既有铁路隧道衬砌开裂的整治措施探讨

范 小 龙

(中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031)

0 引言

近年来，随着我国交通运输基础设施建设的高速发展，铁路也扮演着越来越重要的角色，作为铁路工程的一项重要组成部分，隧道的数量也越来越多。不过由于地质、设计、施工等多方面的原因，导致一些隧道在运营后出现各种病害，给铁路的运营带来严重的安全隐患，衬砌开裂就是其中一种常见的隧道工程病害。

衬砌开裂不仅会影响隧道结构的自身强度，同时裂缝的发展会导致隧道出现渗漏水现象，引起隧道拱墙掉块甚至塌方，对衬砌结构和隧道内的列车运行造成极大的危害，给国民经济带来巨大的损失[1]。本文以六沾线乌蒙山二号隧道洞身中部衬砌开裂为例，分析了衬砌开裂的原因，并对其相应的整治原则和整治措施进行了探讨。

1 工程概况

隧道进口里程DK276+090，出口里程DK288+350，全长12 260 m；进口至DK287+740为双线隧道，出口端610 m为四线车站隧道，设计时速160 km/h。隧道共穿越8套地层、7条断层、1处向斜，最大埋深约400 m。隧区位于云贵高原中东部乌蒙山区，长江、珠江两大水系的分水岭地带，属云贵高原低中山地貌。地面高程1 805 m～2 360 m，地形起伏较大。隧址区地震动峰值加速度为0.05g。

本隧于2007年开工,2012年交付运营。2017年12月发现本隧出现衬砌开裂病害，本次病害位于隧道洞身中部DK282+245～DK282+257段。该段设计为Ⅳ级围岩，地层岩性为三叠系中统关岭组下段(T2g1)页岩夹砂岩、泥岩、泥灰岩，以页岩为主，泥质结构，页理状构造，弱风化，岩体破碎，完整性差，产状较平缓；环境作用等级为H1～H2。本段设计采用Ⅳ级复合式衬砌：拱墙二次衬砌厚度为45 cm，采用C40耐腐蚀钢筋混凝土；拱墙喷射混凝土厚度为23 cm，采用C25耐腐蚀喷混凝土；设置全环格栅钢架，间距1 m。

2 衬砌开裂情况

2.1 现场观察裂缝情况

2017年12月12日22时05分，六盘水工务段进行隧道敲击专项检查时发现沪昆下行线K2284+768～K2284+780(对应施工里程DK282+245～DK282+257)段拱部衬砌起拱线上方纵向开裂错台，最大裂纹宽5 mm，错台30 mm，敲击发现开裂部位至拱顶范围存在空响，见图1。

2017年12月27日，由工务段、监理及施工方相关人员对隧道左线(即下行线)衬砌裂缝进行开槽勘查得知：裂缝纵向长度为10 m，深度为15 cm～20 cm，宽度为3 mm～9 mm，拱部钢筋保护层过大，开槽处0 cm～25 cm未发现衬砌钢筋，然后采用电钻对开槽处进行探孔，电钻钻头30 cm，全部钻完后仍未钻至初支，判断此处衬砌厚度约55 cm～60 cm。

2.2 无损检测结果

针对此次病害情况，第三方单位对病害段进行了二衬混凝土无损检测。现场共布置7条测线，分别位于二衬拱顶、左右拱腰、左右电缆槽上方2 m、左右电缆槽上方4.3 m，测线总长84 m。经检测发现：DK282+245～DK282+257段隧道初支钢架间距、二次衬砌厚度及衬砌钢筋间距满足设计要求，但衬砌混凝土局部存在质量缺陷，左线拱部及拱顶分别存在空洞，右侧边墙初支脱空，见图2。

3 衬砌开裂的原因分析

衬砌开裂往往是多种不利因素综合作用的结果,其原因非常复杂。根据现场观察衬砌开裂情况并结合二衬混凝土无损检测结果，分析此次病害主要由以下两方面的原因造成。

3.1 地质原因

本次病害段通过地层以页岩为主，岩质软、岩体破碎、自稳能力差，地勘测量隧道最大水平主应力高达12.6 MPa，加之其方向与线路方向交角较大，故隧道衬砌结构所承受的围岩压力较大且分布不均，容易引起局部弯矩较大，超过了该部位衬砌的实际强度，从而导致衬砌混凝土局部开裂[2]。

3.2 施工原因

施工不当通常是造成衬砌开裂的主要因素，据有关统计,施工不规范造成的混凝土裂缝约占80%[3]。本隧施工过程中的不当操作主要表现在以下几个方面：

1)隧道开挖过程中爆破效果差，左侧拱部及拱顶超挖，加之在施作本段衬砌时模板台车局部存在变形且未做处理，导致混凝土浇筑完成后衬砌厚度不均、局部应力集中，降低了衬砌结构的承载能力及稳定性，使衬砌产生裂缝[4]。

2)衬砌混凝土原材料及配合比控制不严，浇筑过程中振捣不密实，造成局部衬砌与围岩不密贴，使衬砌在该部位没有围岩弹性抗力支撑、衬砌左右侧受力不均，隧道右侧的围岩压力对左侧拱部存在空洞而失去约束的部位形成挤压导致衬砌开裂[5]。

3)养护时间不够、拆模时间过早,混凝土未达强度要求即拆模使混凝土产生较大收缩变形、结构过早承载，导致拱部出现较多微观裂纹。随着时间的推移，在围岩压力持续作用下和运行列车的频繁振动作用下，微观裂纹发展为宏观张开型裂缝[6,7]。

4 衬砌开裂的整治原则

对于既有电气化铁路隧道衬砌开裂整治，应遵循以下原则：

1)整治过程中应确保施工安全并加强施工过程中的运营安全防护。

2)整治施工应在天窗时间进行，天窗时间注销前应清理施工场地，防止异物落于线路上，确保消除线路安全运营的隐患。

3)整治方案应综合考虑衬砌开裂原因、裂损程度、隧道净空、对运营干扰程度等因素，通常采用以围岩加固为主、围岩加固与衬砌补强相结合的综合整治原则[8,9]。

4)病害段落整治完成后，需进行不少于1年的监测，若发现有新的病害产生，应立即上报并采取措施，保证运营安全。

5 衬砌开裂的整治措施

5.1 现场临时应急处理措施

为确保运营安全，在发现病害后，现场立即对通过该段的列车采取了限速措施，并且在采取永久整治措施前，对DK282+245～DK282+257段设Ⅰ18临时型钢钢架套拱，钢架间距1 m。钢架间环向按间距1 m设置φ22纵向连接钢筋。同时为保证钢架基础稳固，钢架两侧墙脚位置设φ32锁脚锚杆，每榀钢架墙脚共设置4根，每根长4 m。

5.2 永久整治措施

本次衬砌开裂病害永久整治措施采用注浆加固+套衬补强方案(见图3)，具体设计如下：

1)在施作套衬前，采用φ42注浆孔对拱墙衬砌背后围岩注浆充填密实，注浆孔间距1 m×1 m，孔深3 m。注浆材料采用水泥砂浆，水泥砂浆配合比建议采用0.8∶ 1，并通过现场试验进行调整；根据环境作用等级采用相应的耐侵蚀浆材。注浆压力由现场试验确定，注浆结束后，采用膨胀水泥砂浆封堵注浆孔。

2)注浆加固完成后，对错台凸出部分打磨平整、圆顺。为保证套衬混凝土与既有二衬混凝土连接良好，在套衬施工前需对既有二衬表面进行凿毛处理，凿毛后凹凸差不应小于4 mm，凿毛后先用钢丝刷清理凿毛区域，再采用高压水清理干净，并涂界面粘结剂；在既有衬砌内植入Φ18定位钢筋钎钉，钎钉长40 cm，间距0.5 m×0.5 m，梅花形布置，伸入既有衬砌内20 cm，并涂抹植筋胶。植入定位钢筋前，需探明既有衬砌厚度，以便调整定位钢筋伸入既有衬砌长度，以避免穿透既有衬砌防水层。

3)为保证套衬混凝土基础稳固，需对既有二衬混凝土进行局部凿除，并在墙脚处打设φ25锁脚锚杆，每处2根，每根长3 m，纵向间距0.5 m。

4)施作套衬钢筋，套衬钢筋应与定位钢筋及锁脚锚杆焊接牢固，以确保钢筋定位准确。

5)施作套衬混凝土，建筑材料采用喷C30纤维混凝土，且要求套衬内表面平整度不大于1/20。

6)套衬混凝土应进行1 d龄期、28 d龄期抗压强度试验及耐腐蚀性试验。喷射混凝土1 d龄期的抗压强度不应低于8 MPa；28 d龄期的抗压强度不应低于20 MPa。28 d龄期的抗压强度平均值应大于设计值，且最低试验强度不小于设计强度的80%。为确保喷射混凝土初期强度，防止对运营安全的影响，喷混凝土3 h强度不应小于1.5 MPa。纤维可采用合成纤维，掺量为体积率0.06%～0.25%。

7)在施作钢筋混凝土套衬时，应采取必要措施确保套衬与既有二衬混凝土密贴，避免套衬出现空洞。

8)套衬施作完成后对套衬混凝土内表面打磨光滑，并施作渗透性结晶防水涂料。将套衬两端端头棱角处打磨成3 cm的斜面倒角，倒角需置于既有衬砌凿毛范围内。

6 结语

衬砌开裂是一种常见的隧道病害，它对既有铁路隧道的结构安全和运营安全威胁极大，必须引起高度重视。本文以六沾线乌蒙山二号隧道洞身中部衬砌开裂为例，分析了衬砌开裂的原因，提出了相应的整治原则，并介绍了注浆加固结合套衬补强技术在本次病害整治中的应用。

目前现场已按设计的整治措施完成了此次衬砌开裂病害的处理，且监测数据显示衬砌结构无异常。注浆加固结合套衬补强技术在本隧衬砌开裂整治中的成功应用，为今后其他类似的病害整治提供了参考。