既有铁路隧道衬砌病害检测与整治措施

朱 旺， 冯 超， 赵海霖

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室, 四川成都 610031)

随着我国铁路运营里程的增加，隧道保有量十分巨大[1]，随着时间的推移，隧道的病害问题逐渐浮现，严重影响了行车安全，不断地开展相关研究有着很强的现实意义与必要性。隧道出现病害的机理主要有以下体现。首先，从衬砌受力的角度分析，外荷载作用到衬砌结构上，造成衬砌结构出现裂缝，主要的原因就是在列车荷载与围岩劣化作用下，围岩产生了较大的松动荷载，超过了衬砌结构的材料强度[2]。由温度，收缩，沉降等因素引起的结构次应力，对于隧道衬砌也有不利影响[3]。其次，从外部层面分析，致使隧道出现病害也是复杂的。其一，从地质层面分析，由于围岩较差、节理发育、溶洞集中出现，从而对于运营期隧道产生不利影响。其二，施工过程中，施工技术工艺不到位，衬砌结构厚度不足，背后存在空洞也不利于隧道的耐久性[4]。并且诸如“二衬紧跟”等不合理的施工理念在施工中引入，使得围岩压力没有有效释放，衬砌结构在高应力状态工作，也使得后期出现相应的病害。

1 工程概况

某铁路隧道为客货共线，全长211 m。旅客列车设计行车速度160 km/h双线隧道，轨道类型为重型，铺设碎石道床。隧址为残丘剥蚀地貌，地形起伏不大。洞身主要通过泥岩、泥岩夹砂岩，强风化层厚1～6 m，岩层缓倾，地质构造简单，无不良地质和特殊岩土。隧区地下水主要为基岩裂隙水，不发育，地下水对混凝土结构无腐蚀性。除进口明洞段采用明挖施工外，其余段采用新奥法施工，各级围岩及施工方法如下：Ⅲ级围岩地段：采用分部开挖，锚喷支护；Ⅳ级围岩地段：采用中壁法开挖；Ⅴ级围岩地段：采用中壁法施工。隧道在运营期内，出现了大量地裂缝，危机行车安全，因此基于实际，对于隧道进行病害检测，针对性地进行整治措施分析。

2 检测方法

采用地质雷达无损检测方法对隧道衬砌厚度及背后缺陷进行检测[5]，基于现场观测，对于隧道衬砌表面裂缝及施工间隙缝进行统计。

2.1 地质雷达无损检测

2.1.1 检测原理

地质雷达法是一种利用高频电磁波束的反射来探测地质目标的电法勘探方法。最先接收到由发射天线经天线所在衬砌表面到达接收天线的直达波，该波可作为系统时间的零点。通过对反射波信号进行一系列的后处理后，根据反射波的强度、形状及其在纵向和竖(环)向上的变化情况来判别反射目标的性质如衬砌背后空洞及不密实等。

2.1.2 测线布置

根据规范及工程实际情况，检测时沿隧道纵向布置7条测线，位置分别为：拱顶，左、右拱腰，左、右拱脚，左、右边墙(图1)。在现场利用轨道车以小于5 km/h的车速沿所布设的测线进行检测，根据检测结果，在有空洞等缺陷的部位布设横向测线进行网格检测，以探明空洞的范围。

图1 测线布置示意

2.2 现场病害检测

利用天窗时间，进行隧道衬砌表面的病害统计，对于裂缝以及施工间隙缝等病害进行统计分析。

3 隧道病害情况

根据地质雷达检测结果，分析隧道现场实际病害，该隧道主要的病害情况为，衬砌背后存在较多的空洞，裂缝，施工间隙缝。

3.1 衬砌背后空洞

该隧道衬砌背后出现较多的空洞，共检测出衬砌背后空洞14处，如表1所示，缺陷长度共计25.5 m，占测线长度的2.01 %。

表1 衬砌背后空洞统计表

3.2 衬砌裂缝

目前存在多处裂缝处，对结构有影响的裂缝：拱顶处裂缝有14处，斜向裂缝有9处(图2)，施工间隙缝共79处，在拱腰附近连续分布，分布区域如图2所示。

图2 隧道裂缝示意

4 衬砌病害原因

该隧道全隧拱顶两侧对称分布有施工间隙缝，拱顶位置分布有5处较长的纵向裂缝，以及数十条环，纵向裂缝，衬砌背后局部存在脱空，脱空主要存在与左拱腰附近位置。结合实际，主要有以下原因。

(1)隧道施工中由于混凝土衬砌浇筑时混凝土供应不及时或停电等原因，造成整板衬砌混凝土浇筑不连贯，间隔时间过长，从而形成施工间隙缝。

(2)围岩中泥岩在水的作用下发生劣化及衬砌存在质量缺陷，导致衬砌不能满足受力要求以及压力变化而出现开裂。

(3)施工过程质量控制以及监督不到位，存在超挖的现象，从而出现背后衬砌脱空。

5 整治设计方案

隧道衬砌病害，主要基于经验开展类比设计，主要遵循不侵限、保证轨道走行安全、衬砌的稳定性等原则，并且在整治过程中，尽量利用既有衬砌结构[6]，并且考虑到既有线路的行车问题，使得整治措施应用对既有线的安全和行车影响要降至最低。

5.1 拱部对称整治措施

考虑到全隧主要病害为拱顶有纵向裂缝、两条或以上对称于拱顶分布的纵向裂缝、以及大面积分布的施工间隙缝，故全隧均采用拱部对称整治措施：拱顶至水沟铅垂投影线向两侧外放50 cm范围用植筋、钢筋网、锚杆、喷纤维混凝土对衬砌裂损进行补强[7](图3)。

图3 拱部对称整治示意

纵、环向间距50 cm呈梅花形进行植筋，将植筋胶的A、B组份按20∶1比例混合搅拌至完全均匀，用钢制刮刀或其他工具上胶；将云石胶和固化剂的配比量控制在10∶1范围内，现场试验以调整配方，使其在10 s内凝胶，5 min左右完全固化，植筋施工如图4所示。

图4 植筋示意(单位:mm)

对衬砌表面进行凿毛，见新面不小于喷混凝土面50 %，并清洗干净，铺设φ6、间距10 cm的钢筋网。纵环向间距200 cm，在补强区域设置锚杆，喷6 cm聚丙烯纤维混凝土。锚网喷衬砌内表面与既有衬砌结合处，应平滑过渡，避免出现尖角(图5)，施作完喷混凝土，并在混凝土初凝后，终凝前用钢刷收面。

5.2 骑缝锚杆整治措施

全隧采用拱部对称整治措施的同时，边墙部位的裂缝同样影响隧道衬砌结构的安全性，故采用骑缝锚杆加固措施，对隧道大跨以上长度大于5 m或宽度大于1 mm的单条纵、斜向裂缝和错台小于0.5 mm的错台裂缝进行整治(图6)。

图5 衬砌内表面接头局部放大示意(单位:mm)

图6 骑缝锚杆整治措施

采用L=3.0 m、φ28中空注浆锚杆加固，锚杆沿裂缝两侧交错布置，距离裂缝2倍衬砌厚度，沿裂缝走向间距1.5 m。加固前应考虑锚杆及喷混凝土施作后是否侵界，若侵界，应凿除部分衬砌结构表面，灌浆材料采用水泥浆，水灰比控制在0.38～0.43，并掺入FDN减水剂[8]。值得注意的是，纵向裂缝应用骑缝锚杆整治措施中，已经施作的锚杆与全隧进行拱部对称整治措施中，所施作的锚杆出现位置重复的情况，进行锚杆共用，不必要重新进行锚杆施作。

5.3 衬砌背后空洞注浆整治措施

根据检测结果，该隧道衬砌背后存在空洞以及不密实的情况，对于衬砌背后空洞进行注浆，提升衬砌结构的安全性，如图7、图8所示。采用间歇式无收缩浆材回填灌浆，当空洞深度小于等于40 cm时。注浆采用钢管或中空锚杆或PVC管进行，注浆管的长度根据脱空深度确定，钻孔后须清孔，然后埋设注浆管、排气管，孔径均为42 mm，排气管可以作为后续注浆；注浆孔个数根据空腔大小具体确定，按间距2.0 m进行设置，当注浆范围较小时，注浆孔、观察孔及排气孔的分布尺寸应视情况调整，一次性填充；当空洞深度大于40 cm时，采用分层灌浆[9]。

图7 横向注浆位置示意

图8 纵向注浆位置示意

灌浆前应进行灌浆试验，调整灌浆参数，灌浆时记录灌浆位置、灌浆量及灌浆压力等，注浆量以浆液至最高排气孔(溢浆管)自溢为结束条件[10]，灌浆完成后对预留灌浆孔进行封闭。

5.4 施工间隙缝整治措施

根据检测结果，全隧道分布大量的施工间隙缝，大多处于拱部，应用上文所述的拱部对称整治措施进行整治，对于处于边墙的施工间隙缝，采用水泥基结晶渗透型防水涂料进行涂刷，在裂缝两边各约50 cm范围内涂刷水泥基结晶渗透型防水涂料(图9)。

图9 涂料涂刷示意(单位:mm)

5.5 裂缝封堵措施

对于未施作骑缝锚杆的衬砌裂缝，考虑其主要为混凝土干缩等因素引起的[11]，宽度与深度较小，对于衬砌结构受力影响不大，因此主要采用裂缝封堵措施(图10)，防止衬砌劣化，出现渗漏水的现象[12]。

图10 裂缝封堵示意(单位:mm)

沿裂缝的两边各打磨10 cm宽,除去混凝土表面杂物,以免影响注浆嘴的粘贴及封缝效果，沿裂缝开口向两边清洗,以保证缝口敞开无杂物，规则裂缝按间距30～50 cm布嘴,不规则裂缝的交叉点及端部均布置注浆嘴。用SKD803将底座粘于注入口上，之后采用SKD803直接封闭裂缝，最后进行灌浆。在灌浆的过程中，采取多点同步灌注方式，由下至上，由一侧向另一侧，从宽至窄的顺序逐步推进进行灌浆。施工中采用稳压慢灌，待邻孔出浆时，关闭并结扎管路，继续进浆，一直到整个缝面都灌满浆液为止。

6 结论

本文实际，利用地质雷达检测，人工观测统计方法，对于隧道病害，原因，以及整治措施进行了分析，主要得到以下结论：

(1)该隧道衬砌背后空洞集中分布于左拱腰附近，且全隧存在施工间隙缝，施工间隙缝分布在作用拱脚位置，在边墙处也有分布，存在裂缝有62处，其中拱顶处裂缝有14处；斜向裂缝有9处，对于隧道结构影响较大。

(2)该隧道出现病害的主要原因有两方面。其一，隧道围岩在列车荷载以及地下水作用下劣化，产生了较大的松动荷载，使得拱顶区域有着较多，较长的纵向裂缝出现。其二，隧道施工过程中，质量管理不到位，超挖严重，二衬混凝土浇筑不连续，出现了空洞与连续分布的施工间隙缝。

(3)隧道施工质量存在较大问题，而在拱顶却没有发现空洞，按照空洞出现的一般规律，出现频率为拱顶>拱腰>拱脚>边墙[13]，可以分析拱部围岩劣化严重，出现了一定的坍塌，因此进行拱部对称整治措施，提升二衬结构的承载能力是必要的。

(4)基于施工经验，采用了类比设计法，设计了整治措施。隧道在整治过程中，主要进行拱部对称整治受挫时，在全隧道进行拱部对称整治骑缝锚杆整治措施，衬砌背后空洞注浆整治措施，施工间隙缝整治措施与裂缝封堵措施应用，能够有效地对隧道结构进行补强。