某高速铁路隧道衬砌缺陷整治方案研究

胡庆龙 张 延

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

铁路隧道病害会对铁路行车构成严重的安全隐患[1-2]。因此，确定隧道缺陷的类型，选择合理的整治措施，对于铁路正常运营至关重要。吴江滨等[3]总结了铁路运营隧道病害现状。高波等[5]统计了汶川地震后公路隧道的震害情况，并对隧道的缺陷修复原则提出了相应的建议。郝小苏[6]结合兰渝铁路图山寺隧道缺陷整治，提出了局部凿除换衬的治理方案。唐智勇等[7]认为隧道的常见缺陷主要有：二次衬砌厚度不足、二衬内为单层钢筋或钢筋缺失、混凝土衬砌强度不足、二次衬砌与初期支护之间存在空洞、混凝土表面存在裂缝等。

综上所述，隧道衬砌缺陷严重影响行车安全，对于不同缺陷，所采取的整治措施也不相同，“对症下药”是处理隧道衬砌缺陷的重要原则。常见的缺陷整治措施有：二衬结构补强、注浆充填加固、注胶粘合法维修裂缝、二次衬砌局部拆换、钢筋混凝土套衬、波纹钢板套衬等[8]。结合某高速铁路隧道运营期间存在的病害缺陷，根据既有线的运营特点，并辅以模型计算，提出钢筋混凝凝土套衬的整治方案，可为类似隧道工程的缺陷治理提供借鉴。

1 工程概况

1.1 隧道概况

某高速铁路隧道全长455 m，位于直线段，隧道内纵向为单面上坡，坡度为5.8‰，设计速度250 km/h。二衬缺陷段落长10 m，里程为：DK89+102～DK89+112。距离隧道出口15 m。

1.2 地质概况

隧址区位于丘陵地带，地形起伏较大，最大高差约30 m，植被较发育。隧道进出口地表为残坡积粉质黏土，洞身主要穿越强风化-全风化花岗岩，最大埋深约25 m，全隧为Ⅴ级围岩。

1.3 原设计衬砌概况

全隧采用Ⅴb型复合式衬砌支护。初支采用C25网喷混凝土，厚28 cm，二衬采用C35钢筋混凝土，厚50 cm。

1.4 衬砌缺陷概况

通过人工检测和钻孔破检，发现该段衬砌缺陷情况如下：

(1)由地质雷达扫描结果看，隧道内K357+209～K358+219缺陷段(纵向10 m，环向4 m)二衬厚度为10～32 cm(原设计二衬厚度为50 cm)，不满足设计要求，且原设计K357+210～K357+214段二衬内为双层钢筋，实测二衬内钢筋为单层钢筋或钢筋缺失。

(2)从混凝土衬砌强度反弹测试结果看，该段衬砌混凝土强度为33.0 MPa，不满足设计强度(35.0 MPa)。

(3)根据钻孔验证及破检情况(钻孔10处，破检1处)，其中有4处在孔深10～22 cm之间时见防水板，且存在脱空，脱空范围为2～5 cm。

(4)在破检处有1条环向长约5 m的裂纹，经验证，该裂纹为施工冷缝。

2 检测仪器

地质雷达是探测隐蔽介质结构位置和分布的非破坏性探测仪器，具有快速、准确、无损等优点[9-11]。地质雷达的采集参数包括时间窗口、采样点数、天线中心频率、测点点距与发射、接收天线间距等。

3 隧道二次衬砌缺陷产生的原因

根据检测和钻孔破检情况，造成缺陷的原因主要是该隧道存在欠挖或初支完成后沉降超限且未进行处理，二衬厚度不足，局部仅设置单层钢筋，混凝土浇筑不完全，防水板与初支分离脱落，二衬施工完成后未及时施作拱顶及回填注浆等。

4 处理方案

4.1 方案介绍

对于山岭隧道，常见的缺陷整治措施有：二次衬砌结构补强、二次衬砌局部拆换、注浆充填加固、注胶粘合法维修裂缝、钢筋混凝土套衬、波纹钢板套衬等。对于不同类型的缺陷，所采取的整治措施也不相同。衬砌背后有较大面积空洞时，通常采用轻型膨胀聚氨酯材料填充、泡沫混凝土填充等方法进行处理。

缺陷段存在二衬厚度严重不足、衬砌混凝土强度不足、脱空、防水板切割二衬等问题，且本段为Ⅴ级围岩地段，埋深浅，常规的隧道填充技术对原有隧道衬砌强度破坏较大。因此，对缺陷段落施作钢筋混凝土套衬进行补强。设置钢筋混凝土套衬会使得隧道净空断面面积减小，应合理制定套衬的设置厚度，以满足行车要求。套衬厚度设计为25 cm，利用了隧道内30 cm的工程技术作业空间，在规范允许的范围之内[12]。

4.2 套衬设置长度

喷射与模筑是浇筑混凝土常用的两种方法，喷射混凝土可以与围岩表面密贴，模筑混凝土可以更好地控制施工质量。为确保结构安全，增强结构的整体性，采用模筑法对缺陷段(前后各延长0.5 m)设置钢筋混凝土套衬。

4.3 二衬套衬补强加固处理方案主要施工步骤

套衬施工流程如下：

①凿毛；②植筋；③打设锁脚锚杆；④施作套衬钢筋；⑤施作套衬混凝土；⑥打磨套衬内表面混凝土；⑦涂刷防水涂料。处理方案见图1。

图1 拱墙套衬横断面

5 计算分析

计算时，可将套衬结构变形作为平面应变问题来近似处理。考虑围岩与结构的共同作用，采用荷载-结构模型平面杆系有限元法的SAP84软件建立二维隧道结构模型。计算方法采用破损阶段法，根据《铁路工程设计技术手册》，二次衬砌承受30%～50%的围岩压力。如果考虑二衬全部失效，按照最不利情况，钢筋混凝土套衬承担50%荷载[13]，计算荷载模型见图2。

图2 结构计算荷载(单位：MPa)

5.1 基本计算参数

围岩容重为20 kN/m3，弹性反力系数为150 MPa/m，埋深8.5 m，围岩计算摩擦角为22°，顶板土柱两侧摩擦角为13.2°。计算参数的取值仅针对本隧道，不具有代表性。

5.2 计算荷载

(1)结构自重

钢筋混凝土容重为25 kN/m3，程序自动加载。

(2)土压力

垂直均布压力

q=γh(1-λhtanθ/B)=0.156 MPa

(1)

(2)

结构水平压力为：

e1=γh1λ=0.090 MPa

(3)

e2=γh2λ=0.181 MPa

(4)

式中q——围岩垂直均布压力/MPa；

γ——围岩重度/(kN/m3)；

h——洞顶离地面的高度/m；

θ——顶板土柱两侧摩擦角/(°)，为经验数值；

B——隧道宽度/m；

λ——侧压力系数；

φc——围岩计算摩擦角/(°)；

β——产生最大推力时的破裂角/(°)。

5.3 荷载组合

本次计算主要考虑永久荷载，包括结构自重和围岩压力，计算方法采用破损阶段法，荷载分项系数均取1。

5.4 结果分析

该模型考虑了结构自重和土压力，未考虑套衬与既有二衬间叠合结构的有利作用。隧道结构内力见图3～图4。经过计算，钢筋混凝土套衬结构的安全系数为2.8，裂缝宽度为0.107 mm，满足规范要求[14]。通过模型计算，钢筋混凝土套衬方案可以满足正常使用的极限状态要求。

图3 结构弯矩(单位：kN·m)

图4 结构轴力(单位：kN)

6 整治效果

铁路隧道缺陷整治是一项复杂的系统工程。运营铁路隧道具有天窗时间短、空间小、任务重、安全及质量要求高等特点，需要运营、设计、施工等单位多个部门相互协调配合。

经过现场各方的努力，在没有中断线路运营的情况下，完成了对隧道缺陷里程K357+209～K358+219段的钢筋混凝土套衬施工，达到了较好的整治效果，确保了行车的安全。模筑衬砌较钢拱架外形美观，耐久性更好，得到了广泛的好评[15-16]。隧道整治前和整治后的现场情况如图5、图6所示。

图5 隧道整治前

7 结论

钢筋混凝土套衬方案具有安全性、耐久性、耐火性等优点，结构计算体系较成熟，施工过程中对既有二衬的强度影响小，不会破坏原有衬砌结构的整体性和强度，可以达到“一次整治，不留后患”的效果。但也存在施工难度大，施工周期长，对行车干扰大，投资高，自重大等缺点，故建议仅在隧道内出现严重结构性裂缝、衬砌掉块、大范围空洞、防水板切割混凝土等严重质量缺陷的情况下采用。