铁道隧道底部病害成因分析与质量检测技术

2015-01-07上官涛

铁道建筑 2015年6期

关键词：仰拱病害厚度

上官涛

(中国铁路总公司工程管理中心，北京100844)

铁道隧道底部病害成因分析与质量检测技术

上官涛

(中国铁路总公司工程管理中心，北京100844)

系统地总结了既有铁路隧道底部结构常见的病害现象，分析病害产生的原因，指出隧底常见的施工缺陷。基于目前隧底检测常用的地质雷达法和钻芯法，给出了隧底检测要点和提高检测精度的措施。分析近年来隧底施工质量抽查发现的典型问题，提出在建隧道底部质量检测和质量控制建议，为新建隧道建设管理提供参考。

隧底检测施工质量控制地质雷达法钻芯法

如何控制新建隧道施工质量，提高隧底检测精度，是目前在建隧道建设管理的重点工作。本文在分析既有线隧道底部病害特征及其产生机理的基础上，结合工程案例，对新建隧道底部常见缺陷及质量检测的技术要点进行了分析，给出隧道底部施工质量控制建议，为新建隧道的建设管理提供参考。

1 既有线隧底常见病害成因分析

隧道基底下沉及道床翻浆冒泥是既有线隧道主要的病害。其主要是由施工质量缺陷、运营列车动荷载作用、自然和地质环境等引起。已有的数值分析结果表明，围岩压力和施工质量对隧道结构破坏的影响更大。隧底出现破损后，在列车振动冲击作用下隧底结构病害会进一步恶化。以下结合近年来大量新建隧道检测及既有铁路隧底病害检测与加固分析的经验对隧底的病害成因进行分析。

1.1 施工质量

施工质量缺陷是隧底病害的主因。施工中当存在隧底虚渣、混凝土强度不足、隧底厚度不足、钢架未按设计施作等问题时，在地下水、列车动载作用下，隧底会出现腐蚀、冻胀、基底吊空、开裂等病害。常见的施工缺陷有:

1)隧底厚度不足。隧道开挖常存在超挖或欠挖现象。隧底欠挖时，常出现隧底厚度不足、仰拱上浮，影响衬砌结构的整体受力状态，削弱了衬砌的整体承载能力，给隧道的长期受力稳定带来隐患。

2)仰拱充填片石。为节约成本，采用片石或洞渣代替混凝土仰拱或填充仰拱，导致基底承载能力不足，引起隧底结构破坏。

3)隧底虚渣。隧底虚渣分两种情况:①在浇筑仰拱或底板混凝土前隧底虚渣未清理干净;②隧底严重超挖，采用洞渣进行回填而形成隧底虚渣，这为地下水冲刷、冻胀、腐蚀提供了通道，使基底出现吊空现象，在列车动荷载长期作用下，导致隧底结构破坏。

4)混凝土强度不足。混凝土强度不足体现为两个方面:①混凝土质量不合格或施工振捣不充分，导致隧底仰拱或底板混凝土达不到设计要求;②仰拱混凝土强度等级未达到规定要求，致使基底承载能力不足，在长期的动荷载及围岩压力作用下引起隧底结构破坏。

5)钢筋或钢架缺失。未按设计要求放置钢筋或钢架是衬砌或仰拱的常见缺陷。近年来随着地质雷达检测的普及、检测人员水平的提高以及施工管理的加强，这类现象逐渐减少，但仍未杜绝。

1.2 水的作用

地下水的动水作用会对裂隙产生冲刷;泥质页岩和炭质页岩浸水会产生体积膨胀;在严寒地区，基底岩土内的水分会使隧底及整体道床产生冻害。隧底施工质量缺陷为水对隧底的冲刷、腐蚀、冻胀与破坏提供了通道，加重了水害。此外，隧道的排水系统不能有效降低地下水位往往导致水害的发生。如平行导洞内的附属排水沟及中心水沟堵塞使地下水不能及时排出，从而长期浸泡侵蚀道床，加之列车的碾压致使道床横向断裂、下沉。

1.3 列车动荷载的作用

在隧道建成初期，列车荷载一般不会引起隧底结构破坏。当隧底存在施工质量缺陷时，在水流冲刷后，隧道铺底结构在列车长期的冲击荷载作用下，逐步引起隧底结构破坏。具体表现为:列车通过时轮对下压，使变软的泥、水从裂缝中挤出，形成翻浆冒泥，轮对经过后，轨枕复位上抬，基床下空隙形成吊空，迅速由四周泥水补充，在反复的抽吸作用下，隧底开裂与翻浆冒泥之间形成恶性循环，基底与围岩之间空隙不断扩大，造成道床下沉、吊空，威胁行车安全。

1.4 围岩较差

围岩较差是隧道基底发生下沉和翻浆冒泥等病害的原因之一。地下水对隧道泥岩夹层的软化与潜蚀，使得泥岩夹层与混凝土仰拱交界处泥岩小颗粒被地下水带走，导致基底结构脱空。近年来随着列车提速、载重量提升、行车密度的加大，既有线隧道由于设计标准低、施工缺陷、结构物老化等因素而产生病害。对于新建隧道，设计对耐久性、结构物使用寿命等因素考虑比较多，设计标准相对较高，在保证施工质量和勘探准确度的情况下，短期内出现因围岩状况引起的隧底病害的可能性较小。因此，施工质量控制是关键。

综上分析表明，施工质量缺陷是隧底病害的主因。在新建隧道的建设管理中，提高检测精度和可靠性，严格把好隧底施工质量关，是预防隧底病害的重要措施。

2 隧底质量检测技术

隧道结构检测与评估的方法主要有地质雷达法、钻芯法、声波法、瞬变电磁法、超声回弹综合法、回弹法、瑞雷波法、地震影像法及红外线探测法等。其中地质雷达法为最常用的检测方法。近年来，由于钻芯设备愈加便捷，通常将地质雷达法和钻芯法相结合进行新建隧道底部质量检测和验收。

2.1 地质雷达法

地质雷达法是利用一个天线发射高频率宽频带电磁波，另一个天线接收来自地下介质界面的反射波来进行探测。电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形随所通过介质的电性质及几何形态而变化。根据所接收到的电磁波旅行时间(双层走时)、幅度与波形可推断介质的结构。

雷达波反射信号的强度主要取决于上下层介质的电性差异，电性差异越大，反射信号越强。雷达波的穿透深度主要取决于介质的导电性和雷达天线的中心频率。导电率越高，穿透深度越小;天线中心频率越高，穿透深度越小。反之亦然。因此，选择合理的天线频率对提高检测准确度非常重要。

地质雷达主机配备不同频率的天线可对不同深度的目标体进行探测。目前在铁路隧道衬砌检测中普遍应用的是900，400，200(270)MHz天线。目前铁路双线隧道线路中线仰拱及填充层设计厚度一般为1.5～1.8 m，用400 MHz天线检测深度略显不足，用200 MHz天线则检测精度不够。隧底及仰拱检测可采用两种频率的天线综合检测。

2.2 钻芯法

以往对隧底(仰拱)质量有怀疑时，普遍采用液压地质钻机钻探取芯。由于该仪器笨重，效率低，很难将钻芯法作为仰拱质量检查的常规方法。近年来，随着钻芯设备的更新，简易钻机即可完成3 m以内的混凝土钻芯取样。与简易钻机相比，液压地质钻机在隧底岩芯的钻探方面具有明显优势。现场检测通常将简易钻机和液压地质钻机相结合进行钻芯检测。

目前，在铁路隧道质量抽检中，已将隧底钻芯检测作为常规检测项目，及时有效地发现了隧底施工质量缺陷。钻芯抽检的方法与效果引起建设各方的重视，逐渐作为常规方法被引入隧道仰拱质量第三方检测工作中，大大提高了施工质量意识和质量控制水平。具体做法是沿隧道每隔一定长度在隧底钻取一组混凝土芯样，用于检测隧底厚度、强度或对地质雷达法检测结果进行验证。

3 隧道底部检测效果及分析

近几年新建隧道的监督管理、质量调查以及既有线隧底质量整治工作中暴露出隧底施工质量问题主要是拱架间距超标、隧底厚度不足、仰拱强度不足、虚渣过厚等。

3.1 地质雷达法检测隧底的效果示例

例1。某段隧底仰拱设计厚度50 cm，填充层设计厚度68 cm。从雷达图像(图1)上可看出约在40 cm深度处有明显层位分界，且分界处有多次波反射，可能存在脱空或不密实区域。经钻芯验证，发现38 cm深度处以下为抛填碎石。

图1 隧底厚度严重不足且掺杂碎石

例2。某段隧底仰拱设计厚度55 cm，填充层设计厚度80 cm。从雷达图像(图2)上可看出框内仰拱表层钢筋约在55 cm深度处，说明填充混凝土厚度＜55 cm。该段填充层厚度比设计厚度少约25 cm，仰拱上抬。

例3。图3为仰拱钢筋的典型探测图，可以看出明显的仰拱表层钢筋反射，但由于埋深和屏蔽效应，无法显示仰拱下层钢筋反射及初支钢架反射。地质雷达对钢筋背后的钢架布置、仰拱下部虚渣等检测效果不佳。建议加大钻芯验证频率，多积累对比资料。

3.2 钻芯检测发现的典型问题

例1，隧底厚度不足。隧道开挖常存在超挖或欠挖的现象。在目前的新建铁路中，一般情况下隧底厚度均能满足设计要求，但也有个别隧道仍存在隧底厚度不足的现象。一隧道某里程处围岩级别为Ⅲb，仰拱混凝土强度等级为C30。在该里程处线路右侧距中心水沟2.3，2.4 m处分别进行钻芯取样(图4)，钻芯部位隧底(仰拱+填充层)的设计厚度分别为1.53，1.52 m，隧底混凝土实测厚度分别为0.49，0.52 m，下部为基岩，实测厚度仅为设计厚度的1/3，严重不足。

图2 仰拱上抬(填充层厚度不足)

图3 仰拱钢筋雷达探测示意

图4 芯样

例2，仰拱强度不足。对某工程随机抽查7座隧道的23组仰拱混凝土抗压强度，有5组混凝土不合格，占抽查数量的21.7%。其中一组仰拱设计混凝土强度等级为C35，实测的混凝土抗压强度推定值仅为22.8 MPa，明显低于设计值。

例3，虚渣过厚。在既有线隧道的病害调查中，发现了隧道虚渣过厚引起的沉陷、开裂及翻浆冒泥的现象。在近期的新建铁路隧底质量抽查中，这种情况尚不多见，但仍有这类问题存在。

某隧道围岩级别为Ⅲb，仰拱混凝土强度等级为C30，在线路左侧距中心水沟2.5 m处钻芯2孔，该处隧底设计厚度1.16 m。钻芯结果表明，该处存在抛填片石、厚度不足、隧底虚渣现象(图5)。其中，第1孔(钻芯深度1.57 m)0～1.00 m段为混凝土，0.36～0.43 m段夹片石，1.00～1.57 m段为青灰色岩芯，上部呈破碎块状、下部呈短柱状;第2孔(钻芯深度1.54 m)0～1.05 m段为混凝土(其中0.44～0.55 m段和0.64～0.98 m段夹片石)，1.05～1.54 m段为青灰色岩芯，上部呈破碎块状、下部呈短柱状。