既有鐵路隧道襯砌開裂的整治措施探討

范 小 龍

(中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031)

0 引言

近年來，隨著我國交通運輸基礎設施建設的高速發(fā)展，鐵路也扮演著越來越重要的角色，作為鐵路工程的一項重要組成部分，隧道的數(shù)量也越來越多。不過由于地質(zhì)、設計、施工等多方面的原因，導致一些隧道在運營后出現(xiàn)各種病害，給鐵路的運營帶來嚴重的安全隱患，襯砌開裂就是其中一種常見的隧道工程病害。

襯砌開裂不僅會影響隧道結構的自身強度，同時裂縫的發(fā)展會導致隧道出現(xiàn)滲漏水現(xiàn)象，引起隧道拱墻掉塊甚至塌方，對襯砌結構和隧道內(nèi)的列車運行造成極大的危害，給國民經(jīng)濟帶來巨大的損失[1]。本文以六沾線烏蒙山二號隧道洞身中部襯砌開裂為例，分析了襯砌開裂的原因，并對其相應的整治原則和整治措施進行了探討。

1 工程概況

隧道進口里程DK276+090，出口里程DK288+350，全長12 260 m；進口至DK287+740為雙線隧道，出口端610 m為四線車站隧道，設計時速160 km/h。隧道共穿越8套地層、7條斷層、1處向斜，最大埋深約400 m。隧區(qū)位于云貴高原中東部烏蒙山區(qū)，長江、珠江兩大水系的分水嶺地帶，屬云貴高原低中山地貌。地面高程1 805 m～2 360 m，地形起伏較大。隧址區(qū)地震動峰值加速度為0.05g。

本隧于2007年開工,2012年交付運營。2017年12月發(fā)現(xiàn)本隧出現(xiàn)襯砌開裂病害，本次病害位于隧道洞身中部DK282+245～DK282+257段。該段設計為Ⅳ級圍巖，地層巖性為三疊系中統(tǒng)關嶺組下段(T2g1)頁巖夾砂巖、泥巖、泥灰?guī)r，以頁巖為主，泥質(zhì)結構，頁理狀構造，弱風化，巖體破碎，完整性差，產(chǎn)狀較平緩；環(huán)境作用等級為H1～H2。本段設計采用Ⅳ級復合式襯砌：拱墻二次襯砌厚度為45 cm，采用C40耐腐蝕鋼筋混凝土；拱墻噴射混凝土厚度為23 cm，采用C25耐腐蝕噴混凝土；設置全環(huán)格柵鋼架，間距1 m。

2 襯砌開裂情況

2.1 現(xiàn)場觀察裂縫情況

2017年12月12日22時05分，六盤水工務段進行隧道敲擊專項檢查時發(fā)現(xiàn)滬昆下行線K2284+768～K2284+780(對應施工里程DK282+245～DK282+257)段拱部襯砌起拱線上方縱向開裂錯臺，最大裂紋寬5 mm，錯臺30 mm，敲擊發(fā)現(xiàn)開裂部位至拱頂范圍存在空響，見圖1。

2017年12月27日，由工務段、監(jiān)理及施工方相關人員對隧道左線(即下行線)襯砌裂縫進行開槽勘查得知：裂縫縱向長度為10 m，深度為15 cm～20 cm，寬度為3 mm～9 mm，拱部鋼筋保護層過大，開槽處0 cm～25 cm未發(fā)現(xiàn)襯砌鋼筋，然后采用電鉆對開槽處進行探孔，電鉆鉆頭30 cm，全部鉆完后仍未鉆至初支，判斷此處襯砌厚度約55 cm～60 cm。

2.2 無損檢測結果

針對此次病害情況，第三方單位對病害段進行了二襯混凝土無損檢測。現(xiàn)場共布置7條測線，分別位于二襯拱頂、左右拱腰、左右電纜槽上方2 m、左右電纜槽上方4.3 m，測線總長84 m。經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)：DK282+245～DK282+257段隧道初支鋼架間距、二次襯砌厚度及襯砌鋼筋間距滿足設計要求，但襯砌混凝土局部存在質(zhì)量缺陷，左線拱部及拱頂分別存在空洞，右側邊墻初支脫空，見圖2。

3 襯砌開裂的原因分析

襯砌開裂往往是多種不利因素綜合作用的結果,其原因非常復雜。根據(jù)現(xiàn)場觀察襯砌開裂情況并結合二襯混凝土無損檢測結果，分析此次病害主要由以下兩方面的原因造成。

3.1 地質(zhì)原因

本次病害段通過地層以頁巖為主，巖質(zhì)軟、巖體破碎、自穩(wěn)能力差，地勘測量隧道最大水平主應力高達12.6 MPa，加之其方向與線路方向交角較大，故隧道襯砌結構所承受的圍巖壓力較大且分布不均，容易引起局部彎矩較大，超過了該部位襯砌的實際強度，從而導致襯砌混凝土局部開裂[2]。

3.2 施工原因

施工不當通常是造成襯砌開裂的主要因素，據(jù)有關統(tǒng)計,施工不規(guī)范造成的混凝土裂縫約占80%[3]。本隧施工過程中的不當操作主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1)隧道開挖過程中爆破效果差，左側拱部及拱頂超挖，加之在施作本段襯砌時模板臺車局部存在變形且未做處理，導致混凝土澆筑完成后襯砌厚度不均、局部應力集中，降低了襯砌結構的承載能力及穩(wěn)定性，使襯砌產(chǎn)生裂縫[4]。

2)襯砌混凝土原材料及配合比控制不嚴，澆筑過程中振搗不密實，造成局部襯砌與圍巖不密貼，使襯砌在該部位沒有圍巖彈性抗力支撐、襯砌左右側受力不均，隧道右側的圍巖壓力對左側拱部存在空洞而失去約束的部位形成擠壓導致襯砌開裂[5]。

3)養(yǎng)護時間不夠、拆模時間過早,混凝土未達強度要求即拆模使混凝土產(chǎn)生較大收縮變形、結構過早承載，導致拱部出現(xiàn)較多微觀裂紋。隨著時間的推移，在圍巖壓力持續(xù)作用下和運行列車的頻繁振動作用下，微觀裂紋發(fā)展為宏觀張開型裂縫[6,7]。

4 襯砌開裂的整治原則

對于既有電氣化鐵路隧道襯砌開裂整治，應遵循以下原則：

1)整治過程中應確保施工安全并加強施工過程中的運營安全防護。

2)整治施工應在天窗時間進行，天窗時間注銷前應清理施工場地，防止異物落于線路上，確保消除線路安全運營的隱患。

3)整治方案應綜合考慮襯砌開裂原因、裂損程度、隧道凈空、對運營干擾程度等因素，通常采用以圍巖加固為主、圍巖加固與襯砌補強相結合的綜合整治原則[8,9]。

4)病害段落整治完成后，需進行不少于1年的監(jiān)測，若發(fā)現(xiàn)有新的病害產(chǎn)生，應立即上報并采取措施，保證運營安全。

5 襯砌開裂的整治措施

5.1 現(xiàn)場臨時應急處理措施

為確保運營安全，在發(fā)現(xiàn)病害后，現(xiàn)場立即對通過該段的列車采取了限速措施，并且在采取永久整治措施前，對DK282+245～DK282+257段設Ⅰ18臨時型鋼鋼架套拱，鋼架間距1 m。鋼架間環(huán)向按間距1 m設置φ22縱向連接鋼筋。同時為保證鋼架基礎穩(wěn)固，鋼架兩側墻腳位置設φ32鎖腳錨桿，每榀鋼架墻腳共設置4根，每根長4 m。

5.2 永久整治措施

本次襯砌開裂病害永久整治措施采用注漿加固+套襯補強方案(見圖3)，具體設計如下：

1)在施作套襯前，采用φ42注漿孔對拱墻襯砌背后圍巖注漿充填密實，注漿孔間距1 m×1 m，孔深3 m。注漿材料采用水泥砂漿，水泥砂漿配合比建議采用0.8∶ 1，并通過現(xiàn)場試驗進行調(diào)整；根據(jù)環(huán)境作用等級采用相應的耐侵蝕漿材。注漿壓力由現(xiàn)場試驗確定，注漿結束后，采用膨脹水泥砂漿封堵注漿孔。

2)注漿加固完成后，對錯臺凸出部分打磨平整、圓順。為保證套襯混凝土與既有二襯混凝土連接良好，在套襯施工前需對既有二襯表面進行鑿毛處理，鑿毛后凹凸差不應小于4 mm，鑿毛后先用鋼絲刷清理鑿毛區(qū)域，再采用高壓水清理干凈，并涂界面粘結劑；在既有襯砌內(nèi)植入Φ18定位鋼筋釬釘，釬釘長40 cm，間距0.5 m×0.5 m，梅花形布置，伸入既有襯砌內(nèi)20 cm，并涂抹植筋膠。植入定位鋼筋前，需探明既有襯砌厚度，以便調(diào)整定位鋼筋伸入既有襯砌長度，以避免穿透既有襯砌防水層。

3)為保證套襯混凝土基礎穩(wěn)固，需對既有二襯混凝土進行局部鑿除，并在墻腳處打設φ25鎖腳錨桿，每處2根，每根長3 m，縱向間距0.5 m。

4)施作套襯鋼筋，套襯鋼筋應與定位鋼筋及鎖腳錨桿焊接牢固，以確保鋼筋定位準確。

5)施作套襯混凝土，建筑材料采用噴C30纖維混凝土，且要求套襯內(nèi)表面平整度不大于1/20。

6)套襯混凝土應進行1 d齡期、28 d齡期抗壓強度試驗及耐腐蝕性試驗。噴射混凝土1 d齡期的抗壓強度不應低于8 MPa；28 d齡期的抗壓強度不應低于20 MPa。28 d齡期的抗壓強度平均值應大于設計值，且最低試驗強度不小于設計強度的80%。為確保噴射混凝土初期強度，防止對運營安全的影響，噴混凝土3 h強度不應小于1.5 MPa。纖維可采用合成纖維，摻量為體積率0.06%～0.25%。

7)在施作鋼筋混凝土套襯時，應采取必要措施確保套襯與既有二襯混凝土密貼，避免套襯出現(xiàn)空洞。

8)套襯施作完成后對套襯混凝土內(nèi)表面打磨光滑，并施作滲透性結晶防水涂料。將套襯兩端端頭棱角處打磨成3 cm的斜面倒角，倒角需置于既有襯砌鑿毛范圍內(nèi)。

6 結語

襯砌開裂是一種常見的隧道病害，它對既有鐵路隧道的結構安全和運營安全威脅極大，必須引起高度重視。本文以六沾線烏蒙山二號隧道洞身中部襯砌開裂為例，分析了襯砌開裂的原因，提出了相應的整治原則，并介紹了注漿加固結合套襯補強技術在本次病害整治中的應用。

目前現(xiàn)場已按設計的整治措施完成了此次襯砌開裂病害的處理，且監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示襯砌結構無異常。注漿加固結合套襯補強技術在本隧襯砌開裂整治中的成功應用，為今后其他類似的病害整治提供了參考。