高铁隧道拱部防水板切割衬砌缺陷整治技术

樊永杰

（中国铁路成都局集团有限公司，成都610081）

1 引言

近年来，国家高铁事业飞速发展，随着西部大开发等山区铁路的建设，隧道所占其比例越来越高。因施工管理不善或工艺不到位，不可避免会形成一定的衬砌缺陷及病害，主要形式有：衬砌厚度不足、衬砌背后空洞或回填不密实、渗漏水、冻害、腐蚀[1～3]等；而防水板切割衬砌是一种易被人忽视的缺陷，严重影响隧道的正常运营。

国内外对运营隧道缺陷和病害的维护与整治开展了大量研究，整治方法主要有衬砌加固、注浆加固、套拱加固等[4]；刘学增等[5]通过荷载结构试验研究了套拱加固带裂缝隧道衬砌的修补性能；王英森[6]提出以“工字钢+喷射混凝土”及“格栅拱架+喷射混凝土”2种主要的加固治理方案，并辅以钢带黏结等方式对隧道危险地段进行了有效加固；俞景文等学者[7，8]通过试验和数值模拟的方法研究了板式短锚组合结构修补隧道二次衬砌裂缝的方法。虽国内外学者对隧道缺陷和病害整治开展了大量研究，但鲜见针对防水板切割衬砌的整治方案。

2 工程概述

2.1 隧道简况

西南地区设计速度200km/h高铁线路的某双线隧道全长5 239m，最大埋深约160m。隧址属丘陵地貌，地势较缓，局部陡峻，区构造简单，地层单斜。隧道处侏罗系陆相碎屑岩地层中，上覆第四系坡残积层（Q4dl+el）粉质黏土、崩坡积层（Q4dl+col），下伏侏罗系中统沙溪庙组（J2s）泥岩夹砂岩、砂岩。区内地下水相对不发育，节理裂隙较发育。

2.2 隧道缺陷概况

该隧道K1 526+032～K1 526+036.5（洞身标3 227～3 231.5）段拱部存在防水板切割衬砌和钢筋外露的缺陷，缺陷范围：纵向长约4.5m、面积约8.5m2。如图1和图2所示。

图1防水板切割衬砌和钢筋外露

图2缺陷部位

2.3 缺陷成因分析

因工艺及过程管控不到位，造成浇筑衬砌时混凝土流窜到局部未焊牢或破损的防水板外侧，在自重和振捣作用下防水板和钢筋被压至衬砌台车钢模处，形成防水板切割衬砌和钢筋外露。

3 整治原则及整治思路

3.1 整治原则

结合运营铁路隧道天窗时间短的特点，在确保安全的前提下，在整治施工时，需尽量减少对铁路运营的影响，须严格遵循以下原则：（1）整治后的使用功能与原设计相当；（2）避免大拆大换；（3）修补或加强结构可分步实施；（4）确保隧道整治结构的整体性及完整性；（5）工法和工艺具有较强的安全性和可操作性；（6）整治作业对运营安全和行车影响降至最低；（7）部分材料和工艺指标高于新建铁路标准。

3.2 整治思路

本着安全实用、质量可靠、经济合理、技术先进的思路开展隧道缺陷和病害整治，采用动态设计的方案。目的是在极其有限的天窗时间内，采用对结构进行微创修缮的理念，进行局部修补或加强，改善衬砌的受力状态，可高效、可靠地消除可能存在的隐患，确保线路和隧道的运营安全。

4 整治方案

防水板切割衬砌使得隧道结构完整性遭受破坏，形成2层或多层叠合结构，严重时甚至形成“三截拱”的铰接结构，且切割面为非径向的受力弱面，极大地降低了结构的承载能力，一旦遭受外力或形变压力，将可能造成结构破坏乃至崩坍。为消除此隐患，遵循整治原则和整治思路，从凿除修补和结构补强两方面介绍防水板切割衬砌的整治方案。

4.1 凿除及修补

对防水板切割衬砌进行局部的凿除修补，可以改善衬砌中斜面带来的不利受力状态。根据衬砌被防水板切割的环向长度不同而采取2种措施。

4.1.1 全部凿除被切割混凝土后修补

当衬砌被防水板切割环向长度小于3m时，采取全部凿除被切割混凝土后修补：在切割面两外侧完好衬砌上沿隧道纵向各打设2排长3m、间距1.0m×1.0m的径向锁定锚杆；然后凿除被防水板切割的临空侧混凝土，直至衬砌被防水板切割的起点；拆除被防水板区隔的混凝土；密贴初期支护表面修补防水板，并将变形钢筋按原设计恢复原位；凿除范围内分层挂钢筋网、喷射纤维混凝土至与原衬砌齐平。整治横断面和细部结构如图3和图4所示。

4.1.2 部分凿除被切割混凝土后修补

图3全部凿除修补整治横断面

图4细部图

当衬砌被防水板切割环向长度大于3m时，采取部分凿除被切割混凝土后修补：在区隔混凝土和保留侧衬砌上打设长3m、间距1.0m×1.0m的径向锁定锚杆；清除被防水板切割的临空侧混凝土，割除裸露防水板（若区隔混凝土不密实或松动也一并凿除）；再凿除被防水板切割长度不小于45cm的过渡区混凝土（纵向分段且两侧不能同时凿除），纵、环向间距20cm植外侧筋，分层喷纤维混凝土至与保留的区隔混凝土持平；视情况将整个凿除范围内原钢筋重新定位，分层喷射纤维混凝土至与原衬砌齐平。整治横断面和细部结构如图5和图6所示。

图5部分凿除修补整治横断面

图6细部图

4.2 结构补强

在防水板切割衬砌范围前后各延长1.0m区域全环拱墙衬砌进行结构植筋补强；通过植筋及锚杆尾部铺设φ6mm双层钢筋网；分2层喷12cm厚C30纤维混凝土，对喷射混凝土表面收面后再喷涂一层高渗透性、耐久性环氧树脂。

5 整治实施

5.1 施工组织

编制的实施性施工组织方案包括安排进度、各工序衔接、机具配置、场地布置等，并制定切实可行的安全防护措施，以确保施工及运营安全。

5.1.1 准备工作

根据作业点距隧道洞口的距离和隧道洞口外场地限制，本次整治不具备现场搭设台架的作业条件，只能采用轨道车的作业模式。

5.1.2 作业计划

作业轨道车出发的车站距作业点约46km，根据线路行车情况排出的天窗点，每天约有60min的施工作业时间，天窗点内主要计划如表1所示。再根据整治工作量，共计划需天窗点30个，根据作业内容分配天窗点，如表2所示。

表1天窗作业时间计划（240mi n/天窗点）

表2作业计划安排

5.1.3施工组织流程

现场成立施工小组，由设备单位施工负责人任组长，副组长由施工负责人担任。在充分考虑各工序作业时间的基础上，立足于合理化，仔细分析、精心安排各项工作的施工顺序。

5.2 施工流程及工艺

5.2.1 施工流程

根据本次整治的工作内容及其相互关系，制定施工流程如图7所示。

图7施工流程图

5.3 过程管控

5.3.1 原材料控制

严格所有入场材料的检查和验收制度，砂石骨料规格须满足设计要求，水泥、钢材、锚杆、环氧树脂等必须检查产品合格证、附件清单和有关材质报告单或检查报告，并进行外观检查。杜绝检查验收不合格的材料、成品、半成品进场。

5.3.2 铁路设备防护措施

停电作业完成后，用绝缘PVC管对接触网线、承力索和边墙上通信信号电缆等缆线进行包裹，用彩条布包裹绑扎接触网吊柱等，侧沟盖板上铺设一层木板后再用彩条布覆盖，并用彩条布将受影响的线路覆盖。

5.2.2 主要作业施工工艺

1）锚杆

本次采用附有球形螺母,碗形垫板的φ28mm中空注浆锚杆。其工艺流程为：施工准备→测量定位→钻孔→清孔并检查→安设中空锚杆→注浆。锚杆注浆采用双球阀管路，体外注浆方式（浆液从孔口进入杆体与孔壁间空隙，从锚杆前端钻头孔进入中空锚杆体内，经杆体内中空返回至尾部，可保证完全充填锚杆周围空隙）。

2）植筋和布置钢筋束

按设计规格和相关规范要长沙市在钢结构加工厂统一制作钢筋，用轨道车运至作业点，现场由人工钻孔、安装、锚固、定位绑扎或焊接。

3）喷纤维混凝土

喷纤维混凝土根据实际情况采用潮喷工艺，喷纤维混凝土可保证分多次施作结构的整体性，并加快施工进度。

4）喷涂环氧树脂

喷混凝土表面施作喷涂具有优良的耐老化性和抗腐蚀性环氧树脂。

6 结论与建议

1）基于对衬砌进行微创修缮的理念，提出了一种充分利用既有结构承载能力、改造局部结构以改善隧道整体受力状态、施作锚杆/植筋+钢筋束+双层钢筋网+喷纤维混凝土补强的整治方法。

2）经工程实践验证，整治方案具有化易操作、安全、作业快、成本小和结构整体性好等特点，可有效消除隧道的安全隐患，保证隧道运营安全。

3）通过严密的施工组织、高标准的施工工艺和严格的过程管控，使得在高铁运营有限的天窗点时间内达到了良好的整治效果，在确保隧道结构稳定性和安全性的基础上取得了较好的经济效益，可为隧道类似缺陷和病害整治提供借鉴。