高速鐵路隧道襯砌結(jié)構(gòu)病害缺陷及其整治技術(shù)探究

1、高速鐵路隧道襯砌結(jié)構(gòu)病害缺陷及其整治技術(shù)探究摘要：高速鐵路隧道病害缺陷嚴重影響著高速鐵路列車的安全平穩(wěn)運行。尤以 襯砌結(jié)構(gòu)病害最為嚴重，直接威脅隧道結(jié)構(gòu)安全。掌握隧道襯砌結(jié)構(gòu)病害缺陷的 整治技術(shù)并適時實施，對保障隧道結(jié)構(gòu)的安全性、減少隧道施工安全事故顯得愈 發(fā)重要。從理論出發(fā)并結(jié)合實踐，對高速鐵路隧道襯砌結(jié)構(gòu)病害缺陷及其整治技 術(shù)進行探究。關(guān)鍵詞：高速鐵路隧道；襯砌結(jié)構(gòu)；病害缺陷；整治技術(shù)引言我國鐵路建設(shè)如火如荼，鐵路隧道的數(shù)量和里程也在不斷增加。截至2017年 底，我國鐵路運營里程已經(jīng)達到12.7萬km，鐵路隧道運營里程達到1.5萬km， 占運營鐵路總里程11.8%1。新開通運營鐵路隧道里程

2、達到1206km、數(shù)量為465 座，其中包括蘭渝鐵路西秦嶺隧道、木寨嶺隧道和西成高鐵秦嶺天華山隧道等26 座特長隧道、里程達到368km。受設(shè)計施工及隧址區(qū)地質(zhì)條件的影響，隧道施工和運營過程中難免產(chǎn)生病害 26。其中襯砌結(jié)構(gòu)病害對隧道結(jié)構(gòu)的可靠性造成直接威脅，嚴重影響襯砌結(jié)構(gòu) 及洞內(nèi)行車的安全性，若不及時采取行之有效的整治措施進行整治，久而久之將 嚴重減弱襯砌結(jié)構(gòu)的使用壽命、影響隧道結(jié)構(gòu)的耐久性。為此，國內(nèi)外相關(guān)學者專家們采用理論研究、現(xiàn)場試驗、室內(nèi)模型試驗和數(shù) 值模擬等方法對隧道襯砌結(jié)構(gòu)病害進行研究。譚忠盛等7基于宜萬鐵路隧道病害 分類、成因及評估指標，采用層次分析理論和模糊評價模型，建立隧

3、道病害定量 化評價體系。肖廣智等8 采用現(xiàn)場試驗，對仰拱隆起、道床積水等隧底病害進行 整治，提出了成套的整治方案。王志杰等9基于隧道病害分類、成因機理、整治 方法和措施，采用理論分析和現(xiàn)場試驗對高寒地區(qū)鐵路隧道滲漏水及凍害問題進 行整治，提出保溫加熱與注漿加固相結(jié)合的整治技術(shù)。在相關(guān)學者專家研究的基 礎(chǔ)上，筆者對高速鐵路隧道襯砌結(jié)構(gòu)病害缺陷及其整治技術(shù)進行探究。1高速鐵路隧道施工特點1.1施工環(huán)境復雜惡劣高速鐵路隧道施工一般于山體內(nèi)進行，不僅作業(yè)空間狹小，且易受到山體水 文地質(zhì)、巖體結(jié)構(gòu)等復雜條件的影響，施工難度大。同時，隧道施工環(huán)境多為半 封閉空間，通風條件惡劣，隨著施工進展環(huán)境污染會日漸嚴

4、重，加之受交叉作業(yè) 需求的影響，惡劣的施工環(huán)境將進一步增大施工風險。1.2隱蔽工程繁多按照工程范疇分類，隧道施工屬地下工程的一種，存在高難度的工程結(jié)構(gòu)特 點，隱蔽工程繁多，對施工質(zhì)量的把控難度大。同時，隧道施工的諸多施工環(huán)節(jié) 往往是彼此關(guān)聯(lián)、環(huán)環(huán)相扣，任何工序出現(xiàn)問題均將對整個施工質(zhì)量造成影響， 加之若施工檢驗中不能及時發(fā)現(xiàn)問題，將增大隱蔽工程數(shù)量，施工風險也隨即增 大。1.3塌方事故屢有發(fā)生隧道施工場地主要為山體內(nèi)部，往往由于水文地質(zhì)的變動影響，內(nèi)部結(jié)構(gòu)不 穩(wěn)定，若施工中不能加強防護措施，將增加塌方事故發(fā)生。同時，根據(jù)以往的施 工經(jīng)驗，塌方施工多發(fā)生在隧道開挖之后，在外力的作用下，山體結(jié)構(gòu)極

5、不穩(wěn)定， 時常發(fā)生塌方情況。2高速鐵路隧道病害缺陷隧道襯砌結(jié)構(gòu)病害包括襯砌滲漏水、裂縫、厚度不足以及背后缺陷等。以某 高速鐵路隧道為例，對襯砌結(jié)構(gòu)病害進行分類如下。2.1襯砌滲漏水病害統(tǒng)計隧道襯砌滲漏水病害缺陷的數(shù)量、滲水面積及滲水范圍。對正在漏水、 滲水干印的數(shù)量進行記錄。同時，對滲水程度進一步記錄，如面滲、點滲等。得 到襯砌滲漏水最大滲水面積、滲漏水最嚴重的部位，以及該里程的施工情況和地 質(zhì)信息，便于整治。2.2襯砌裂縫病害對隧道襯砌結(jié)構(gòu)裂縫病害進行統(tǒng)計，包括裂縫數(shù)量、病害發(fā)生的部位、裂縫 的方向。對縱向、橫向及斜向裂縫數(shù)量進行統(tǒng)計，如下圖1所示。對比可以得到 數(shù)量最多的裂縫破壞形式，進而

6、統(tǒng)計裂縫長度、寬度及深度，便于原因分析及整 治。圖1不同形式裂縫數(shù)量統(tǒng)計圖2.3襯砌厚度不足病害在隧道襯砌表面布設(shè)測線（雙線隧道布設(shè)7條、單線隧道布設(shè)5條），每條 測線等間距布設(shè)測點，采用地質(zhì)雷達對二次襯砌厚度進行檢測。對隧道橫斷面不 同位置處襯砌厚度不足缺陷率進行統(tǒng)計，如下圖2。圖2橫斷面不同位置處襯砌厚度缺陷率分析圖2不難發(fā)現(xiàn)：（1）隧道橫斷面不同位置處襯砌厚度缺陷率存在較大差 異，拱頂處襯砌厚度缺陷率最大。（2）由拱頂經(jīng)拱腰至邊墻，襯砌厚度缺陷率 逐漸降低。（3）以拱頂為中心，隧道橫斷面左右對稱部位襯砌厚度缺陷率差異 不大。邊墻和拱腳處襯砌厚度缺陷率同拱腰和拱頂處相比很小、可以忽略。進一

7、步 對拱腰和拱頂處二次襯砌厚度差值在縱向里程上的變化進行統(tǒng)計，如下圖3所示。圖3拱頂和拱腰處襯砌厚度差值變化2.4襯砌背后缺陷病害在隧道襯砌表面布設(shè)測線（雙線隧道布設(shè)7條、單線隧道布設(shè)5條），每條 測線等間距布設(shè)測點，采用地質(zhì)雷達對襯砌背后缺陷情況進行檢測。隧道現(xiàn)場檢 測及橫斷面不同部位襯砌缺陷率如下圖4所示。圖4襯砌背后缺陷檢測及缺陷率由拱頂經(jīng)拱腰至邊墻，襯砌背后缺陷率逐漸減小。對拱腰和拱頂處襯砌背后 缺陷數(shù)量進行統(tǒng)計，如下圖5所示。得到拱頂處襯砌背后缺陷數(shù)量最多，左右拱 腰缺陷數(shù)量相差不大，側(cè)面反映隧道施工工藝在左右兩側(cè)幾無差別。圖5襯砌背后缺陷數(shù)量3襯砌結(jié)構(gòu)病害成因機理分析3.1襯砌滲漏

8、水成因分析3.1.1水的來源首先從地勘資料和設(shè)計資料出發(fā)，掌握隧址區(qū)地下水的分布及來源。其次， 隧道施工過程中對地表及地下水徑流的影響、季節(jié)性降水等因素亦會對地下水產(chǎn) 生影響。最后，結(jié)合隧址區(qū)的地形條件，判斷地下水的排泄狀況。3.1.2防水失效隧道防水失效主要包括三個部分：初支與二襯之間的防水層失效、施工縫及 變形縫處防水失效、襯砌混凝土自防水功能失效。對每種防水失效進行整治，如 施工縫出現(xiàn)滲漏水時及時進行注漿。3.2襯砌背后接觸不良成因分析襯砌混凝土質(zhì)量、施工質(zhì)量是襯砌背后接觸不良的主要原因。如隧道超挖嚴 重，不回填或不采用規(guī)范要求的材料回填，極易導致襯砌背后空洞或接觸松散不 密實。3.3襯

9、砌裂縫成因分析3.3.1設(shè)計原因在地勘和設(shè)計階段，由于地勘取孔限制及技術(shù)水平等原因，難免產(chǎn)生得到的 圍巖分級與實際圍巖級別不對應的情況，在設(shè)計階段亦使得支護結(jié)構(gòu)與荷載不對 應，無法滿足承載力要求，產(chǎn)生裂縫。3.3.2施工原因受施工技術(shù)、工藝及環(huán)境等因素約束，產(chǎn)生如前所述的襯砌厚度不足、背后 不密實會造成應力集中而易產(chǎn)生裂縫，未施作仰拱的襯砌亦會因隧道不均勻沉降 而開裂。3.3.3地質(zhì)條件4襯砌結(jié)構(gòu)病害整治4.1襯砌厚度不足病害整治襯砌厚度不足病害整治可采用套襯加固和鋼帶加固等方案，施工方案及工序 分別如下圖6、圖7所示。3）施工方案b）施工工序圖6套襯加固施工方案及工序3）施工方案b）施工工序

10、圖7鋼帶加固施工方案及工序襯砌厚度不足病害與隧道超挖存在一定關(guān)聯(lián)。提供控制爆破技術(shù)顯得尤為關(guān) 鍵。在高速鐵路隧道爆破施工階段，施工人員需要將各個爆破管進行有效連接， 為了更好的保證施工人員的人身安全，可以采用延時導爆管，并將導爆管在隧道 洞外有效連接，利用火雷管導爆，保證起爆網(wǎng)絡更加安全。在連接各個導爆管的 過程中，要保證導爆管通暢，減少導爆管的交叉。在一些大型高速鐵路隧道施工 中，由于導爆管的數(shù)量比較多，施工人員要將各個導爆管進行有效連接，并合理 控制引爆時間，保證隧道洞口爆破質(zhì)量。爆破完畢后，施工人員需要立即啟動通 風設(shè)備，將隧道內(nèi)部的煙氣有效排除，通常情況下，高速鐵路隧道的排煙時間為 5

11、0min左右，排煙完畢后，檢測人員需要進行科學檢測，保證隧道作業(yè)面上部的 安全隱患有效排除。為了不斷提升高速鐵路隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，施工人員要在規(guī) 定的時間內(nèi)澆筑一定量混凝土，保證隧道開挖面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，將隧道開挖面進 行合理的封閉與支護，將隧道內(nèi)部的臺階進行有效連接。4.2襯砌背后缺陷病害整治襯砌背后缺陷病害整治如下表1所示。其中，拱部及仰拱襯砌背后缺陷、不 密實段采用注漿回填措施，需注意合理選用注漿材料并控制其材料配比、控制注 漿壓力并適時調(diào)整，注漿完成后采取有損或無損檢測措施對其效果進行驗證。基 底注漿加固示意圖如下圖8所示，未施作仰拱的襯砌段可采用樹根樁加固，示意 圖如下圖9所示。表1襯

12、砌背后缺陷病害整治措施圖8基底注漿加固示意圖圖9邊墻基礎(chǔ)加固示意圖混凝土作為高速鐵路隧道建設(shè)中重要的材料被廣泛地使用著，然而從實際情 況來看，由于受到多方面因素所影響部分高速鐵路隧道建設(shè)中存在著混凝土不密 實缺陷，對高鐵運行安全性構(gòu)成嚴重威脅。建議在高速鐵路隧道混凝土施工中采 取高壓注漿法對不密實缺陷進行治理。首先，在高速鐵路隧道混凝土施工后把不 密實部位標記出來，然后借助直徑10 mm的鉆頭垂直鉆入混凝土中去，深度要小 于二襯厚度，2孔之間距離控制在15 cm內(nèi)。其次，為了防止鉆孔中殘留的粉塵、 混凝土渣子影響到治理效果，要在鉆好孔后使用設(shè)備進行吹洗，之后裝上灌漿嘴 及擰緊它。最后，在完成上

13、述工序后，將具有超細、瞬凝與無收縮等性能的水泥 基灌漿材通過電動高壓灌漿機注入孔中去，待其凝結(jié)密實之后予以打磨恢復。這 樣一來通過高壓注漿法便可較為有效地治理高速鐵路隧道混凝土不密實缺陷。4.3襯砌裂縫病害整治針對裂縫的多種表現(xiàn)形式、有無滲漏水、滲漏水形式及裂縫寬度等不同，采 用如下表2所示措施對襯砌裂縫進行整治，每種措施對應的施工工藝如下圖10 所示。表2襯砌裂縫病害整治措施a）表面封閉法示意圖b）壓力灌注法示意圖c）填充密封法示意圖d）鑿槽引排法示意圖圖10襯砌裂縫病害整治措施示意圖5結(jié)論（1）影響高速鐵路隧道結(jié)構(gòu)安全的主要襯砌結(jié)構(gòu)病害包括襯砌滲漏水、襯砌 表觀裂縫、襯砌厚度不足和襯砌背后

14、接觸不良等。形成一套包括病害分類、病害 原因分析及病害整治措施在內(nèi)的病害整治方案，對高速鐵路隧道襯砌結(jié)構(gòu)病害的 整治具有重要借鑒意義。（2）襯砌結(jié)構(gòu)病害與隧道地勘、設(shè)計、施工、管理、維護都有著千絲萬縷的 聯(lián)系。只有不斷提高地勘和設(shè)計水平，保證施工技術(shù)，加強施工管理和后期監(jiān)測 維護，才能有效降低襯砌結(jié)構(gòu)病害的發(fā)生。高速鐵路隧道施工風險管理是一項系 統(tǒng)化的工程，涉及施工環(huán)節(jié)的各個階段，因此，工程前期的風險管理工作應詳細 到位，在隧道設(shè)計環(huán)節(jié)，工程管理人員應采取工程風險管理措施，建立高效的風 險評估機制，合理的評析施工中存在的風險因子，有效的降低高速鐵路隧道施工 的風險。（3）高速鐵路隧道，天窗時間

15、有限、隧道內(nèi)電氣化線路亦會對病害整治措施 產(chǎn)生限制。因此，不斷開拓病害整治技術(shù)、將新材料、新工藝、新組合結(jié)構(gòu)用于 隧道病害整治，如纖維混凝土的研究與應用等。參考文獻：截至2017年底中國鐵路隧道情況統(tǒng)計J.隧道建設(shè)（中英文），2018, 38（03）： 506-508.羅建春，高菊如.既有線鐵路隧道病害分級方法與評價體系研究J.現(xiàn)代隧道 技術(shù)，2016，53（06）： 12-17+24.劉志強，吳劍，張黎明.鐵路隧道病害三維虛擬展示軟件開發(fā)J.現(xiàn)代隧道技 術(shù)，2016，53（01）： 11-16.肖廣智.從當前鐵路隧道襯砌典型病害談設(shè)計施工改進措施J.隧道建設(shè)（中 英文），2018，38（09）： 1416-1422.劉海京，夏才初，朱合華，羅鑫.隧道病害研究現(xiàn)狀與進展J.地下空間與工 程學報，2007（05）： 947-953.羅鑫，夏才初.