高速铁路隧道衬砌裂缝病害及其整治措施研究

陈世国

贵广铁路有限责任公司

高速铁路隧道衬砌裂缝病害及其整治措施研究

陈世国

贵广铁路有限责任公司

铁路隧道衬砌裂缝病害的形成主要是由于铁路最初建设时施工技术不合适、管理不完善、施工条件受限等原因造成的。很多隧道衬砌施工完成以后，衬砌局部会产生裂缝。铁路隧道衬砌裂缝病害的治理存在着治理环境复杂、治理难度大、施工时间段等问题。以下将针对铁路隧道衬砌裂缝病害的有效方法进行分析。在本文中，将就高速铁路隧道衬砌裂缝整治措施进行一定的研究与分析。

高速铁路；隧道衬砌；裂缝病害；整治措施

引言

隧道衬砌裂缝是施工中中经常出现的一类问题，当隧道衬砌发生裂缝时，衬砌截面承载面积会减小，对整个隧道的结构承载能力产生影响。同裂缝问题的出现，也常常伴随着衬砌变形以及渗漏水问题，在引发多种病害的同时，对整个衬砌结构造成了更大的安全隐患，因此就需要积极的做好病害防治工作。

一、铁路隧道衬砌裂缝病害的成因及分布

铁路隧道衬砌产生裂缝病害的主要原因就是铁路衬砌结构承受了不同程度或不均匀的围岩压力。除此之外，还有衬砌背后存在空洞、衬砌拱部不够厚的原因。当铁路隧道的衬砌初步产生裂缝时，随着衬砌裂缝分布情况的变化，会导致铁路隧道的衬砌发生变形，进而加剧铁路隧道衬砌发生裂缝病害。通常铁路隧道覆土较深的衬砌位置上出现的裂缝数量、深度均比覆土较浅的衬砌位置的裂缝数量、深度要高，所以铁路隧道的拱腰部位是最频发衬砌裂缝的位置。

(一)因铁路隧道衬砌存在空洞而产生的裂缝及分布

当铁路隧道衬砌的背后存在空洞时，因有空洞的部位会使隧道产生一种凸向围岩一侧的自由变形，隧道裂缝由此产生。而且这种空洞的大小会影响裂缝的数量和深度。空洞越大，衬砌结构发生形变的区域和程度就越大，所产生的裂缝数量就越多、深度也更深。另外，值得一提的是，根据空洞所处的位置的不同，导致隧道衬砌产生裂缝的部位也就不一样。隧道拱顶空洞除了会在裂缝的衬砌结构位置发生，还会在隧道左右两侧墙角发生。在隧道右侧衬砌拱腰位置的空洞，在隧道右侧衬砌拱腰、隧道左侧墙角、过渡位置和隧道右侧仰拱等位置也会有裂缝。

(二)地下水产生的作用力

地下水产生的作用力包括地下水压力以及寒冷天气中对围岩造成的冻胀力，一般情况下隧道设计中并不着意考虑地下水对于围岩的作用力影响，但是在涌水巨大，渗透性较高的地区中很有可能会因为排水不通畅而使水压力持续作用在围岩上使其长时间处于极限平衡状态，而引起衬砌的开裂，一般出现水平状裂缝以及环向裂缝。特别是在寒冷地区衬砌后背的地下水结冰进而围岩冻结而产生的冻胀力，这种冻胀力的作用依然是持续的，其变形也是逐步积累，冻胀力使得拱下部至边墙的范围内产生主动土压力引起拱顶附近局部范围内产生压溃现象。

(三)施工工艺与质量方面

1)施工工艺问题和过程管理不到位造成施工质量缺陷。如施工配合比控制不严谨，浇筑、振捣及养护质量不佳造成衬砌空洞、开裂，混凝土不密实、蜂窝麻面引等质量问题。另外浇筑时混凝土模板不平顺导致结构尺寸形状差异引起受力不良，出现裂缝，造成承载能力降低。2) 施工组织不当。由于施工组织不当，施工过程中各工序衔接不够紧密导致成环不及时都会使拱顶、拱腰处出现裂缝。

二、施工过程控制混凝土裂缝产生的措施

目前隧道二衬施工普遍采用整体模板台车工艺，由于整体模板台车工艺的特殊性，加上隧道施工环境的复杂性，衬砌混凝土捣固和养护是造成衬砌裂纹的主要原因，如何完善混凝土振捣及养护工艺，是防止衬砌裂纹的有效手段。

1.混凝土振捣：目前隧道衬砌施工普遍使用整体模板台车工艺，由于混凝土灌注窗口狭小，对混凝土振捣造成极大地困难，振捣不到位造成混凝土不密实、容易产生裂纹。对于模板衬砌台车施工工艺，附着式振动器是目前较为成熟的工艺。衬砌台车内侧布置附着式振动器，按照水平间距2m，高度间距2.0m至2.5m较为合适，梅花形布置；振动器功率1.5KW。混凝土灌注过程中按照混凝土浇筑进度依次分层启动振动器，振捣时间25～35s左右，在实际过程中需要根据混凝土质量对工艺进行调整。

2.混凝土养护：隧道衬砌混凝土由于特殊的环境，无法进行覆盖养护，洒水养护是主要手段。二衬混凝土的养护宜采用喷雾养护，不宜采用喷淋养护，养护从上而下分段进行，防止漏喷。养护的最低期限根据洞内平均环境温度和湿度，最低养护时间为14d。养护时间间隔控制在2小时左右，以表面湿润为原则，水温度与混凝土表面温差不得大于15℃。

三、隧道衬砌裂缝控制、整治措施和施工工艺

铁路隧道裂缝的整治措施可总结为加强衬砌自身强度和提高围岩稳定性两种。使用其中一种便能在一定程度上控制结构变形、抑制裂缝产生，但同时釆取两种措施则效果更佳。实践中对于隧道衬砌裂缝的防治一般会采用锚杆加固、碳纤维加固、骑缝注浆、凿槽嵌补、直接涂抹工艺的中一种或数种相结合的措施。

(一)不稳定高速铁路隧道结构的锚固注浆加固方式

采用水灰比 1：1的水泥浆，注浆压力0.5～1.0MPa。锚固注浆加固所使用的材料主要有水泥砂浆、防水砂浆，中空锚杆以及化学注浆液等。工艺方面：第一，要进行锚杆安装，将中空锚杆钻入到设计深度，按照设计间距以梅花形布置(一般1.2m左右)。同时在锚杆外侧设置用于观察以及排气的软管，安装螺母、止浆塞以及垫板的第二，初次注浆，将提前配置的水泥砂浆进行压注，一般来说，该环节压力控制在 0.6-0.7MPa，如果在注浆过程中发现进浆较少或者不再进浆，则完成注浆；第三，二次注浆。初次注浆完成后，由于砂浆材料的干缩以及离析沉淀，则会形成具有较小缝隙的通道，对于该种情况，需要在初次注浆浆液终凝前进行二次注浆，压力控制在0.9MPa左右；第四，衬砌找平，用防水砂浆对混凝土锚固注浆区域进行过找平，对存在裂缝进行封闭并对锚杆垫板实现覆盖。在该项工作完成后，则正式进行养护。

(二)一般或轻微裂缝部位

第一步是向裂纹位置衬砌背后进行控制压力注浆；第二步是在裂缝延伸范围内凿出楔形槽，槽深约为8cm，里口宽约8cm，外口宽约6cm，第三步是用钢丝刷刷洗或高压水冲洗等方法将槽内清洗干净；最后用由环氧树脂、磷苯二甲酸二丁脂、丙酮、乙二胺配制成配合比为1：0.1：0.12：0.05的环氧基液进行槽壁涂刷，用配合比为水泥：砂子=1：2的200#膨胀水泥砂浆作为槽内嵌衬(注意事项：水泥砂浆中必须以JP型膨胀剂掺和料，其掺量为水泥重量的10%左右)。

(三)骑缝注浆法

该方式所使用的材料主要有浆液以及环氧树脂砂浆。工艺方面：第一，要沿裂缝走向进行凿槽，并从裂缝位置向两端延伸 10cm 的距离，保证槽宽为 5cm；第二，清除槽内浮尘；第三，顺着裂缝设置注浆钢管，间距控制为0.6-0.7m，并通过环氧树脂砂浆进行沟槽的嵌填以及注浆管固定；第四，当砂浆完全凝固后，对环氧树脂浆液材料进行压注，压力控制在 0.4MPa 左右；第五，割管。当完成注浆工作后，对注浆管外露部分进行割除，并做好填色料以及挂抹料的涂刷。

(四)对于严重裂缝病害的整治措施

(1)在衬砌背后(裂纹处)进行控制压力注浆，确保衬砌混凝土与岩层的粘结性，改善衬砌混凝土受力情况来控制裂缝扩张。注浆参数如下：注浆孔间距2.0m×2.0m，梅花形布置；注浆压力控制在0.5～1.0MPa，浆液水灰比1：1。按照“由下至上，先稀后稠”的顺序；浆液采用425#普通硅酸盐水泥和细砂。(2)在裂缝位置凿除厚14cm的混凝土，并在裂缝延伸处凿出槽宽小于8cm楔形槽，深度深于裂缝深度；另外需要将楔形槽内壁清除干净。(3)施作砂浆锚杆。砂浆锚杆参数如下：锚杆间1.0m×1.0m，梅花形布置、直径Φ22mm，杆长3.0m；(4)布设钢管钢架。钢管钢架采用直径为580mm为钢管，管内灌200#水泥砂浆，以达到增强钢管架的刚度的目的。钢架之间用ф22mm的钢筋进行连结(注：间距为1.0m)；(5)布设钢筋网，钢筋网网格间距为25cm×25cm左右，并与锚杆、钢架连接成整体，网格环向筋为Φ20mm，纵向筋为Φ8mm；(6)混凝土作业，混凝土加固层厚为16cm，向其中喷射200#混凝土厚10cm左右。另外，在衬砌表面灌注6cm厚的200#细石膨胀混凝土可增强衬砌表面美观。

结束语

铁路隧道衬砌裂缝病害现象经常发生，在发现裂缝时，根据产生的裂缝的严重程度，并结合裂缝分布情况，要及时选取合理的整治措施和技术对其进行整治。同时对于裂缝的预防工作也不能马虎，在施工过程中必须按照既定的设计规范和设计强度来进行施工，加强施工过程中的监督、检查力度，以便最终保障工程质量的达标。

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表1 精处理再生过程废水主要离子含量分析

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由计算结果可见：将进碱(酸)+置换阶段的排水进行混合，废水平均含盐量约21567mg/L，含盐量偏高；将进碱(酸)+置换+正洗阶段排水进行混合，混合后废水的平均含盐为3799mg/L，为进碱(酸)+置换阶段混合水样含盐量的17.6%；将高速混床再生全过程排水进行混合后，废水的平均含盐量约为2334mg/L，含盐量较低。

3.3 精处理再生废水回收利用

根据精处理再生废水水质分析，将精处理再生废水分为两部分，一部分为低含盐量废水，包括树脂输送、树脂清洗、树脂分离、树脂再生过程的正洗后期以及阴、阳树脂混合几个阶段的排水，这部分废水的含盐量很低，属于低含盐量废水，水量偏大，单次再生的水量合计为331m3，占精处理再生全过程排水水量的60.3%，这部分废水通过调节pH值后，可直接回用。

另一部分为高含盐量废水，主要为进酸/碱+置换以及正洗初期排水，水量合计为223.6m3。由于这部分废水含盐量高，侵蚀性强，严重限制了回用途径。其中，阳树脂再生废水中含有大量的Cl-和NH4+，阴树脂再生废水中含有大量的Na+，硬度离子和SO42-含量均很低。将阴树脂再生排水和阳树脂再生排水混合后的再生废水，主要含NaCl和NH3，均为电力生产过程中的有用物质，具有资源化回收利用的潜力。

从实际情况出发，选用合理的技术回收精处理再生废水，既能实现水的回收，又能回收水中含有的有用物质，减少废水排放的同时增加了废水的资源化利用，既缓解了电厂用水紧张的状况，又获得了良好的环境效益、经济效益和社会效益。

总之，火电厂离子交换再生废水回收资源化利用工艺的应用可以实现离子交换再生废水的完全回收再利用，可以降低全厂新鲜水取水量及废水排放量，具有良好的经济和社会效益，因此进一步加强对其的研究非常有必要。

参考文献：

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