高速铁路隧道衬砌裂缝整治措施研究

李多伟

摘要： 随着我国经济水平的提升，我国也大力开展高铁建设。在高铁工程中，隧道是非常重要的一项内容，其自身结构的质量高低将对整个列车的安全运行具有十分重要的意义。而在实际隧道建设中，隧道衬砌裂缝可以说是经常出现的一类病害，将对结构安全造成非常严重的影响。在本文中，将就高速铁路隧道衬砌裂缝整治措施进行一定的研究与分析。

Abstract： With the ascension of economy level， the high-speed railway construction is rapidly developed in China. In high-speed railway engineering， tunnel is a very important content. The quality of its structure has great significance for the safety of the train operation. But in the actual tunnel construction， tunnel lining crack is a kind of disease often appears， it will cause serious influence to the structure safety. This paper studies and analyzes the control measures of tunnel crack of the high-speed railway.

关键词： 高速铁路；隧道衬砌；裂缝整治

Key words： high-speed railway；tunnel lining；crack control

中图分类号：U457 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）08-0070-03

0 引言

自日本于1964年修建第一条高速铁路以来，高铁建设事业就在全球范围内得到了迅速发展，整个设计速度也实现了从200km/h到300km/h的大幅度跨越，近年来我国的高铁建设事业也在迎头赶上，并实现了跨越式的超越，在全世界范围内也处于领先水平。但是在高速铁路建设过程中也遇到了一些问题。

隧道衬砌裂缝是高铁隧道实际应用中经常出现的一类问题，当隧道衬砌发生裂缝问题时，衬砌截面承载面积将得到减小，并因此对整个隧道的结构承载能力产生影响。同时，裂缝问题的出现，也常常伴随着衬砌变形以及渗漏水问题，并因此在引发多种病害的同时，对整个衬砌结构造成了更大的安全隐患。面对此种问题，就需要积极的做好病害防治工作。一般来说，引起隧道衬砌出现开裂的原因主要有衬砌厚度不足、混凝土质量没有满足要求、背后存在孔洞以及存在偏压情况等。而对于这部分因素来说，则可以归结为以下两方面：第一，由于整个隧道围岩工程稳定性较差；第二，结构设计无法满足隧道安全承载需求。基于这部分特点，本文拟从隧道衬砌强度以及围岩稳定性这两方面入手，对隧道结构进行加固，并对衬砌裂缝进行整治，以增强隧道的稳定性，确保其安全运营。

1 高速铁路隧道结构不稳定及衬砌开裂成因及危害

隧道开裂是指衬砌表面出现裂缝，包括张裂、压溃、错台三种状态。隧道结构不稳定一方面是因为结构设计不合理所致，另一方面也可能因为施工或运营期间的某些因素所致。衬砌开裂有施工方面原因，也有高速铁路隧道运营期间行车荷载的原因。由此可见，高速铁路结构不稳定与衬砌开裂在成因及危害上有共通之处，本文将这两种现象的成因及危害进行综合分析。具体来讲，高速铁路隧道结构不稳定及衬砌开裂的其成因及危害如下：

①施工缝的崩边崩块，当高速列车以350km/h的速度通过隧道时，产生的高速压缩风和隧道震动极易引起崩块掉落，会给高速运行的动车组带来极大的安全隐患，甚至会像高速行驶的子弹一样击穿动车组车厢。

②拱墙干裂缝，空气的湿度和酸碱度极易造成隧道内壁的混凝土裂缝，破坏了混凝土的整体结构，进而影响到整个工程性能并缩短了其使用寿命，甚至会影响到隧道的安全通车问题。

③二衬表面露筋、翻砂和离析，当动车组以极高的速度穿过隧道时，产生的强大气流会吹动隧道内壁的沙粒并形成灰尘，降低了隧道内部的能见度，并影响了信号灯的正常使用，也会带来很大的安全隐患。对于隧道二寸表面的保护不足，也会引起裸露的钢筋锈蚀，使得混凝土开裂掉块，造成安全隐患。

④错台，动车组高速通过隧道时，会对错台形成反方向作用力的风和气流漩涡，扰动动车的正常运行。

2 不稳定高速铁路隧道结构及隧道衬砌裂缝加固方法

针对高速铁路隧道结构不稳定、衬砌开裂以及两种缺陷同时存在的现象，提出下列加固整治方案：

2.1 不稳定高速铁路隧道结构的锚固注浆加固方式

目前，对隧道围岩稳定性进行提升的方式主要有深孔注浆以及锚固注浆等方式。如果目标围岩级别较高，通过钻孔、压降以及锚杆打入方式的应用，则能够使衬砌周围岩体在互相间粘结的同时形成具有一定厚度的承载拱。而如果对衬砌的破碎岩体进行压浆，则能够在围岩周围区域形成一定大小的固结圈，能够使施加在该圈的压力能够形成更有利的分布以及转化。

①锚固注浆加固工艺流程（图1）。

②锚杆设计参数及现场布置。

锚杆设计参数：超前锚杆采用Φ25中空锚杆，长5.0m，环向间距0.8m，外插角20度，纵向相邻两排锚杆的水平搭接长度3.2m。现场布置详见表1。

③技术措施。

采用30号水泥浆液，水灰比1：1（重量比），注浆压力：0.5～1.0MPa。

在锚固注浆加固过程中，其所使用的材料主要有水泥砂浆、防水砂浆、中空锚杆以及化学注浆液等。工艺方面：第一，要进行锚杆的钻孔以及安装。通过凿岩机设备的应用将3m长的中空锚杆钻入到设计深度，在将间距控制在1.2m的同时以梅花形的方式对其进行布置。同时，需要在锚杆外侧对用于观察以及排气的软管进行设置，并做好螺母、止浆塞以及垫板的安装；第二，初次注浆。即将提前已经配置完毕的水泥砂浆材料进行压注，一般来说，该环节需要将压力控制在0.6-0.7MPa，如果在注浆过程中发现进浆较少或者不再进浆，则可以结束注浆工作；第三，进行二次注浆。在初次注浆完成后，由于砂浆材料的干缩以及离析沉淀，则会形成具有较小缝隙的通道，对于该种情况，则需要在初次注浆、浆液终凝之前对其进行二次注浆处理，并将压力控制在0.9MPa左右；第四，衬砌找平。即通过防水砂浆材料的应用对混凝土锚固注浆区域进行过找平，以此在对存在裂缝进行封闭的同时对锚杆外露垫板实现覆盖。在该项工作完成后，则正式进行养护。

2.2 高速铁路隧道衬砌裂缝碳纤维加固方式

目前，我国以衬砌混凝土为对象的裂缝处理主要有碳纤维布加固、裂缝嵌补、锚喷加固以及注浆加固这几种方式。其中，喷粉加固方式即将混凝土材料喷射到隧道衬砌结构上，在对结构上存在缝隙进行填充的同时使新、旧材料间在粘结作用的影响下形成整体，并因此提升衬砌结构的结构刚度以及材料强度。

而对于碳纤维布方式来说，则是将碳纤维材料直接在产生裂缝的位置进行粘贴，通过混凝土梁同碳纤维布间的粘结性提升整个衬砌结构的承载，并获得其抗弯承载力的提升。注浆加固方式，则是通过化学浆液材料以及混凝土材料的应用对存在裂隙以及孔洞的衬砌位置进行直接填充，以此获得衬砌材料质量的改善。

①碳纤维加固工艺流程。

对衬砌结构混凝土材料进行加固方式的实质，都是通过对隧道衬砌强度的提升获得结构承载力的增强。具体工艺流程详见图2。

②加固措施。

在采用碳纤维加固隧道衬砌裂缝时，所使用的材料主要有粘结胶、碳纤维布、密封胶、粘结树脂以及底层树脂等。工艺方面：第一，面层处理。即通过砂轮设备的应用对隧道衬砌表面的混凝土裂化层进行彻底的清除，保证在处理完毕后其表面具有充分干燥的特点，且平整度能够满足工程要求；第二，裂缝封闭。即通过密封胶材料的应用对裂缝进行封闭，并做好基层的处理；第三，底胶预涂。通过滚筒设备的应用在衬砌表面对底层树脂进行涂刷，保证其厚度在0.04mm以下；第四，找平。如果在树脂涂刷之后，其表面存在气泡问题，则需要这部分树脂材料完全干燥、固化之后，通过电动砂轮设备的应用做好气泡的去除以及整平；第五，碳纤维粘贴。在该环节中，通过滚筒毛刷的应用将树脂以及粘贴胶等材料以均匀的方式对碳纤维布以及衬砌目标位置进行涂刷，在对碳纤维布粘贴完成后做好表面的滚压，以此对底层同碳纤维布间存在的气泡进行彻底的清除，并做好养护。

2.3 不稳定高速铁路隧道结构及衬砌裂缝加固方法

对于衬砌变形较大、且开裂情况较为严重的情况，则需要通过稳定性提升以及强度增强这两种方式的共同应用对结构存在的裂缝以及变形问题进行处理。在加固过程中，要求将衬砌偏压荷载降低10%，将混凝土抗拉强度提升10%，在此情况下按照以上两套工艺流程对结构不稳定且存在衬砌裂缝的高速铁路隧道进行加固。

2.4 其他加固方法

除不稳定隧道结构加固法和衬砌裂缝加固法以外，对于隧道衬砌裂缝，还可以结合现场工况，采用以下方法来修补裂缝。

①骑缝注浆法。

在该方式中，其所使用的材料主要有浆液以及环氧树脂砂浆。工艺方面：第一，要沿着裂缝走向进行凿槽，并从裂缝位置向两端延伸10cm的距离，保证槽宽为5cm；第二，通过毛刷工具的应用及时做好槽内浮尘的清除；第三，顺着裂缝对注浆钢管进行设置，保证其间距为0.6-0.7m，并通过环氧树脂砂浆材料的应用做好沟槽的嵌填以及注浆管的固定；第四，注浆。当砂浆完全凝固后，对环氧树脂浆液材料进行压注，保证其压力为0.4MPa左右；第五，割管。当完成注浆工作之后，则可以对注浆管外露部分进行及时的割掉，并做好填色料以及挂抹料的涂刷。

②凿槽嵌补法。

在该方式中，其所使用的材料主要有聚合物砂浆等。工艺方面：第一，沿着裂缝方向进行凿槽，保证其宽度在3cm-5cm之间，并联系裂缝实际深度对槽深进行确定，之后通过高压缝以及钢丝刷工具的应用对槽内存在的粉尘以及浮渣进行处理，保证缝隙具有整洁、干燥的特点；第二，在槽的地面以及两侧位置，需要对0.3mm厚的底胶进行涂刷；第三，该通过接缝材料的应用做好填缝处理，并鼓捣密实；第四，通过防水砂浆材料的应用对裂缝表面进行，抹平，并做好养护处理。

③直接涂抹法。

在该方式中，其所使用的材料主要有水泥基渗透结晶型材料等。工艺方面：第一，做好混凝土基面处理，使混凝土基面具有洁净以及粗糙的特点；第二，做好混合料的配制，并将其喷射到混凝土基面上，保证混合料能够直接喷射到表面存在的裂缝以及空隙当中；第三，当第一层涂料涂刷完成、初凝后则进行第二层涂刷，并及时做好养护。

3 加固效果对比分析

本文针对高速铁路隧道结构不稳定、衬砌开裂以及结构不稳定与衬砌裂缝两种缺陷同时存在的现象，结合每一类现象的加固整治方案进行了效果对比，得到了表2所示的对比结果。

4 结论及建议

隧道衬砌病害防治是现今隧道施工中必须引起重视的一项工作，在上文中，我们对高速铁路隧道衬砌裂缝整治措施进行了一定的研究，需要在实际处理中能够联系实际，通过适当方式的科学选择保障整治效果。

另外，在高速铁路实际建设及工后运营维护中，无论使用何种方式对围岩进行加固，其目的就是对围岩的强度、刚度以及完整性进行提升，进而获得其稳定性的改善。但是有的结构缺陷或开裂现象并不十分严重，应该根据其开裂现象及严重等级合理选择加固整治成本。具体可按照如下建议仔细权衡：①针对不稳定的隧道结构，或已存在的结构裂缝，采取锚固注浆加固方案，将结构裂缝控制在4条以内，且不存在纵深裂缝就达到了安全标准，这样即保证了结构稳定，又不必花费过多的施工成本，经济又安全。②针对深度较浅的衬砌裂缝，尽量采用碳纤维加固方案。在实际施工中，可根据裂缝深度酌情考虑是否需要锚固注浆。③针对隧道结构不稳定及衬砌裂缝同时存在的隧道结构，则必须综合运用考虑锚固注浆及碳纤维加固方案，做到一步到位，彻底整治。以免工后再返工，浪费时间和成本。

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