高速铁路隧道衬砌养护与检测技术

2021-05-17霍建勋林传年

铁道标准设计 2021年5期

霍建勋,林传年,刘喆

(中国铁路经济规划研究院有限公司,北京 100038)

引言

我国已经成为世界隧道大国，截至2019年底，我国已运营的铁路隧道共有16 084座，总长度为18 041 km，其中高速铁路隧道共3 442座，总长度为5 515 km[1]。

目前，国内运营的铁路隧道衬砌多出现开裂、蜂窝、麻面以及掉渣掉块等质量问题[2-4]，其主要原因有以下几方面：混凝土浇筑过程中，混凝土振捣不密实，衬砌质量不过关；施工中对隧道衬砌施工设备监管不到位，衬砌台车、养护台车未发挥真正作用；隧道衬砌混凝土养护工作不到位，如养护没有制定养护工序和标准，没有相关的养护设备等。

近年来由于采用大容量通风设备改善隧道内的工作环境，使得隧洞坑内温度及湿度发生急剧变化，破坏了混凝土养护环境。另外，随着隧道的大断面化，水泥用量增加，加之高炉矿渣水泥的采用，导致混凝土的品质变数增加。因此，在没有采用特别养护条件下，混凝土由于温差容易发生收缩而产生裂缝，从而严重影响混凝土衬砌耐久性并直接影响到衬砌质量[5-7]。衬砌结构存在的质量问题会直接影响到隧道运营的安全稳定，还会增加维护成本，因此提出适宜的隧道衬砌检测技术获取衬砌质量信息，并根据检测数据对衬砌养护情况进行判断具有重要意义。

针对铁路隧道衬砌养护和检测技术，国内学者已有一定研究。孟庆伶[8]介绍了日本隧道采用喷雾养护法进行衬砌养护的技术要点。仇文革[9]通过对C30混凝土养护的室内试验，对比分析了自然养护、喷水养护、汽雾养护和标准养护等4种养护方法养护效果。石迎新[10]依托固西公路炸嘴山隧道工程，提出了蒸汽覆膜养护技术。杜强[11]依托郑万铁路隧道工程，提出了蒸汽养护台车养护技术。王华夏等[12]结合高速铁路隧道特点，提出了一套隧道裂缝自动化检测系统，并对系统工作原理进行阐释。温佐彪等[13]以渝利铁路为实例，介绍了引入GRP5000系统的激光全息扫描技术的原理及方法。以往研究更多集中于传统衬砌养护技术，对于智能化、信息化养护及检测方面研究相对较少。

本文根据铁路隧道的大量现场调查，获得了铁路隧道中与衬砌养护相关的典型施工质量缺陷案例，并对其形成的原因进行分析。基于衬砌结构常规的养护措施，提出了新的智能养护技术，最终形成了衬砌结构养护技术和质量检测技术。

1 衬砌结构典型质量缺陷及分析

1.1 衬砌混凝土强度不足

衬砌混凝土强度不足在衬砌的任何部位均可出现，混凝土强度不足往往导致结构或构件的承载能力降低，主要表现在以下3个方面：一是降低结构强度；二是抗裂性能差；三是构件刚度下降。另外，混凝土强度不足也会严重影响其抗渗、抗冻能力，从而降低混凝土衬砌耐久性[14-15]。

衬砌混凝土强度不足主要由施工不当、养护不利等原因造成。

(1)原材料不合格，粗细骨料级配不合理，未严格按照混凝土配合比施工。

(2)振捣不到位，混凝土浇筑过程中发生漏振、欠振、过振等问题，这是引起强度不足最主要的原因之一。

(3)养护不及时，混凝土浇筑完成后，未达到设计强度即脱模，未及时采取养护措施，导致混凝土胶凝材料水化不充分，缺乏足够的粘结力，强度不达标。

1.2 衬砌裂缝

隧道裂缝主要有衬砌环向裂缝、纵向裂缝、斜向裂缝、月牙状裂缝、十字形裂缝等，是隧道工程中出现频率较高的病害[16-17]。其中，纵向裂缝(图1)平行于隧道轴线，其危害性最大，继续发展可能引起隧道掉拱、边墙断裂甚至整个隧道塌方。隧道纵向裂缝分布规律为拱肩部分较拱顶部分多，双线隧道主要产生在拱肩，单线隧道主要产生在边墙。

图1 衬砌纵向裂缝

隧道衬砌以钢筋混凝土结构或素混凝土为主，施工过程中水化反应不充分、养护不到位、强度不足都会导致衬砌产生裂缝，进而降低结构承载性能。

(1)混凝土浇筑不规范、振捣不到位、拆模过早，导致衬砌混凝土不密实，在外力影响下，衬砌发生开裂。

(2)混凝土养护不到位，甚至不养护，衬砌混凝土因为胶凝材料水化不充分、混凝土干缩等原因出现裂缝。

1.3 衬砌表面蜂窝麻面

衬砌表面蜂窝麻面是隧道较常见病害之一[18-19]，具体表现为混凝土局部酥松、粗糙，或有许多小凹坑，砂浆少石子多，石子之间出现空隙，形成蜂窝状的孔洞，如图2所示。

图2 衬砌蜂窝麻面

隧道衬砌蜂窝麻面一大主要原因是施工工艺与质量控制效果差，主要表现为以下两个方面。

(1)施工过程管理不善，混凝土和易性差，配合比控制不严，塌落度不合理，混凝土捣固质量不佳。

(2)施工工艺不当。混凝土灌注操作不当，混凝土拌和时间不足，混凝土模板台车拆模过早，养护不及时。

上述隧道衬砌质量缺陷的产生，一是与原材料选择、使用有关；二是与浇筑过程控制有关；三是与衬砌养护有关。在加强原材料选择、浇筑过程控制后，衬砌养护便显得格外重要。衬砌养护能给混凝土提供适宜的硬化条件，进行科学的衬砌养护对于显著提高隧道衬砌质量，特别是衬砌混凝土强度、表面致密性具有重要意义。

2 衬砌结构传统养护方法

目前，国内隧道衬砌混凝土养护方法主要有自然养护、喷水养护、汽雾养护、标准养护等，各种养护方法如下。

(1)自然养护：在隧道环境温湿度条件下，不采取任何辅助方式的养护。此养护方法效果最差，仅在隧道内温湿度接近标准值时可采用。

(2)喷水养护：在隧道环境温度下，利用一定的压力将水喷洒在混凝土表面进行保湿养护，根据隧道环境条件，确定每天喷水次数，以保持混凝土表面湿润为准。喷水养护费用低，在我国应用比较普遍，但如果水温与混凝土内部温度相差太大，则对控制混凝土裂缝不利，且强度损失也较大。当环境平均温度低于5 ℃时，不可进行喷水养护。

(3)汽雾养护：在规定温度(20±3) ℃下，采用蒸汽或喷雾方式(确保混凝土表面湿度达到90%以上)进行养护，但在寒区隧道施工，蒸汽养护不能保证养护温度，不能保证低温环境下混凝土的养护质量。

(4)标准养护：在标准温度(20±1) ℃下，向混凝土试件表面洒水或将混凝土试件浸泡在水中，以保持混凝土表面湿度达95%以上。该养护方法在实验室内普遍采用，应用于山岭隧道施工现场难度较大。

西南交通大学仇文革等研究人员通过对自然养护、喷水养护、汽雾养护和标准养护等4种养护条件下C30混凝土试件各龄期的抗压强度进行了室内试验比较，得到了图3的试验结果。由图3可知，标准养护衬砌混凝土各项力学性能最好，其次是汽雾养护，再次是喷水养护，自然养护最差。汽雾养护和标准养护混凝土28 d抗压强度均能满足C30强度等级标准，且各龄期抗压强度相差不大，而喷水养护和自然养护28 d抗压强度达不到C30强度等级标准[9]。

图3 不同养护条件下衬砌混凝土各龄期抗压强度对比曲线

由于衬砌混凝土处于特殊的环境中，外界气候环境及隧道洞内温度、湿度对衬砌混凝土影响很大。衬砌混凝土若不及时养护，就会使其力学和耐久性能降低。从应用实际来看，衬砌养护通常采用喷水自然养护和汽雾养护两种方法。这两种方法虽然均能够在衬砌混凝土硬化过程中提供一定的养护作用，但由于养护过程中不能保证温度、湿度的恒定，养护质量难以控制，养护效果不佳。而且在养护范围和养护效率方面也存在较大的局限性，需要耗费大量的人力和财力，难以满足衬砌结构的养护需求。

3 衬砌质量智能养护技术的应用

考虑到传统养护方法的弊端，提出了一种应用于京张高速铁路的衬砌智能化养护台车，并将其与传统喷水养护效果进行对比。

3.1 衬砌智能养护台车

智能养护台车具有保温、保湿、走行、信息化等功能，并能实现养护数据的记录和输出，可紧跟衬砌台车对脱模后的衬砌混凝土进行及时的养护作业，可以根据设定的养护温度曲线，对密闭的养护区域进行智能温、湿度控制与调节，在养护技术上实现了智能化、信息化施工。

3.2 智能养护台车养护法

智能养护台车养护通过升温-保温-降温的自动化控制，使混凝土养护环境温度随着芯部温度而变化，并保证两者温差控制在20 ℃以内，通过纳米级雾化装置实现加湿-保湿功能，通过智能控制系统自动检测，确保养护环境湿度大于90%，力求达到理想的养护条件。

该养护方法具备养护过程的实时监控功能，并能进行养护数据的记录和输出，能实现混凝土养护的信息化管理。

3.3 智能养护台车与传统养护方式的对比

京张高速铁路是中国大陆第一条采用中国自主研发的北斗卫星导航系统、设计时速为350 km的智能化高速铁路，2019年底正式通车。京张高速铁路全线共有10座隧道，其中八达岭隧道全长12.01 km，单洞双线隧道，洞身最小埋深4 m，最大埋深432 m。隧址区属暖温带大陆性半湿润半干旱气候，年平均气温9.5 ℃，最冷月平均气温-8 ℃[20]。八达岭隧道正洞衬砌采用了智能养护台车养护法。养护台车施工现场如图4所示。

图4 京张高铁八达岭隧道衬砌养护施工

为了验证智能养护台车的养护效果，部分区间采取了传统的喷水养护措施，重点从C35混凝土早期强度、碳化深度以及内外温差3个方面对两种养护方法进行了实验对比。

(1)混凝土强度随龄期变化情况

对比智能养护台车养护与传统喷水养护的养护效果(图5)，可以看出智能养护台车养护相比传统喷水养护在相同龄期的情况下，混凝土早期强度有了显著的提高。在7 d的龄期时，智能养护台车养护较喷水养护强度高了13.3 MPa，可见智能养护方式显著提高了混凝土的早期强度。

图5 不同养护条件下混凝土抗压强度随龄期变化曲线

(2)碳化深度随龄期变化情况

通过试验，分别采集了智能养护台车养护和喷水养护随着龄期的变化发展的情况(图6)，可见两种养护方法的碳化深度都是随着龄期的增长而呈上升的走势，但是智能养护台车养护的混凝土碳化深度上升更平缓，同龄期碳化深度数值也更低。在56 d的龄期时，养护台车养护较喷水养护的碳化深度小了0.9 mm，更能有效提高衬砌混凝土的密实度和耐久性。

图6 不同养护条件下混凝土碳化深度随龄期变化曲线

(3)混凝土表面与芯部温差随龄期变化情况

采集了智能养护台车养护和喷水养护混凝土温差随着龄期的变化发展的情况(图7)，智能养护台车养护通过温度自动控制有效解决了芯部与混凝土表面温度差值过高产生不均匀温度应力的问题，降低了混凝土由于温差大产生开裂的风险，减少了裂缝的数量，提高了衬砌混凝土的表面质量。

图7 不同养护条件下混凝土龄期温差变化曲线

通过上述对比分析证明：智能养护台车养护弥补了传统养护方法的不足，实现了养护区域内温度和湿度的智能控制与调节，使养护温度、养护湿度更合理，更容易得到较高质量的衬砌混凝土。隧道衬砌智能养护台车的推广应用将终结长期以来国内隧道衬砌养护不规范的历史，对于全面提高衬砌混凝土表面质量、早期强度以及混凝土耐久性具有重要意义。