高速鐵路隧道襯砌裂縫整治措施研究

李多偉

摘要： 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的提升，我國(guó)也大力開展高鐵建設(shè)。在高鐵工程中，隧道是非常重要的一項(xiàng)內(nèi)容，其自身結(jié)構(gòu)的質(zhì)量高低將對(duì)整個(gè)列車的安全運(yùn)行具有十分重要的意義。而在實(shí)際隧道建設(shè)中，隧道襯砌裂縫可以說(shuō)是經(jīng)常出現(xiàn)的一類病害，將對(duì)結(jié)構(gòu)安全造成非常嚴(yán)重的影響。在本文中，將就高速鐵路隧道襯砌裂縫整治措施進(jìn)行一定的研究與分析。

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.

關(guān)鍵詞： 高速鐵路；隧道襯砌；裂縫整治

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

中圖分類號(hào)：U457 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2016）08-0070-03

0 引言

自日本于1964年修建第一條高速鐵路以來(lái)，高鐵建設(shè)事業(yè)就在全球范圍內(nèi)得到了迅速發(fā)展，整個(gè)設(shè)計(jì)速度也實(shí)現(xiàn)了從200km/h到300km/h的大幅度跨越，近年來(lái)我國(guó)的高鐵建設(shè)事業(yè)也在迎頭趕上，并實(shí)現(xiàn)了跨越式的超越，在全世界范圍內(nèi)也處于領(lǐng)先水平。但是在高速鐵路建設(shè)過(guò)程中也遇到了一些問(wèn)題。

隧道襯砌裂縫是高鐵隧道實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常出現(xiàn)的一類問(wèn)題，當(dāng)隧道襯砌發(fā)生裂縫問(wèn)題時(shí)，襯砌截面承載面積將得到減小，并因此對(duì)整個(gè)隧道的結(jié)構(gòu)承載能力產(chǎn)生影響。同時(shí)，裂縫問(wèn)題的出現(xiàn)，也常常伴隨著襯砌變形以及滲漏水問(wèn)題，并因此在引發(fā)多種病害的同時(shí)，對(duì)整個(gè)襯砌結(jié)構(gòu)造成了更大的安全隱患。面對(duì)此種問(wèn)題，就需要積極的做好病害防治工作。一般來(lái)說(shuō)，引起隧道襯砌出現(xiàn)開裂的原因主要有襯砌厚度不足、混凝土質(zhì)量沒(méi)有滿足要求、背后存在孔洞以及存在偏壓情況等。而對(duì)于這部分因素來(lái)說(shuō)，則可以歸結(jié)為以下兩方面：第一，由于整個(gè)隧道圍巖工程穩(wěn)定性較差；第二，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)無(wú)法滿足隧道安全承載需求。基于這部分特點(diǎn)，本文擬從隧道襯砌強(qiáng)度以及圍巖穩(wěn)定性這兩方面入手，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，并對(duì)襯砌裂縫進(jìn)行整治，以增強(qiáng)隧道的穩(wěn)定性，確保其安全運(yùn)營(yíng)。

1 高速鐵路隧道結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定及襯砌開裂成因及危害

隧道開裂是指襯砌表面出現(xiàn)裂縫，包括張裂、壓潰、錯(cuò)臺(tái)三種狀態(tài)。隧道結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定一方面是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理所致，另一方面也可能因?yàn)槭┕せ蜻\(yùn)營(yíng)期間的某些因素所致。襯砌開裂有施工方面原因，也有高速鐵路隧道運(yùn)營(yíng)期間行車荷載的原因。由此可見，高速鐵路結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定與襯砌開裂在成因及危害上有共通之處，本文將這兩種現(xiàn)象的成因及危害進(jìn)行綜合分析。具體來(lái)講，高速鐵路隧道結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定及襯砌開裂的其成因及危害如下：

①施工縫的崩邊崩塊，當(dāng)高速列車以350km/h的速度通過(guò)隧道時(shí)，產(chǎn)生的高速壓縮風(fēng)和隧道震動(dòng)極易引起崩塊掉落，會(huì)給高速運(yùn)行的動(dòng)車組帶來(lái)極大的安全隱患，甚至?xí)窀咚傩旭偟淖訌椧粯訐舸﹦?dòng)車組車廂。

②拱墻干裂縫，空氣的濕度和酸堿度極易造成隧道內(nèi)壁的混凝土裂縫，破壞了混凝土的整體結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響到整個(gè)工程性能并縮短了其使用壽命，甚至?xí)绊懙剿淼赖陌踩ㄜ噯?wèn)題。

③二襯表面露筋、翻砂和離析，當(dāng)動(dòng)車組以極高的速度穿過(guò)隧道時(shí)，產(chǎn)生的強(qiáng)大氣流會(huì)吹動(dòng)隧道內(nèi)壁的沙粒并形成灰塵，降低了隧道內(nèi)部的能見度，并影響了信號(hào)燈的正常使用，也會(huì)帶來(lái)很大的安全隱患。對(duì)于隧道二寸表面的保護(hù)不足，也會(huì)引起裸露的鋼筋銹蝕，使得混凝土開裂掉塊，造成安全隱患。

④錯(cuò)臺(tái)，動(dòng)車組高速通過(guò)隧道時(shí)，會(huì)對(duì)錯(cuò)臺(tái)形成反方向作用力的風(fēng)和氣流漩渦，擾動(dòng)動(dòng)車的正常運(yùn)行。

2 不穩(wěn)定高速鐵路隧道結(jié)構(gòu)及隧道襯砌裂縫加固方法

針對(duì)高速鐵路隧道結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、襯砌開裂以及兩種缺陷同時(shí)存在的現(xiàn)象，提出下列加固整治方案：

2.1 不穩(wěn)定高速鐵路隧道結(jié)構(gòu)的錨固注漿加固方式

目前，對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行提升的方式主要有深孔注漿以及錨固注漿等方式。如果目標(biāo)圍巖級(jí)別較高，通過(guò)鉆孔、壓降以及錨桿打入方式的應(yīng)用，則能夠使襯砌周圍巖體在互相間粘結(jié)的同時(shí)形成具有一定厚度的承載拱。而如果對(duì)襯砌的破碎巖體進(jìn)行壓漿，則能夠在圍巖周圍區(qū)域形成一定大小的固結(jié)圈，能夠使施加在該圈的壓力能夠形成更有利的分布以及轉(zhuǎn)化。

①錨固注漿加固工藝流程（圖1）。

②錨桿設(shè)計(jì)參數(shù)及現(xiàn)場(chǎng)布置。

錨桿設(shè)計(jì)參數(shù)：超前錨桿采用Φ25中空錨桿，長(zhǎng)5.0m，環(huán)向間距0.8m，外插角20度，縱向相鄰兩排錨桿的水平搭接長(zhǎng)度3.2m?，F(xiàn)場(chǎng)布置詳見表1。

③技術(shù)措施。

采用30號(hào)水泥漿液，水灰比1：1（重量比），注漿壓力：0.5～1.0MPa。

在錨固注漿加固過(guò)程中，其所使用的材料主要有水泥砂漿、防水砂漿、中空錨桿以及化學(xué)注漿液等。工藝方面：第一，要進(jìn)行錨桿的鉆孔以及安裝。通過(guò)鑿巖機(jī)設(shè)備的應(yīng)用將3m長(zhǎng)的中空錨桿鉆入到設(shè)計(jì)深度，在將間距控制在1.2m的同時(shí)以梅花形的方式對(duì)其進(jìn)行布置。同時(shí)，需要在錨桿外側(cè)對(duì)用于觀察以及排氣的軟管進(jìn)行設(shè)置，并做好螺母、止?jié){塞以及墊板的安裝；第二，初次注漿。即將提前已經(jīng)配置完畢的水泥砂漿材料進(jìn)行壓注，一般來(lái)說(shuō)，該環(huán)節(jié)需要將壓力控制在0.6-0.7MPa，如果在注漿過(guò)程中發(fā)現(xiàn)進(jìn)漿較少或者不再進(jìn)漿，則可以結(jié)束注漿工作；第三，進(jìn)行二次注漿。在初次注漿完成后，由于砂漿材料的干縮以及離析沉淀，則會(huì)形成具有較小縫隙的通道，對(duì)于該種情況，則需要在初次注漿、漿液終凝之前對(duì)其進(jìn)行二次注漿處理，并將壓力控制在0.9MPa左右；第四，襯砌找平。即通過(guò)防水砂漿材料的應(yīng)用對(duì)混凝土錨固注漿區(qū)域進(jìn)行過(guò)找平，以此在對(duì)存在裂縫進(jìn)行封閉的同時(shí)對(duì)錨桿外露墊板實(shí)現(xiàn)覆蓋。在該項(xiàng)工作完成后，則正式進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

2.2 高速鐵路隧道襯砌裂縫碳纖維加固方式

目前，我國(guó)以襯砌混凝土為對(duì)象的裂縫處理主要有碳纖維布加固、裂縫嵌補(bǔ)、錨噴加固以及注漿加固這幾種方式。其中，噴粉加固方式即將混凝土材料噴射到隧道襯砌結(jié)構(gòu)上，在對(duì)結(jié)構(gòu)上存在縫隙進(jìn)行填充的同時(shí)使新、舊材料間在粘結(jié)作用的影響下形成整體，并因此提升襯砌結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)剛度以及材料強(qiáng)度。

而對(duì)于碳纖維布方式來(lái)說(shuō)，則是將碳纖維材料直接在產(chǎn)生裂縫的位置進(jìn)行粘貼，通過(guò)混凝土梁同碳纖維布間的粘結(jié)性提升整個(gè)襯砌結(jié)構(gòu)的承載，并獲得其抗彎承載力的提升。注漿加固方式，則是通過(guò)化學(xué)漿液材料以及混凝土材料的應(yīng)用對(duì)存在裂隙以及孔洞的襯砌位置進(jìn)行直接填充，以此獲得襯砌材料質(zhì)量的改善。

①碳纖維加固工藝流程。

對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)混凝土材料進(jìn)行加固方式的實(shí)質(zhì)，都是通過(guò)對(duì)隧道襯砌強(qiáng)度的提升獲得結(jié)構(gòu)承載力的增強(qiáng)。具體工藝流程詳見圖2。

②加固措施。

在采用碳纖維加固隧道襯砌裂縫時(shí)，所使用的材料主要有粘結(jié)膠、碳纖維布、密封膠、粘結(jié)樹脂以及底層樹脂等。工藝方面：第一，面層處理。即通過(guò)砂輪設(shè)備的應(yīng)用對(duì)隧道襯砌表面的混凝土裂化層進(jìn)行徹底的清除，保證在處理完畢后其表面具有充分干燥的特點(diǎn)，且平整度能夠滿足工程要求；第二，裂縫封閉。即通過(guò)密封膠材料的應(yīng)用對(duì)裂縫進(jìn)行封閉，并做好基層的處理；第三，底膠預(yù)涂。通過(guò)滾筒設(shè)備的應(yīng)用在襯砌表面對(duì)底層樹脂進(jìn)行涂刷，保證其厚度在0.04mm以下；第四，找平。如果在樹脂涂刷之后，其表面存在氣泡問(wèn)題，則需要這部分樹脂材料完全干燥、固化之后，通過(guò)電動(dòng)砂輪設(shè)備的應(yīng)用做好氣泡的去除以及整平；第五，碳纖維粘貼。在該環(huán)節(jié)中，通過(guò)滾筒毛刷的應(yīng)用將樹脂以及粘貼膠等材料以均勻的方式對(duì)碳纖維布以及襯砌目標(biāo)位置進(jìn)行涂刷，在對(duì)碳纖維布粘貼完成后做好表面的滾壓，以此對(duì)底層同碳纖維布間存在的氣泡進(jìn)行徹底的清除，并做好養(yǎng)護(hù)。

2.3 不穩(wěn)定高速鐵路隧道結(jié)構(gòu)及襯砌裂縫加固方法

對(duì)于襯砌變形較大、且開裂情況較為嚴(yán)重的情況，則需要通過(guò)穩(wěn)定性提升以及強(qiáng)度增強(qiáng)這兩種方式的共同應(yīng)用對(duì)結(jié)構(gòu)存在的裂縫以及變形問(wèn)題進(jìn)行處理。在加固過(guò)程中，要求將襯砌偏壓荷載降低10%，將混凝土抗拉強(qiáng)度提升10%，在此情況下按照以上兩套工藝流程對(duì)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定且存在襯砌裂縫的高速鐵路隧道進(jìn)行加固。

2.4 其他加固方法

除不穩(wěn)定隧道結(jié)構(gòu)加固法和襯砌裂縫加固法以外，對(duì)于隧道襯砌裂縫，還可以結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工況，采用以下方法來(lái)修補(bǔ)裂縫。

①騎縫注漿法。

在該方式中，其所使用的材料主要有漿液以及環(huán)氧樹脂砂漿。工藝方面：第一，要沿著裂縫走向進(jìn)行鑿槽，并從裂縫位置向兩端延伸10cm的距離，保證槽寬為5cm；第二，通過(guò)毛刷工具的應(yīng)用及時(shí)做好槽內(nèi)浮塵的清除；第三，順著裂縫對(duì)注漿鋼管進(jìn)行設(shè)置，保證其間距為0.6-0.7m，并通過(guò)環(huán)氧樹脂砂漿材料的應(yīng)用做好溝槽的嵌填以及注漿管的固定；第四，注漿。當(dāng)砂漿完全凝固后，對(duì)環(huán)氧樹脂漿液材料進(jìn)行壓注，保證其壓力為0.4MPa左右；第五，割管。當(dāng)完成注漿工作之后，則可以對(duì)注漿管外露部分進(jìn)行及時(shí)的割掉，并做好填色料以及掛抹料的涂刷。

②鑿槽嵌補(bǔ)法。

在該方式中，其所使用的材料主要有聚合物砂漿等。工藝方面：第一，沿著裂縫方向進(jìn)行鑿槽，保證其寬度在3cm-5cm之間，并聯(lián)系裂縫實(shí)際深度對(duì)槽深進(jìn)行確定，之后通過(guò)高壓縫以及鋼絲刷工具的應(yīng)用對(duì)槽內(nèi)存在的粉塵以及浮渣進(jìn)行處理，保證縫隙具有整潔、干燥的特點(diǎn)；第二，在槽的地面以及兩側(cè)位置，需要對(duì)0.3mm厚的底膠進(jìn)行涂刷；第三，該通過(guò)接縫材料的應(yīng)用做好填縫處理，并鼓搗密實(shí)；第四，通過(guò)防水砂漿材料的應(yīng)用對(duì)裂縫表面進(jìn)行，抹平，并做好養(yǎng)護(hù)處理。

③直接涂抹法。

在該方式中，其所使用的材料主要有水泥基滲透結(jié)晶型材料等。工藝方面：第一，做好混凝土基面處理，使混凝土基面具有潔凈以及粗糙的特點(diǎn)；第二，做好混合料的配制，并將其噴射到混凝土基面上，保證混合料能夠直接噴射到表面存在的裂縫以及空隙當(dāng)中；第三，當(dāng)?shù)谝粚油苛贤克⑼瓿伞⒊跄髣t進(jìn)行第二層涂刷，并及時(shí)做好養(yǎng)護(hù)。

3 加固效果對(duì)比分析

本文針對(duì)高速鐵路隧道結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、襯砌開裂以及結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定與襯砌裂縫兩種缺陷同時(shí)存在的現(xiàn)象，結(jié)合每一類現(xiàn)象的加固整治方案進(jìn)行了效果對(duì)比，得到了表2所示的對(duì)比結(jié)果。

4 結(jié)論及建議

隧道襯砌病害防治是現(xiàn)今隧道施工中必須引起重視的一項(xiàng)工作，在上文中，我們對(duì)高速鐵路隧道襯砌裂縫整治措施進(jìn)行了一定的研究，需要在實(shí)際處理中能夠聯(lián)系實(shí)際，通過(guò)適當(dāng)方式的科學(xué)選擇保障整治效果。

另外，在高速鐵路實(shí)際建設(shè)及工后運(yùn)營(yíng)維護(hù)中，無(wú)論使用何種方式對(duì)圍巖進(jìn)行加固，其目的就是對(duì)圍巖的強(qiáng)度、剛度以及完整性進(jìn)行提升，進(jìn)而獲得其穩(wěn)定性的改善。但是有的結(jié)構(gòu)缺陷或開裂現(xiàn)象并不十分嚴(yán)重，應(yīng)該根據(jù)其開裂現(xiàn)象及嚴(yán)重等級(jí)合理選擇加固整治成本。具體可按照如下建議仔細(xì)權(quán)衡：①針對(duì)不穩(wěn)定的隧道結(jié)構(gòu)，或已存在的結(jié)構(gòu)裂縫，采取錨固注漿加固方案，將結(jié)構(gòu)裂縫控制在4條以內(nèi)，且不存在縱深裂縫就達(dá)到了安全標(biāo)準(zhǔn)，這樣即保證了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，又不必花費(fèi)過(guò)多的施工成本，經(jīng)濟(jì)又安全。②針對(duì)深度較淺的襯砌裂縫，盡量采用碳纖維加固方案。在實(shí)際施工中，可根據(jù)裂縫深度酌情考慮是否需要錨固注漿。③針對(duì)隧道結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定及襯砌裂縫同時(shí)存在的隧道結(jié)構(gòu)，則必須綜合運(yùn)用考慮錨固注漿及碳纖維加固方案，做到一步到位，徹底整治。以免工后再返工，浪費(fèi)時(shí)間和成本。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐穎，陳建平，左昌群.武當(dāng)群片巖隧道剪切型縱向裂縫破壞機(jī)理[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013（07）：101-103.

[2]劉學(xué)增，包浩杉，周敏.縱向裂縫對(duì)隧道鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)影響的試驗(yàn)[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2012（03）：77-80.

[3]葉飛，何川，夏永旭.公路隧道襯砌裂縫的跟蹤監(jiān)測(cè)與分析研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2010（07）：11-14.

[4]范振華.公路隧道襯砌質(zhì)量安全評(píng)估方法及應(yīng)用[J].低溫建筑技術(shù)，2015（05）：159.

[5]鄢康翌.高速鐵路隧道襯砌質(zhì)量問(wèn)題及對(duì)策研究[J].山西建筑，2013（19）：211-212.

[6]尉海榮.青海省公路隧道施工襯砌質(zhì)量控制[J].科技信息，2012（31）：33-35.