寒區(qū)老舊鐵路隧道改造方案研究

趙志剛

(中國(guó)鐵路沈陽(yáng)局集團(tuán)有限公司,沈陽(yáng) 110001)

1 工程概況

1.1 線路概況

長(zhǎng)圖鐵路長(zhǎng)春至吉林段西起長(zhǎng)春市長(zhǎng)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(fù)線，正線線路長(zhǎng)度134.850 km。

1.2 隧道分布概況

本段分布既有隧道3座，總長(zhǎng)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(guó)鐵路隧道修建技術(shù)發(fā)展的3個(gè)不同的時(shí)期，隧道建筑限界、建筑材料標(biāo)準(zhǔn)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(guó)老舊隧道中具有較強(qiáng)的代表性。

1.3 隧道地質(zhì)概況

1.3.1 工程地質(zhì)

隧道位于吉林省中部松遼平原向東部山區(qū)過(guò)渡地帶丘陵區(qū)，隧道洞身穿越地層主要為第四系全新統(tǒng)殘坡積粉質(zhì)黏土層、華力西期花崗巖，全～強(qiáng)風(fēng)化。

1.3.2 水文地質(zhì)

隧址區(qū)地表水系發(fā)育，水位隨季節(jié)漲落，主要接受大氣降水補(bǔ)給。沿線地下水發(fā)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(duì)混凝土結(jié)構(gòu)不具侵蝕性。

1.3.3 地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃

隧址區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.10g，相當(dāng)于地震基本烈度Ⅶ度，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期0.35 s。

1.3.4 氣象特征

隧址區(qū)屬東北亞溫帶濕潤(rùn)半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，屬嚴(yán)寒地區(qū)，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(jié)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(jù)收集到的既有資料，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和現(xiàn)場(chǎng)斷面測(cè)量，大山嘴隧道和土門嶺2號(hào)隧道軌面以上凈高滿足接觸網(wǎng)現(xiàn)狀掛網(wǎng)高度要求，土門嶺1號(hào)隧道凈高不足。本段隧道設(shè)計(jì)采用的限界標(biāo)準(zhǔn)及目前實(shí)際凈空量測(cè)情況見(jiàn)表2。

表1 長(zhǎng)圖鐵路長(zhǎng)春至吉林段既有隧道信息統(tǒng)計(jì)

表2 隧道設(shè)計(jì)限界及斷面復(fù)測(cè)情況統(tǒng)計(jì)

1.4.2 襯砌及洞門結(jié)構(gòu)

大山嘴隧道襯砌為復(fù)合式襯砌，土門嶺1號(hào)、2號(hào)隧道為整體式襯砌，襯砌材料、長(zhǎng)度及最大埋深等見(jiàn)表3。

表3 隧道襯砌類型、長(zhǎng)度及洞門結(jié)構(gòu)類型統(tǒng)計(jì)

1.4.3 隧道襯砌缺陷及病害檢查方法及現(xiàn)狀

隧道襯砌缺陷檢測(cè)采用了無(wú)損檢測(cè)法，采用SIR-3000型地質(zhì)雷達(dá)儀，隧道表面共布設(shè)6條測(cè)線，拱部2條、兩側(cè)拱腰和邊墻各2條，檢測(cè)內(nèi)容為襯砌厚度、襯砌背后回填密實(shí)度、脫空、鋼筋及鋼拱架分布[1-6]，雷達(dá)檢測(cè)成像見(jiàn)圖1。

病害檢查方法主要為現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及測(cè)量，技術(shù)人員進(jìn)洞進(jìn)行實(shí)際調(diào)查，對(duì)病害類型、位置、狀態(tài)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、測(cè)量，并現(xiàn)場(chǎng)繪制病害展開(kāi)圖。

通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)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(shí)，病害主要類型為滲漏水、凍害、襯砌開(kāi)裂、襯砌腐蝕等。隧道襯砌缺陷統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表4，病害統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表5，典型襯砌病害見(jiàn)圖2。

表4 隧道襯砌缺陷檢測(cè)統(tǒng)計(jì)

圖1 雷達(dá)檢測(cè)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(píng)價(jià)

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(píng)價(jià)：隧道襯砌背后脫空對(duì)結(jié)構(gòu)承載能力損失嚴(yán)重，可能引起襯砌背后土體持續(xù)的塌落，對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)安全影響較大，運(yùn)營(yíng)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(kāi)裂和施工縫滲漏水。

成因分析：根據(jù)查閱竣工驗(yàn)收資料及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，本隧道襯砌裂縫多為非結(jié)構(gòu)裂縫，部分在施工期間已形成，且經(jīng)長(zhǎng)期觀測(cè)未有進(jìn)一步發(fā)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(fā)生在施工縫位置，主要原因是隧道防水層及施工縫加強(qiáng)防水措施失效，滲漏水含泥量高。

影響評(píng)價(jià)：襯砌裂縫為非結(jié)構(gòu)裂縫，對(duì)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性基本無(wú)影響；持續(xù)的滲漏水易導(dǎo)致襯砌背后土體流失，進(jìn)一步加劇襯砌背后脫空面積增大，對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期穩(wěn)定性有一定的影響，拱部滲漏水對(duì)電氣化影響較大，邊墻滲漏水對(duì)電氣化基本無(wú)影響。

2.2 土們嶺1號(hào)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(shí)。

成因分析：襯砌缺陷產(chǎn)生的原因主要為隧道修建年代久遠(yuǎn)，襯砌材料標(biāo)準(zhǔn)低，施工工藝水平低，襯砌混凝土澆筑不密實(shí)，襯砌與圍巖不密貼，長(zhǎng)期滲漏水造成。

影響評(píng)價(jià)：本隧道襯砌綜合缺陷嚴(yán)重，襯砌強(qiáng)度低，部分段落為漿砌料石襯砌。根據(jù)檢測(cè)資料及長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)狀態(tài)分析，襯砌厚度不足對(duì)目前襯砌結(jié)構(gòu)安全影響不大；襯砌不密實(shí)及襯砌背后脫空面積大，對(duì)結(jié)構(gòu)承載能力影響大，對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)安全影響較大，運(yùn)營(yíng)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(chǎn)生上述病害的主要原因?yàn)楸舅淼肋\(yùn)營(yíng)時(shí)間已超過(guò)100年，襯砌劣化嚴(yán)重，隧道防水層失效，排水不暢，襯砌變形造成個(gè)別地段限界不足。

影響評(píng)價(jià)：限界不足、滲漏水及凍害對(duì)電氣化改造工程影響大。

2.3 土們嶺2號(hào)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(shí)、襯砌厚度不足及照明不良。

成因分析：襯砌缺陷產(chǎn)生的主要原因?yàn)槭┕すに囁降?，襯砌混凝土澆筑不密實(shí)，襯砌與圍巖不密貼，長(zhǎng)期滲漏水造成；隧道內(nèi)未設(shè)置照明設(shè)施。

影響評(píng)價(jià)：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(wú)砟軌道病害及照明不良。

成因分析：產(chǎn)生上述病害的主要原因?yàn)樗淼啦捎孟裙昂髩Ψㄊ┕?，水平施工縫位于起拱線位置，環(huán)向施工縫設(shè)置過(guò)多(約2.5 m/道)，拱部施工縫與邊墻施工縫不對(duì)縫，錯(cuò)開(kāi)約1 m，施工縫多且拱部與邊墻不對(duì)應(yīng)，隧道防水層失效，排水系統(tǒng)失效，導(dǎo)致襯砌表面及接縫處大面積滲漏水，冬季低溫時(shí)形成凍害；隧道未設(shè)置仰拱，底板混凝土強(qiáng)度等級(jí)低，在水的長(zhǎng)期浸泡下導(dǎo)致道床基礎(chǔ)強(qiáng)度不足；隧道內(nèi)未設(shè)置照明設(shè)施。

影響評(píng)價(jià)：隧道襯砌表面及接縫大面積滲漏水，冬季凍害嚴(yán)重，無(wú)砟軌道病害嚴(yán)重，已進(jìn)行過(guò)多次治理，但效果不明顯，對(duì)電氣化、運(yùn)營(yíng)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(wǎng)掛網(wǎng)高度要求，襯砌結(jié)構(gòu)狀態(tài)良好，改造方案應(yīng)本著盡量利舊的原則，對(duì)既有隧道凈空、襯砌進(jìn)行予以利用[7-13]。掛網(wǎng)前對(duì)襯砌背后脫空缺陷及施工縫滲漏水病害進(jìn)行治理，其余缺陷及病害在運(yùn)營(yíng)期間加強(qiáng)觀測(cè)，結(jié)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(yīng)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(jìn)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(yè)分兩次進(jìn)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(xì)水泥漿，水灰比為(0.6～0.8)：1，注漿壓力0.2～0.3 MPa，確?；靥蠲軐?shí)。

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(jìn)行回填，鉆孔深度穿過(guò)防水板至巖面處，注漿管布置及注漿參數(shù)同二次襯砌與防水板間脫空處理。

對(duì)于防水板以外，深度20 cm以上的脫空，先打設(shè)φ25 mm中空錨桿對(duì)缺陷襯砌進(jìn)行加固，錨桿布置間距1.0～1.5 m，長(zhǎng)度根據(jù)空洞深度確定，錨桿均設(shè)置墊板，墊板尺寸15 cm×15 cm，厚度0.8 cm。錨桿端頭及墊板應(yīng)進(jìn)行鍍鋅防銹處理，鍍鋅采用熱浸鍍，鍍鋅層平均厚度應(yīng)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(yīng)根據(jù)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?；靥罘謨纱芜M(jìn)行，第一次采用氣泡混合輕質(zhì)混凝土，干密度不大于400 kg/m3，抗壓強(qiáng)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(xì)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(jiàn)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(jìn)行處理[14-15]。首先鉆孔宜交叉布置在施工縫兩側(cè)，鉆斜孔穿過(guò)裂縫(或穿過(guò)襯砌結(jié)構(gòu)至止水帶迎水面)，安裝注漿管時(shí)，應(yīng)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(shí)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(cè)各20 cm范圍涂刷水泥基滲透結(jié)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(yīng)與第1層的涂刷方向相垂直，用量不應(yīng)小于1.5 kg/m2，厚度不應(yīng)小于2 mm。在施工縫內(nèi)表面鑿出深10 cm、內(nèi)大(10 cm)外小(8 cm)的倒梯形槽，槽長(zhǎng)度由裂縫起止點(diǎn)向外延伸10 cm，用毛刷刷凈槽內(nèi)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(cè)擠壓一層遇水膨脹膩?zhàn)訔l，外面采用環(huán)氧樹(shù)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(jié)晶型防水涂料至少涂刷2層。施工縫滲漏水處理見(jiàn)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(hào)隧道

本隧道軌上凈高不滿足接觸網(wǎng)掛網(wǎng)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(qū)間為雙線，改建施工期間可利用上行線作為過(guò)渡線路，本著“盡量利舊，節(jié)約投資”的原則，隧道改造采取封閉后原位擴(kuò)挖改建的方案，改建標(biāo)準(zhǔn)同新建單線隧道標(biāo)準(zhǔn)。

隧道建筑限界采用“隧限-2A”，不考慮大機(jī)養(yǎng)護(hù)作業(yè)。隧道明挖段采用整體式明洞襯砌，暗挖段采用復(fù)合式襯砌；拱墻設(shè)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(zhì)量不小于350 g/m2; 防水板與初期支護(hù)間設(shè)置環(huán)向φ50 mm排水盲管，兩側(cè)邊墻腳部設(shè)置φ100 mm縱向排水盲管，地下水發(fā)育地段設(shè)置豎向深埋碎石盲溝，洞內(nèi)設(shè)置貫通的φ400 mm中心深埋水溝，洞外設(shè)置深埋保溫暗溝及保溫出水口。環(huán)縱向盲管及豎向碎石盲溝直接接入中心深埋水溝，經(jīng)洞外深埋暗溝排出洞外，確保防水有效，排水暢通。

隧道擴(kuò)挖圍巖范圍及施工工序見(jiàn)圖5。

圖5 隧道改建擴(kuò)挖圍巖范圍及施工工序

3.3 土們嶺2號(hào)隧道

本隧道軌上凈空滿足接觸網(wǎng)掛網(wǎng)高度要求，采用利舊的改建方案。隧道地下水發(fā)育，襯砌病害嚴(yán)重，特別是滲漏水、凍害及無(wú)砟軌道病害對(duì)電氣化及運(yùn)營(yíng)安全影響大，接觸網(wǎng)掛網(wǎng)前對(duì)襯砌缺陷及病害進(jìn)行整治。經(jīng)綜合分析，除了襯砌自身存在不足外，隧道排水系統(tǒng)失效是產(chǎn)生以上眾多病害的根源。構(gòu)筑完善的防水和保溫排水系統(tǒng)是解決本隧道諸多病害問(wèn)題的關(guān)鍵。本隧道所處區(qū)間為雙線，改建施工期間可利用下行線作為過(guò)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(xiàn)狀凈空，隧道建筑限界以滿足接觸網(wǎng)掛網(wǎng)需要進(jìn)行確定，除局部?jī)舾卟粷M足要求地段對(duì)拱部進(jìn)行擴(kuò)挖外，原則上其余地段拱部與邊墻不再擴(kuò)挖圍巖。

(2)更換全隧隧底結(jié)構(gòu)，擴(kuò)挖后設(shè)置仰拱結(jié)構(gòu)，改建后隧道內(nèi)鋪設(shè)有砟軌道。

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

(4)地下水發(fā)育、綜合病害嚴(yán)重地段襯砌采取拆換處理的方案，拆換襯砌段采用復(fù)合式襯砌，襯砌防水及排水系統(tǒng)同土門嶺1號(hào)隧道改建標(biāo)準(zhǔn)。

(5)原錨噴襯砌段增設(shè)二次襯砌及襯砌背后防排水設(shè)施。

(6)其余地段對(duì)拱墻襯砌予以利舊，掛網(wǎng)前完成病害治理。

4 結(jié)論與建議

長(zhǎng)圖線長(zhǎng)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(jiàn)的3種類型，通過(guò)對(duì)本線隧道改造方案的研究，得出以下結(jié)論與建議。

(1)老舊隧道電氣化改造方案的研究，應(yīng)本著確保施工、運(yùn)營(yíng)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(yīng)在對(duì)隧道資料充分研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較后確定。

(2)項(xiàng)目勘測(cè)前應(yīng)對(duì)隧道竣工資料、大修資料、限界資料及病害資料等進(jìn)行收集，初步了解隧道現(xiàn)狀，制定勘測(cè)方案。勘察期間通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)病害調(diào)查檢測(cè)、斷面凈空測(cè)量、襯砌缺陷檢測(cè)等方式充分收集隧道相關(guān)信息，并對(duì)病害進(jìn)行分級(jí)，評(píng)估隧道狀態(tài)。

(3)隧道病害整治方案應(yīng)建立在對(duì)既有隧道現(xiàn)狀充分了解，對(duì)襯砌缺陷、病害原因進(jìn)行透徹分析的基礎(chǔ)上，找到問(wèn)題的癥結(jié)，對(duì)癥下藥。

(4)對(duì)于凈空不滿足電氣化要求的隧道，應(yīng)綜合考慮施工過(guò)渡方案、施工風(fēng)險(xiǎn)、運(yùn)營(yíng)安全，經(jīng)比較后確定改建方案。對(duì)于具備施工過(guò)渡條件的隧道，盡量采用封鎖后原位擴(kuò)挖改建的方案，盡可能多利用既有凈空、設(shè)備，降低工程投資。

(5)對(duì)于凈空滿足電化要求的隧道，應(yīng)盡量利舊。對(duì)影響電氣化掛網(wǎng)、隧道結(jié)構(gòu)和運(yùn)營(yíng)安全的缺陷和病害進(jìn)行整治，其余缺陷及病害在運(yùn)營(yíng)期間加強(qiáng)觀測(cè)，結(jié)合日常維修處理。

(6)日常維修過(guò)程中，應(yīng)特別重視含泥砂的滲漏水點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)后應(yīng)及時(shí)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(yùn)營(yíng)安全。