论铁路隧道渗水病害对衬砌结构的影响及治理方案

王军辉

（中国铁道科学研究院，北京 100081）

1 引言

由于铁路隧道所处的地质条件极其复杂，大部分都处于山体内部，山体围岩复杂多变，为防止出现严重的坍塌、冒顶、渗水事故，必须加强衬砌结构防护，否则将造成巨大的人员和经济损失，这就对隧道设计和施工都提出了更加严格的要求。因此，设计人员和施工人员必须对隧道施工环境进行提前预判，针对可能出现的事故提前做好预案，最大限度地降低损失。通过相关现场的实地调查统计发现，我国的许多相关工程都不同程度地面临着渗漏水问题。因此，针对性地开展隧道渗漏水的专项防治技术研究就显得尤为重要。

2 工程概况

某铁路项目控制性工程为一座长度为1 421m 的隧道，施工结束后监理部验收时发现了存在部分质量缺陷：洞内渗水进入洞身衬砌结构，在二衬混凝土施工缝周边发现多条裂缝。因此，有必要对这些缺陷进行修复后方可验收通过。

3 隧道渗漏水成因

通过对调查数据进行统计分析，隧道渗漏产生的主要原因有：客观自然环境因素、设计及施工因素、防排水设计及衬砌完整性因素 3 大类【1】。

3.1 客观自然环境因素

1）地表下面的围岩情况非常复杂，种类变化较大，地表下方环境中的地下水状况、岩石的构成成分、稳定性因素等，都会影响隧道稳固性。

2）即便是完成开凿工作的隧道，因为地形的变化，周围的岩石依然会受到影响。

3）规模较大的雨雪天气也会产生不利影响。

4）渗水问题也非常突出。渗水问题通常发生在隧道途经的断层、溶洞、暗河等地带。当遇到大规模雨雪天气而积水无法顺利排出时，便会影响到防排水系统，出现漏水问题。

3.2 设计及施工因素

1）影响隧道渗水的问题中防排水体系的设计至关重要，有些工程的设计忽略了自然天气的影响，如排水如何应对大规模降水的问题。

2）正式施工中遇到的问题：施工缝中止水带缺陷问题；施工步骤与方式问题；工程设计与现场自然环境的差异问题；防水板的接茬处焊接不严密或在进行模筑二衬时遭到损坏；其他排水设施中的管道有可能被封堵；相应的控制及验收环节把控不当。

3.3 防排水设施及衬砌完整性因素

1）隧道工程具有隐蔽性强、施工难度大的特点，设计和施工不可能完全与周边环境、地质状况相协调，这就会导致设计和实际建设存在差别，在对其进行建设时应结合实际，对某些关键性数据进行及时的调整和改进，以应对某些突发状况，若处理不当，极易产生隧道运营渗漏现象的发生。

2）防排水体系和衬砌的完整性是决定隧道渗漏的最直接因素。研究发现，所发生的渗水事件大部分都是由于排水沟被封堵导致的，其一旦被封堵则导致衬砌壁后排水不顺畅，就会对隧道造成一定的水压力，当其作用在隧道上时，会使衬砌发生变形甚至产生裂缝，导致地下水进入隧道。

4 铁路隧道渗漏水对衬砌结构的影响

4.1 监控水压力变化对衬砌结构的影响

通过构建单洞隧道计算机模型，模拟隧道拱顶、拱肩、边墙等部位在中埋深地下水中的裂缝出现情况，可以在设计阶段提前对可能出现的裂缝部位进行验算，从而制定相应的设计方案。现场可实时观察隧道内二次衬砌上拱顶、左右拱脚和拱底、左右拱肩和边墙的模拟变化情况。通过分析这些位置的裂缝出现情况和渗漏水水压变化情况，可以得到隧道内部的薄弱部位和由此产生的不良后果变化情况【2】。

通过现场测试结果，孔隙水压力在隧道内渗漏位置比未出现渗漏的位置明显偏高。其中，右拱肩渗漏位置孔隙水压力较未渗漏位置水压高6.65%。同理，右边墙隙水压力高2.53%，右拱脚水压力高0.44%。

4.2 渗漏水对衬砌结构的其他影响

1）渗漏水导致隧道内的衬砌表面水压力增大，影响了隧道的安全性和稳定性，局部的大面积积水将直接破坏其衬砌结构【3】；

2）衬砌开裂、风化更加严重，降低了隧道的使用年限；

3）渗透水严重腐蚀了衬砌中的水泥混凝土，降低了衬砌的承载力；

4）衬砌的冻胀裂损较多出现在温度较低的严寒区域内的隧道，由于其环境恶劣、温度较低，该病害容易导致衬砌破裂；

5）当隧道内部的渗漏水由于温度降低而结冰时，将会增大衬砌缝隙，出现支护结构掉落、失效的病害；

6）部分隧道地处山区内，防排水设施主要以“半包式”为主，这种方式可以应对压力较小的孔隙水，当降水过多、水压过大时，就会造成衬砌的严重破坏。

5 隧道渗漏水的修复措施

隧道漏水缝隙处需按照“拱部封堵，边墙疏排，以引为主，截堵相结合”的原则，同时结合漏水的位置、裂缝大小、水压力情况等多项指标，再选择合适的修复材料进行处置。

5.1 点状渗漏水整治措施

在对衬砌裂缝整治过程中，首先需要对点状渗漏水进行有效处理，具体步骤为：

1）精确查找隧道内部的渗漏点，做好其表面的清理工作，并为下一步工作做好标记工作；

2）对渗漏点进行钻孔勘察，孔深在10～20cm，然后利用化学注浆头埋设其中，同时用速凝混凝土对渗漏点进行封堵；

3）在注浆管内注入1MPa 以上压力的清水进行打压，以检测周边衬砌位置是否仍然存在未检测到的渗漏点，并做好封堵工作；

4）针对大面积渗透位置，可采用注浆法进行堵截。注浆时压力需达到0.5MPa 以上，并根据周边地质环境做好压力调整工作。为快速有效地堵截渗透点，注浆材料需选择聚合物化学浆，该材料具有黏聚力高、凝固速度快、施工方便等多项优点【4】。

5.2 喷射混凝土施工处理裂缝方案

1）锚喷的施工流程：清面凿毛→钻孔插杆→挂网→喷射混凝土；

2）受喷面清理和凿毛：对将要加固的结构面使用钢刷进行杂质清理，使用铁凿和铁锤开凿出密度10.13 点/10cm2、深度0.5cm 的凿毛面；

3）钻孔和插入锚杆：该工序主要按照放样、钻孔、清孔、填孔、插锚杆的次序进行施工；

4）挂钢筋网:对纵横锚杆养护2d 后，即可进行钢筋网的铺设作业。钢筋网铺设时需按照先绑扎、后定位、再焊接的方法进行施工；

5）喷射混凝土施工：喷射混凝土施工需在挂钢筋网施工结束后进行。该工序首先需要对钢筋网用高压水枪进行大面积清洗，当钢筋网表面无明显积水时，方可喷射混凝土。

5.3 开槽引排方案

1）清洁表面:清除衬砌混凝土表面的杂质，以便在最短时间内找到渗漏点；

2）割缝或钻孔：对衬砌混凝土渗漏点切割出一个深度8cm、宽度6cm、间距2cm 左右的钻孔；

3）人工开挖沟槽时需确保其完整性，沟槽防水层需达到23cm 以上，深度为8cm，采用倒梯形的结构形式；

4）埋管：将直径50mm 的弹簧连接到直径50mm 的PVC管上，埋设在沟槽底部，用铁皮进行固定，以防止其脱落；

5）封填：使用橡胶止水条对埋管进行封闭，之后在其上方填筑水泥砂浆；

6）当封填的水泥砂浆强度达到相关规定时，可再次喷洒水雾进行修复养护，之后按照1∶2 的比例铺设普通砂浆；

7）养护：对水泥砂浆进行一定温度和湿度的养护，养护时间为2 周。

5.4 施工缝边缘开裂处理

采用灌注水泥砂浆的方法，可有效降低施工缝边缘裂缝对隧道二衬的进一步破坏。

5.4.1 注浆所用材料及配合比

环氧树脂砂浆配比：环氧树脂∶水泥∶细砂∶乙二胺∶二丁酯=1∶1.6∶3.2∶0.1∶0.12。其确定和使用要先经过试验验证合格性。

5.4.2 注浆工艺要点

1）压力注浆系统布置：钻孔的间隔距离需根据裂纹的方向、位置、深度等多种因素进行动态调整，其中，钻孔深度需达到15cm 以上，间隔一般保持在0.5m 左右，施工时需注意禁止将衬砌打通；

2）预埋注浆嘴：注浆嘴的埋设需在裂缝扩槽、清理工序结束之后进行，其埋设的间距大小受裂缝宽度、方向、结构形式等多种因素的影响；

3）封闭裂缝：环氧胶泥的主要作用是对裂缝的沟槽进行填充，根据现场实际情况可灵活决定其加宽尺寸；

4）压气试漏检测：环氧泥浆要想达到一定的结构强度，需静置3h 以上才可使用，使用前需进行相关实验检测，以检测其是否仍然存在空洞；

5）养护：养护需经过24h 之后才可以产生一定的结构强度，之后进行注浆嘴拆除后还需静置12h 才可进行下一步骤。

6 结语

本文从自然因素、防排水系统的建设和完善等方面，对铁路隧道内的衬砌渗漏的原因进行了简要分析和讨论。由渗漏产生的水压力变化将导致衬砌的二次开裂和其他相关病害，产生了极大的安全隐患。针对这种情况，建议按照“疏、堵、排”的理念进行相关设计和建造。