既有鐵路隧道襯砌病害檢測與整治措施

朱 旺， 馮 超， 趙海霖

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室, 四川成都 610031)

隨著我國鐵路運營里程的增加，隧道保有量十分巨大[1]，隨著時間的推移，隧道的病害問題逐漸浮現(xiàn)，嚴重影響了行車安全，不斷地開展相關研究有著很強的現(xiàn)實意義與必要性。隧道出現(xiàn)病害的機理主要有以下體現(xiàn)。首先，從襯砌受力的角度分析，外荷載作用到襯砌結構上，造成襯砌結構出現(xiàn)裂縫，主要的原因就是在列車荷載與圍巖劣化作用下，圍巖產(chǎn)生了較大的松動荷載，超過了襯砌結構的材料強度[2]。由溫度，收縮，沉降等因素引起的結構次應力，對于隧道襯砌也有不利影響[3]。其次，從外部層面分析，致使隧道出現(xiàn)病害也是復雜的。其一，從地質層面分析，由于圍巖較差、節(jié)理發(fā)育、溶洞集中出現(xiàn)，從而對于運營期隧道產(chǎn)生不利影響。其二，施工過程中，施工技術工藝不到位，襯砌結構厚度不足，背后存在空洞也不利于隧道的耐久性[4]。并且諸如“二襯緊跟”等不合理的施工理念在施工中引入，使得圍巖壓力沒有有效釋放，襯砌結構在高應力狀態(tài)工作，也使得后期出現(xiàn)相應的病害。

1 工程概況

某鐵路隧道為客貨共線，全長211 m。旅客列車設計行車速度160 km/h雙線隧道，軌道類型為重型，鋪設碎石道床。隧址為殘丘剝蝕地貌，地形起伏不大。洞身主要通過泥巖、泥巖夾砂巖，強風化層厚1～6 m，巖層緩傾，地質構造簡單，無不良地質和特殊巖土。隧區(qū)地下水主要為基巖裂隙水，不發(fā)育，地下水對混凝土結構無腐蝕性。除進口明洞段采用明挖施工外，其余段采用新奧法施工，各級圍巖及施工方法如下：Ⅲ級圍巖地段：采用分部開挖，錨噴支護；Ⅳ級圍巖地段：采用中壁法開挖；Ⅴ級圍巖地段：采用中壁法施工。隧道在運營期內，出現(xiàn)了大量地裂縫，危機行車安全，因此基于實際，對于隧道進行病害檢測，針對性地進行整治措施分析。

2 檢測方法

采用地質雷達無損檢測方法對隧道襯砌厚度及背后缺陷進行檢測[5]，基于現(xiàn)場觀測，對于隧道襯砌表面裂縫及施工間隙縫進行統(tǒng)計。

2.1 地質雷達無損檢測

2.1.1 檢測原理

地質雷達法是一種利用高頻電磁波束的反射來探測地質目標的電法勘探方法。最先接收到由發(fā)射天線經(jīng)天線所在襯砌表面到達接收天線的直達波，該波可作為系統(tǒng)時間的零點。通過對反射波信號進行一系列的后處理后，根據(jù)反射波的強度、形狀及其在縱向和豎(環(huán))向上的變化情況來判別反射目標的性質如襯砌背后空洞及不密實等。

2.1.2 測線布置

根據(jù)規(guī)范及工程實際情況，檢測時沿隧道縱向布置7條測線，位置分別為：拱頂，左、右拱腰，左、右拱腳，左、右邊墻(圖1)。在現(xiàn)場利用軌道車以小于5 km/h的車速沿所布設的測線進行檢測，根據(jù)檢測結果，在有空洞等缺陷的部位布設橫向測線進行網(wǎng)格檢測，以探明空洞的范圍。

圖1 測線布置示意

2.2 現(xiàn)場病害檢測

利用天窗時間，進行隧道襯砌表面的病害統(tǒng)計，對于裂縫以及施工間隙縫等病害進行統(tǒng)計分析。

3 隧道病害情況

根據(jù)地質雷達檢測結果，分析隧道現(xiàn)場實際病害，該隧道主要的病害情況為，襯砌背后存在較多的空洞，裂縫，施工間隙縫。

3.1 襯砌背后空洞

該隧道襯砌背后出現(xiàn)較多的空洞，共檢測出襯砌背后空洞14處，如表1所示，缺陷長度共計25.5 m，占測線長度的2.01 %。

表1 襯砌背后空洞統(tǒng)計表

3.2 襯砌裂縫

目前存在多處裂縫處，對結構有影響的裂縫：拱頂處裂縫有14處，斜向裂縫有9處(圖2)，施工間隙縫共79處，在拱腰附近連續(xù)分布，分布區(qū)域如圖2所示。

圖2 隧道裂縫示意

4 襯砌病害原因

該隧道全隧拱頂兩側對稱分布有施工間隙縫，拱頂位置分布有5處較長的縱向裂縫，以及數(shù)十條環(huán)，縱向裂縫，襯砌背后局部存在脫空，脫空主要存在與左拱腰附近位置。結合實際，主要有以下原因。

(1)隧道施工中由于混凝土襯砌澆筑時混凝土供應不及時或停電等原因，造成整板襯砌混凝土澆筑不連貫，間隔時間過長，從而形成施工間隙縫。

(2)圍巖中泥巖在水的作用下發(fā)生劣化及襯砌存在質量缺陷，導致襯砌不能滿足受力要求以及壓力變化而出現(xiàn)開裂。

(3)施工過程質量控制以及監(jiān)督不到位，存在超挖的現(xiàn)象，從而出現(xiàn)背后襯砌脫空。

5 整治設計方案

隧道襯砌病害，主要基于經(jīng)驗開展類比設計，主要遵循不侵限、保證軌道走行安全、襯砌的穩(wěn)定性等原則，并且在整治過程中，盡量利用既有襯砌結構[6]，并且考慮到既有線路的行車問題，使得整治措施應用對既有線的安全和行車影響要降至最低。

5.1 拱部對稱整治措施

考慮到全隧主要病害為拱頂有縱向裂縫、兩條或以上對稱于拱頂分布的縱向裂縫、以及大面積分布的施工間隙縫，故全隧均采用拱部對稱整治措施：拱頂至水溝鉛垂投影線向兩側外放50 cm范圍用植筋、鋼筋網(wǎng)、錨桿、噴纖維混凝土對襯砌裂損進行補強[7](圖3)。

圖3 拱部對稱整治示意

縱、環(huán)向間距50 cm呈梅花形進行植筋，將植筋膠的A、B組份按20∶1比例混合攪拌至完全均勻，用鋼制刮刀或其他工具上膠；將云石膠和固化劑的配比量控制在10∶1范圍內，現(xiàn)場試驗以調整配方，使其在10 s內凝膠，5 min左右完全固化，植筋施工如圖4所示。

圖4 植筋示意(單位:mm)

對襯砌表面進行鑿毛，見新面不小于噴混凝土面50 %，并清洗干凈，鋪設φ6、間距10 cm的鋼筋網(wǎng)。縱環(huán)向間距200 cm，在補強區(qū)域設置錨桿，噴6 cm聚丙烯纖維混凝土。錨網(wǎng)噴襯砌內表面與既有襯砌結合處，應平滑過渡，避免出現(xiàn)尖角(圖5)，施作完噴混凝土，并在混凝土初凝后，終凝前用鋼刷收面。

5.2 騎縫錨桿整治措施

全隧采用拱部對稱整治措施的同時，邊墻部位的裂縫同樣影響隧道襯砌結構的安全性，故采用騎縫錨桿加固措施，對隧道大跨以上長度大于5 m或寬度大于1 mm的單條縱、斜向裂縫和錯臺小于0.5 mm的錯臺裂縫進行整治(圖6)。

圖5 襯砌內表面接頭局部放大示意(單位:mm)

圖6 騎縫錨桿整治措施

采用L=3.0 m、φ28中空注漿錨桿加固，錨桿沿裂縫兩側交錯布置，距離裂縫2倍襯砌厚度，沿裂縫走向間距1.5 m。加固前應考慮錨桿及噴混凝土施作后是否侵界，若侵界，應鑿除部分襯砌結構表面，灌漿材料采用水泥漿，水灰比控制在0.38～0.43，并摻入FDN減水劑[8]。值得注意的是，縱向裂縫應用騎縫錨桿整治措施中，已經(jīng)施作的錨桿與全隧進行拱部對稱整治措施中，所施作的錨桿出現(xiàn)位置重復的情況，進行錨桿共用，不必要重新進行錨桿施作。

5.3 襯砌背后空洞注漿整治措施

根據(jù)檢測結果，該隧道襯砌背后存在空洞以及不密實的情況，對于襯砌背后空洞進行注漿，提升襯砌結構的安全性，如圖7、圖8所示。采用間歇式無收縮漿材回填灌漿，當空洞深度小于等于40 cm時。注漿采用鋼管或中空錨桿或PVC管進行，注漿管的長度根據(jù)脫空深度確定，鉆孔后須清孔，然后埋設注漿管、排氣管，孔徑均為42 mm，排氣管可以作為后續(xù)注漿；注漿孔個數(shù)根據(jù)空腔大小具體確定，按間距2.0 m進行設置，當注漿范圍較小時，注漿孔、觀察孔及排氣孔的分布尺寸應視情況調整，一次性填充；當空洞深度大于40 cm時，采用分層灌漿[9]。

圖7 橫向注漿位置示意

圖8 縱向注漿位置示意

灌漿前應進行灌漿試驗，調整灌漿參數(shù)，灌漿時記錄灌漿位置、灌漿量及灌漿壓力等，注漿量以漿液至最高排氣孔(溢漿管)自溢為結束條件[10]，灌漿完成后對預留灌漿孔進行封閉。

5.4 施工間隙縫整治措施

根據(jù)檢測結果，全隧道分布大量的施工間隙縫，大多處于拱部，應用上文所述的拱部對稱整治措施進行整治，對于處于邊墻的施工間隙縫，采用水泥基結晶滲透型防水涂料進行涂刷，在裂縫兩邊各約50 cm范圍內涂刷水泥基結晶滲透型防水涂料(圖9)。

圖9 涂料涂刷示意(單位:mm)

5.5 裂縫封堵措施

對于未施作騎縫錨桿的襯砌裂縫，考慮其主要為混凝土干縮等因素引起的[11]，寬度與深度較小，對于襯砌結構受力影響不大，因此主要采用裂縫封堵措施(圖10)，防止襯砌劣化，出現(xiàn)滲漏水的現(xiàn)象[12]。

圖10 裂縫封堵示意(單位:mm)

沿裂縫的兩邊各打磨10 cm寬,除去混凝土表面雜物,以免影響注漿嘴的粘貼及封縫效果，沿裂縫開口向兩邊清洗,以保證縫口敞開無雜物，規(guī)則裂縫按間距30～50 cm布嘴,不規(guī)則裂縫的交叉點及端部均布置注漿嘴。用SKD803將底座粘于注入口上，之后采用SKD803直接封閉裂縫，最后進行灌漿。在灌漿的過程中，采取多點同步灌注方式，由下至上，由一側向另一側，從寬至窄的順序逐步推進進行灌漿。施工中采用穩(wěn)壓慢灌，待鄰孔出漿時，關閉并結扎管路，繼續(xù)進漿，一直到整個縫面都灌滿漿液為止。

6 結論

本文實際，利用地質雷達檢測，人工觀測統(tǒng)計方法，對于隧道病害，原因，以及整治措施進行了分析，主要得到以下結論：

(1)該隧道襯砌背后空洞集中分布于左拱腰附近，且全隧存在施工間隙縫，施工間隙縫分布在作用拱腳位置，在邊墻處也有分布，存在裂縫有62處，其中拱頂處裂縫有14處；斜向裂縫有9處，對于隧道結構影響較大。

(2)該隧道出現(xiàn)病害的主要原因有兩方面。其一，隧道圍巖在列車荷載以及地下水作用下劣化，產(chǎn)生了較大的松動荷載，使得拱頂區(qū)域有著較多，較長的縱向裂縫出現(xiàn)。其二，隧道施工過程中，質量管理不到位，超挖嚴重，二襯混凝土澆筑不連續(xù)，出現(xiàn)了空洞與連續(xù)分布的施工間隙縫。

(3)隧道施工質量存在較大問題，而在拱頂卻沒有發(fā)現(xiàn)空洞，按照空洞出現(xiàn)的一般規(guī)律，出現(xiàn)頻率為拱頂>拱腰>拱腳>邊墻[13]，可以分析拱部圍巖劣化嚴重，出現(xiàn)了一定的坍塌，因此進行拱部對稱整治措施，提升二襯結構的承載能力是必要的。

(4)基于施工經(jīng)驗，采用了類比設計法，設計了整治措施。隧道在整治過程中，主要進行拱部對稱整治受挫時，在全隧道進行拱部對稱整治騎縫錨桿整治措施，襯砌背后空洞注漿整治措施，施工間隙縫整治措施與裂縫封堵措施應用，能夠有效地對隧道結構進行補強。