寒区老旧铁路隧道改造方案研究

赵志刚

(中国铁路沈阳局集团有限公司,沈阳 110001)

1 工程概况

1.1 线路概况

长图铁路长春至吉林段西起长春市长春站(含)，东至吉林市江北站(含)，修建于1910～1912年，之后分别于1975～1978年，1998～2002年增建复线，正线线路长度134.850 km。

1.2 隧道分布概况

本段分布既有隧道3座，总长1 253.8 m，其中单线隧道2座，双线隧道1座。3座隧道分别修建于1912年，1978年和2002年，分别代表了我国铁路隧道修建技术发展的3个不同的时期，隧道建筑限界、建筑材料标准及施工工艺水平相差迥异，衬砌缺陷及病害较为典型，在我国老旧隧道中具有较强的代表性。

1.3 隧道地质概况

1.3.1 工程地质

隧道位于吉林省中部松辽平原向东部山区过渡地带丘陵区，隧道洞身穿越地层主要为第四系全新统残坡积粉质黏土层、华力西期花岗岩，全～强风化。

1.3.2 水文地质

隧址区地表水系发育，水位随季节涨落，主要接受大气降水补给。沿线地下水发育，主要分为孔隙潜水、基岩裂隙水、孔隙承压水。地表水、地下水一般对混凝土结构不具侵蚀性。

1.3.3 地震动参数区划

隧址区地震动峰值加速度为0.10g，相当于地震基本烈度Ⅶ度，地震动反应谱特征周期0.35 s。

1.3.4 气象特征

隧址区属东北亚温带湿润半湿润大陆性季风气候，属严寒地区，最冷月(1月)平均气温-16.1～-15.1 ℃，极端最低气温-36.5～-42.5 ℃，土壤最大冻结深度192 cm。

1.3.5 既有隧道信息(表1)

1.4 隧道概况

1.4.1 隧道限界

根据收集到的既有资料，通过现场调查和现场断面测量，大山嘴隧道和土门岭2号隧道轨面以上净高满足接触网现状挂网高度要求，土门岭1号隧道净高不足。本段隧道设计采用的限界标准及目前实际净空量测情况见表2。

表1 长图铁路长春至吉林段既有隧道信息统计

表2 隧道设计限界及断面复测情况统计

1.4.2 衬砌及洞门结构

大山嘴隧道衬砌为复合式衬砌，土门岭1号、2号隧道为整体式衬砌，衬砌材料、长度及最大埋深等见表3。

表3 隧道衬砌类型、长度及洞门结构类型统计

1.4.3 隧道衬砌缺陷及病害检查方法及现状

隧道衬砌缺陷检测采用了无损检测法，采用SIR-3000型地质雷达仪，隧道表面共布设6条测线，拱部2条、两侧拱腰和边墙各2条，检测内容为衬砌厚度、衬砌背后回填密实度、脱空、钢筋及钢拱架分布[1-6]，雷达检测成像见图1。

病害检查方法主要为现场调查及测量，技术人员进洞进行实际调查，对病害类型、位置、状态进行统计、测量，并现场绘制病害展开图。

通过地质雷达检测及现场调查，3座隧道均存在较多的衬砌缺陷及病害，缺陷类型主要为衬砌厚度不足、衬砌背后脱空和不密实，病害主要类型为渗漏水、冻害、衬砌开裂、衬砌腐蚀等。隧道衬砌缺陷统计见表4，病害统计见表5，典型衬砌病害见图2。

表4 隧道衬砌缺陷检测统计

图1 雷达检测影像

图2 隧道衬砌典型病害

2 隧道缺陷、病害成因分析及影响评价

2.1 大山嘴隧道

2.1.1 衬砌缺陷

缺陷类型：隧道衬砌缺陷主要为衬砌厚度不足、衬砌背后脱空。

成因分析：衬砌缺陷主要由于施工期间存在局部欠挖，混凝土浇筑压力不足，拱顶压浆不到位以及施工缝渗漏水带出了衬砌背后部分泥沙引起。

影响评价：隧道衬砌背后脱空对结构承载能力损失严重，可能引起衬砌背后土体持续的塌落，对衬砌结构安全影响较大，运营安全存在隐患。

2.1.2 衬砌病害

病害类型：隧道主要病害为衬砌开裂和施工缝渗漏水。

成因分析：根据查阅竣工验收资料及现场调查，本隧道衬砌裂缝多为非结构裂缝，部分在施工期间已形成，且经长期观测未有进一步发展，主要是由于施工工艺及混凝土收缩造成；渗漏水病害主要发生在施工缝位置，主要原因是隧道防水层及施工缝加强防水措施失效，渗漏水含泥量高。

影响评价：衬砌裂缝为非结构裂缝，对结构整体稳定性基本无影响；持续的渗漏水易导致衬砌背后土体流失，进一步加剧衬砌背后脱空面积增大，对衬砌结构长期稳定性有一定的影响，拱部渗漏水对电气化影响较大，边墙渗漏水对电气化基本无影响。

2.2 土们岭1号隧道

2.2.1 衬砌缺陷

缺陷类型：隧道主要缺陷为衬砌背后脱空及不密实。

成因分析：衬砌缺陷产生的原因主要为隧道修建年代久远，衬砌材料标准低，施工工艺水平低，衬砌混凝土浇筑不密实，衬砌与围岩不密贴，长期渗漏水造成。

影响评价：本隧道衬砌综合缺陷严重，衬砌强度低，部分段落为浆砌料石衬砌。根据检测资料及长期运营状态分析，衬砌厚度不足对目前衬砌结构安全影响不大；衬砌不密实及衬砌背后脱空面积大，对结构承载能力影响大，对衬砌结构安全影响较大，运营安全存在隐患。

2.2.2 衬砌病害

病害类型：隧道衬砌病害类型主要为衬砌腐蚀、渗漏水、冻害及限界不足。

成因分析：产生上述病害的主要原因为本隧道运营时间已超过100年，衬砌劣化严重，隧道防水层失效，排水不畅，衬砌变形造成个别地段限界不足。

影响评价：限界不足、渗漏水及冻害对电气化改造工程影响大。

2.3 土们岭2号隧道

2.3.1 衬砌缺陷

缺陷类型：隧道主要缺陷为衬砌背后脱空、不密实、衬砌厚度不足及照明不良。

成因分析：衬砌缺陷产生的主要原因为施工工艺水平低，衬砌混凝土浇筑不密实，衬砌与围岩不密贴，长期渗漏水造成；隧道内未设置照明设施。

影响评价：同大山嘴隧道。

2.3.2 衬砌病害

病害类型：隧道衬砌病害类型主要为渗漏水、冻害、衬砌腐蚀、无砟轨道病害及照明不良。

成因分析：产生上述病害的主要原因为隧道采用先拱后墙法施工，水平施工缝位于起拱线位置，环向施工缝设置过多(约2.5 m/道)，拱部施工缝与边墙施工缝不对缝，错开约1 m，施工缝多且拱部与边墙不对应，隧道防水层失效，排水系统失效，导致衬砌表面及接缝处大面积渗漏水，冬季低温时形成冻害；隧道未设置仰拱，底板混凝土强度等级低，在水的长期浸泡下导致道床基础强度不足；隧道内未设置照明设施。

影响评价：隧道衬砌表面及接缝大面积渗漏水，冬季冻害严重，无砟轨道病害严重，已进行过多次治理，但效果不明显，对电气化、运营安全影响大。

3 隧道改造方案

3.1 大山嘴隧道

本隧道轨上净高满足接触网挂网高度要求，衬砌结构状态良好，改造方案应本着尽量利旧的原则，对既有隧道净空、衬砌进行予以利用[7-13]。挂网前对衬砌背后脱空缺陷及施工缝渗漏水病害进行治理，其余缺陷及病害在运营期间加强观测，结合日常维修处理。

(1)衬砌背后脱空处理

衬砌背后的空洞治理前应首先探明空洞的位置和大小。二次衬砌与防水板之间的空洞一般较小，采用钻孔注浆的方式进行回填。注浆管采用φ42 mm钢管，t=2.5 mm，钻孔穿透二次衬砌但不破坏防水层。注浆作业分两次进行，第一次注浆采用微膨胀性水泥砂浆，水灰砂比为0.6∶1：(1～2.5)，注浆压力0.1～0.2 MPa；第二次注浆采用普通硅酸盐超细水泥浆，水灰比为(0.6～0.8)：1，注浆压力0.2～0.3 MPa，确保回填密实。

防水板以外与围岩间的脱空，空洞深度小于20 cm的，采用钻孔注浆的方式进行回填，钻孔深度穿过防水板至岩面处，注浆管布置及注浆参数同二次衬砌与防水板间脱空处理。

对于防水板以外，深度20 cm以上的脱空，先打设φ25 mm中空锚杆对缺陷衬砌进行加固，锚杆布置间距1.0～1.5 m，长度根据空洞深度确定，锚杆均设置垫板，垫板尺寸15 cm×15 cm，厚度0.8 cm。锚杆端头及垫板应进行镀锌防锈处理，镀锌采用热浸镀，镀锌层平均厚度应不小于70 μm。注浆管采用φ108 mm钢管，间距1.5～2.0 m，梅花形布置。

施作中应根据衬砌背后脱空的大小及范围布置注浆孔，钻孔深度穿破防水板至岩面处。回填分两次进行，第一次采用气泡混合轻质混凝土，干密度不大于400 kg/m3，抗压强度不小于0.8 MPa，水灰比为50%，气泡浆液体积比为65%，注浆压力0.1～0.2 MPa；第二次注浆采用普通硅酸盐超细水泥浆，水灰比为(0.6～0.8)∶1，注浆压力0.2～0.3 MPa。衬砌背后脱空处理见图3。

(2)施工缝渗漏水处理

施工缝渗漏水采取拱部封堵，边墙引排的方式进行处理[14-15]。首先钻孔宜交叉布置在施工缝两侧，钻斜孔穿过裂缝(或穿过衬砌结构至止水带迎水面)，安装注浆管时，应清洗孔壁混凝土残屑，用封缝固管材料紧密填塞孔管间隙，孔口用铁抹压实抹平。钻孔间距宜为20～30 cm(施工缝钻孔间距宜为50～100 cm)，斜孔倾角宜为45°～60°。裂缝两侧各20 cm范围涂刷水泥基渗透结晶型防水涂料，至少涂刷2层，在第1层干后涂刷第2层，第2层涂刷方向应与第1层的涂刷方向相垂直，用量不应小于1.5 kg/m2，厚度不应小于2 mm。在施工缝内表面凿出深10 cm、内大(10 cm)外小(8 cm)的倒梯形槽，槽长度由裂缝起止点向外延伸10 cm，用毛刷刷净槽内浮尘；底部反扣Φ80 mm PVC半管，半管采用U形卡安装牢固；在PVC管两侧挤压一层遇水膨胀腻子条，外面采用环氧树脂分层封堵，抹至与衬砌混凝土表面齐平，每层厚度不大于1 cm，表面涂刷水泥基渗透结晶型防水涂料至少涂刷2层。施工缝渗漏水处理见图4。

图3 二次衬砌背后脱空处理示意

图4 施工缝渗漏水处理示意(单位：cm)

3.2 土们岭1号隧道

本隧道轨上净高不满足接触网挂网高度要求，净宽不满足隧道建筑限界要求。考虑本隧道所处区间为双线，改建施工期间可利用上行线作为过渡线路，本着“尽量利旧，节约投资”的原则，隧道改造采取封闭后原位扩挖改建的方案，改建标准同新建单线隧道标准。

隧道建筑限界采用“隧限-2A”，不考虑大机养护作业。隧道明挖段采用整体式明洞衬砌，暗挖段采用复合式衬砌；拱墙设置分离式防水层，防水层采用EVA防水板+土工布，防水板厚度不小于1.5 mm，土工布质量不小于350 g/m2; 防水板与初期支护间设置环向φ50 mm排水盲管，两侧边墙脚部设置φ100 mm纵向排水盲管，地下水发育地段设置竖向深埋碎石盲沟，洞内设置贯通的φ400 mm中心深埋水沟，洞外设置深埋保温暗沟及保温出水口。环纵向盲管及竖向碎石盲沟直接接入中心深埋水沟，经洞外深埋暗沟排出洞外，确保防水有效，排水畅通。

隧道扩挖围岩范围及施工工序见图5。

图5 隧道改建扩挖围岩范围及施工工序

3.3 土们岭2号隧道

本隧道轨上净空满足接触网挂网高度要求，采用利旧的改建方案。隧道地下水发育，衬砌病害严重，特别是渗漏水、冻害及无砟轨道病害对电气化及运营安全影响大，接触网挂网前对衬砌缺陷及病害进行整治。经综合分析，除了衬砌自身存在不足外，隧道排水系统失效是产生以上众多病害的根源。构筑完善的防水和保温排水系统是解决本隧道诸多病害问题的关键。本隧道所处区间为双线，改建施工期间可利用下行线作为过渡线路，具备封锁后改建施工的条件。隧道主要改建措施如下。

(1)隧道改建利用现状净空，隧道建筑限界以满足接触网挂网需要进行确定，除局部净高不满足要求地段对拱部进行扩挖外，原则上其余地段拱部与边墙不再扩挖围岩。

(2)更换全隧隧底结构，扩挖后设置仰拱结构，改建后隧道内铺设有砟轨道。

(3)全隧增设贯通的中心深埋水沟，水沟位于仰拱以下，埋深按冻结深度确定并留有余量。

(4)地下水发育、综合病害严重地段衬砌采取拆换处理的方案，拆换衬砌段采用复合式衬砌，衬砌防水及排水系统同土门岭1号隧道改建标准。

(5)原锚喷衬砌段增设二次衬砌及衬砌背后防排水设施。

(6)其余地段对拱墙衬砌予以利旧，挂网前完成病害治理。

4 结论与建议

长图线长春至吉林段3座隧道的改造条件分别代表了目前类似改造工程中比较常见的3种类型，通过对本线隧道改造方案的研究，得出以下结论与建议。

(1)老旧隧道电气化改造方案的研究，应本着确保施工、运营安全及使用功能的前提下充分利旧的原则。改造方案的确定应在对隧道资料充分研究的基础上，通过经济技术比较后确定。

(2)项目勘测前应对隧道竣工资料、大修资料、限界资料及病害资料等进行收集，初步了解隧道现状，制定勘测方案。勘察期间通过现场病害调查检测、断面净空测量、衬砌缺陷检测等方式充分收集隧道相关信息，并对病害进行分级，评估隧道状态。

(3)隧道病害整治方案应建立在对既有隧道现状充分了解，对衬砌缺陷、病害原因进行透彻分析的基础上，找到问题的症结，对症下药。

(4)对于净空不满足电气化要求的隧道，应综合考虑施工过渡方案、施工风险、运营安全，经比较后确定改建方案。对于具备施工过渡条件的隧道，尽量采用封锁后原位扩挖改建的方案，尽可能多利用既有净空、设备，降低工程投资。

(5)对于净空满足电化要求的隧道，应尽量利旧。对影响电气化挂网、隧道结构和运营安全的缺陷和病害进行整治，其余缺陷及病害在运营期间加强观测，结合日常维修处理。

(6)日常维修过程中，应特别重视含泥砂的渗漏水点，发现后应及时治理，避免衬砌背后土体流失造成衬砌背后大面积脱空，影响运营安全。