铁路隧道衬砌裂损对策研究

2013-01-18李开庆唐天龙

山西建筑 2013年27期

李开庆唐天龙

(1.中铁十四局集团隧道工程有限公司，山东济南 250000;2.中交二航局第三工程有限公司，江苏镇江 212050)

0 引言

在铁路隧道运营期间，衬砌混凝土会受到初期支护失效、洞周围岩松弛变形和地下水环境侵蚀等因素的影响而发生受力和性质的改变，进而产生影响隧道结构正常使用的病害，裂损是其中最典型的一种。经对某铁路沿线70多座隧道的病害踏勘，衬砌裂损或掉块占到病害总量的半数以上;且沿线隧道受第四系孔隙水、基岩裂隙水和溶蚀水等影响，裂缝多并发渗漏水病害。

衬砌出现裂损病害后，在混凝土内部形成不连续面，影响结构整体性，降低衬砌的承载能力。其中尤以拱部或边墙的纵向和斜向裂缝影响最为严重(如图1，图2所示)。裂损病害进一步发展形成掉块、错台甚至侵限，将严重影响行车安全;裂缝向深部发展贯通后为裂隙水的汇聚和渗透提供了条件，加剧渗漏水病害的严重程度。

图1 拱腰纵向裂缝

图2 边墙斜向裂缝

国内对衬砌裂损病害的研究工作起步较晚，对裂缝形成、发展过程的监测和研究重视不够。病害发生后的整治设计多是经验指导，缺乏针对性;施工过程中又存在管理松散，质量控制措施不到位等问题。另一方面，目前市场上可用于裂损整治的工程材料品种有限，质量良莠不齐，使得铁路隧道面临常修常坏的困境。

为保证整治施工质量，除采取可靠的施工方案外，掌握衬砌开裂影响因素也同样重要。为此，本文从衬砌混凝土裂缝的成因分析出发，分别研究了干燥裂缝和渗水裂缝的整治工法和材料等不同点，总结了整治施工的质量控制要点，为以后的工程实践提供参考。

1 衬砌裂损成因分析

隧道衬砌从缺陷产生、带病工作到失格待修，是一个逐步发展的过程，从微观裂缝(＜0.05 mm)的产生到形成宏观裂缝(＞0.05 mm)，是材料自身局限性、勘察设计不到位、施工和运营维护不善等多方面因素综合影响的结果。

1.1 混凝土材料的因素

衬砌混凝土是由水泥浆将砂、石等骨料粘结起来而成的多相复合材料。水泥浆在硬化过程中的收缩会在混凝土内部形成空隙，水灰比不合理、施工期养护不当等因素会加剧内部空隙的产生，甚至贯通，即表现为微裂缝。这种由材料自身属性引起的微裂缝对结构影响不大，只能减少而不能避免。在运营过程中，材料常因环境影响而发生碱骨料反应、盐害和劣化等使微裂缝进一步发展而形成宏观裂缝，甚至病害。

1.2 勘察设计的因素

隧道从勘察定线到结构设计是一个漫长而复杂的过程，需要搜集大量地形、地质资料。受条件限制，隧道某些时候不能避开节理、断层等不利地段，且难以取得完整准确的地质资料。这易导致一些地段的围岩级别划分不准、衬砌类型选择不当，使衬砌结构与围岩实际荷载不相适应而在运营期间出现开裂。

1.3 施工的因素

施工因素是隧道建设过程中最不确定的一个因素，同时也是对衬砌裂损病害影响最大的一个因素。施工过程中水灰比控制不合理、对新浇混凝土养护时间不够或方法不当、拆模时间过早等原因都易引起混凝土性质改变，形成较多微观裂缝甚至缺陷。此外，施工方法不当、管理不善也会导致工程质量下降，运营期衬砌更早出现裂损、漏水等病害。

1.4 运营维护的因素［1］

运营期间要加强检查观测，发现问题及时整治处理。对已出现的小的裂缝、小的渗漏水重视不够或预见不足，未能采取积极有效的维护遏制其发展，极易发展成贯通性裂缝、渗漏水甚至涌水裂缝，从而对正常运营构成威胁。

2 衬砌裂损整治措施

衬砌裂损病害的整治，应在加强观测掌握裂缝形态、搜集地质、设计、施工和维护资料查清病害主要原因的基础上，对不同裂损地段采取针对性措施。应优先整治对运营安全影响较大的纵向、斜向裂缝，注意对衬砌漏水、腐蚀等病害一并综合整治。

整治施工中，对干裂缝应以充填封闭为主，对渗水裂缝宜采取“堵排结合、拱堵边排”方案。此外，裂缝是否漏水对材料选择、工序安排和整治效果有较大影响。如渗水裂缝的整治需对材料抗渗性、耐腐蚀性和凝结特性提出更高要求，其水灰比控制、方案选择等都有所不同。因此在整治设计、施工方法选择时应格外注意。根据病害的轻重程度，常用整治措施有以下几种。

2.1 直接涂抹法

直接涂抹法主要用于整治宽度在0.3 mm以下的静止干裂缝或少量渗水裂缝。按照“预防为主、预防与整治相结合”原则［2］，涂抹法可阻止微小裂纹进一步发展、防止隧道内有害气体和水汽进入衬砌内部，以避免病害的发展。干裂缝可采用水泥砂浆等，渗水裂缝常采用具有止水功能的涂膜材料，如KRYTON(凯顿百森)防水材料［3］等。

涂抹施工时需对裂缝周围的混凝土基面进行处理，为保证粘结性应有一定凹凸度，且保持湿润状态。分层涂抹时，应待第一层初凝呈潮湿状态时进行;混合料应随用随拌，且在规定时间内用完，具有挥发性涂料施工时应保证通风条件。

2.2 凿槽或低压注浆

针对干裂缝可沿其走向凿设一定宽度和深度的“V”形或“U”形沟槽，用水泥砂浆(一般为静止裂缝)或树脂胶液(一般为发展裂缝)等封闭裂缝(见图3)。深度较大时可采用低压灌注法(见图4)。渗水裂缝常根据渗漏水量进行凿槽埋管或注浆法引排或封堵。

图3 凿槽封堵裂缝

图4 裂缝内注浆（胶）

开槽多用“U”形，断面有矩形、梯形和倒梯形等。倒梯形开槽施工麻烦，但封槽固化后效果好;矩形开槽方便，可在两侧加纵向沟以提高封槽效果。开槽后清理槽内碎碴，对深度不大的干裂缝可直接进行封堵处理。遇渗水裂缝则应区分情况采用封堵或埋入半圆形PVC管等引排处理，引排时应注意头尾防堵。

低压注浆是在凿槽的基础上对深裂缝、需要堵水或集中引排的渗水裂缝进行封堵和引排处理。注浆材料可选用不同细度水泥浆、环氧树脂浆液或水泥—水玻璃双液浆，前两种多用于干裂缝注浆，后者多用于堵水注浆。封槽材料常选用环氧树脂砂浆、改性环氧树脂砂浆、双快水泥和堵漏灵等，需根据开槽面的含水情况选择。

2.3 回填注浆

施工期间对衬砌背后回填不密实，易造成混凝土的开裂以及地下水的汇聚，引发裂损病害。常表现为拱顶受压闭口型裂缝、拱腰受拉开口型裂缝。无水裂损情况下主要是充填性注浆，使衬砌与围岩密贴、改善其受力状态(见图5)。空洞较大时需考虑注浆材料自身重量和成本问题，可混入粉煤灰等掺料，如老营盘隧道［4］采用水泥砂浆分层注浆方式进行衬砌背后回填。

图5 衬砌背后注浆

图6 集中泄水孔

渗水裂缝的注浆施工需根据渗漏水量确定堵排方案。常在设置泄水孔(管)进行集中引排后注浆封堵地下水通路(见图6)，注浆材料需特别强调凝结时间、渗透性和对水环境的适应性。

注浆孔的布置常采用梅花形，根据整治需要设计不同孔深，并预留排气孔。注浆时应从低到高依次注浆，根据进浆量和检查孔反馈信息来调整注浆压力，同时注意做好围岩压力或衬砌变向监测。

2.4 喷锚支护

喷锚支护主要针对于开裂严重、原衬砌尚具备一定承载能力或局部混凝土厚度小于最小设计值地段进行加固补强，按施工方法分为素喷、网喷、锚网喷和喷射早强钢纤维混凝土等4种。喷射面需要按要求凿毛、润湿处理，并保持干净，根据需要刷涂界面胶以提高喷层与原衬砌之间的粘结力。

渗漏水裂损情况下需要进行堵漏或凿槽引排后方可进行喷射施工，待混凝土终凝根据是否有大面积润湿面来检查堵排水施工效果。喷层厚度宜为10 cm～30 cm，且素喷不小于4 cm、网喷不小于6 cm［5］。根据衬砌裂损变形特性设计锚杆长度、布置形式和喷层厚度。

2.5 套拱补强或换拱

套拱或换拱需根据隧道限界富余情况进行选择，后者主要用于整治衬砌裂损严重且隧道限界富余不足或已经侵限地段［6］，施工难度明显增大。其对病害的整治较彻底，可用于多种病害的综合整治;但施工工期长、劳动强度大、工程费用高、对运营干扰大。

整治施工中宜采用控制爆破、跳槽开挖等措施减少对原结构的扰动，必要时可采取注浆等方式对围岩进行加固。为解决套拱与原拱圈的连接问题，施工中常采用预设铆钉或锚杆。换拱时，需铺设防水板或其他防水设施。

渗水裂损的整治需在堵漏或凿槽引排后实施，混凝土的抗渗等级和强度标号一般需做相应提高;干裂损的整治相对简单。套拱或换拱一般需要较长的天窗时间，同时需要配套模板台车，或改线封闭施工以保证质量。

3 整治现状及质量控制措施

3.1 裂损整治现状

衬砌出现裂纹(缝)后，应加强检查力度，安设测标，定期观测。病害继续发展对行车构成威胁时，应积极进行整治。但目前病害整治设计和施工中还存在着诸多问题。

整治设计工作中，常由于时间仓促、资金限制等原因，导致病害调查过程不够深入，对衬砌裂损的真正诱因、发展过程了解不足。从而使得整治措施选择不够合理，只能一定程度上减轻病害，甚至会因措施不当诱发新的病害。如盲目堵水后易导致衬砌薄弱段出现裂损或渗漏水。此外，竣工验收资料不齐全、无施工塌方处理记录等问题，也是整治设计面临的一个挑战。

施工中由于受天窗时间限制、操作不当、运营列车震动等影响，整治材料的功能不能有效发挥，常出现新增混凝土强度明显小于设计强度。洞内光线较暗时，裂损整治中衬砌面的凿毛施工质量也难以保证。同时受施工人员专业素质不够、材料配比不当等影响，病害整治面临常修常坏的窘境。

3.2 质量控制措施

为保证病害整治达到预期效果，须在整治设计和施工阶段采取必要措施，力求做到设计精准、施工到位，从而避免带病隧道的危害。

整治设计过程中需保证资料到位、人员到位。资料应包括隧道竣工资料和现场踏勘资料等，掌握围岩等级、衬砌厚度、施工工法和施工期地质变化记录(如坍塌)等，通过现场踏勘获得病害段地质发展变化资料，必要时可借助物探等技术条件。此外，查清地下水环境和水源补给形式对设计工作也十分必要。设计人员应具备丰富的工程经验，对隧道施工和病害整治都有一定了解，要根据具体隧道实例进行针对性设计，而不能将不同措施生搬硬套。

整治施工时需充分利用天窗时间，合理安排工序。衬砌表面凿毛、开槽和注浆等环节严格按照设计或操作规范进行，所用封槽和注浆材料应随用随拌，避免浪费。混凝土等材料水灰比控制严格按照设计要求，钢筋绑扎及混凝土浇筑等应参照新建隧道施工要求，并符合既有铁路隧道特点。各工序完成之后应组织人员自查，符合要求方可进入下一工序。