铁路软岩隧道二次衬砌纵向裂缝成因及防范措施

戚文翔

中铁十一局集团第五工程有限公司

1 引言

在隧道衬砌施工及使用过程中，受多方面因素的影响容易产生裂缝，若未在第一时间采取有效地防范措施，则容易加剧裂缝病害的发展，从而出现渗水、腐蚀等问题，隧道衬砌结构的耐久性受到影响，难以充分发挥出隧道衬砌的应有优势[1]。

2 工程概况

某双线铁路隧道长14580m，隧洞断面为圆拱形，经检查后发现二衬开裂段所处位置为软岩大变形地质区，原设计围岩级别为Ⅳ级，经技术分析后变更为V级，根据该等级展开复合式衬砌的建设工作，以形成初支结构，并设置VC复合式衬砌作为二衬使用。

初期支护结构中设置I25a型钢钢架，按每榀0.6m的间距依次布设，喷射厚度为32cm的C30混凝土结构层；衬砌采用的是C35钢筋混凝土结构，仰拱、拱墙两部分的厚度分别为65cm、55cm。待初支工作落实到位后，靠平导侧正线边墙60°范围内采取径向注浆处理措施，利用浆液加固。

3 二次衬砌裂缝的成因分析

具体来说，在铁路隧道施工过程中，地质条件、混凝土性能、施工不合理等方面都会造成二次衬砌裂缝。

3.1 地质条件方面

压扭性断层、围岩应力偏高、施工现场地下水等多方面因素均会对支护结构的受力条件带来显著的影响，所处位置的地层具有较明显的软化特性，其强度相对较低，伴有膨胀现象，较正常状态而言，围岩、二衬各自所受的压力均有所增加。

3.2 混凝土性能方面

混凝土灌注施工后发生较明显的水泥水化热现象，混凝土的温度随之增高。支护结构与衬砌间有防水材料，由于水化热而产生的热量难以快速传递，导致该部分热量被聚集在衬砌表面，此过程中混凝土表面温度有较为明显的下降，容易在短时间内降低至常温状态，混凝土有收缩的变化特点，可见衬砌表层形成拉应力，随水泥水化热的持续发生，当其超过最大承载能力时则会显现出开裂问题。

3.3 施工技术方面

（1）混凝土质量。混凝土是重点施工材料，但原材料质量、配合比、拌和时间等均会对其性能带来影响，从施工的角度来看还与振捣强度等因素有关。

（2）拆模时间偏早。混凝土实际强度尚未满足要求时便拆模，此时容易影响混凝土的受力面，可见其有较为明显的下沉现象，拱圈变形现象开始显现，进一步衍生出拉裂问题。

（3）养护方法不合理。二次衬砌是隧道结构体系中的关键部分，除了做好混凝土浇筑作业以外，还需要采取养护措施，在温湿度等基础条件均良好的前提下有效提高混凝土的强度，进而发挥出混凝土的工程性能优势。若养护方法缺乏合理性，例如未均匀喷涂养护液，则会导致局部混凝土的强度偏低，随之显现出裂纹[2]。图1为隧道衬砌裂缝。

图1 隧道衬砌裂缝

（4）二次衬砌施工时间不合理。根据正常施工进度，待一次衬砌与围岩均处于稳定的状态后方可进入二次衬砌施工环节，但在部分工程中，为赶工期而急于组织二次衬砌的施工，此时混凝土所承受的变形压力有所增加，不利于混凝土结构的稳定性，易出现后期开裂现象。

4 二次衬砌纵向裂缝的防范措施

4.1 锚杆防范措施

（1）拱墙锚杆+C35钢筋混凝土套衬。拱墙施工选用的是长度为5.0m的Φ32mm自进式锚杆，遵循梅花形布置的原则，环向、纵向间距均为1.5m；边墙脚处依然采用相同直径的自进式锚杆，但长度调整为3.5m，纵向间距按1.0m控制；待衬砌成型后，在现有结构的基础上按照0.4m×0.4m的间距设置Φ12mm钢筋钎钉，保证该构件可以深入衬砌内30cm；并根据现有衬砌的结构特点设置C35钢筋混凝土套衬，厚度按25cm控制。

（2）C35钢筋混凝土套衬+锁脚锚杆。边墙脚施工选用的是长度为3.5m的Φ32mm自进式锚杆，按纵向间距1.0m的标准依次设置；待衬砌成型后，在现有结构的基础上按照0.4m×0.4m的间距设置Φ12mm钢筋钎钉，深入衬砌内30cm；此外，根据现有衬砌的结构特点，设置C35钢筋混凝土套衬，厚度按25cm控制。

（3）针对衬砌开裂问题则可以采用环氧浆液注浆和环氧砂浆封缝两种方法，经多重作用后有效封堵裂缝。在时间推移之下水分侵蚀现象逐步明显，加之钢筋腐蚀等多重因素的共同作用，原本小范围的裂缝开始变宽、变深，严重影响衬砌的正常使用。对此，需要在裂缝表面刷涂浆液，有效封堵裂缝，减小外部因素对内部结构的影响，阻止裂缝的扩大[3]。涂液方面可以选择环氧树脂浆液，或是根据实际需求转为YZJ—1型结构胶，在合理施工后均可以取得较为良好的封堵效果。

4.2 裂缝注浆

在针对无套衬的裂缝采取处理措施时较为适宜的是沿缝凿槽的方法，根据裂缝的实际特点，经过压浆混凝土后加以封堵，再进一步嵌补环氧砂浆。若裂缝存在渗漏水现象，较为适宜的是在裂缝的中部打设排水孔，经由该孔将渗漏的水高效排出，减小水对衬砌结构的干扰。

（1）沿缝凿槽。经过精准的测量后确定裂缝的长度和宽度，根据所掌握的情况，沿裂纹的纵向开凿倒梯形的槽。较之于裂缝的实际宽度，所形成的槽口的宽度需超过4cm，槽的高度以8cm左右较为合适。

（2）封缝。在距裂缝30cm～50cm的位置布设注浆管，制备适量的环氧砂浆，将其用于封闭裂缝。具体而言，加热环氧树脂，待其完全达到熔化状态后向其中掺入二丁酯二者，经持续搅拌后使两者均匀混合，再向其中掺入水泥沙子，经搅拌后即可制得砂浆。遵循随拌随用的基本原则，自环氧砂浆配制完成后，宜在随后的30min～40min内使用完毕，否则性能将明显退化[4]。

（3）压水试验。经过环氧树脂砂浆封堵作业后，若其达到凝固的状态便组织压水试验，通过此途径检验封堵情况。为便于分析，压水应当选择有色水，压力控制在0.4MPa左右。

（4）注浆。从裂缝的两端开始注浆，在压力作用下使浆液逐步流向裂缝的中间。若裂缝处存在排水孔，则在施工前对其采取封闭措施，以免漏浆。注浆压力的控制至关重要，通常以0.2～MPa0.4MPa较为合适。随注浆作业的持续开展，待注浆量达到估算值后在原基础上放慢注浆速度，稳压3min～5min，此后方可完成注浆作业[5]。注浆过程中施工人员加强观察，若存在注浆压力大幅度下降的情况，随即暂停注浆作业，分析成因并采取处理措施，经过调整后，若无误则恢复注浆施工。图2为隧道注浆施工。

图2 隧道注浆施工

（5）嵌缝。经注浆后清理外露的浆液，再于裂缝范围内均匀刷涂环氧树脂，加强对裂缝病害的处理。

4.3 小裂纹的处理

对于宽度在0.2mm以上的小裂纹，在对其采取防范措施时可以选用高压堵漏灌注机，向待处理的裂纹内注入适量的胶液，通过该材料的应用增强裂缝的稳定性。为确保施工质量，需提前对裂纹做详细的检查，判断其走向，清理易影响施工的杂物，要求裂纹周边保持干净的状态，在此基础上用封口胶有效封闭裂缝[6]。施工期间，设置灌注孔时需要调整好孔的位置，相邻两灌注孔的距离以20cm～30cm较为合适。灌注孔成型后向其中放入合适规格的灌注针头，利用扳手将其拧紧，若无误则向其中灌注灌封胶，期间密切观察孔的情况，若有胶液流出孔则表明内部已经达到注满的状态，可以转至其他孔的灌注施工中。

4.4 粘贴钢板加固

（1）混凝土表面处理：根据二衬裂缝的实际特点采取处理措施，再用金刚片对混凝土黏合表面做适当的打磨，目的在于使该处露出砂石新面层，以利于后续的施工。

（2）钢板防锈及定型：清理钢板的锈迹，适度打磨，按50cm的宽度切割；经基础加工后启用弯曲机械设备，由专员操作，根据隧道轮廓半径对钢板定型并设螺栓孔。

（3）锚固钢板的安装：在前期打好螺栓孔后设置M22×300化学螺栓，安装后利用改性环氧类A级胶锚固，期间控制注胶层的厚度，使其具有合理性。留排气孔在灌注粘贴面周边，配套灌胶嘴，按照0.5m～1m的间距控制标准依次插入软管，将该管材作为排气管而使用。

（4）密封：密封作业重点考虑的是封边胶的使用，以改性环氧树脂植筋胶较为合适。在密封工作中要求钢板周边缝隙、注浆嘴间隙处均得到有效地密封处理。

5 结束语

综上所述，在铁路隧道工程中，裂缝是二次衬砌结构中较为典型的病害，采取科学的防范措施至关重要。本文则将二次衬砌裂缝的成因作为着力点，进一步分析其防范措施，以期给类似工程提供参考，进而推动二次衬砌裂缝防范水平的提高，为铁路基础设施建设事业的发展助力。