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(yùn)營(yíng)安全。為此，文章結(jié)合西南地區(qū)鐵路建設(shè)施工經(jīng)驗(yàn)，從設(shè)計(jì)、施工各環(huán)節(jié)較為全面地總結(jié)了以上四種隧道病害產(chǎn)生的主要原因，并提出了針對(duì)不同程度病害的整治措施和預(yù)防建議，相關(guān)成果可為鐵路隧道的設(shè)計(jì)、施工提供參考。

【關(guān)鍵詞】隧道病害; 裂縫; 脫空; 滲水

【中圖分類號(hào)】U457+.2【文獻(xiàn)標(biāo)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(shè)，我國(guó)鐵路運(yùn)營(yíng)里程達(dá)到14.6×104 km。在我國(guó)近些年的鐵路開通項(xiàng)目中，隧道襯砌開裂、滲水等現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，不僅降低了混凝土的耐久性和隧道內(nèi)各種設(shè)施的功能，惡化了隧道內(nèi)的環(huán)境，而且嚴(yán)重影響隧道的正常運(yùn)營(yíng)安全。目前，我國(guó)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(jù)25座隧道襯砌結(jié)構(gòu)縱向裂縫統(tǒng)計(jì)樣本，建立隧道襯砌結(jié)構(gòu)縱向裂縫統(tǒng)計(jì)樣本與成因變量的列聯(lián)表，并對(duì)其進(jìn)行矩陣規(guī)范化處理，分析隧道襯砌縱向開裂的主要成因;劉子陽(yáng)等人[2]依托六盤山隧道，充分利用天窗時(shí)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(tǒng)計(jì)分析了高鐵隧道復(fù)合襯砌脫空分布和特性，并總結(jié)了圍巖條件與脫空深度、長(zhǎng)度之間關(guān)系;龔成明[4]等人簡(jiǎn)述了拱頂脫空的危害、常規(guī)處理方法，并提出了一種能有效預(yù)防脫空的帶模及時(shí)注漿工藝，但目前關(guān)于隧道病害整治研究的文獻(xiàn)較為零散，多是基于具體工程案例的整治方案。為此，文章結(jié)合西南地區(qū)鐵路建設(shè)施工經(jīng)驗(yàn)，較為全面地總結(jié)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(chǎn)生的主要原因，提出了針對(duì)不同程度病害的整治措施，相關(guān)成果對(duì)隧道的設(shè)計(jì)、施工具有一定的經(jīng)驗(yàn)借鑒作用。

1 襯砌裂縫

隧道襯砌裂縫根據(jù)產(chǎn)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(dǎo)致的裂縫，荷載性裂縫是襯砌混凝土受外力作用產(chǎn)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(chǎn)生的應(yīng)力大于混凝土的抗拉強(qiáng)度而引起的裂縫，也是目前隧道裂縫中數(shù)量最多的一種裂縫，一般延伸距離不長(zhǎng)，裂縫發(fā)展初期對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)受力影響不大，主要表現(xiàn)為環(huán)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(shè)置裂縫觀測(cè)標(biāo)，觀測(cè)確認(rèn)裂縫發(fā)展情況。

（2）裂縫變形穩(wěn)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(huán)氧砂漿壓實(shí)固管（圖1）;隨后采用環(huán)氧樹脂進(jìn)行封縫，由裂縫兩端向裂縫中部注漿，無水裂縫采用環(huán)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(jié)后沿縫涂環(huán)氧樹脂一遍。

（3）對(duì)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(shí)騎縫錨桿采用22 mm砂漿錨桿，襯砌后為軟質(zhì)巖、有水、有空洞或回填不密實(shí)時(shí)，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(zhǎng)3.5 m，沿裂縫兩側(cè)交錯(cuò)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(duì)高地壓（塑性地壓、膨脹性地壓）、偏壓、凍脹作用等處理不當(dāng)造成外部荷載大于襯砌結(jié)構(gòu)自身的承載能力而產(chǎn)生的裂縫，主要表現(xiàn)為縱向裂縫或斜向裂縫，具有延伸距離長(zhǎng)，裂縫深度大的特點(diǎn)，對(duì)結(jié)構(gòu)安全構(gòu)成較大隱患，原則上應(yīng)采取拆換重建的方式?？筛鶕?jù)具體部位、嚴(yán)重程度、地質(zhì)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(shí)間緊張的營(yíng)運(yùn)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(tái)車拆模過早，襯砌混凝土強(qiáng)度不足，在端頭失去約束和受到相鄰襯砌混凝土澆筑時(shí)擠壓的條件下產(chǎn)生的裂縫（圖4）。襯砌端頭月牙形裂縫在列車活塞風(fēng)及混凝土劣化的共同作用下，極易造成掉塊，嚴(yán)重影響行車安全。對(duì)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(duì)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(jīng)初凝后，后澆筑混凝土繼續(xù)澆筑，使前后混凝土連接處出現(xiàn)的一種軟弱結(jié)合面。處理措施：施工冷縫位于拱部需進(jìn)行拆換處理;位于邊墻處有滲水，先處理滲水，再設(shè)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(jìn)行封縫處理。

2 襯砌脫空

襯砌脫空產(chǎn)生的原因較多，主要可以分為以下8類：

（1）襯砌臺(tái)車設(shè)計(jì)或制作的剛度、強(qiáng)度、外模板厚度不足，在澆筑和振搗過程中發(fā)生臺(tái)車變形而引起脫空。

（2）由于防水板掛設(shè)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(diǎn)，造成防水板成為阻止拱部混凝土流動(dòng)填充的“軟墻”[7]。

（3）由于防水板掛設(shè)松弛過度、余量大，形成褶皺，造成襯砌脫空。

（4）混凝土未嚴(yán)格逐倉(cāng)、分層澆筑，在振搗和混凝土流動(dòng)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(shù)量不足就終止了拱頂注漿。

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

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

處理措施：脫空引起的襯砌實(shí)際厚度與設(shè)計(jì)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(nèi)。當(dāng)注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)終壓并穩(wěn)定5 min以上，吸漿量很少或不吸漿時(shí)即可結(jié)束注漿;襯砌實(shí)際厚度與設(shè)計(jì)厚度比小于80 %時(shí)，需采用拆換措施整治，襯砌拱部存在局部欠厚參照?qǐng)D5進(jìn)行拆換整治，襯砌邊墻存在局部欠厚參照?qǐng)D6進(jìn)行拆換整治。

襯砌拆除前，應(yīng)先對(duì)拆除段前后襯砌臨時(shí)加固;拆除襯砌時(shí)，邊緣先采用切割工藝切割到位，再鑿除襯砌混凝土，減少對(duì)拆換范圍以外襯砌產(chǎn)生擾動(dòng)破壞，襯砌拆除應(yīng)采取縱向分段跳槽方式，Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖每次拆除長(zhǎng)度不超過3 m，Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖每次拆除長(zhǎng)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(jié)構(gòu)被破壞，造成地下水通過施工縫進(jìn)入隧道內(nèi)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(yīng)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(dòng)混凝土塊。

（2）復(fù)合式膨脹橡膠條大端向內(nèi)置于槽底，其兩側(cè)應(yīng)與槽壁密貼，采用環(huán)氧砂漿封閉，將水引至側(cè)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(shí)，病害整治重點(diǎn)是降低拱部水量、水壓?？稍谡未胧佗诤?，通過邊墻徑向打孔排水泄壓，將地下水引排至槽道及側(cè)溝（圖9）。同時(shí)，在拱部120 °范圍內(nèi)施做V型槽，采用M20膨脹螺栓進(jìn)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(fù)作用下，底板滲水會(huì)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(jìn)行劃分，底板滲水原因主要有以下4種：

（1）澆筑混凝土?xí)r，相鄰兩段側(cè)溝電纜槽之間的施工縫未鑿毛、刷界面劑，形成滲水通道。側(cè)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(huán)向、縱向盲管出水口（ 圖13、圖14中0位置）在澆筑混凝土?xí)r被堵塞，排水沿施工縫經(jīng)A→B→C或A→F→D路徑滲入道床底部。

整治步驟如下：①對(duì)道床底板滲水段落側(cè)溝、中心水溝、橫向引水管進(jìn)行疏通，保持隧道排水通暢;②在積水段找平層下30 cm增設(shè)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(cè)溝底部進(jìn)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(jìn)行無砟道床整治。對(duì)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(guī)則（試行）》的離縫傷損修復(fù)辦法，采用低壓注漿修補(bǔ)材料進(jìn)行修復(fù)。同時(shí)采用鉆孔植筋的辦法，加強(qiáng)道床板與隧道結(jié)構(gòu)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(guó)鐵路建設(shè)者已經(jīng)積累了一套較為有效的技術(shù)體系，但歸根到底，也只是一種補(bǔ)救措施，隧道病害整治需要投入的時(shí)間、經(jīng)濟(jì)成本是設(shè)計(jì)、施工階段的數(shù)倍。提高鐵路隧道建設(shè)質(zhì)量水平，需要從設(shè)計(jì)、施工源頭上進(jìn)行優(yōu)化完善，才能徹底解決隧道病害問題。結(jié)合鐵路建設(shè)經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)文獻(xiàn)成果，提出以下建議：

（1）對(duì)于非荷載性裂縫，要加強(qiáng)襯砌澆筑后的養(yǎng)護(hù)，通過降低水化熱和加速散熱，控制混凝土溫度變化;同時(shí)，要提高初支平整度，特別是在圍巖完整的Ⅱ、Ⅲ級(jí)段落，減少初期支護(hù)及背后圍巖對(duì)襯砌的約束[5]。對(duì)于荷載性裂縫，要從勘察設(shè)計(jì)源頭進(jìn)行優(yōu)化，合理確定各階段勘察設(shè)計(jì)周期，加密地質(zhì)勘探孔，提高對(duì)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造的判識(shí)水平。針對(duì)受構(gòu)造影響嚴(yán)重、高地應(yīng)力等地質(zhì)復(fù)雜長(zhǎng)大隧道，應(yīng)結(jié)合地質(zhì)特征適當(dāng)降級(jí)修正隧道圍巖分級(jí)，提出較適應(yīng)的支護(hù)措施。

（2）重視中埋式止水帶。中埋式止水帶是隧道防水結(jié)構(gòu)的最后一道防線，施工過程中質(zhì)量控制難度大，易發(fā)生偏移、跑位、被破壞等現(xiàn)象，一直是隧道施工的頑疾，造成以上結(jié)果的原因不僅有現(xiàn)場(chǎng)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(shè)計(jì)者重視。

（3）優(yōu)化排水設(shè)計(jì)。隧道富水段落，應(yīng)根據(jù)開挖揭示地質(zhì)水文情況，動(dòng)態(tài)調(diào)整排水設(shè)計(jì)方案，充分考慮施工因素對(duì)排水能力的折損，預(yù)留足夠的排水富余量;采用深埋中心水溝，將水溝設(shè)于仰拱下方，防止隧道底部出現(xiàn)承壓水[10];加深隧道側(cè)溝有效過水高度，避免側(cè)溝水流通過施工縫流入道床板底部。

（4）預(yù)防襯砌脫空，需從控制防水板鋪設(shè)松弛度，混凝土澆筑等多方面入手，但其核心仍是加強(qiáng)施工現(xiàn)場(chǎng)過程管理，強(qiáng)化標(biāo)準(zhǔn)化管理，大力推行隧道施工機(jī)械化水平，最大限度地減少人為因素的影響。

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[定稿日期]2021-03-02

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