朱 旺， 馮 超， 趙海霖

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川成都 610031)

隨著我國(guó)鐵路運(yùn)營(yíng)里程的增加，隧道保有量十分巨大[1]，隨著時(shí)間的推移，隧道的病害問題逐漸浮現(xiàn)，嚴(yán)重影響了行車安全，不斷地開展相關(guān)研究有著很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義與必要性。隧道出現(xiàn)病害的機(jī)理主要有以下體現(xiàn)。首先，從襯砌受力的角度分析，外荷載作用到襯砌結(jié)構(gòu)上，造成襯砌結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫，主要的原因就是在列車荷載與圍巖劣化作用下，圍巖產(chǎn)生了較大的松動(dòng)荷載，超過了襯砌結(jié)構(gòu)的材料強(qiáng)度[2]。由溫度，收縮，沉降等因素引起的結(jié)構(gòu)次應(yīng)力，對(duì)于隧道襯砌也有不利影響[3]。其次，從外部層面分析，致使隧道出現(xiàn)病害也是復(fù)雜的。其一，從地質(zhì)層面分析，由于圍巖較差、節(jié)理發(fā)育、溶洞集中出現(xiàn)，從而對(duì)于運(yùn)營(yíng)期隧道產(chǎn)生不利影響。其二，施工過程中，施工技術(shù)工藝不到位，襯砌結(jié)構(gòu)厚度不足，背后存在空洞也不利于隧道的耐久性[4]。并且諸如“二襯緊跟”等不合理的施工理念在施工中引入，使得圍巖壓力沒有有效釋放，襯砌結(jié)構(gòu)在高應(yīng)力狀態(tài)工作，也使得后期出現(xiàn)相應(yīng)的病害。

1 工程概況

某鐵路隧道為客貨共線，全長(zhǎng)211 m。旅客列車設(shè)計(jì)行車速度160 km/h雙線隧道，軌道類型為重型，鋪設(shè)碎石道床。隧址為殘丘剝蝕地貌，地形起伏不大。洞身主要通過泥巖、泥巖夾砂巖，強(qiáng)風(fēng)化層厚1～6 m，巖層緩傾，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，無不良地質(zhì)和特殊巖土。隧區(qū)地下水主要為基巖裂隙水，不發(fā)育，地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)無腐蝕性。除進(jìn)口明洞段采用明挖施工外，其余段采用新奧法施工，各級(jí)圍巖及施工方法如下：Ⅲ級(jí)圍巖地段：采用分部開挖，錨噴支護(hù)；Ⅳ級(jí)圍巖地段：采用中壁法開挖；Ⅴ級(jí)圍巖地段：采用中壁法施工。隧道在運(yùn)營(yíng)期內(nèi)，出現(xiàn)了大量地裂縫，危機(jī)行車安全，因此基于實(shí)際，對(duì)于隧道進(jìn)行病害檢測(cè)，針對(duì)性地進(jìn)行整治措施分析。

2 檢測(cè)方法

采用地質(zhì)雷達(dá)無損檢測(cè)方法對(duì)隧道襯砌厚度及背后缺陷進(jìn)行檢測(cè)[5]，基于現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，對(duì)于隧道襯砌表面裂縫及施工間隙縫進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

2.1 地質(zhì)雷達(dá)無損檢測(cè)

2.1.1 檢測(cè)原理

地質(zhì)雷達(dá)法是一種利用高頻電磁波束的反射來探測(cè)地質(zhì)目標(biāo)的電法勘探方法。最先接收到由發(fā)射天線經(jīng)天線所在襯砌表面到達(dá)接收天線的直達(dá)波，該波可作為系統(tǒng)時(shí)間的零點(diǎn)。通過對(duì)反射波信號(hào)進(jìn)行一系列的后處理后，根據(jù)反射波的強(qiáng)度、形狀及其在縱向和豎(環(huán))向上的變化情況來判別反射目標(biāo)的性質(zhì)如襯砌背后空洞及不密實(shí)等。

2.1.2 測(cè)線布置

根據(jù)規(guī)范及工程實(shí)際情況，檢測(cè)時(shí)沿隧道縱向布置7條測(cè)線，位置分別為：拱頂，左、右拱腰，左、右拱腳，左、右邊墻(圖1)。在現(xiàn)場(chǎng)利用軌道車以小于5 km/h的車速沿所布設(shè)的測(cè)線進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，在有空洞等缺陷的部位布設(shè)橫向測(cè)線進(jìn)行網(wǎng)格檢測(cè)，以探明空洞的范圍。

圖1 測(cè)線布置示意

2.2 現(xiàn)場(chǎng)病害檢測(cè)

利用天窗時(shí)間，進(jìn)行隧道襯砌表面的病害統(tǒng)計(jì)，對(duì)于裂縫以及施工間隙縫等病害進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

3 隧道病害情況

根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果，分析隧道現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際病害，該隧道主要的病害情況為，襯砌背后存在較多的空洞，裂縫，施工間隙縫。

3.1 襯砌背后空洞

該隧道襯砌背后出現(xiàn)較多的空洞，共檢測(cè)出襯砌背后空洞14處，如表1所示，缺陷長(zhǎng)度共計(jì)25.5 m，占測(cè)線長(zhǎng)度的2.01 %。

表1 襯砌背后空洞統(tǒng)計(jì)表

3.2 襯砌裂縫

目前存在多處裂縫處，對(duì)結(jié)構(gòu)有影響的裂縫：拱頂處裂縫有14處，斜向裂縫有9處(圖2)，施工間隙縫共79處，在拱腰附近連續(xù)分布，分布區(qū)域如圖2所示。

圖2 隧道裂縫示意

4 襯砌病害原因

該隧道全隧拱頂兩側(cè)對(duì)稱分布有施工間隙縫，拱頂位置分布有5處較長(zhǎng)的縱向裂縫，以及數(shù)十條環(huán)，縱向裂縫，襯砌背后局部存在脫空，脫空主要存在與左拱腰附近位置。結(jié)合實(shí)際，主要有以下原因。

(1)隧道施工中由于混凝土襯砌澆筑時(shí)混凝土供應(yīng)不及時(shí)或停電等原因，造成整板襯砌混凝土澆筑不連貫，間隔時(shí)間過長(zhǎng)，從而形成施工間隙縫。

(2)圍巖中泥巖在水的作用下發(fā)生劣化及襯砌存在質(zhì)量缺陷，導(dǎo)致襯砌不能滿足受力要求以及壓力變化而出現(xiàn)開裂。

(3)施工過程質(zhì)量控制以及監(jiān)督不到位，存在超挖的現(xiàn)象，從而出現(xiàn)背后襯砌脫空。

5 整治設(shè)計(jì)方案

隧道襯砌病害，主要基于經(jīng)驗(yàn)開展類比設(shè)計(jì)，主要遵循不侵限、保證軌道走行安全、襯砌的穩(wěn)定性等原則，并且在整治過程中，盡量利用既有襯砌結(jié)構(gòu)[6]，并且考慮到既有線路的行車問題，使得整治措施應(yīng)用對(duì)既有線的安全和行車影響要降至最低。

5.1 拱部對(duì)稱整治措施

考慮到全隧主要病害為拱頂有縱向裂縫、兩條或以上對(duì)稱于拱頂分布的縱向裂縫、以及大面積分布的施工間隙縫，故全隧均采用拱部對(duì)稱整治措施：拱頂至水溝鉛垂投影線向兩側(cè)外放50 cm范圍用植筋、鋼筋網(wǎng)、錨桿、噴纖維混凝土對(duì)襯砌裂損進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)[7](圖3)。

圖3 拱部對(duì)稱整治示意

縱、環(huán)向間距50 cm呈梅花形進(jìn)行植筋，將植筋膠的A、B組份按20∶1比例混合攪拌至完全均勻，用鋼制刮刀或其他工具上膠；將云石膠和固化劑的配比量控制在10∶1范圍內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)以調(diào)整配方，使其在10 s內(nèi)凝膠，5 min左右完全固化，植筋施工如圖4所示。

圖4 植筋示意(單位:mm)

對(duì)襯砌表面進(jìn)行鑿毛，見新面不小于噴混凝土面50 %，并清洗干凈，鋪設(shè)φ6、間距10 cm的鋼筋網(wǎng)?？v環(huán)向間距200 cm，在補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域設(shè)置錨桿，噴6 cm聚丙烯纖維混凝土。錨網(wǎng)噴襯砌內(nèi)表面與既有襯砌結(jié)合處，應(yīng)平滑過渡，避免出現(xiàn)尖角(圖5)，施作完噴混凝土，并在混凝土初凝后，終凝前用鋼刷收面。

5.2 騎縫錨桿整治措施

全隧采用拱部對(duì)稱整治措施的同時(shí)，邊墻部位的裂縫同樣影響隧道襯砌結(jié)構(gòu)的安全性，故采用騎縫錨桿加固措施，對(duì)隧道大跨以上長(zhǎng)度大于5 m或?qū)挾却笥? mm的單條縱、斜向裂縫和錯(cuò)臺(tái)小于0.5 mm的錯(cuò)臺(tái)裂縫進(jìn)行整治(圖6)。

圖5 襯砌內(nèi)表面接頭局部放大示意(單位:mm)

圖6 騎縫錨桿整治措施

采用L=3.0 m、φ28中空注漿錨桿加固，錨桿沿裂縫兩側(cè)交錯(cuò)布置，距離裂縫2倍襯砌厚度，沿裂縫走向間距1.5 m。加固前應(yīng)考慮錨桿及噴混凝土施作后是否侵界，若侵界，應(yīng)鑿除部分襯砌結(jié)構(gòu)表面，灌漿材料采用水泥漿，水灰比控制在0.38～0.43，并摻入FDN減水劑[8]。值得注意的是，縱向裂縫應(yīng)用騎縫錨桿整治措施中，已經(jīng)施作的錨桿與全隧進(jìn)行拱部對(duì)稱整治措施中，所施作的錨桿出現(xiàn)位置重復(fù)的情況，進(jìn)行錨桿共用，不必要重新進(jìn)行錨桿施作。

5.3 襯砌背后空洞注漿整治措施

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，該隧道襯砌背后存在空洞以及不密實(shí)的情況，對(duì)于襯砌背后空洞進(jìn)行注漿，提升襯砌結(jié)構(gòu)的安全性，如圖7、圖8所示。采用間歇式無收縮漿材回填灌漿，當(dāng)空洞深度小于等于40 cm時(shí)。注漿采用鋼管或中空錨桿或PVC管進(jìn)行，注漿管的長(zhǎng)度根據(jù)脫空深度確定，鉆孔后須清孔，然后埋設(shè)注漿管、排氣管，孔徑均為42 mm，排氣管可以作為后續(xù)注漿；注漿孔個(gè)數(shù)根據(jù)空腔大小具體確定，按間距2.0 m進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)注漿范圍較小時(shí)，注漿孔、觀察孔及排氣孔的分布尺寸應(yīng)視情況調(diào)整，一次性填充；當(dāng)空洞深度大于40 cm時(shí)，采用分層灌漿[9]。

圖7 橫向注漿位置示意

圖8 縱向注漿位置示意

灌漿前應(yīng)進(jìn)行灌漿試驗(yàn)，調(diào)整灌漿參數(shù)，灌漿時(shí)記錄灌漿位置、灌漿量及灌漿壓力等，注漿量以漿液至最高排氣孔(溢漿管)自溢為結(jié)束條件[10]，灌漿完成后對(duì)預(yù)留灌漿孔進(jìn)行封閉。

5.4 施工間隙縫整治措施

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，全隧道分布大量的施工間隙縫，大多處于拱部，應(yīng)用上文所述的拱部對(duì)稱整治措施進(jìn)行整治，對(duì)于處于邊墻的施工間隙縫，采用水泥基結(jié)晶滲透型防水涂料進(jìn)行涂刷，在裂縫兩邊各約50 cm范圍內(nèi)涂刷水泥基結(jié)晶滲透型防水涂料(圖9)。

圖9 涂料涂刷示意(單位:mm)

5.5 裂縫封堵措施

對(duì)于未施作騎縫錨桿的襯砌裂縫，考慮其主要為混凝土干縮等因素引起的[11]，寬度與深度較小，對(duì)于襯砌結(jié)構(gòu)受力影響不大，因此主要采用裂縫封堵措施(圖10)，防止襯砌劣化，出現(xiàn)滲漏水的現(xiàn)象[12]。

圖10 裂縫封堵示意(單位:mm)

沿裂縫的兩邊各打磨10 cm寬,除去混凝土表面雜物,以免影響注漿嘴的粘貼及封縫效果，沿裂縫開口向兩邊清洗,以保證縫口敞開無雜物，規(guī)則裂縫按間距30～50 cm布嘴,不規(guī)則裂縫的交叉點(diǎn)及端部均布置注漿嘴。用SKD803將底座粘于注入口上，之后采用SKD803直接封閉裂縫，最后進(jìn)行灌漿。在灌漿的過程中，采取多點(diǎn)同步灌注方式，由下至上，由一側(cè)向另一側(cè)，從寬至窄的順序逐步推進(jìn)進(jìn)行灌漿。施工中采用穩(wěn)壓慢灌，待鄰孔出漿時(shí)，關(guān)閉并結(jié)扎管路，繼續(xù)進(jìn)漿，一直到整個(gè)縫面都灌滿漿液為止。

6 結(jié)論

本文實(shí)際，利用地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)，人工觀測(cè)統(tǒng)計(jì)方法，對(duì)于隧道病害，原因，以及整治措施進(jìn)行了分析，主要得到以下結(jié)論：

(1)該隧道襯砌背后空洞集中分布于左拱腰附近，且全隧存在施工間隙縫，施工間隙縫分布在作用拱腳位置，在邊墻處也有分布，存在裂縫有62處，其中拱頂處裂縫有14處；斜向裂縫有9處，對(duì)于隧道結(jié)構(gòu)影響較大。

(2)該隧道出現(xiàn)病害的主要原因有兩方面。其一，隧道圍巖在列車荷載以及地下水作用下劣化，產(chǎn)生了較大的松動(dòng)荷載，使得拱頂區(qū)域有著較多，較長(zhǎng)的縱向裂縫出現(xiàn)。其二，隧道施工過程中，質(zhì)量管理不到位，超挖嚴(yán)重，二襯混凝土澆筑不連續(xù)，出現(xiàn)了空洞與連續(xù)分布的施工間隙縫。

(3)隧道施工質(zhì)量存在較大問題，而在拱頂卻沒有發(fā)現(xiàn)空洞，按照空洞出現(xiàn)的一般規(guī)律，出現(xiàn)頻率為拱頂>拱腰>拱腳>邊墻[13]，可以分析拱部圍巖劣化嚴(yán)重，出現(xiàn)了一定的坍塌，因此進(jìn)行拱部對(duì)稱整治措施，提升二襯結(jié)構(gòu)的承載能力是必要的。

(4)基于施工經(jīng)驗(yàn)，采用了類比設(shè)計(jì)法，設(shè)計(jì)了整治措施。隧道在整治過程中，主要進(jìn)行拱部對(duì)稱整治受挫時(shí)，在全隧道進(jìn)行拱部對(duì)稱整治騎縫錨桿整治措施，襯砌背后空洞注漿整治措施，施工間隙縫整治措施與裂縫封堵措施應(yīng)用，能夠有效地對(duì)隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。