上官濤

(中國鐵路總公司工程管理中心，北京100844)

鐵道隧道底部病害成因分析與質(zhì)量檢測技術(shù)

上官濤

(中國鐵路總公司工程管理中心，北京100844)

系統(tǒng)地總結(jié)了既有鐵路隧道底部結(jié)構(gòu)常見的病害現(xiàn)象，分析病害產(chǎn)生的原因，指出隧底常見的施工缺陷?；谀壳八淼讬z測常用的地質(zhì)雷達(dá)法和鉆芯法，給出了隧底檢測要點(diǎn)和提高檢測精度的措施。分析近年來隧底施工質(zhì)量抽查發(fā)現(xiàn)的典型問題，提出在建隧道底部質(zhì)量檢測和質(zhì)量控制建議，為新建隧道建設(shè)管理提供參考。

隧底檢 測施 工質(zhì)量控制 地質(zhì)雷達(dá)法 鉆芯法

如何控制新建隧道施工質(zhì)量，提高隧底檢測精度，是目前在建隧道建設(shè)管理的重點(diǎn)工作。本文在分析既有線隧道底部病害特征及其產(chǎn)生機(jī)理的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程案例，對新建隧道底部常見缺陷及質(zhì)量檢測的技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行了分析，給出隧道底部施工質(zhì)量控制建議，為新建隧道的建設(shè)管理提供參考。

1 既有線隧底常見病害成因分析

隧道基底下沉及道床翻漿冒泥是既有線隧道主要的病害。其主要是由施工質(zhì)量缺陷、運(yùn)營列車動荷載作用、自然和地質(zhì)環(huán)境等引起。已有的數(shù)值分析結(jié)果表明，圍巖壓力和施工質(zhì)量對隧道結(jié)構(gòu)破壞的影響更大。隧底出現(xiàn)破損后，在列車振動沖擊作用下隧底結(jié)構(gòu)病害會進(jìn)一步惡化。以下結(jié)合近年來大量新建隧道檢測及既有鐵路隧底病害檢測與加固分析的經(jīng)驗對隧底的病害成因進(jìn)行分析。

1.1 施工質(zhì)量

施工質(zhì)量缺陷是隧底病害的主因。施工中當(dāng)存在隧底虛渣、混凝土強(qiáng)度不足、隧底厚度不足、鋼架未按設(shè)計施作等問題時，在地下水、列車動載作用下，隧底會出現(xiàn)腐蝕、凍脹、基底吊空、開裂等病害。常見的施工缺陷有:

1)隧底厚度不足。隧道開挖常存在超挖或欠挖現(xiàn)象。隧底欠挖時，常出現(xiàn)隧底厚度不足、仰拱上浮，影響襯砌結(jié)構(gòu)的整體受力狀態(tài)，削弱了襯砌的整體承載能力，給隧道的長期受力穩(wěn)定帶來隱患。

2)仰拱充填片石。為節(jié)約成本，采用片石或洞渣代替混凝土仰拱或填充仰拱，導(dǎo)致基底承載能力不足，引起隧底結(jié)構(gòu)破壞。

3)隧底虛渣。隧底虛渣分兩種情況:①在澆筑仰拱或底板混凝土前隧底虛渣未清理干凈;②隧底嚴(yán)重超挖，采用洞渣進(jìn)行回填而形成隧底虛渣，這為地下水沖刷、凍脹、腐蝕提供了通道，使基底出現(xiàn)吊空現(xiàn)象，在列車動荷載長期作用下，導(dǎo)致隧底結(jié)構(gòu)破壞。

4)混凝土強(qiáng)度不足。混凝土強(qiáng)度不足體現(xiàn)為兩個方面:①混凝土質(zhì)量不合格或施工振搗不充分，導(dǎo)致隧底仰拱或底板混凝土達(dá)不到設(shè)計要求;②仰拱混凝土強(qiáng)度等級未達(dá)到規(guī)定要求，致使基底承載能力不足，在長期的動荷載及圍巖壓力作用下引起隧底結(jié)構(gòu)破壞。

5)鋼筋或鋼架缺失。未按設(shè)計要求放置鋼筋或鋼架是襯砌或仰拱的常見缺陷。近年來隨著地質(zhì)雷達(dá)檢測的普及、檢測人員水平的提高以及施工管理的加強(qiáng)，這類現(xiàn)象逐漸減少，但仍未杜絕。

1.2 水的作用

地下水的動水作用會對裂隙產(chǎn)生沖刷;泥質(zhì)頁巖和炭質(zhì)頁巖浸水會產(chǎn)生體積膨脹;在嚴(yán)寒地區(qū)，基底巖土內(nèi)的水分會使隧底及整體道床產(chǎn)生凍害。隧底施工質(zhì)量缺陷為水對隧底的沖刷、腐蝕、凍脹與破壞提供了通道，加重了水害。此外，隧道的排水系統(tǒng)不能有效降低地下水位往往導(dǎo)致水害的發(fā)生。如平行導(dǎo)洞內(nèi)的附屬排水溝及中心水溝堵塞使地下水不能及時排出，從而長期浸泡侵蝕道床，加之列車的碾壓致使道床橫向斷裂、下沉。

1.3 列車動荷載的作用

在隧道建成初期，列車荷載一般不會引起隧底結(jié)構(gòu)破壞。當(dāng)隧底存在施工質(zhì)量缺陷時，在水流沖刷后，隧道鋪底結(jié)構(gòu)在列車長期的沖擊荷載作用下，逐步引起隧底結(jié)構(gòu)破壞。具體表現(xiàn)為:列車通過時輪對下壓，使變軟的泥、水從裂縫中擠出，形成翻漿冒泥，輪對經(jīng)過后，軌枕復(fù)位上抬，基床下空隙形成吊空，迅速由四周泥水補(bǔ)充，在反復(fù)的抽吸作用下，隧底開裂與翻漿冒泥之間形成惡性循環(huán)，基底與圍巖之間空隙不斷擴(kuò)大，造成道床下沉、吊空，威脅行車安全。

1.4 圍巖較差

圍巖較差是隧道基底發(fā)生下沉和翻漿冒泥等病害的原因之一。地下水對隧道泥巖夾層的軟化與潛蝕，使得泥巖夾層與混凝土仰拱交界處泥巖小顆粒被地下水帶走，導(dǎo)致基底結(jié)構(gòu)脫空。近年來隨著列車提速、載重量提升、行車密度的加大，既有線隧道由于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)低、施工缺陷、結(jié)構(gòu)物老化等因素而產(chǎn)生病害。對于新建隧道，設(shè)計對耐久性、結(jié)構(gòu)物使用壽命等因素考慮比較多，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)相對較高，在保證施工質(zhì)量和勘探準(zhǔn)確度的情況下，短期內(nèi)出現(xiàn)因圍巖狀況引起的隧底病害的可能性較小。因此，施工質(zhì)量控制是關(guān)鍵。

綜上分析表明，施工質(zhì)量缺陷是隧底病害的主因。在新建隧道的建設(shè)管理中，提高檢測精度和可靠性，嚴(yán)格把好隧底施工質(zhì)量關(guān)，是預(yù)防隧底病害的重要措施。

2 隧底質(zhì)量檢測技術(shù)

隧道結(jié)構(gòu)檢測與評估的方法主要有地質(zhì)雷達(dá)法、鉆芯法、聲波法、瞬變電磁法、超聲回彈綜合法、回彈法、瑞雷波法、地震影像法及紅外線探測法等。其中地質(zhì)雷達(dá)法為最常用的檢測方法。近年來，由于鉆芯設(shè)備愈加便捷，通常將地質(zhì)雷達(dá)法和鉆芯法相結(jié)合進(jìn)行新建隧道底部質(zhì)量檢測和驗收。

2.1 地質(zhì)雷達(dá)法

地質(zhì)雷達(dá)法是利用一個天線發(fā)射高頻率寬頻帶電磁波，另一個天線接收來自地下介質(zhì)界面的反射波來進(jìn)行探測。電磁波在介質(zhì)中傳播時，其路徑、電磁場強(qiáng)度與波形隨所通過介質(zhì)的電性質(zhì)及幾何形態(tài)而變化。根據(jù)所接收到的電磁波旅行時間(雙層走時)、幅度與波形可推斷介質(zhì)的結(jié)構(gòu)。

雷達(dá)波反射信號的強(qiáng)度主要取決于上下層介質(zhì)的電性差異，電性差異越大，反射信號越強(qiáng)。雷達(dá)波的穿透深度主要取決于介質(zhì)的導(dǎo)電性和雷達(dá)天線的中心頻率。導(dǎo)電率越高，穿透深度越小;天線中心頻率越高，穿透深度越小。反之亦然。因此，選擇合理的天線頻率對提高檢測準(zhǔn)確度非常重要。

地質(zhì)雷達(dá)主機(jī)配備不同頻率的天線可對不同深度的目標(biāo)體進(jìn)行探測。目前在鐵路隧道襯砌檢測中普遍應(yīng)用的是900，400，200(270)MHz天線。目前鐵路雙線隧道線路中線仰拱及填充層設(shè)計厚度一般為1.5～1.8 m，用400 MHz天線檢測深度略顯不足，用200 MHz天線則檢測精度不夠。隧底及仰拱檢測可采用兩種頻率的天線綜合檢測。

2.2 鉆芯法

以往對隧底(仰拱)質(zhì)量有懷疑時，普遍采用液壓地質(zhì)鉆機(jī)鉆探取芯。由于該儀器笨重，效率低，很難將鉆芯法作為仰拱質(zhì)量檢查的常規(guī)方法。近年來，隨著鉆芯設(shè)備的更新，簡易鉆機(jī)即可完成3 m以內(nèi)的混凝土鉆芯取樣。與簡易鉆機(jī)相比，液壓地質(zhì)鉆機(jī)在隧底巖芯的鉆探方面具有明顯優(yōu)勢。現(xiàn)場檢測通常將簡易鉆機(jī)和液壓地質(zhì)鉆機(jī)相結(jié)合進(jìn)行鉆芯檢測。

目前，在鐵路隧道質(zhì)量抽檢中，已將隧底鉆芯檢測作為常規(guī)檢測項目，及時有效地發(fā)現(xiàn)了隧底施工質(zhì)量缺陷。鉆芯抽檢的方法與效果引起建設(shè)各方的重視，逐漸作為常規(guī)方法被引入隧道仰拱質(zhì)量第三方檢測工作中，大大提高了施工質(zhì)量意識和質(zhì)量控制水平。具體做法是沿隧道每隔一定長度在隧底鉆取一組混凝土芯樣，用于檢測隧底厚度、強(qiáng)度或?qū)Φ刭|(zhì)雷達(dá)法檢測結(jié)果進(jìn)行驗證。

3 隧道底部檢測效果及分析

近幾年新建隧道的監(jiān)督管理、質(zhì)量調(diào)查以及既有線隧底質(zhì)量整治工作中暴露出隧底施工質(zhì)量問題主要是拱架間距超標(biāo)、隧底厚度不足、仰拱強(qiáng)度不足、虛渣過厚等。

3.1 地質(zhì)雷達(dá)法檢測隧底的效果示例

例1。某段隧底仰拱設(shè)計厚度50 cm，填充層設(shè)計厚度68 cm。從雷達(dá)圖像(圖1)上可看出約在40 cm深度處有明顯層位分界，且分界處有多次波反射，可能存在脫空或不密實(shí)區(qū)域。經(jīng)鉆芯驗證，發(fā)現(xiàn)38 cm深度處以下為拋填碎石。

圖1 隧底厚度嚴(yán)重不足且摻雜碎石

例2。某段隧底仰拱設(shè)計厚度55 cm，填充層設(shè)計厚度80 cm。從雷達(dá)圖像(圖2)上可看出框內(nèi)仰拱表層鋼筋約在55 cm深度處，說明填充混凝土厚度＜55 cm。該段填充層厚度比設(shè)計厚度少約25 cm，仰拱上抬。

例3。圖3為仰拱鋼筋的典型探測圖，可以看出明顯的仰拱表層鋼筋反射，但由于埋深和屏蔽效應(yīng)，無法顯示仰拱下層鋼筋反射及初支鋼架反射。地質(zhì)雷達(dá)對鋼筋背后的鋼架布置、仰拱下部虛渣等檢測效果不佳。建議加大鉆芯驗證頻率，多積累對比資料。

3.2 鉆芯檢測發(fā)現(xiàn)的典型問題

例1，隧底厚度不足。隧道開挖常存在超挖或欠挖的現(xiàn)象。在目前的新建鐵路中，一般情況下隧底厚度均能滿足設(shè)計要求，但也有個別隧道仍存在隧底厚度不足的現(xiàn)象。一隧道某里程處圍巖級別為Ⅲb，仰拱混凝土強(qiáng)度等級為C30。在該里程處線路右側(cè)距中心水溝2.3，2.4 m處分別進(jìn)行鉆芯取樣(圖4)，鉆芯部位隧底(仰拱+填充層)的設(shè)計厚度分別為1.53，1.52 m，隧底混凝土實(shí)測厚度分別為0.49，0.52 m，下部為基巖，實(shí)測厚度僅為設(shè)計厚度的1/3，嚴(yán)重不足。

圖2 仰拱上抬(填充層厚度不足)

圖3 仰拱鋼筋雷達(dá)探測示意

圖4 芯樣

例2，仰拱強(qiáng)度不足。對某工程隨機(jī)抽查7座隧道的23組仰拱混凝土抗壓強(qiáng)度，有5組混凝土不合格，占抽查數(shù)量的21.7%。其中一組仰拱設(shè)計混凝土強(qiáng)度等級為C35，實(shí)測的混凝土抗壓強(qiáng)度推定值僅為22.8 MPa，明顯低于設(shè)計值。

例3，虛渣過厚。在既有線隧道的病害調(diào)查中，發(fā)現(xiàn)了隧道虛渣過厚引起的沉陷、開裂及翻漿冒泥的現(xiàn)象。在近期的新建鐵路隧底質(zhì)量抽查中，這種情況尚不多見，但仍有這類問題存在。

某隧道圍巖級別為Ⅲb，仰拱混凝土強(qiáng)度等級為C30，在線路左側(cè)距中心水溝2.5 m處鉆芯2孔，該處隧底設(shè)計厚度1.16 m。鉆芯結(jié)果表明，該處存在拋填片石、厚度不足、隧底虛渣現(xiàn)象(圖5)。其中，第1孔(鉆芯深度1.57 m)0～1.00 m段為混凝土，0.36～0.43 m段夾片石，1.00～1.57 m段為青灰色巖芯，上部呈破碎塊狀、下部呈短柱狀;第2孔(鉆芯深度1.54 m)0～1.05 m段為混凝土(其中0.44～0.55 m段和0.64～0.98 m段夾片石)，1.05～1.54 m段為青灰色巖芯，上部呈破碎塊狀、下部呈短柱狀。

圖5 隧底夾片石、虛渣

4 結(jié)論與建議

1)地質(zhì)雷達(dá)法是目前常用的隧底檢測方法，能發(fā)現(xiàn)一些施工質(zhì)量問題，但對鋼筋背后的鋼架布置、仰拱下部虛渣等問題檢測效果不佳，建議加大鉆芯驗證頻率，多積累對比資料。

2)目前鐵路雙線隧道線路中線仰拱及填充層設(shè)計厚度一般為1.5～1.8 m，用高頻天線檢測測深不足，用低頻天線檢測則精度不夠。建議利用兩種頻率天線綜合檢測，低頻天線用于檢測線路中心線，中高頻天線用于檢測靠近邊墻處的隧底質(zhì)量。

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(責(zé)任審編李付軍)

U456

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.06.17

1003-1995(2015)06-0064-03

2015-01-10;

2015-01-29

上官濤(1970—)，男，湖北武漢人，高級工程師，碩士。