西南地区铁路隧道衬砌病害分析

2010-05-08邓德华田冬梅

铁道建筑 2010年5期

黄波，邓德华，元强，郑斌，田冬梅

(1.中南大学土木建筑学院，长沙 410075;2.福州大学土木建筑学院，福州 350108)

0 引言

随着我国西部大开发的不断推进，西南地区的铁路建设正处于一个快速发展时期。西南地区山脉绵延，峻岭叠峦，铁路隧道众多。经调研发现，该地区既有铁路隧道衬砌结构均出现了不同程度的粉化、剥落、开裂和强度下降等劣化现象，对列车运营安全造成重大隐患。为保证未来新建铁路隧道的长期服役性能，减少维护成本，保证运营安全，迫切需要解决西南地区铁路隧道衬砌结构的耐久性问题。首先必须把握西南地区铁路隧道衬砌的主要病害类型及其机理。为此，以西南地区铁路隧道衬砌病害调研资料为基础，归纳总结出该地区铁路隧道衬砌的主导病害类型及其危害，并对其进行特征描述与原因分析，为西南地区铁路隧道衬砌结构与材料研究工作的深入开展提供依据，同时对类似地区隧道建设中衬砌结构与材料设计也具有借鉴作用。

1 调查说明

所调研隧道的地质条件在西南地区较有代表性，它穿过富含侵蚀性盐类的盐渍土地区，围岩较差，岩层主要为红砂岩、泥质粉砂岩等。调研的目的是为了确定西南地区铁路隧道衬砌的主导病害类型，笔者选择了衬砌病害具有代表性的成昆线法拉隧道和碧鸡关隧道进行了重点调研。

2 调研隧道概况

成昆线法拉隧道全长1 532 m，隧道通过盐渍土地段。

成昆线碧鸡关隧道全长2 282.07 m，地质条件:进洞后是玄武岩细压碎粒状带，大部穿过砂页岩互层;玄武岩、砂页岩软硬变化均交替频繁，个别地带风化破碎，极易坍塌;地下裂隙水比较发育。

两隧道衬砌病害情况见表1。

3 衬砌病害类型、危害及机理分析

虽然所调研隧道在结构与材料方面均存在差异，但其衬砌的主要病害形式与特征具有相似性。通过现场调研与资料统计，其主导病害类型归结为以下六类:①衬砌表层混凝土剥落;②衬砌渗漏水;③排水孔翻浆;④衬砌裂损;⑤衬砌表层混凝土粉化;⑥修补喷射混凝土泥质化。

3.1 衬砌表层混凝土剥落

所调研隧道在某些地下水丰富地段，衬砌临空面表层混凝土出现多层剥落掉块，隧道拱部混凝土剥落掉块严重影响了列车的行车安全。对隧道内地下水取样分析发现其中富含硫酸盐(硫酸根离子含量高达3 378 mg/L)，该类侵蚀性环境水扩散、渗透至衬砌混凝土内部，在混凝土内部出现结晶现象，在结晶压的作用下，表层混凝土发生剥落，衬砌厚度逐渐减小，抗裂性能逐渐降低，隧道安全储备得不到保证。

表1 调研隧道衬砌病害及整治概况

侵蚀性环境水通过渗漏到达衬砌临空面后，由于隧道内自然风、活塞风以及温度变化等的共同作用，表层混凝土孔隙中的盐溶液(环境水)有可能产生过饱和现象，盐晶体将在混凝土孔隙中析出。随着环境水的不断渗入，表层混凝土出现干湿循环过程，混凝土孔隙中盐晶体将不断富积和长大，从而产生盐结晶膨胀，形成结晶压，最终导致表层混凝土发生盐结晶破坏［1］。表层剥落后的衬砌骨料暴露，表面凹凸不平，增大了临空面表面积，在硫酸盐环境水存在的条件下进一步加速了结晶破坏的进程，形成恶性循环。

图1 隧道衬砌表层混凝土剥落物及结晶物微观分析

对现场表层剥落混凝土取样并做微观分析进一步证实了上述的观点。如图1所示，图中给出了现场表层混凝土剥落物及结晶物的典型照片和微观测试照片，从中可以看到，剥落的混凝土中出现了盐的结晶体，微观分析表明，主要是硫酸钠盐的结晶及腐蚀产物。

3.2 衬砌渗漏水

所调研隧道衬砌出现大面积渗漏水现象，严重恶化了洞内行车环境，影响一些技术设备的正常使用。其主要危害有:①在电力牵引区段，拱部漏水会造成接触网跳闸、放电漏电，影响安全运营。②在严寒季节，隧道漏水会造成边墙结冰、拱部挂冰，侵入限界，影响隧道正常运营。还会造成衬砌冻胀裂损和洞内线路冻胀起伏不平等病害。③在洞内线路排水不良地段，造成土质和软岩地基的基床翻浆冒泥，整体道床下沉裂损病害，影响列车运营安全，增加养护维修工作量。④洞内漏水潮湿，降低轮轨黏着力，加速钢轨扣件和管线的锈蚀，加速木枕和胶垫腐朽，缩短线路设备使用寿命。⑤西南地区大量隧道所处环境水中含有侵蚀性介质，造成衬砌混凝土受腐蚀，降低衬砌的支承能力，增加大维修费用。

造成所调研隧道衬砌渗漏水严重的原因主要有以下几方面:①除地下水丰富外，还有隧道防排水考虑不周全，对衬砌结构防蚀、耐冻、抗渗也未作专项设计等。隧道修建后，将成为所穿过山体附近地下水集聚的通道。当隧道的防排水设备不完善时，必然发生隧道漏水病害。②隧道穿过含水的地层。所调研隧道某些地段穿过砂类土和泥质粉砂岩等含水地层;某些地段穿过泥岩、泥质粉砂岩与石膏岩互层等可溶性岩层，并有充水的溶洞、暗河等与隧道相连通。③隧道衬砌综合防排水措施不完善。所调研隧道建于上世纪60年代，衬砌采用一次性施作，未采用止水板对衬砌进行防水处理，致使隧道衬砌直接暴露于侵蚀性承压水环境中。④衬砌自身防水性能不良。衬砌混凝土设计强度等级仅为C15左右，且施工质量较差，孔隙裂缝多，自身防水能力差;混凝土的工作缝、伸缩缝、沉降缝等接缝处理不当，未做好防水处理;衬砌变形、开裂后渗漏水。⑤隧道防排水设施年久失效。如衬砌背后的暗沟、盲沟，排水孔等，年久失修阻塞。

3.3 排水孔翻浆

所调研隧道多处可见排水孔出现翻浆现象，除了影响隧道衬砌表面的美观外，更重要的危害在于:随着原岩和土随环境水的流失，衬砌背面容易形成溶洞，影响到原岩的整体稳定，对隧道洞身的安全造成隐患。另外，溶洞的形成也会引起地下水的汇集，形成恶性循环，同时侵蚀性环境水的汇集也会加速对衬砌混凝土的侵蚀破坏。

为探究排水孔翻浆是否因为环境水对衬砌混凝土的溶蚀，对红色物质取样进行了微观分析，分析表明红色物质中含有大量Fe(OH)3胶体(图2)，为泥状胶结结构的红砂岩受环境水长期侵蚀后呈现渣状、泥状崩解，并随环境水沿排水孔流出后的堆积物。

图2 隧道排水孔翻浆处红色物质微观分析

笔者认为，除了地下水比较丰富外，造成调研隧道排水孔翻浆的原因有以下几点:①隧道未埋设排水软管，直接采用大孔径排水孔排水，造成衬砌背面原岩和土随地下水沿排水孔排出。②某些排水孔翻浆地段围岩类别较低，围岩成泥砂状或为黏土类，易被流动的地下水冲刷。③某些排水孔翻浆地段原本围岩类别较高，但在环境水的长期浸泡和侵蚀下逐渐泥质化，并随环境流水沿排水孔排出。

3.4 衬砌裂损

相关资料显示，所调研隧道在运营期间出现过不同程度的衬砌裂损现象，衬砌裂损是隧道病害的主要形式之一［2］。隧道衬砌裂损破坏了隧道结构的稳定性，降低了衬砌结构的安全可靠性，影响隧道的正常使用，甚至危及行车安全。衬砌裂损的主要危害有:

1)降低衬砌结构对围岩的承载能力;

2)拱部衬砌掉块，影响行车和人身安全;

3)裂缝漏水，造成洞内设施锈蚀，道床翻浆，严寒季节产生冻害;

4)导致道床和仰拱破损，基床翻浆、线路变形、危及列车运营安全，大量增加养护维修工作量;

5)在运营条件下对裂损衬砌进行大修整治，施工与列车运营互相干扰，费用增大。

衬砌裂损的发生多是由于隧道通过岩体破碎地段或断层破碎带地段，围岩的形变压力、松动压力作用、腐蚀性介质作用、运营车辆的循环荷载作用等(环境外力因素);或是衬砌厚度不足、支护结构强度不够、无仰拱、防排水体系不完善等(设计施工因素)。其中环境外力因素是引起西南地区隧道衬砌开裂变形的主要原因。

所调研隧道历次的维修加固采用了钢筋网喷C20混凝土及素喷C20混凝土等措施，衬砌开裂基本得到控制。

3.5 衬砌表层混凝土粉化

所调研隧道大面积衬砌表层混凝土结构疏松、强度偏低，经过现场分析及取样分析，将其定性为衬砌表层混凝土粉化。

衬砌表层混凝土粉化导致表层混凝土结构疏松、强度偏低，使得侵蚀性环境水、CO2等有害介质更易侵入，形成恶性循环;同时又减小了衬砌的有效厚度，降低了衬砌的有效承载力，使得衬砌更易开裂变形，对隧道结构的安全构成威胁。

导致衬砌表层混凝土粉化的发生主要原因有三方面:

1)衬砌混凝土浇筑后养护不当，施工早期水分散失过快，形成大量的水孔，表层的水泥得不到足够的水分进行水化，因而表层混凝土的结构疏松，强度偏低。

2)雨季衬砌表面流水的溶蚀作用。雨季衬砌渗漏水较严重的地段，衬砌混凝土表面流水会将水泥水化产物中可溶性的离子、骨料中的可溶性物质等带走，使表层混凝土结构变得疏松。同时，水泥水化产物中可溶性Ca2+的流失亦会导致水化产物的转化［3］，降低固化水泥浆体的密实性。

3)发生碳硫硅钙石型硫酸盐侵蚀(TSA)［4-6］，TSA不同于通常所说的硫酸盐侵蚀模式，它所侵害的目标是硬化水泥基材料中的水化硅酸钙C-S-H，而C-S-H是碳硫硅钙石形成反应的主要反应物。众所周知，C-S-H是硅酸盐水泥的主要胶凝物质，而碳硫硅钙石已被证明是一种松软而无胶结能力的物质。因此，TSA的主要劣化形式是使坚硬的水泥硬化体或其他硅酸盐凝胶体转变成柔软、无胶结力的物质，从而导致衬砌混凝土的结构破坏和强度损失。

图3为调研隧道衬砌粉化区提取物微观分析照片，粉化区混凝土表面出现了一层糊状物质，基本无黏结性，从SEM、EDS、XRD测试分析图谱可知，形成了碳硫硅钙石、石膏、钙矾石等化学产物，混凝土内部水化产物发生转变，微观结构发生了劣化。

3.6 修补喷射混凝土泥质化

所调研隧道多处采用了喷射混凝土封堵衬砌渗漏水，在侵蚀性环境水的浸泡下，喷射混凝土完全失去了胶结强度，呈现泥质化。

图3 衬砌粉化处提取物微观分析

修补喷射混凝土泥质化会导致其结构松散，降低其与原衬砌表面的黏结性能，衬砌渗漏水将得不到有效控制，且在自重及列车荷载的循环振动下易脱落掉块，尤其是隧道拱部修补喷射混凝土泥质化会对列车的运营安全构成威胁。

侵蚀性硫酸盐环境流动水的长期渗流是引起修补喷射混凝土泥质化的主要原因。

众所周知，水泥混凝土具有多相多孔结构，在集料界面过渡区［7］、Ca(OH)2晶体与C-S-H凝胶接触区形成一个连续的毛细孔隙网，侵蚀性离子通过扩散、渗透进入孔隙溶液中发生化学反应［8］。

腐蚀产物形成时的固相体积增加及其在孔内以针状或棒状晶体定向生长［9］，对孔壁产生很大的结晶压力，造成混凝土开裂。从而侵蚀性水体沿裂缝的渗透速度更快，混凝土中孔溶液pH值将降低。孔隙溶液pH值降低后，C-S-H凝胶的稳定性大大降低，当pH值低于8.8时，C-S-H凝胶释放出全部 Ca2+转变成硅胶［10］。硅胶胶结性能远不如C-S-H凝胶，导致喷射混凝土变为无强度的松散堆积体。因此，侵蚀性流水腐蚀导致喷射混凝土孔隙溶液pH值的持续下降，是喷射水泥混凝土泥质化的重要原因。

除上述化学腐蚀外，流动水体对水泥水化产物的溶蚀作用、干湿循环导致的结晶破坏、腐蚀产物的碳化和温差引起的体积效应等作用加速了化学腐蚀破坏。