铁路隧道仰拱、底板质量缺陷整治技术

邓健

摘 要：随着高速铁路的迅猛发展，无砟轨道被广泛应用，桥隧群、长大铁路隧道等多采用无砟轨道结构。无砟轨道对隧道仰拱、底板等下部结构质量要求高，隧道施工质量提升跟不上高速铁路发展的脚步，在施工过程中产生了部分质量缺陷，严重影响铁路工程整体质量，必须进行彻底整治，确保铁路运营安全。

关键词：隧道；仰拱；缺陷；整治；技术

1 概述

近年来，我国高速铁路建设迅猛发展，成为全世界拥有高速铁路最多的国家，许多先进的施工生产技术和管理经验被广泛应用，铁路工程整体质量得到很大提升。同时，铁路隧道施工仍然延续以前的施工生产模式，质量提高缓慢，在已经开通运营的多条高铁线路中，隧底渗水、返浆、冒泥、下沉等病害时有发生，严重影响铁路工程整体质量，造成较大安全隐患，且处理难度大、耗费成本高。因此，对铁路隧道仰拱、底板质量缺陷，必须在施工过程中进行彻底整治，确保铁路运营安全。

仰拱是隧道衬砌结构的主要组成部分之一，仰拱可以看做是承受地层永久荷载和路面临时荷载（动荷载）的一种地基梁（板），它是整个隧道衬砌的基础。高速铁路隧道施工断面大，隧道结构受力较为复杂，尤以隧道底部最复杂，边墙底与仰拱连接处应力较集中。仰拱的设置能够将隧道上部的地层压力通过隧道边墙结构或将路面上的荷载有效的传递到地下，同时还有效的抵抗隧道下部地层传来的反力。特别是在侧压力系数较大的软弱围岩、初始地应力场中具有较大的水平构造应力的围岩、流变明显的围岩以及膨胀性岩体等情况，仰拱的作用就更为明显。对于穿越软弱围岩地质条件的客运专线大断面隧道，仰拱的质量对隧道衬砌体系长期使用的安全性和耐久性意义重大。

2 某铁路隧道仰拱、底板质量缺陷现状

2.1 某隧道工程地质概况

浙南地区某铁路隧道位于低山区，自然坡度40°～50°，相对高差约200～300m。中线所经之地有大部分地势较险，植被茂密，沟谷发育。该隧道地层比较单一，主要有侏罗系上统高坞组熔结凝灰岩及燕山期侵入的流纹斑岩；另外，在山间谷地、洼地及山坡地表上还零星分布有第四系坡洪积和残坡积层。隧址区属于华南加里东褶皱系的浙东南褶皱带。区内未见元古代变质基底出露，全为中生代晚侏罗世一套巨厚的酸性火山岩。构造以断裂为主，从空间展布方位看，发育有北东方向的两条断裂，区内褶皱不发育。隧址区未见不良地质及特殊岩土。

2.2 隧道仰拱、底板质量缺陷情况

该铁路隧道全长9.4km，为双线无砟轨道隧道，在隧道仰拱、底板施工完成后，无砟轨道施工之前，进行了仰拱、底板钻芯取样检测。检测共发现65处质量缺陷，其中隧底虚碴缺陷36处，约720m，虚碴厚度5～35cm；隧道仰拱厚度不足缺陷29处，约580m，厚度不足2～30cm；仰拱、底板缺陷长度约占隧道总长度的13.8%。其中，隧底虚碴缺陷主要出现在Ⅱ、Ⅲa两种围岩级别地段，仰拱厚度不足缺陷主要出现在Ⅲb、Ⅳa两种围岩级别地段。

3 仰拱、底板质量缺陷原因分析

3.1 隧道虚碴产生的原因分析

①隧底开挖过程中，打眼外插角度过大，造成底部局部超挖严重，机械清碴不干净，未采用人工进行清理。

②底板炮眼间距过大，爆破后隧底凹凸不平，清底过程中出现凹处堆积虚碴的情况，未认真进行人工清碴。

③部分超深较多部分，可能存在人为回填洞碴或碎石整平情况。

3.2 仰拱结构厚度不足原因分析

①仰拱开挖过程中，炮眼间距过大，爆破后隧底凹凸不平，凸出部位欠挖，没有进行二次补炮处理，造成仰拱局部厚度不足。

②仰拱开挖断面检查过程中，测量点位数量不足，未找出欠挖部位加以处理，造成隧底存在局部欠挖现象。

4 隧道仰拱、底板质量缺陷整治措施

根据隧道地质、水文情况，在确保隧道正常使用功能的前提下，结合以往施工经验，以尽量少破坏既有结构为原则，采用以下措施对隧道仰拱、底板质量缺陷进行处理。

4.1 隧底虚碴处理措施

隧底虚碴强度低，且将隧底围岩与隧道底板混凝土隔离，降低了隧道底板混凝土承载能力。虚碴厚度较小时，可采用注浆、锚杆加固等措施加以处理，使隧底虚碴固结，将围岩与底板混凝土连接成整体，增强底板混凝土承载力。虚碴厚度过大以后，底板结构已经不能满足受力要求，必须返工处理，凿除底板，重新施做。

（1）注浆处理

Ⅱ级、Ⅲa级围岩复合式衬砌虚碴厚度在0～10cm之间，采用注浆固结方式进行处理。注浆材料宜采用早期强度高，分散度高，浆液终凝时间不大于3h的水泥基灌浆材料，水灰比0.75：1～1.25：1，注浆压力0.3～0.5MPa。注浆过程中，不得随意停泵，以防管路堵塞。注浆时应注意注浆压力、储浆桶浆液下降情况及跑浆情况。若注浆时间很长而不升压，可能浆液流窜太远，应缩短浆液凝结时间或停止注浆。注浆时，安排专人记录浆液消耗量、注浆时间、注浆压力等技术参数。靠近中心管沟一侧注浆孔注浆时，应防止浆液流入中心管沟，必要时可采取缩短浆液凝结时间或间歇注浆进行处理。注浆完成后，进行取芯检查，对固结效果不佳部位进行补注浆，直至虚碴完全固结。双线无砟轨道铁路隧道Ⅱ级、Ⅲa级围岩底板注浆孔布置见下图：

（2）注浆+锚杆加固处理

Ⅱ级、Ⅲa级围岩复合式衬砌虚碴厚度在10～25cm之间，采用注浆加锚杆方式进行处理。隧道底板下虚碴经注浆固结后，采用Φ32自进式锚杆进行加固处理。自进式锚杆每横断面4根，纵向间距2m。锚杆伸入基岩长度不小于2.0m，锚杆尾端设置锚垫板。锚杆抗拔力不小于120kN（锚固长度按2m计），砂浆饱和度不小于90%。锚杆长度可结合现场取芯情况确定，锚杆垫板应埋入隧道仰拱填充层中，且不得破坏隧道底板内钢筋。锚杆加固可结合注浆钻孔孔位进行，且需在注浆浆液初凝以后才能开展加固施工。双线无砟轨道铁路隧道Ⅱ级、Ⅲa级围岩底板锚杆布置见下图：

（3）返工处理

Ⅱ级、Ⅲa级围岩隧底虚碴厚度在25cm以上时，采取返工处理。为了减少对已施工完成的隧道排水系统造成破坏，在返工处理时，只挖除左、右线路以下部分，隧道中心管沟及两侧电缆沟槽下部不返工。

4.2 仰拱厚度不足处理措施

仰拱厚度不足，降低了仰拱混凝土承载能力。同时，又使仰拱较标准设计抬高，改变了仰拱的弧度，导致仰拱混凝土几何形状变差，降低了仰拱混凝土物理力学性能。当仰拱厚度大于设计厚度的80%以上时，仰拱物理力学性能降低较少，可采用锚杆加固措施进行处理。锚杆的主要作用为把隧底围岩、初期支护、仰拱混凝土、仰拱填充混凝土紧密组合在一起整体受力，相当于加厚了仰拱。打设锚杆后，可以改善仰拱物理力学性能，提高仰拱的弹性模量和粘聚力，和围岩共同作用形成承载拱，约束隧底围岩向上隆起，抑制仰拱结构变形。当仰拱厚度不足设计厚度的60～70%以后，仰拱结构已经不能满足受力要求，丧失了仰拱施做初衷，必须返工处理，拆除仰拱，重新施做。

（1）锚杆加固处理

Ⅲb仰拱厚度在设计厚度60%～80%以内，且混凝土强度满足设计要求的，采用锚杆补强处理；IV级、V级围岩仰拱厚度在设计厚度70%～80%以内，且混凝土强度满足设计要求的，采用锚杆补强处理。隧道仰拱采用Φ32自进式锚杆进行加固处理。自进式锚杆每横断面4根，纵向间距2.5m。锚杆伸入基岩长度不小于2.5m，锚杆尾端设置垫板。锚杆抗拔力不小于120kN（锚固长度按2.5m计），砂浆饱和度不小于90%。锚杆长度长度可结合现场取芯情况确定，锚杆垫板应埋入隧道仰拱填充层中。隧道仰拱补强处理应在隧道仰拱下虚碴注浆固结处理完成后进行。双线无砟轨道铁路隧道Ⅲb级、Ⅳ级、Ⅴ级围岩仰拱锚杆布置见下图：

（2）返工处理

Ⅲb仰拱厚度不足设计厚度60%的，返工处理。IV、V级围岩仰拱厚度不足设计厚度70%的，返工处理。为了减少对已施工完成的隧道排水系统造成破坏，在返工处理时，只挖除左、右线路以下部分，隧道中心管沟及两侧电缆沟槽下部不返工。

5 结束语

5.1 彻底处理仰拱、底板质量缺陷

对隧道仰拱、底板进行加密取芯检测，确定质量缺陷处理范围，彻底处理隧道仰拱、底板质量缺陷，保证隧道仰拱、底板满足使用功能，确保高速铁路运营安全。

5.2 加强施工质量过程控制

为了确保今后施工的隧道仰拱、底板施工质量，杜绝隧底虚碴、仰拱厚度不足等问题的再次发生，必须加强施工质量过程控制。所有隧道施工工点，每次仰拱、底板施工之前，必须采用人工清理隧底虚碴，准确测量仰拱厚度。清理完成后，由施工单位、监理单位现场负责人共同检查，确保隧底虚碴清理干净、厚度符合设计要求后，方可进行仰拱、底板施工。进一步提升隧道工程施工质量，确保高速铁路运营安全。

参考文献：

[1]《高速铁路隧道工程施工质量验收标准》（TB10753-2010）[M].北京，中国铁道出版社，2011.

[2]《高速铁路隧道工程施工技术指南》（铁建设[2010]241号）[M].北京，中国铁道出版社，2011.

（3）返工处理

Ⅱ级、Ⅲa级围岩隧底虚碴厚度在25cm以上时，采取返工处理。为了减少对已施工完成的隧道排水系统造成破坏，在返工处理时，只挖除左、右线路以下部分，隧道中心管沟及两侧电缆沟槽下部不返工。

4.2 仰拱厚度不足处理措施

仰拱厚度不足，降低了仰拱混凝土承载能力。同时，又使仰拱较标准设计抬高，改变了仰拱的弧度，导致仰拱混凝土几何形状变差，降低了仰拱混凝土物理力学性能。当仰拱厚度大于设计厚度的80%以上时，仰拱物理力学性能降低较少，可采用锚杆加固措施进行处理。锚杆的主要作用为把隧底围岩、初期支护、仰拱混凝土、仰拱填充混凝土紧密组合在一起整体受力，相当于加厚了仰拱。打设锚杆后，可以改善仰拱物理力学性能，提高仰拱的弹性模量和粘聚力，和围岩共同作用形成承载拱，约束隧底围岩向上隆起，抑制仰拱结构变形。当仰拱厚度不足设计厚度的60～70%以后，仰拱结构已经不能满足受力要求，丧失了仰拱施做初衷，必须返工处理，拆除仰拱，重新施做。

（1）锚杆加固处理

Ⅲb仰拱厚度在设计厚度60%～80%以内，且混凝土强度满足设计要求的，采用锚杆补强处理；IV级、V级围岩仰拱厚度在设计厚度70%～80%以内，且混凝土强度满足设计要求的，采用锚杆补强处理。隧道仰拱采用Φ32自进式锚杆进行加固处理。自进式锚杆每横断面4根，纵向间距2.5m。锚杆伸入基岩长度不小于2.5m，锚杆尾端设置垫板。锚杆抗拔力不小于120kN（锚固长度按2.5m计），砂浆饱和度不小于90%。锚杆长度长度可结合现场取芯情况确定，锚杆垫板应埋入隧道仰拱填充层中。隧道仰拱补强处理应在隧道仰拱下虚碴注浆固结处理完成后进行。双线无砟轨道铁路隧道Ⅲb级、Ⅳ级、Ⅴ级围岩仰拱锚杆布置见下图：

（2）返工处理

Ⅲb仰拱厚度不足设计厚度60%的，返工处理。IV、V级围岩仰拱厚度不足设计厚度70%的，返工处理。为了减少对已施工完成的隧道排水系统造成破坏，在返工处理时，只挖除左、右线路以下部分，隧道中心管沟及两侧电缆沟槽下部不返工。

5 结束语

5.1 彻底处理仰拱、底板质量缺陷

对隧道仰拱、底板进行加密取芯检测，确定质量缺陷处理范围，彻底处理隧道仰拱、底板质量缺陷，保证隧道仰拱、底板满足使用功能，确保高速铁路运营安全。

5.2 加强施工质量过程控制

为了确保今后施工的隧道仰拱、底板施工质量，杜绝隧底虚碴、仰拱厚度不足等问题的再次发生，必须加强施工质量过程控制。所有隧道施工工点，每次仰拱、底板施工之前，必须采用人工清理隧底虚碴，准确测量仰拱厚度。清理完成后，由施工单位、监理单位现场负责人共同检查，确保隧底虚碴清理干净、厚度符合设计要求后，方可进行仰拱、底板施工。进一步提升隧道工程施工质量，确保高速铁路运营安全。

参考文献：

[1]《高速铁路隧道工程施工质量验收标准》（TB10753-2010）[M].北京，中国铁道出版社，2011.

[2]《高速铁路隧道工程施工技术指南》（铁建设[2010]241号）[M].北京，中国铁道出版社，2011.

（3）返工处理

Ⅱ级、Ⅲa级围岩隧底虚碴厚度在25cm以上时，采取返工处理。为了减少对已施工完成的隧道排水系统造成破坏，在返工处理时，只挖除左、右线路以下部分，隧道中心管沟及两侧电缆沟槽下部不返工。

4.2 仰拱厚度不足处理措施

仰拱厚度不足，降低了仰拱混凝土承载能力。同时，又使仰拱较标准设计抬高，改变了仰拱的弧度，导致仰拱混凝土几何形状变差，降低了仰拱混凝土物理力学性能。当仰拱厚度大于设计厚度的80%以上时，仰拱物理力学性能降低较少，可采用锚杆加固措施进行处理。锚杆的主要作用为把隧底围岩、初期支护、仰拱混凝土、仰拱填充混凝土紧密组合在一起整体受力，相当于加厚了仰拱。打设锚杆后，可以改善仰拱物理力学性能，提高仰拱的弹性模量和粘聚力，和围岩共同作用形成承载拱，约束隧底围岩向上隆起，抑制仰拱结构变形。当仰拱厚度不足设计厚度的60～70%以后，仰拱结构已经不能满足受力要求，丧失了仰拱施做初衷，必须返工处理，拆除仰拱，重新施做。

（1）锚杆加固处理

Ⅲb仰拱厚度在设计厚度60%～80%以内，且混凝土强度满足设计要求的，采用锚杆补强处理；IV级、V级围岩仰拱厚度在设计厚度70%～80%以内，且混凝土强度满足设计要求的，采用锚杆补强处理。隧道仰拱采用Φ32自进式锚杆进行加固处理。自进式锚杆每横断面4根，纵向间距2.5m。锚杆伸入基岩长度不小于2.5m，锚杆尾端设置垫板。锚杆抗拔力不小于120kN（锚固长度按2.5m计），砂浆饱和度不小于90%。锚杆长度长度可结合现场取芯情况确定，锚杆垫板应埋入隧道仰拱填充层中。隧道仰拱补强处理应在隧道仰拱下虚碴注浆固结处理完成后进行。双线无砟轨道铁路隧道Ⅲb级、Ⅳ级、Ⅴ级围岩仰拱锚杆布置见下图：

（2）返工处理

Ⅲb仰拱厚度不足设计厚度60%的，返工处理。IV、V级围岩仰拱厚度不足设计厚度70%的，返工处理。为了减少对已施工完成的隧道排水系统造成破坏，在返工处理时，只挖除左、右线路以下部分，隧道中心管沟及两侧电缆沟槽下部不返工。

5 结束语

5.1 彻底处理仰拱、底板质量缺陷

对隧道仰拱、底板进行加密取芯检测，确定质量缺陷处理范围，彻底处理隧道仰拱、底板质量缺陷，保证隧道仰拱、底板满足使用功能，确保高速铁路运营安全。

5.2 加强施工质量过程控制

为了确保今后施工的隧道仰拱、底板施工质量，杜绝隧底虚碴、仰拱厚度不足等问题的再次发生，必须加强施工质量过程控制。所有隧道施工工点，每次仰拱、底板施工之前，必须采用人工清理隧底虚碴，准确测量仰拱厚度。清理完成后，由施工单位、监理单位现场负责人共同检查，确保隧底虚碴清理干净、厚度符合设计要求后，方可进行仰拱、底板施工。进一步提升隧道工程施工质量，确保高速铁路运营安全。

参考文献：

[1]《高速铁路隧道工程施工质量验收标准》（TB10753-2010）[M].北京，中国铁道出版社，2011.

[2]《高速铁路隧道工程施工技术指南》（铁建设[2010]241号）[M].北京，中国铁道出版社，2011.