鐵路隧道二次襯砌施工冷縫成因及對策

滿世浩 石廣田 滿開泉

1.蘭州交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，蘭州 730070；2.中國鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司工程質(zhì)量監(jiān)督站，蘭州 730030

因2020年西南一座鐵路隧道發(fā)生掉塊事故，冷縫引起廣泛關(guān)注，相關(guān)部門下發(fā)通知，專題安排對隧道二次襯砌冷縫進(jìn)行排查整治。

Q/CR 9250—2020《鐵路隧道襯砌施工技術(shù)規(guī)程》［1］對冷縫的定義為：“隧道每模襯砌澆筑過程中由于某種原因造成澆筑中斷，且間隔時間超過混凝土初凝時間，現(xiàn)場未采取相應(yīng)的處理措施就進(jìn)行后續(xù)混凝土施作，先后澆筑混凝土之間出現(xiàn)的弱結(jié)合面”。

Q/CR 9207—2017《鐵路混凝土工程施工技術(shù)規(guī)程》［2］要求：“混凝土澆筑應(yīng)連續(xù)進(jìn)行……當(dāng)超過允許間歇時間時，應(yīng)按澆筑中斷處理，同時應(yīng)留置施工縫，并做記錄。施工縫的平面應(yīng)與結(jié)構(gòu)的軸線相垂直”。事實上，隧道二次襯砌現(xiàn)場施工時，澆筑工藝中斷后，按Q/CR 9207—2017 的要求留置施工縫是有難度的，因此不同程度地導(dǎo)致了冷縫的存在。

本文對存在冷縫的隧道二次襯砌進(jìn)行受力分析，探究對策以降低冷縫帶來的危害。

1 冷縫成因及危害

1.1 冷縫產(chǎn)生的原因

對近年來現(xiàn)場檢查中發(fā)現(xiàn)的有關(guān)隧道二次襯砌方面的質(zhì)量問題進(jìn)行統(tǒng)計，并結(jié)合近年來隧道病害，對因隧道掉塊造成的鐵路事故進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)冷縫產(chǎn)生的原因主要包括以下幾個方面。

1）因現(xiàn)場設(shè)備故障、堵管、停電等原因，造成澆筑工藝中斷后未按Q/CR 9207—2017 要求采取相應(yīng)措施。隧道二次襯砌施工中出現(xiàn)冷縫，如果按施工縫處置，必須先退模才能進(jìn)行后續(xù)施工，費工費時，成本巨大。如果冷縫出現(xiàn)在拱腰部位，難以留置施工縫，現(xiàn)場往往不做處理從而留下冷縫。

2）拌和站設(shè)置過遠(yuǎn)，導(dǎo)致混凝土供應(yīng)不及時。施工圖設(shè)計時，會根據(jù)現(xiàn)場實際、混凝土需求量確定拌和站位置。TB 10424—2018《鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)》［3］要求：“混凝土運輸、澆筑及間歇的全部時間不應(yīng)超過混凝土的初凝時間”。實際施工準(zhǔn)備中，受現(xiàn)場條件制約或施工單位為節(jié)約成本，會有一些位置調(diào)整，而調(diào)整位置時很可能會忽略運輸距離拉長、道路條件對混凝土的影響，特別是一些集中式拌和站，可能會導(dǎo)致遠(yuǎn)端施工點混凝土供應(yīng)超過初凝時間。

3）現(xiàn)場工藝控制不到位，分層澆筑工藝落實不好。受現(xiàn)場管理水平限制，個別項目中未能嚴(yán)格落實分層開窗澆筑、逐窗振搗要求，造成混凝土離析，拆模后二次襯砌表面會有明顯的“駝峰”線，出現(xiàn)澆筑口“集料窩”、兩側(cè)水泥砂漿不均勻的現(xiàn)象。

1.2 冷縫對隧道二次襯砌的危害

冷縫對隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)的影響主要體現(xiàn)在以下兩個方面。

1）薄弱結(jié)合面造成混凝土結(jié)構(gòu)的整體性和抗應(yīng)變能力下降。由于冷縫的存在，在強(qiáng)降雨天氣下水壓力使混凝土結(jié)構(gòu)破壞。從現(xiàn)場經(jīng)驗和隧道病害統(tǒng)計結(jié)果看，有二次襯砌病害問題的隧道多出現(xiàn)在富水隧道，事故也多發(fā)于雨季。

2）混凝土不密實造成滲水，又因長期凍融使混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。高寒區(qū)隧道有初砌掉塊事故的案例，而無水、貧水隧道二次襯砌冷縫發(fā)展成病害的案例較少。

2 存在冷縫的隧道二次襯砌受力分析

運用有限元軟件建立模型，分析二次襯砌存在冷縫對隧道結(jié)構(gòu)安全的影響機(jī)理，水壓力對帶冷縫二次襯砌結(jié)構(gòu)安全的影響，以及不同部位的冷縫對隧道結(jié)構(gòu)安全的影響。

2.1 冷縫對鋼筋混凝土和素混凝土二次襯砌的影響

2.1.1 模型與參數(shù)

模型建立以一座250 km/h 客運專線鐵路雙線隧道（雙塊式無砟軌道），Ⅲ級圍巖為基礎(chǔ)。該隧道結(jié)構(gòu)形式為復(fù)合式襯砌帶仰拱，初期支護(hù)、二次襯砌混凝土厚度分別取12、40 cm，強(qiáng)度等級分別為C25、C30?？紤]到二次襯砌縱向的單次澆筑長度與臺車長度一致，如果出現(xiàn)冷縫，其縱向長度最大為臺車長度，且與隧道環(huán)向施工縫相交。結(jié)合現(xiàn)場情況，計算模型沿隧道縱向取36 m，中間12 m 設(shè)為冷縫脫落區(qū)，其凈空高為550 cm，塊長為250 cm，冷縫一直延伸到施工縫處。頂部取實際埋深140 m，模型兩側(cè)及底部均取隧道3 倍洞徑以上距離以消除邊界效應(yīng)。圍巖-隧道模型尺寸為高200 m，寬120 m，見圖1。

圖1 圍巖-隧道計算模型

素混凝土結(jié)構(gòu)計算模型見圖2，初期支護(hù)、二次襯砌結(jié)構(gòu)采用彈性單元，圍巖采用實體單元。初期支護(hù)與二次襯砌之間設(shè)置接觸面，模擬兩種結(jié)構(gòu)間的擠壓和滑移；冷縫結(jié)合面、施工縫結(jié)合面設(shè)置有摩擦的接觸面，模擬結(jié)合面之間的摩擦擠壓。參照文獻(xiàn)［4］，冷縫結(jié)合面摩擦因數(shù)取0.35；假定施工縫按標(biāo)準(zhǔn)流程施工，施工縫結(jié)合面摩擦因數(shù)取0.70。

圖2 素混凝土結(jié)構(gòu)計算模型（單位：mm）

根據(jù)現(xiàn)場情況，隧道二次襯砌掉塊前該地區(qū)出現(xiàn)了強(qiáng)降雨天氣，因此本次模擬考慮水壓力的作用。水頭高度取該襯砌結(jié)構(gòu)檢算中能承受的極限值，約8 m。

鋼筋混凝土模型在素混凝土結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)上，添加鋼筋網(wǎng)結(jié)構(gòu)，利用接觸命令綁定鋼筋模型與混凝土模型。材料計算參數(shù)取自TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》［5］，鋼筋選用HRB335熱軋帶肋鋼筋，全環(huán)鋼架主筋規(guī)格16@400，縱向筋10@250，拉筋8@250，采用鋼筋網(wǎng)結(jié)構(gòu)（圖3）。材料計算參數(shù)見表1。

圖3 鋼筋混凝土模型配筋（單位：mm）

表1 材料計算參數(shù)

2.1.2 模擬結(jié)果與分析

1）素混凝土二次襯砌受力分析

素混凝土模型及二次襯砌掉塊區(qū)混凝土第一主應(yīng)力云圖見圖4?？芍憾我r砌掉塊區(qū)混凝土第一主應(yīng)力在施工縫結(jié)合面與冷縫結(jié)合面的交界部位出現(xiàn)集中拉應(yīng)力，最大值達(dá)4.94 MPa，超出C30 混凝土極限抗拉強(qiáng)度（2.2 MPa）。出現(xiàn)不光滑鋸齒狀裂縫的掉塊的下緣部位［圖4（b）黑線區(qū)域］應(yīng)力為3.24 MPa。

圖4 素混凝土模型第一主應(yīng)力云圖

數(shù)值模擬結(jié)果驗證了冷縫致使二次襯砌掉塊的機(jī)理：與一次性澆筑成型相比，冷縫結(jié)合面混凝土黏結(jié)力不足，形成薄弱面，冷縫面兩側(cè)襯砌無法有效傳遞切向力，使得本應(yīng)均勻傳遞的載荷集中在冷縫處；且施工縫處也為一薄弱面，應(yīng)力在施工縫與冷縫的交界部位集中，率先在此處破裂，沿圖4（b）黑線進(jìn)一步擴(kuò)展致使掉塊。

2）素混凝土與鋼筋混凝土二次襯砌對比分析

相較于素混凝土結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)提高了結(jié)構(gòu)承載能力。如圖5 所示，鋼筋混凝土二次襯砌X方向的形變比素混凝土二次襯砌減小了15.5%，同樣工況下掉塊區(qū)所有部位的第一主應(yīng)力值減幅明顯，最大值由4.94 MPa降至1.93 MPa，降至C30混凝土容許應(yīng)力范圍內(nèi)，降低了混凝土結(jié)構(gòu)被破壞的可能性。鋼筋模型最大組合應(yīng)力41.43 MPa（圖6），小于其容許應(yīng)力（300 MPa），在安全范圍內(nèi)。

圖5 素混凝土模型和鋼筋混凝土模型X方向位移云圖

圖6 鋼筋混凝土模型最大組合應(yīng)力云圖

2.2 水頭高度對帶冷縫二次襯砌結(jié)構(gòu)的安全性分析

郭詠輝等［6］論證了不同水頭高度對于帶冷縫隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)的影響，認(rèn)為帶冷縫隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)安全性隨水頭升高迅速降低，“至40 m 結(jié)構(gòu)安全性已低于TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》要求，至60 m 結(jié)構(gòu)存在極高的破壞風(fēng)險”。本文進(jìn)行了無水頭與8 m 水頭二次襯砌受力對比，圖7 反映了無水頭時冷縫對素混凝土初砌結(jié)構(gòu)的影響。

圖7 素混凝土模型（無水頭）應(yīng)力與位移云圖

對比圖7（a）與圖4（a），無水頭情況較施加8 m 水頭作用時，最大應(yīng)力由1.98 MPa 增大到4.94 MPa，應(yīng)力集中情況明顯；X方向最大位移由1.31 mm 增加到1.54 mm。對比結(jié)果進(jìn)一步驗證了冷縫致使二次襯砌掉塊的機(jī)理，即：災(zāi)害前隧址區(qū)歷經(jīng)暴雨，地下水位聚集升高，致使隧道外部水壓力突增；二次襯砌存在水平狀的冷縫缺陷，突增的荷載無法通過冷縫均勻傳遞，使得局部區(qū)域沿冷縫發(fā)生錯動變形與彎折破壞，該處結(jié)構(gòu)受到向隧道凈空側(cè)的推壓作用，最終致使其在凈空側(cè)脫落。

2.3 不同冷縫條件下二次襯砌結(jié)構(gòu)的安全性分析

根據(jù)現(xiàn)場病害部位反饋，對不同冷縫條件下二次襯砌結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行定量評估。分析時，設(shè)置二次襯砌上的拱腰、墻腰、墻腳部位出現(xiàn)冷縫。考慮到實際工程中，拱頂不易出現(xiàn)垂向冷縫，但會出現(xiàn)背后空洞造成襯砌厚度不足的情況，故拱頂工況降低局部厚度。不同冷縫條件計算模型見圖8。

圖8 不同冷縫條件計算模型（單位：mm）

對于不同冷縫條件模擬結(jié)果，提取二次襯砌內(nèi)力，依據(jù)TB 10003—2016 計算襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)。各工況下典型位置結(jié)構(gòu)安全系數(shù)見表2?？梢钥闯觯跓o水壓力的情況下，不同冷縫條件各部位安全系數(shù)較完整襯砌結(jié)構(gòu)均有所下降，其中以拱腰部位降幅最為明顯，約62%。按照冷縫條件對二次襯砌結(jié)構(gòu)的安全性影響大小排序，依次為拱腰＞拱頂＞墻腳＞墻腰。拱腰出現(xiàn)冷縫較其他部位對襯砌整體安全影響更為明顯。

表2 不同冷縫條件下典型位置結(jié)構(gòu)安全系數(shù)

2.4 小結(jié)

1）冷縫面兩側(cè)襯砌無法有效傳遞切向力，應(yīng)力向施工縫與冷縫的交界部位集中，率先在此破壞。

2）相比素混凝土，在同種工況下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)掉塊區(qū)內(nèi)所有部位的應(yīng)力在容許應(yīng)力范圍內(nèi)。

3）針對水頭壓力對于帶冷縫的隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)的影響分析表明，集中降雨導(dǎo)致地下水位上升使隧道外部水壓力突增時，突增的載荷無法通過冷縫均勻傳遞，導(dǎo)致局部區(qū)域沿冷縫發(fā)生錯動變形與整體彎折破壞，極易造成二次襯砌掉塊。

4）對于不同部位冷縫對二次襯砌結(jié)構(gòu)安全性的影響，拱腰＞拱頂＞墻腳＞墻腰。對素混凝土二次襯砌，即使無水條件下，拱腰出現(xiàn)冷縫時其安全系數(shù)也會明顯降低，應(yīng)引起高度重視。

3 對策

3.1 強(qiáng)化特殊地區(qū)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果和事故發(fā)生區(qū)域、原因分析，建議在富水區(qū)、嚴(yán)寒地區(qū)隧道二次襯砌用鋼筋混凝土替代素混凝土，在試驗、運用成熟后，納入TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》［7］中。一方面，隧道掉塊對高速鐵路運營造成不可接受風(fēng)險；另一方面，控制隧道二次襯砌施工冷縫對施工工藝控制要求高，出現(xiàn)缺陷后整治難度大，特別是投入運營的隧道，受天窗點、作業(yè)環(huán)境影響，實施困難。因此，高速鐵路隧道二次襯砌適當(dāng)提高設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，符合條件的隧道用鋼筋混凝土替代素混凝土是經(jīng)濟(jì)的。

3.2 細(xì)化隧道冷縫排查措施

1）對隧道隱患整治排查活動摸排出的冷縫缺陷，首先要將其列為重點觀察點加強(qiáng)觀測，發(fā)現(xiàn)安全隱患時再采取合適的方案進(jìn)行整治。冷縫病害排查目前尚缺乏統(tǒng)一的判定標(biāo)準(zhǔn)和檢測方法。判斷是否存在冷縫，較為合理的程序是檢查二次襯砌混凝土澆筑記錄是否存在中斷，或者是通過檢測手段進(jìn)行判斷，但前提是澆筑記錄要真實可信。而檢測手段中，超聲波檢測的準(zhǔn)確性尚有待提高，鉆芯法可靠，但耗時、費用大。由于隧道數(shù)量大、檢測作業(yè)受天窗限制，現(xiàn)場多采用觀察法，使得病害判定存在主觀性。已發(fā)生病害隧道的統(tǒng)計結(jié)果相對準(zhǔn)確，從結(jié)果推定原因有其合理性。新建隧道、未發(fā)生病害隧道的統(tǒng)計結(jié)果則有失精準(zhǔn)，存在未經(jīng)驗證，誤將部分二次襯砌表面貫通痕跡線視為冷縫的現(xiàn)象，造成數(shù)據(jù)失真。

2）對于富水區(qū)、嚴(yán)寒地區(qū)的隧道的素混凝土二次襯砌應(yīng)盡早進(jìn)行排查；排查過程中應(yīng)對拱腰、拱頂處優(yōu)先排查、優(yōu)先處理。

3）有冷縫的部位，也應(yīng)關(guān)注與冷縫相交的兩端施工縫情況，因破壞會率先從此處開始。

3.3 加強(qiáng)隧道二次襯砌施工過程控制

1）強(qiáng)化對混凝土澆筑記錄的管理，將之作為施工的重要檔案，建議在TB 10424—2018 中明確要求。此外，建議在拌和站信息化管理系統(tǒng)中增加出車、回程管理，強(qiáng)化對現(xiàn)場的管理。監(jiān)督檢查也應(yīng)作為重點，納入《鐵路建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督檢查要點（站前工程）》中。

2）細(xì)化Q/CR 9207—2017 冷縫處理相關(guān)內(nèi)容，使其更具操作性。

3）優(yōu)化拌和站設(shè)置。拌和站集中管理有其優(yōu)越性，對混凝土質(zhì)量控制、成本節(jié)約起到積極作用，但鐵路建設(shè)線長、施工條件差，有些不具備工藝保障條件的地段要考慮客觀條件。

4 結(jié)語

1）強(qiáng)降雨帶來的突增的水壓力荷載無法通過冷縫均勻傳遞是致使二次襯砌掉塊的主要原因；鋼筋混凝土可以有效提升二次襯砌承載能力；拱腰出現(xiàn)冷縫對于整個隧道安全性影響最大。

2）由于施工冷縫病害隱蔽性較強(qiáng)、檢測難度大，處理不當(dāng)后果嚴(yán)重，所以必須從設(shè)計、施工兩個方面加以控制，綜合治理、預(yù)防為主。

3）在施工過程中，一旦出現(xiàn)工藝中斷，及時采取補(bǔ)救措施最為經(jīng)濟(jì)。要提高隧道二次襯砌冷縫對鐵路運營安全危害的認(rèn)識，對可能產(chǎn)生冷縫的施工因素進(jìn)行識別，分類制訂措施和預(yù)案，及時處理。