雞鳴驛隧道病害整治措施研究

李 旻，倪 歡

1神華準格爾能源有限責任公司；2西南交通大學

雞鳴驛隧道病害整治措施研究

李 旻1，倪 歡2

1神華準格爾能源有限責任公司；2西南交通大學

由于鐵路隧道工程理論的局限性以及運營管理經(jīng)驗的欠缺等原因，致使隧道存在不同類型的病害，其中包括隧道出現(xiàn)拱頂襯砌空洞、開裂、脫落掉塊、對隧道結構安全影響較大；以及排水溝內(nèi)結冰嚴重，由于結冰凍脹，導致水溝局部開裂，使水滲入路基內(nèi)部，引發(fā)路基下沉，給行車安全帶來隱患，這些病害都已經(jīng)影響到了隧道的正常使用。文章以大準鐵路雞鳴驛隧道病害整治工程為例，分析隧道病害原因，提出不同類型的病害整治方案，以提高隧道的承載能力，改善結構的受力性能，對類似隧道病害整治有著非常重要的意義。

雞鳴驛隧道；病害；成因分析；整治措施

一、前言

大準鐵路為神華準格爾能源有限責任公司運煤專用線，東起山西省大同市，西至內(nèi)蒙古鄂爾多斯市準格爾旗，正線全長264公里，途徑兩省六旗縣（市），是已形成的“西煤東運”大通道——大秦線的向西延伸,屬一級單線電氣化鐵路。路線所經(jīng)地屬于丘陵區(qū)，地形高差變化較大，山體多上緩下陡，平均海拔高度在1000～1500m之間。

為了確保大準鐵路的正常運營，對雞鳴驛隧道排水溝及拱頂襯砌空洞病害進行詳細的現(xiàn)場調查，并進行相應的病害整治工程設計。根據(jù)調查，隧道排水溝及拱頂襯砌空洞病害的總體特點是襯砌混凝土脫落掉塊較為嚴重，嚴重危及行車安全，此外排水溝內(nèi)結冰嚴重，導致排水不暢，引發(fā)部分路段路基沉降，給行車安全帶來隱患。

二、隧道病害調查概況

（一）工程概況

雞鳴驛隧道位于大準鐵路雞鳴驛至廟溝站間，由1號和2號兩個隧道組成，隧道全長1593.0m，為曲線隧道，1號隧道最大埋深50m，2號隧道最大埋深98.0m。隧道洞身大部分穿越渾河右岸低中山埡口地段，自然沖溝發(fā)育，地形起伏較大，隧道附近高差達100.0m。隧道中部對應位置附近地面上可見多條切割較深的橫向自然沖溝，與隧道走向大角度相交。隧道附近出露地層主要為新黃土和太古界桑干群組片麻巖。區(qū)內(nèi)出露的片麻巖以肉紅色為主，中粗粒變晶結構，片麻狀構造，變質作用強烈，局部風化程度較深，由于受構造的強烈影響，巖體破碎，陡傾角節(jié)理、裂隙較為發(fā)育，片理面傾角55～80°。1號隧道進口段20m范圍內(nèi)大面積出露褐黃色半干硬狀黃土，厚度大于5.0m，黃土下部為片麻巖。該隧道大部分穿越片麻巖地段，圍巖等級較高，1號隧道進出口端各20m范圍內(nèi)圍巖等級低于Ⅲ類，其余路段均高于Ⅲ類。2號隧道大部分穿越黃土地段，黃土埋深大于50m，圍巖等級較低，出口段約80m的范圍內(nèi)穿越片麻巖。隧道襯砌全部采用模筑混凝土，噴層厚度5～10m。隧道內(nèi)設置雙側電纜槽，單側水溝，水溝位于線路左側。原設計K170+663～+963段300m范圍內(nèi)采用保溫水溝，溝內(nèi)有水地段襯砌背后每隔10m設置一條盲溝，截面為100×50cm。既有隧道Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類圍巖采用曲墻式襯砌，Ⅳ、Ⅴ類圍巖采用直墻式襯砌。據(jù)竣工資料揭示，在修建鐵路開挖隧道時，2號隧道范圍內(nèi)未見地下水，1號隧道內(nèi)可見少量裂隙水，其中在K170+107附近右側沖溝內(nèi)可見泉水出露，流量較小，隧道中節(jié)理裂隙發(fā)育路段均見微量裂隙水出露。在施工時塌方較少，地下水侵蝕作用較弱。本地區(qū)最大凍結深度為1.75m。經(jīng)現(xiàn)場觀察，部分地段出現(xiàn)襯砌混凝土結構開裂、混凝土掉塊脫落、排水溝結冰凍害等嚴重問題，給隧道運營使用造成嚴重的不良影響，引起了建設單位、設計單位、施工單位高度關注。

（二）隧道病害情況

1、隧道拱部開裂、拱頂襯砌混凝土脫落掉塊嚴重，在隧道K170+480～K170+500段右拱腰襯砌混凝土有較大的脫落掉塊，掉塊面積約2m×4m，嚴重影響行車安全；隧道襯砌裂損嚴重，襯砌裂損將使隧道結構的穩(wěn)定性受到一定程度的破壞，使襯砌結構的安全可靠性降低，造成行車安全的重大問題。

2、隧道水溝內(nèi)水量較大，又由于當?shù)貧鉁剌^低，產(chǎn)生凍脹病害，目前水溝內(nèi)的水已結冰，結冰已基本填滿水溝。由于結冰凍脹，導致水溝局部開裂，使水滲入路基內(nèi)部，引發(fā)路基下沉，給行車安全帶來較大的隱患。

（三）隧道病害成因分析

通過現(xiàn)象調查，雞鳴驛隧道存在襯砌空洞、裂損脫落現(xiàn)象以及排水溝凍脹等嚴重病害，需要對病害成因進行分析。

1、巖石、巖體特征[1]

強風化片麻巖屬于軟巖、極軟巖，巖石抗壓強度低，片麻巖礦物成分中含有大量黑云母，巖石結構呈鱗片粒狀變晶結構，以條帶狀構造及片麻狀構造為主，光滑，受壓易裂開呈結構擴容型變形。

片麻巖片理面發(fā)育，隧道開挖后，結合差，受構造影響較重，揉皺小構造及節(jié)理裂隙發(fā)育，結構面光滑，平直，節(jié)理面軟弱，剪節(jié)理較多，易沿節(jié)理面錯動，導致圍巖穩(wěn)定大部分呈張開狀態(tài)。

2、地質構造

隧道附近地質構造較為發(fā)育，巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，加之巖層傾角較陡，病害段圍巖等級較低，容易形成在襯砌背后形成空洞，空洞內(nèi)坍塌導致隧道襯砌的開裂變形，在裂縫貫通以后導致襯砌掉塊脫落。

三、隧道病害整治工程措施

（一）拱頂襯砌孔洞整治

本施工方法主要是對隧道局部厚度小于最小設計值地段的襯砌結構進行補強.襯砌結構補強措施主要采用噴錨支護形式，依據(jù)不同的病害情況分為如下3種形式[2]：

1、素噴混凝土：該形式主要用于局部襯砌厚度小于設計值的地段以及襯砌背后空洞規(guī)模較小的區(qū)域；

2、掛網(wǎng)噴混凝土：主要用于二次襯砌厚度小于設計值的地段，襯砌背后空洞規(guī)模較大的區(qū)域；

3、錨桿加網(wǎng)噴混凝土：二次襯砌厚度小于設計值，用于隧道空洞規(guī)模大且連通，且二次襯砌局部存在裂縫的區(qū)段。

針對隧道洞身標505～525m段的襯砌混凝土脫落掉塊,采用掛網(wǎng)噴射混凝土進行處理。首先清除空洞附近松動的襯砌混凝土、松動的圍巖等雜物，然后在空洞影響范圍內(nèi)打設Φ32自鉆式錨桿，錨桿長6m，錨桿間距1m×1m，梅花型布置，并對自鉆式錨桿壓漿1：1水泥漿，注漿壓力控制在在0.2～0.3Mpa。于錨桿端部間隔10cm綁扎Φ8鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距為15cm×15cm，最后分層噴射混凝土，每次噴射厚度不超過10cm，噴射完成后將表面抹平。

（二）排水溝改造

對于隧道排水溝改造，首先要徹底清除隧道兩側排水溝內(nèi)的結冰，淤泥、垃圾等雜物，然后對K170+400～K170+950段隧道左側排水溝開裂變形段進行改造。首先對隧道左側的排水溝進行人工清淤，將排水溝內(nèi)的結冰，淤泥、垃圾等雜物運至洞外；然后將K170+400～K170+950段隧道左側排水溝開裂變形段進行人工拆除，清除廢渣、雜物，運到洞外指定地點；其次按原排水溝位置進行放樣，放樣需保證修復水溝與兩端排水溝的順直平接，以確保排水溝排水暢通。并在水溝內(nèi)側加PU保溫板以防止其凍裂。水溝采取人工開挖，開挖溝底平整壓實，控制開挖深度，杜絕超挖，保證排水溝3.8‰的縱坡；然后按原排水溝截面形式進行現(xiàn)場澆筑，排水溝采用C15混凝土現(xiàn)場澆筑。

四、施工注意事項

（一）襯砌孔洞整治施工方案及注意事項

2、施工鑿除時應分段核查，在確保襯砌穩(wěn)定、襯砌厚度足夠方可進行，施工時必須遵循“先錨、后鑿、再噴”的順序。對鑿除、鑿毛的襯砌表面，必須用高壓水沖洗干凈。檢查并徹底清除松動部分，深裂縫及施工縫內(nèi)雜物必須清除并擴鑿至完整面。噴錨地段,必須鑿夠設計厚度,不得減少凈空斷面；鋼筋保護層不小于3.0cm。

3、施工所用的水泥砂漿、外加劑等應通過現(xiàn)場實驗確定配合比，并在施工中嚴格按此過秤配料，保證施工質量。

4、未盡事宜參照相關規(guī)范及標準。

（二）排水溝改造施工方案及注意事項

1、排水溝清淤：對隧道內(nèi)的排水溝進行人工清淤，清除廢渣、雜物、及淤泥，運到洞外指定地點。

2、排水溝拆除：對隧道內(nèi)有開裂變形的排水溝采用人工進行拆除，清除廢渣、雜物，運至洞外指定地點。拆除水溝應分段跳槽拆除，拆除一段，砌筑一段，切忌大拉槽拆除而影響道床穩(wěn)定，確保運營安全。

3、土方開挖：按排水溝布置形式進行放樣，確定開挖線，采取人工開挖、修整，控制開挖深度，杜絕超挖，溝底應平整壓實，保證排水溝的縱坡。

4、排水溝澆筑：澆筑前要控制水泥、黃砂、石子等原材料質量，滿足排水溝設計要求；澆筑時按設計配合比控制水泥、黃砂、石子比例用量，攪拌均勻，振搗密實；澆筑完成后要定期進行養(yǎng)護，確?；炷恋馁|量。并在排水溝內(nèi)加PU保溫蓋板以防凍裂。排水溝采用C15砼現(xiàn)場澆筑。

湖南省制圖數(shù)據(jù)的制作很長一段時間都采用先通過GIS軟件制作地形數(shù)據(jù)，再通過制圖軟件導入地形數(shù)據(jù)用以制作制圖數(shù)據(jù)這一模式。這種模式減少了格式轉換次數(shù)，制圖數(shù)據(jù)修改時庫體數(shù)據(jù)不需要返回到原始庫體修改。由于制圖軟件可根據(jù)制圖規(guī)則模板快速生產(chǎn)制圖數(shù)據(jù)，因此制圖數(shù)據(jù)也隨著建庫數(shù)據(jù)而自動更新，但建庫與出圖仍分開進行，這種模式也稱為半一體化模式。

5、排水溝一定要做到排水暢通，防止溝底漏水。

（三）施工安全注意事項

施工采取封閉區(qū)間的方式進行，利用軌道車牽引作業(yè)臺車進洞作為作業(yè)平臺進行施工，每次封閉時間不少于3小時。

利用封閉點施工時，應嚴格按封閉點作業(yè)時間進行作業(yè)，施工安全員應配合安檢及監(jiān)理人員嚴格執(zhí)行有關安全規(guī)程。進隧道后應根據(jù)安排，接通照明及施工用電，應嚴格按用電要求操作，確保用電安全；接通風管，并跟隧道外的操作人員保持密切的聯(lián)系，用風前應檢查風管是否漏風，風壓是否正常，確保安全。

1、每天施工作業(yè)前的主要準備工作：

（1）檢查施工機械、器具完好；

（2）明確施工內(nèi)容、施工方法及施工地點；安排好作業(yè)人員的工作內(nèi)容，使其進隧道后能各司其職，盡快施工；

（3）施工機械及器具、施工用料等裝于臺車上，注意不得超寬、超高；

（4）根據(jù)擬鉆孔位的位置將鉆機固定于臺車上，并調整好鉆機的角度，注意不得超寬、超高。

（5）檢查施工機械、機具、人員全部到位并已經(jīng)上到軌道車上。

2、每天施工作業(yè)后的主要工作：

（1）在封閉點結束之前，應將施工機械、器具以及施工剩余料裝于臺車上，且應清理施工垃圾至臺車上運出隧道；

（2）檢查施工機械、機具人員全部到位并已經(jīng)上到臺車及軌道車上。確保每天施工完成后隧道內(nèi)沒有施工機械及人員。

3、隧道內(nèi)施工限界應按鐵路施工技術手冊的規(guī)定，頂部與供電設備帶電部分的距離，應按技規(guī)第113條：“為保證人身安全，除專業(yè)人員規(guī)定作用外，任何人員所攜帶的物件與牽引供電設備的帶電部分需保持2m以上的距離”；“接觸網(wǎng)帶電部分至固定接地物的距離不小于0.3m”。本隧道為電氣化鐵路隧道，施工要嚴格執(zhí)行既有線上施工的有關規(guī)定，確保行車和人身安全。

4、隧道病害整治前，施工單位必須建立、健全安全生產(chǎn)組織，認真貫徹以崗位責任制為中心的各項安全制度，充分發(fā)揮各級組織的作用，做好施工安全工作：

（1）施工前對施工隊民工、臨時工，要加強上崗前的施工安全教育，做好崗位安全聯(lián)防、聯(lián)控，落實安全措施，杜絕違章蠻干以及必須向員工進行安全技術交底，指出工作要點，對起吊設備須進行安全設計和技術鑒定，合格后方可使用。

（2）施工時禁止非施工人員逗留現(xiàn)場，施工人員需聽從指揮，統(tǒng)一行動，安全檢查和監(jiān)測要有專人負責。在區(qū)間步行上下班時，應走路肩或在路肩外，嚴禁走道心。休息時不準坐在鋼軌、枕木及道床邊坡上，工具要放在限界以外。

（3）對鉆機等施工機械和電器安裝必須由熟練技術工人操作，嚴禁非操作人員替代作業(yè)，必須按規(guī)定設置和配戴安全防護用品。工地機具，材料要堆放穩(wěn)固，臨時設施不得侵入限界，接觸網(wǎng)發(fā)生故障在外設人防護，通知接觸網(wǎng)工區(qū)派人處理，以保證人身與行車安全。

五、結論

隧道病害整治是一項技術難度大、風險高的特殊工作，整治絕不允許失敗和再次整治。隧道工程的不確定因素較多，設計中應堅持“動態(tài)設計”[3]理念，借助于現(xiàn)代科技手段，獲取足夠的信息，完善信息傳輸系統(tǒng)，排除隧道施工環(huán)境和管理體制的制約，實現(xiàn)真正意義上的“動態(tài)設計”。病害整治設計時，必須對隧道病害狀況進行全面、科學、準確的評價，綜合制定合理、有效的處治方案，并對病害原因進行全面分析，這是整治設計的基礎。根據(jù)對雞鳴驛隧道病害狀況的分析，提出了病害治理方案，在實際應用中取得了良好的效果，達到了“安全可靠、經(jīng)濟適用、便于施工、防水耐久”的技術要求，保證了隧道的安全運營，消除了安全隱患，可為類似病害治理提供借鑒。

[1]夏潤禾，崔小鵬，周泉.鐵道工程學報[J].2015，8：67-72.

[2]龍正聰，王責波，伍致力.隧道病害整治方法探討[J].公路工程，2012，37（2）：30-32.

[3]高新強，仇文革，關寶樹.新建鐵路隧道動態(tài)設計系統(tǒng)的構思[J].鐵路標準設計，2004（8）：44-26.