既有铁路隧道衬砌裂损整治措施研究

裴涛涛，陈礼伟，史宪明，师亚龙

(1．中国铁道科学研究院，北京 100081;2．西南交通大学，四川 成都 610031;3．中铁西南科学研究院有限公司，四川 成都 611731)

既有铁路隧道衬砌裂损整治措施研究

裴涛涛1，陈礼伟2，3，史宪明3，师亚龙3

(1．中国铁道科学研究院，北京 100081;2．西南交通大学，四川 成都 610031;3．中铁西南科学研究院有限公司，四川 成都 611731)

既有铁道隧道病害已成为制约铁路提速和提高单线运输能力的瓶颈。本文根据某铁路沿线既有隧道衬砌开裂形态的统计结果，在分析地质环境、设计、施工和运营维护等方面原因的基础上，针对衬砌裂损与渗漏水病害的并发情况，分别提出无水裂损和渗漏水裂损病害的整治措施。同时，为保证整治效果，建议从材料把关、施工过程控制及竣工验收等方面对其进行控制和评价。

既有铁路隧道 病害 衬砌裂损 措施

随着交通运输事业发展的需要，铁路隧道通车里程急剧增长，运营速度也不断提高，而诸多既有铁路隧道病害又成为制约铁路提速和提高单线运载能力的瓶颈。衬砌裂损是隧道病害的主要表现形式，也为渗漏水等其他病害的发生和发展提供了先决条件。衬砌开裂破坏隧道结构的整体性，降低衬砌结构的安全储备，缩短铁路隧道的使用寿命，导致巨大的经济损失。本文旨在通过对衬砌开裂形态及其原因分析，提出相应整治措施，并给出整治施工控制方法和检测手段。

1 衬砌开裂基本形态

根据我国铁路88座典型隧道、全长78 km的统计调查，裂缝总长度达32 482 m。结合相关文献和某铁路沿线隧道病害调查结果，本文对裂缝按走向分为纵向裂缝、斜向裂缝和环向裂缝3种，详见表1［1］。

表1 隧道混凝土衬砌裂缝情况调查统计

1)纵向裂缝(图1(a)、图1(b))。走向与隧道轴线基本平行，其危害性最大，任其发展可引起隧道掉拱、边墙断裂甚至坍塌。

2)斜向裂缝(图1(c))。一般和隧道纵轴呈45°夹角，常因混凝土衬砌的环向应力和纵向受力组合而成的拉应力造成，其危害性仅次于纵向裂缝，也需要认真对待。

图1 衬砌开裂基本形态

3)环向裂缝(图1(d))。主要由纵向不均匀荷载、围岩地层变化、沉降缝处理不当等所引起，多发生在洞口或不良地质地带与完整岩石的交界处。

2 衬砌开裂原因分析

2.1 工程地质环境方面的原因

客观上讲，山岭隧道所处的地质和地形环境都比较复杂。在不同的断面里程，隧道所处围岩等级和上覆盖层情况也不尽相同，衬砌受力不均匀，易造成纵向沉降差。其次，偏压、节理和断层等不对称地形和地质条件的存在，也会导致衬砌产生结构性裂缝。这一点在山岭隧道的洞口段、滑坡段和地质突变段表现尤为明显。最后，地下水环境也对衬砌裂缝的发展起着催化作用。

2.2 隧道设计方面的原因［2］

既有铁路隧道一般修建年代较久远，修建时期的勘测设计条件有限，而隧道穿越山体的工程和水文地质条件复杂多变，设计阶段难以取得完整准确的地质资料。这就容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。如对某些膨胀性围岩、偏压地段或断层破碎带等未采取针对性设计，造成该地段衬砌因受力不均或承载力不足而出现开裂错台甚至掉块塌方。

2.3 隧道施工方面的原因

施工方面的因素，可以说是在整个隧道建设过程中最不确定，同时也是造成隧道衬砌开裂的最重要因素之一。因受技术条件限制，施工方法不当、管理不善，都易造成工程质量不良。主要表现在:由于施工方法选择不当，施工质量难以控制，造成围岩松动，压力增大;衬砌厚度不够，强度不足;对于超挖部分和塌方地段回填不及时、不完全，衬砌背后回填不密实等。此外，施工拌制混凝土时，对原材料中碱骨料含量控制不严，也会因碱骨料反应的膨胀效应而导致混凝土衬砌开裂。

2.4 运营维护方面的原因［3］

运营维护方面的原因主要归咎于维护不当，即对衬砌裂损病害未能做到及早发现、及时处理，或对已查明的缺陷、病害处理措施不合理而使其进一步恶化。如对已出现的微小裂缝、渗漏水重视不够或预见不足，未能采取积极有效的维护措施遏制，任其逐步发展成贯通性裂缝、渗漏水甚至涌水裂缝，从而对正常运营构成威胁。

2.5 其他方面的原因

其他方面的原因主要是指地震、火车脱轨引发隧洞内火灾等不可抗力或不可预知因素等。在隧道进出口地段，温度应力和冻融循环对混凝土衬砌造成的危害也不容忽视。此外，既有铁路尤其是货运铁路隧道洞内易积存侵蚀性介质，如各种酸、碱、盐以及大气中各种有害气体，会加剧混凝土衬砌开裂程度。

3 衬砌开裂的整治措施

针对不同原因造成的衬砌开裂，应采取不同的整治措施。在运营条件下，针对隧道衬砌裂损病害的整治原则有［1］:应在加强观测，掌握裂缝变形情况和地质资料、查清病害原因的基础上，对不同裂损地段采用不同的工程措施;注意对衬砌漏水、腐蚀等病害，一并综合进行整治，贯彻彻底整治的原则，达到稳定围岩、加固衬砌、确保运营安全的目的;合理安排施工慢行封锁计划，尽量减少对正常运营的干扰;精心测量，保证整治后的隧道净空满足限界要求;精心施工，确保锚喷加固衬砌、拱背压浆等各项整治措施的施工质量。因水的存在与否对衬砌裂损病害整治在工艺选择和工序安排上有很大影响，本文对无水裂损和渗漏水裂损区别对待。

3.1 无水裂损病害的整治

无水裂损病害指衬砌因受工程地质、设计施工等因素影响而形成开裂，但开裂面常年干燥或不形成水珠，已对行人、行车构成威胁或进一步发展将危及行车安全的病害。这类病害的整治主要是在病害情况调查和地质资料搜集的基础上分析出开裂的主要原因，并根据不同的开裂程度和现有的施工机具选择针对性的工程措施。目前常用的整治手段有以下几种。

1)砂浆抹面整治一般浅表性裂缝。按照“预防为主、预防与整治相结合”原则［4］，砂浆抹面主要目的是防止细小裂缝进一步发展、阻止隧道内有害气体和水汽进入衬砌内部造成更大危害。此外，砂浆抹面还可以起到美化作用。

2)凿槽或低压灌注树脂浆液整治未贯穿衬砌厚度的局部细小裂缝。针对那些已停止发展且又对结构整体性影响不大的未贯通裂缝，可以采用凿槽或低压灌注树脂浆液的方法进行修补。凿槽的施工步骤是在衬砌开裂处开凿“V”形或“U”形槽口，用环氧树脂浆液嵌补;低压灌注的施工步骤是首先对裂缝进行清洁处理、统计裂缝宽度，预留注浆口封闭裂缝，安设注浆底座并进行浆液注入，待浆液固化后即可清除封胶和底座［5-6］。

3)衬砌背后回填注浆适用于因施工回填不密实等造成衬砌裂损病害的整治。当衬砌开裂形式表现为拱腰受弯张口型裂缝、拱顶受挤压闭口型裂缝时，多数是由于拱顶回填不密实造成的。回填注浆的两个难点是注浆量和注浆压力的控制。注浆施工之前应根据可靠的检测手段探明空洞大小，并进行压水或压气试验以拟定注浆量和注浆压力。注浆过程中要严控注浆压力，密切关注进浆量，同时要对衬砌变形做好观测。注浆结束后要对注浆效果进行检查，对未达到设计要求的断面进行补注浆。

4)喷锚支护整治衬砌大面积裂损病害。该施工方法可分为素喷、网喷、锚网喷和喷射早强钢纤维混凝土等4种，主要对隧道衬砌开裂严重、原衬砌混凝土还具备一定承载能力或局部衬砌厚度小于最小设计值地段进行加固补强。喷锚加固的喷层与原衬砌之间具有紧密黏结能力，使新旧拱形成刚度更大的组合拱结构，可以恢复和提高原衬砌的承载能力;布设钢筋网后，增强了组合拱结构的抗裂性和抗弯强度，因而可大幅提高衬砌承载能力。喷锚加固衬砌相比于套拱或换拱施工法具有施工进度快、劳动强度小、工程费用低、行车干扰少、安全可靠性高等优点。具体应用过程中，可根据围岩稳定情况、衬砌裂损程度和整治要求选用不同喷锚方式，其操作可参考新建隧道的喷锚支护施工;不同之处在于整治施工中需要对喷射面进行凿毛或涂刷界面胶以提高新旧拱圈的黏结强度。

5)套拱或换拱整治衬砌腐蚀裂损严重地段。套拱法适用于衬砌开裂明显、材料劣化严重但尚未失去使用功能，伴有地压或近接施工等外力影响，限界富裕能满足套拱厚度要求的情况;换拱法适用于开裂、接缝错动、剥落、剥离等衬砌材料劣化程度显著且深及内部，隧道限界富裕不足或已经侵限，其他整治措施无法根治的情况［7］。套拱或换拱法对病害的整治较彻底，适用于整治病害严重或多种病害并发的情况，但施工工期较长、劳动强度较大、工程费用较高、对运营干扰较大。套拱法需要解决好新旧拱圈的衔接问题，目前常用方法是设置栓钉或界面凿毛刷涂界面剂;拱脚处的支撑设置也需要特别注意。换拱法根据更换部位不同分做拱部置换、边墙置换和全环置换;换拱法需要解决好松动围岩的预加固处理、既有拱圈的拆除施工、跳槽施工和搭接间距的合理布置，以及新增拱圈支撑点的设计等问题。

3.2 渗漏水裂损病害的整治

渗漏水裂损病害指衬砌不仅发生开裂，同时还伴随着渗漏水、甚至涌水的一种病害形式。这类病害的整治不仅要考虑修补恢复裂损衬砌强度，而且要在病害调查和资料搜集的基础上查清水源补给形式和渗漏水的季节特性，以进行堵水或排水设计和施工［8］。应遵循“防、截、排、堵相结合，因地制宜，综合治理”的原则进行整治，宜采取“拱堵边排”方案，区别对待。目前常用的针对此类病害的整治手段有以下几种。

1)喷射或涂层整治法。喷射法适用于大面积发生渗漏水，但漏水量小且止水无有害影响时的裂损病害整治;涂层法应用于渗漏水范围较小、漏水程度轻微，衬砌表面较平整情况下的衬砌裂缝修复。喷射法作为整治渗漏水病害的常用手段，同时可以作为整治衬砌大范围裂损、劣化的补强措施，区别在于喷射层的厚度大小、界面处理要求、水灰比设计、对钢筋网或锚杆的要求程度等。此外，涂层法与砂浆抹面的区别在于适用范围、渗漏水量的考虑、经济效益、对环境的适应性等。

2)凿槽排水或嵌缝堵漏整治法。凿槽排水适用于漏水量较多，漏水沿施工缝或衬砌开裂处呈线状分布的情况;嵌缝堵漏适用于程度较轻，漏水沿施工缝或衬砌开裂处呈线状且止水无不良影响的情况。凿槽排水与凿槽封堵法整治无水裂缝的区别是前者需要埋设排水管路，沟槽断面和封堵材料也有所不同。嵌缝堵漏相对于低压灌注法，对材料的要求更高，不仅要求与开裂面有很好的黏结性，而且要求能速凝以达到堵水目的。

3)注浆回填堵漏整治法。该法是用压注的方式充填衬砌背后、隧道周边围岩中的空隙、空洞，封堵或减少地下水流向衬砌内部的通路，以防止漏水强化衬砌。主要适用于拱部漏水严重，衬砌背后有空洞的情况;也用于衬砌背后的空隙形成通路，雨水、地表水等水源直接补给衬砌漏水的情况。这种方法不仅可以防渗堵漏，而且使得衬砌与围岩密贴，改善衬砌受力情况。相对于回填注浆，堵漏注浆对注浆材料的要求更高，成本也相应增加。

需要指出，在上述具体裂损病害整治中需根据病害调查情况和裂损严重程度综合选用不同的施工方法，可以单独使用其中一种措施，也可综合应用其中两种或多种方法;此外，一种整治措施并不是专门针对某一种病害，也可能适用于其他类型病害的整治修复。

4 整治措施的施工控制

目前，既有铁路隧道病害整治的施工主要由各路局工务段负责完成，设计单位和监理单位对施工过程的控制和监管不到位，各项验收又缺乏统一的标准。鉴于这种情况，本文参照新建铁路隧道等相关分部分项工程的施工验收标准［4，9-11］，提出了针对衬砌裂损整治施工的控制方法，希望能对保证工程质量、提高施工效率提供帮助。

衬砌开裂的原因是多方面的，相应的设计和施工就不能一成不变。要想达到预期的整治效果，必须在各个细节和工序上严格把关，才能保证整个工程满足要求。

1)材料把关。材料的优劣直接关系着工程的最终质量，当材料无法满足设计要求时，施工过程控制再好也不能弥补材料质量缺陷。在衬砌裂损整治过程中，需要用到多种工程材料，必须严格做好进场检验和复验。

2)施工过程控制。施工过程控制的好坏，对保证工程质量起着关键性作用。控制得当既能保证工程质量，也能节约材料、降低成本。病害整治施工一般是在保证线路正常运营情况下综合利用天窗和行车间歇时间进行的，施工难度大、时间利用率低;而某些关键性工序对过程控制的依赖性较高，如界面处理、凿槽施工和灌注浆等，这就要求在施工中必须做好监督控制并形成验收性文件以备查验。

3)竣工验收。病害整治完工后必须对整个工程进行竣工验收，达到合格标准方可交付使用。竣工验收应在各检验批合格的基础之上进行，包括混凝土强度和厚度符合设计要求，隧道限界满足净空要求，以及渗漏水病害得到有效治理等方面。

5 结语

通过对既有铁路隧道衬砌开裂的基本形态和常见原因分析，得出了针对不同开裂类型的整治措施，并提出相应的施工验收控制方法，为监督施工过程、保证施工质量提供了一定参考，对以后的工程实践具有一定的借鉴意义。

［1］铁道部工务局．铁路工务技术手册——隧道［M］．北京:中国铁道出版社，1997．

［2］杨新安，黄宏伟．隧道病害与防治［M］．上海:同济大学出版社，2003．

［3］陈礼伟．浅析隧道病害产生的原因［J］．隧道建设，2004，24(2):83-85．

［4］中华人民共和国建设部．铁运［2010］38号 铁路桥隧建筑物修理规则［S］．北京:中国铁道出版社，2010．

［5］铁道部运输局基础部．铁路桥隧建筑物修理规则条文说明［S］．北京:中国铁道出版社，2011．

［6］王明阳．某铁路隧道衬砌裂缝成因分析与整治［J］．隧道建设，2006，26(4):52-53．

［7］关宝树．隧道工程维修管理要点集［M］．北京:人民交通出版社，2004．

［8］黄波，邓德华，元强，等．西南地区铁路隧道衬砌病害分析［J］．铁道建筑，2010(5):48-52．

［9］中华人民共和国铁道部．TB 10417—2003 铁路隧道工程施工质量验收标准［S］．北京:中国铁道出版社，2004．

［10］中华人民共和国建设部．GB 50208—2002 地下防水工程质量验收规范［S］．北京:中国建筑工业出版社，2002．

［11］龙正聪，王贵波，伍致力．隧道病害整治方法探讨［J］．公路工程，2012，37(2):29-32．

Study on treatment measures of cracks in lining of existing railway tunnel
PEI Taotao1，CHEN Liwei2，3，SHI Xianming3，SHI Yalong3

(1．China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China;2．Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China;3．Southwest Research Institute Co．，Ltd of C．R．E．C，Chengdu Sichuan 611731，China)

Existing railway tunnel disease has become a bottleneck restricting the increase of railway speed and single transport capacity．Based on the statistical results of the existing tunnels lining crack status in the railway，the paper analyzed the reasons of geology，design，construction and maintenance，and proposed the treatment measures of anhydrous-crack and leakage-crack according to the concurrent diseases of lining crack and water leakage．Meanwhile，the material control，construction process control and final acceptance should be given enough attention in order to ensure the treatment effect．

Existing railway tunnel;Disease;Lining crack;Measure

U457．2

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2013．04．24

1003-1995(2013)04-0076-04

2012-10-10;

2012-12-12

裴涛涛(1986— )，男，河南驻马店人，助理工程师，硕士。

(责任审编 孟庆伶)