1975～），男，本科，高級工程師，主要從事鐵路工程的建設管理工作。