浅谈隧道二次衬砌的病害及防治措施

中铁二十四局集团上海铁建工程有限公司 上海 200070

随着高铁的跨越式发展，在施工中暴露出来的质量问题也愈发明显[1]，尤其是隧道二次衬砌的问题不容小觑，本文即以沿海铁路姚蒋隧道为例进行病害分析和防治讨论。

1 工程概况及病害统计

1.1 工程概况

姚蒋隧道全长2 572 m，设计时速200 km，并预留提速条件，双线隧道，隧道轨面以上有效面积为92 m2。隧道工程除明洞采用整体式衬砌外，其余暗洞均采用复合式衬砌结构，拱墙初期支护与二次衬砌间设EVA类防水板（加无纺土工布），模筑衬砌环向施工缝采用遇水膨胀橡胶止水条，在二次衬砌背后环向采用Φ50 mm塑料排水盲管，每8 m设1 环；纵向在洞内两侧水沟泄水孔标高处设Φ80 mm塑料排水盲沟1 道，每8 m设1 段。模板采用自行式液压衬砌模板台车，混凝土采用洞外拌合站集中拌合，混凝土罐车运送，液压地泵泵送混凝土施工。

1.2 检测结果统计

根据铁路总公司要求，对运营隧道进行地质雷达检测，同时安排线路养护单位对既有隧道进行裂纹和渗水调查。检测和调查发现，该隧道存在多处脱空、裂纹和渗水。具体病害不一一列出，仅统计部分有代表性的病害。调查结果见表1、表2。

表1 地质雷达检测统计表

表2 裂纹、渗水统计表

2 病害成因分析

2.1 衬砌脱空成因分析

2.1.1 光面爆破不到位，初期支护平整度不到位引起脱空

据统计本隧道脱空87%的发生在Ⅱ、Ⅲ级围岩，8%发生在Ⅳ级围岩，5%发生在Ⅴ级围岩。从以上数据说明，光面爆破效果差给后期二次衬砌的混凝土施工埋下了质量隐患[2]。经分析，问题主要是在施工时未严格按照爆破设计方案操作，单循环进尺、周边眼间距、单孔装药量、雷管段位设置不合理，造成开挖后围岩周边轮廓线超欠不一，平整度达不到规范要求。其次，锚喷作业不到位，未充分利用喷射混凝土来弥补前道工序造成的质量缺陷，给后续施工埋下质量隐患。

2.1.2 防水层铺设富余量不足引起脱空

本隧道采用复合式防水，为无纺土工布+EVA类防水板[3]。防水板铺设富余量的多少决定混凝土脱空的程度。防水板如果挂设太松，在混凝土浇筑过程中会因受挤压形成褶皱，在褶皱之间留下空隙；防水板如果挂设太紧，造成防水板与初支面之间留下空隙，有时可能会压垮台车。

2.1.3 泵送压力不合理引起脱空

泵送压力过大，压坏模板台车，致使振捣坍陷，导致顶面混凝土与衬砌间出现空隙，产生脱空；泵送压力不足，模板内的混凝土压力则不足，导致拱顶面的混凝土在输送过程中把部分空气密封在狭小的空间内无法排出，造成留有空隙产生脱空。

2.1.4 混凝土的收缩或自重下沉引起脱空

混凝土凝结初期或硬化过程中出现的体积缩小现象，混凝土含水量越高水泥浆量越大，坍落度越大，混凝土振捣不密实，混凝土自重下沉[4]；水灰比越大收缩越大，从而使二次衬砌混凝土不可避免地出现空隙。

2.2 衬砌渗水成因分析

二次衬砌施工缝、混凝土冷缝、裂缝渗水不仅表明防水板已失效，也说明积水区具有一定的渗透水压。此外，主要有以下几个原因[5-8]：

（a）环向排水盲管未设或设置间距过大，致使渗水不能到达环向盲管，造成积水无法排进管内的永久失效。

（b）环向排水盲管或纵向盲管断路或堵塞造成永久失效。

（c）环向盲管或纵向盲管在混凝土施工时被压扁、联接不畅通而造成部分失效。

（d）初支面渗水量或上部下泄的水量较大，而正常排水无法满足，上部积水，造成暂时失效。

（e）环向排水盲管或纵向盲管内某点正在被水垢沉淀物堵塞，致使排水盲管从部分失效向永久失效过渡。

（f）在防水板铺设过程中操作不当造成防水板破损致使防水板失效。

综上所述，随着时间的推移，渗水情况可能会逐步加剧。

2.3 衬砌裂纹成因分析

通过现场观察及统计，二次衬砌裂缝表现为边墙与仰拱连接处较宽，向拱顶方向发展，裂缝逐渐变窄至很细微或消失。

2.3.1 施工不当引起的裂纹

（a）未开展监控量测工作， 仅凭经验来确定二次衬砌的施作时间， 安全可靠性差， 造成二次衬砌超设计荷载承受围岩压力。

（b）混凝土生产时原材料计量误差大， 尤其外加剂的掺加随意性大，没有根据砂、 石料的实际含水率及时调整施工用水量， 造成混凝土水灰比增大。在混凝土运输及泵送过程中随意加水。混凝土浇筑时不振捣或漏振，混凝土均质性差。

（c）盲目追求施工进度，随意提前脱模时间， 使低强度混凝土过量承受荷载，破坏了混凝土结构。脱模后没有进行混凝土的潮湿养护。

2.3.2 混凝土本身引起的裂纹

（a）混凝土在硬化过程中水分逐渐蒸发散失， 使凝结胶体干燥收缩产生变形，由于受到围岩和模板的约束，变形产生应力，当应力值超过混凝土的抗拉强度时，就会出现干缩裂缝。干缩裂缝多为表面性的，走向没有规律。影响混凝土干缩裂缝的因素主要有：水泥品种、 用量及水灰比、骨料的大小和级配、外加剂品种和掺量。

（b）水泥水化过程中产生大量的热量，在混凝土内部和表面间形成温度梯度而产生应力，当温度应力超过混凝土内外的约束力时， 就会产生温度裂缝。裂缝宽度冬季较宽， 夏季较窄。温度裂缝的产生与二次衬砌混凝土的厚度及水泥的品种、用量有关。

2.3.3 混凝土浇筑时间不同引起的裂纹

隧道施工先浇筑仰拱及边墙基础，二次衬砌浇筑较仰拱及边墙基础晚，且中间间隔时间较长；因此二次衬砌浇筑时，仰拱及边墙基础变形基本趋于稳定，二次衬砌拱墙与仰拱边墙基础的接触端成为受约束端，使得衬砌混凝土在收缩应力作用下不能与仰拱边墙一起收缩变形，而引起应力集中，造成衬砌沿着仰拱施工缝开裂。

3 病害治理方案

3.1 二次衬砌脱空的治理方案

3.1.1 钻孔位置的确定

二次衬砌脱空处理分为拱顶和拱腰2 种处理方式，拱顶处理原则上根据地质雷达的波形图[9]，在脱空处边缘进行打孔注浆，拱腰处理原则上根据地质雷达的波形图在脱空的上边缘进行打孔注浆。

3.1.2 注浆要点

（a）为增强注浆效果，减少水泥用量，降低成本，注浆宜采用水泥砂浆，其可以通过含砂率来调节浆液的稠度，将流动性控制在一个较合适的范围，并且水泥砂浆还能减少干缩。水泥砂浆的配比为：水泥∶砂∶水=2∶1∶1（质量比），砂子采用细砂。

（b）注浆设备选择。注浆机宜选用注浆压力合适的吸入式注浆机，注浆管应尽量选择1 根整体管道，避免多段搭接导致搭接处管径缩小，造成局部压力过大，堵管爆管概率大增。

（c）注浆前需进行吸水试验来检查注浆管路系统，采用1. 5～2. 0 倍注浆终压进行吸水试验，从而检查机械设备是否正常，注浆管路系统能否耐压，有无漏水， 试运行20 min 后， 再进行注浆现场试验，从而确定注浆参数。试验及压浆过程中，要求有工程技术人员在场， 对数据进行记录、观察，并根据现场注浆实际情况，作出准确判断，及时调整浆液稠度和凝固时间。

（d）注浆过程中发现衬砌施工缝或表面流出浆液，应减慢注浆速度，降低注浆压力，待砂浆稍微凝固后再进行注浆，若浆液流出速度很快甚至成股喷出，可考虑在浆液中添加适量的速凝剂，掺量应由试验结果得出，以防止速凝剂添加过多，浆液过快凝固从而堵塞注浆设备和管道。

（e）注浆结束标准需用注浆压力和注浆时间、注浆量3 个方面来确定：当出现下述情况之一时即可结束注浆： 注浆压力达到设计终压时； 注浆量达到或超过理论注浆量， 孔口管出现冒浆时；注浆压强已达到设计终压， 且稳压10 min 后， 即使进浆量仍未达到理论浆量， 也可结束注浆。

3.2 衬砌裂纹、渗水的治理方案

3.2.1 整治原则[10]

隧道渗漏水整治采取“拱部以堵为主、边墙以排为主，防、堵、排、截相结合”的原则，隧道的渗漏水结合隧道衬砌裂损、衬砌背后注浆等进行综合整治。衬砌裂纹按照裂缝嵌补处理措施处理，跟衬砌裂缝处表面无明水情况处理方法基本一致，采用贴嘴注环氧树脂的方法进行整治。

3.2.2 裂缝渗漏水处理措施

（a）隧道衬砌裂缝处表面潮湿而无明水（有湿渍）时，裂缝处理步骤如下：

把裂缝两边各3 cm宽范围内衬砌表面刷洗干净，清除松动混凝土块，沿裂缝间隔20～30 cm贴一处胶带；

涂J-1快干型封缝胶2 道，封缝胶固化后揭除胶带，安设灌浆嘴；

灌注环氧树脂，待树脂固化后，拆除灌浆嘴并清理表面封缝胶；

沿裂缝走向在两侧各20 cm范围内的基层表面涂布水泥基渗透结晶型防水涂料2 次，用量不小于1.5 kg/m2，且涂抹厚度不小于2.0 mm。

（b）隧道衬砌裂缝处表面有明水渗出时，处理步骤如下：

把裂缝两边各5 cm宽范围内衬砌表面刷洗干净，清除松动混凝土块；

在裂缝上涂J-1快干型封缝胶2 道；

在裂缝处一侧100～250 mm处钻孔，钻孔交叉布置在裂缝两侧，钻孔斜穿裂缝，垂直深度为混凝土结构厚度h的1/3～1/2，孔径不大于20 mm，斜孔角θ为45°～60°；

通过注浆嘴往钻孔内注环氧树脂，注浆嘴深入钻孔的深度不大于钻孔长度的1/2，待树脂固化后，拆除灌浆嘴并清理表面封缝胶；

沿裂缝走向在两侧各20 cm范围内的基层表面涂布水泥基渗透型防水涂料2 次，用量不小于1.5 kg/m2，且涂抹厚度不小于2.0 mm。

3.2.3 单个漏水点处理措施

在出水点周围凿宽5～7 cm、深5 cm的楔形槽，用清水清洗槽及周围，然后将调和好的速凝型无机防水堵漏剂填入槽中并稍稍高出，然后用抹刀抹平，并至少保持15 min的湿润，然后在槽及周围刮涂渗透结晶型防水涂料2 层，为防止快修堵漏剂脱落，在槽中增加水泥钢钉与钢丝网。带有承水压进行引排处理。

3.2.4 边墙渗漏水处理措施

在出水点采用凿槽埋管引排措施。排水槽采用切割机切割成内宽外窄倒梯形结构，槽内根据渗水的严重程度斜向上45°钻Φ30 mm引水孔，孔深为二次衬砌厚度，墙角设坡度不小于3%的水平方向引水孔，孔内插入Φ30 mm乱丝盲管（外包无纺土工布），将水引入排水槽，通过排水管引入水沟。排水槽内埋设Φ100 mm半圆形塑料管，采用钢卡固定后，用速凝型无机防水堵漏剂封堵填充，外刮渗透结晶型防水涂料刮涂2 层防水。

3.2.5 衬砌表面湿渍处理措施

对于衬砌表面的湿渍，采取衬砌表面设置刚性防水层措施，涂抹渗透结晶型防水涂料2 层进行防水处理即可。

4 预防及缓解病害的措施

4.1 提高设计质量

加强工程前期地质工作， 为设计提供详尽的工程地质、水文地质勘探资料，提高设计的质量。

4.2 优化混凝土配合比设计和把好材料进场关，严格控制混凝土原材料的质量

（a）配合比设计。为尽可能地减小水化热，降低水灰比，配合比设计时应尽可能的减少水泥用量，增加粉煤灰、矿粉等掺合料和高性能减水剂，增加结构的致密性和稳定性。为增加混凝土的和易性，配合比设计时粗骨料采用两级配，最大粒径不宜大于31.5 mm。

（b）把好原材料关，严格控制混凝土原材料的质量，混凝土所用原材料必须符合《铁路混凝土工程施工技术指南》的相关要求，对每批次进场的原材料进行抽样检测，试验不合格的一律清退出场。混凝土的拌和严格按施工配料单计量，定期检查校正计量装置。加强砂石料含水率检测，及时调整拌和用水量。控制混凝土的入模温度。夏季施工，当气温高于 32 °C时，砂石料、搅拌机应搭设遮阳棚，用冷水冲洗碎石降温，混凝土搅拌时间不得小于120 s。

4.3 严格控制施工工艺

（a）提高钻眼技术水平，优化钻爆参数，提高光面爆破效果，加强隧道开挖断面检测，严格控制超欠挖，为衬砌施工创造良好的条件。

（b）二次衬砌施作时间， 应在围岩和初期支护变形基本稳定时进行。当围岩变形较大、 流变特性明显，需提前进行二次衬砌时，必须对初期支护或衬砌结构进行加强。

（c）规范防水层施工。挂设防水板之前对初期支护表面进行检查，清除外露的锚杆头及钢筋网头，并用水泥砂浆抹平，使混凝土表面平顺。防水板挂设完成后检查防水板是否与初期支护密贴，对存在坑洼处预留一定的变形量，确保混凝土在浇筑过程中能够挤满缝隙。防水板挂设时焊接点数量和间距要满足设计要求，保证拱部防水板挂设稳固，防止防水板因挂设不稳在混凝土浇筑过程中掉落后压入两侧混凝土，造成拱部空洞。

（d）混凝土的灌注。混凝土在运输和泵送过程中严禁加水。适当放慢灌注速度，两侧边墙对称分层灌注，到墙、拱交界处应适当暂停，待边墙混凝土下沉稳定后，再灌注拱部混凝土。灌注顶部混凝土时，输送泵要保持一定的压力（一般为7～8 MPa），混凝土灌注过程中必须振捣，提高混凝土的密实度和均质性，减少内部微裂缝和气孔，提高抗裂性。

（e）混凝土的脱模、 养护。混凝土拆模时的强度必须符合设计或规范要求，严禁未经试验人员同意提前脱模，脱模时不得损伤混凝土。传统的混凝土洒水养护方法，增加了隧道内的文明施工难度，洒水也不均匀，使混凝土早期强度得不到保证。建议使用喷涂混凝土养护液的方法进行养护。

5 结语

二次衬砌与隐蔽工程不同， 它是一个隧道最直观展现的部分，也是保护铁路运营安全的最后一道屏障。本文通过对姚蒋隧道中出现的脱空、裂缝、渗水等病害分别进行分析， 同时通过对病害的处理也取得了良好的效果，为以后对于隧道病害的处理和预防积累了更多的实际操作经验。