运营铁路隧道病害检测、监测、评估及整治技术发展现状

马伟斌， 柴金飞

(中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所， 北京 100081)

0 引言

截至2018年底,中国铁路营业里程达13.1万km。其中，投入运营的铁路隧道15 117座，总长16 331 km[1]。铁路隧道建成时，部分区段存在拱墙背后空洞、衬砌厚度不足等施工缺陷，经过运营期列车荷载作用，极易引发其他各类病害[2-3]，如衬砌渗漏水、开裂、掉块，隧底裂损、下沉与翻浆冒泥、上拱，排水系统冻害等。这些病害恶化了铁路隧道服役性能，降低了隧道结构的安全可靠度和稳定性，威胁线路行车安全。铁路隧道病害的原因涉及到环境、设计、施工、运营维护等多个方面，铁路隧道检测、监测已经成为继铁路建设之后的重要任务。我国运营铁路隧道检测、监测技术起步较晚，尚处于传统技术阶段。运营铁路隧道检测、监测领域主要存在的不足如下： 1)快速巡检设备稀缺，信息来源与各项指标数据链单一，反馈信息融合性差； 2)尚未建立数据采集、通讯、计算、预测、分析、评估、预警、可视化与决策分析功能的集成化平台，检测、监测成套技术尚未形成体系； 3)尚未对重点监测、周期检测和日常检测项目予以区分； 4)尚未对附属设施如防护结构、疏散设施、通风照明及隧道洞口高陡边坡等予以重视。因此，建立多指标、集成化、综合分析与精准决策的新型检测、监测成套技术体系，为运维养修部门提供科学决策依据具有积极意义。

利用检测、监测手段发现运营铁路隧道病害或缺陷后，需要对隧道病害进行分类和分级，然后对隧道的服役状态进行评估。目前，我国铁路隧道状态评估方法基本上是定性分析，关宝树等[4]开发了铁路隧道病害诊断专家系统(tunnel default diagnosis)，该系统可根据隧道病害的特征推定病害成因，得出隧道结构的健全度，并利用层次分析法和模糊数学建立了健全度量化判断模型； 王春景[5]对运营隧道状态的综合评判进行了研究，将隧道病害分为结构类、防排水类、其他类3类。但上述评定方法存在内因及机制研究不足、偏重于数值计算、以静力状态为判断依据、规范涵盖范围不全等不足，不能明确表达出各影响因素对于计算结果的影响规律，仅仅采用这些比较初步的评价指标对隧道衬砌状态进行评估定级显然已不能满足目前的使用和养护要求。因此，结合铁路隧道运营实际，铁科院对铁路隧道状态劣化机制进行分析，研究定量化的评价方法，重新修订了《铁路桥隧建筑物劣化评定标准》隧道部分。

科学的服役状态评估结果能够有效指导运营铁路隧道养护维修，运营铁路隧道病害的整治面临维修天窗时间短、作业空间狭小、大型设备和材料进出受到极大限制等难题。如何在短暂的维修天窗内快速整治隧道病害以保障铁路运营安全，是铁路隧道面临的重大课题。本文在铁路隧道运营维护领域多年探索和积累的基础上，总结出一套汇集检测、监测、评估和整治于一体的铁路隧道全流程养护维修体系，以期为隧道养护维修提供参考。

1 铁路隧道缺陷与病害情况

在铁路隧道运营过程中，部分线路隧道出现了不同类型的缺陷或病害。以某铁路隧道情况为例，各类缺陷与病害所占比例如图1所示。

图1 某铁路隧道病害类型及占比

隧道衬砌是承受地层压力、防止围岩变形坍落的主体建筑物。衬砌承受地层压力的大小，主要取决于工程地质、水文地质条件和围岩的物理力学特性，同时与设计方案、施工方法、支护衬砌是否及时和工程质量的好坏等因素有关。铁路隧道缺陷与病害可按病害部位划分为拱墙缺陷与病害、隧底缺陷与病害。

1.1 拱墙缺陷与病害

1.1.1 隧道衬砌存在的缺陷

隧道衬砌存在的缺陷主要有: 衬砌厚度缺陷、衬砌混凝土质量缺陷、衬砌背后空洞或回填不密实[10]。

1)衬砌厚度缺陷的主要原因有： ①岩体开挖不到位； ② 模板支设出现偏差。

2)衬砌混凝土质量缺陷的主要原因如下。①麻面： 模板内表面粗糙、未清理干净、湿润不足；模板拼缝不严密而漏浆；混凝土振捣不密实，气泡未排出以及养护不规范。②露筋： 绑扎钢筋或安装钢筋骨架时未放垫块或垫块位移、钢筋位移、结构断面较小、钢筋过密使钢筋紧贴模板，以致于混凝土保护层厚度不足。③蜂窝： 混凝土配比不准(浆少石多)，或搅拌不匀、浇筑方法不当、振捣不合理，造成砂浆与石子分离； 模板严重漏浆等。④孔洞： 骨料粒径过大、钢筋配置过密导致混凝土下料中被钢筋挡住；混凝土流动性差、分层离析、振捣不实； 混凝土受冻、混入泥块杂物等。⑤缝隙及夹层： 施工缝处理不当以及混凝土中含有垃圾杂物。⑥ 缺棱、掉角： 浇筑前模板未充分湿润，棱角过早拆模或拆模后保护不善。⑦裂缝： 结构和地基产生不均匀沉降，水分蒸发过快，模板不牢固，混凝土内部和表面温差过大，拆模时混凝土受到剧烈振动，混凝土养护不良。⑧强度不足： 地下水影响，混凝土振捣难以按施工规程要求实施，混凝土直接养护湿度难以达标。

3)衬砌背后空洞的主要原因有： ①对超挖未按规范进行施工回填； ②衬砌时拱顶灌注混凝土不饱满，振捣不够； ③泵送混凝土在输送管远端由于压力损失、坡度等原因造成空洞； ④防水板挂设松弛度控制不到位。

1.1.2 隧道衬砌存在的病害

隧道衬砌存在的病害主要有： 衬砌裂损、渗漏水、冻害、腐蚀。

1)衬砌裂损的类型主要有衬砌开裂、压溃、错动、掉块及组合工况。衬砌裂损的主要原因有： ①垂向线状荷载、斜向线状荷载、水平线状荷载、垂向分布荷载； ②灌注过快，混合料分散不均匀，振捣不充分，拌合时间过长； ③使用条件和环境因素，如化学腐蚀环境、氯盐环境、冻融环境、内外温差环境； ④碱性集料反应发生膨胀开裂，集料中的泥分出现不规则网状开裂，水泥的水化热发生热胀开裂、水泥异常凝结发生不规则开裂、风化岩和低质量的集料发生爆炸状开裂、下沉开裂。

2)渗漏水病害类型有滴水、涌水、水蚀等。渗漏水病害的主要原因有： ①地质条件复杂,岩溶发育，水压较大； ②设计和施工水平达不到要求； ③衬砌和防水材料存在一定不足； ④排水系统堵塞。

3)衬砌冻害类型主要有挂冰、冰椎、冰塞、冰楔、围岩冻胀、衬砌材质冻融破坏和衬砌冷缩开裂等。隧道冻害的主要原因有： ①寒冷气温作用。隧道冻害与所在地区气温(低于0 ℃或正负交替)直接相关，温度变化冻融交替是主要原因。②季节冻胀圈的形成。若隧道的排水设施埋在季节冻胀圈内，冬季易发生冰塞。③围岩的岩性对冻胀的影响。④隧道设计和施工的影响。对防冻问题没有考虑或考虑不周，造成衬砌防水能力不足，洞内排水设施埋深不足、治水措施不当，施工有缺陷，都会造成和加重运营阶段隧道的冻害。

4)衬砌腐蚀。衬砌腐蚀分为物理性侵蚀和化学性腐蚀。产生腐蚀的主要原因有： ①腐蚀介质的存在； ②易腐蚀物质的存在； ③地下水的存在且具有活动性。

1.2 隧底缺陷与病害

1.2.1 隧底缺陷

1)底板未设置钢筋或钢筋间距过大。2)仰拱填充与仰拱一起浇筑。3)隧底超挖，未清理干净而留有虚渣，或施工期间用料配比不合理、混凝土占比较小，排水未尽，造成隧底充泥充水或不密实。4)仰拱矢跨比达不到设计要求，或将仰拱做成底板。5)仰拱填充分层浇筑，人为形成层间施工缝[10]。6)隧底不密实或空洞： ①架设隧底钢架前或浇注混凝土前未将虚碴、杂物等清除干净；②隧底超挖部分未采用同级混凝土回填，而是采用虚碴回填；③地下水冲蚀作用。

1.2.2 隧底病害

隧底主要存在的病害类型有整体道床裂损、仰拱或铺底裂损、隧底上拱。

1)整体道床裂损的主要原因[12]有： ①列车荷载作用影响； ②灌注道床时未及时清理隧底积水； ③整体道床与隧道底部衬砌混凝土之间的黏结力不足； ④混凝土浇筑工艺差、水泥等级不达标、道床的厚度不足、混凝土养生时间不足等质量问题； ⑤地下水对整个道床的影响； ⑥养护维修不良等。

2)仰拱或铺底裂损的主要原因有： ①列车荷载作用影响； ②混凝土的收缩；③温度应力；④配筋不足；⑤混凝土材料及配合比不当；⑥养护条件差；⑦施工质量差等。

3)仰拱和(或)填充层厚度不足的主要原因有： ①隧底开挖时欠挖，未挖到设计隧底高程；②隧底有钢架地段钢架制作不标准，侵入仰拱造成混凝土厚度不足。

4)隧底上拱依据隧底上拱的破坏力学特征分类，一般可分为5种基本类型： 挤压流动型隧底上拱、遇水膨胀型隧底上拱、挠曲褶皱型隧底上拱、剪切错动型隧底上拱和地下水压力型隧底上拱。主要原因如下。①挤压流动型隧底上拱： 主要发生在隧底为软弱破碎岩体的岩层，两帮和顶板的强度远大于底板岩体强度，在两帮岩柱的作用下，底板软弱破碎岩体挤压流动到隧道内，引发上拱病害。②遇水膨胀型隧底上拱： 膨胀岩中含有大量亲水性黏土矿物时，遇水后会膨胀和软化，体积迅速增大，导致隧底上拱。③挠曲褶皱型隧底上拱： 主要发生在较厚的整体性岩层，在高地应力的作用下，在隧底处发生剪切破坏而形成楔块岩体，并在水平应力挤压下产生错动而使底板上拱。④挠曲褶皱型隧底上拱： 通常发生在隧道底板为层状岩体，其隧底上拱的机制是在平行层理方向的应力作用下，隧底岩层由于受压失稳向隧道内产生挠曲褶皱。⑤地下水压力型隧底上拱： 当隧底存在积水且水头较高时，致使隧底结构长期承受较高的水压力，加上列车循环动荷载耦合作用，导致隧底结构变形或破坏而引起上拱。

5)隧底防排水病害主要类型为地下水对混凝土腐蚀，排水不通畅，隧底高水压，涌水、涌砂等。隧底防排水病害的主要原因有： ①盲管设置不合理或被泥、砂堵死，隧道建成后无法正常排水，使隧道内地下水位升高，造成隧道渗漏水；②“三缝”、结构连接部位或混凝土缺陷部位未严格按有关规范或规则施作或未作处理；③施工质量差，隧道结构强度不足而开裂渗水；隧道超挖部分采用弃碴回填，有些铺底也用弃碴作为材料，使隧底成为较弱地基，同时因回填度不均匀，易引起隧底开裂。而在钢轨接头部位，受到车轮冲击力比一般部位大 5～10 倍，使钢轨接头部位更易产生开裂和翻浆冒泥；④排水沟深度及宽度未达到设计要求；⑤石灰岩道碴，由于其质地比较软、韧度较低、磨耗率大，在运营中出现道床硬结、污脏现象严重，容易引起排水通道阻塞，道床积水。

2 运营铁路隧道检测、监测技术

2.1 常规检测、监测技术

运营铁路隧道常规检测技术主要有： 隧道拱部空洞敲击法(声波法)、探地雷达法(瑞雷波法)、高密度电法、瞬变电磁法、超声回弹综合法、衬砌表面数码摄像法、陆地声纳法、红外热像法、三维激光扫描法、原位钻孔检测法和材料强度试验法等。

运营铁路隧道常规监测技术主要有： 实时应力监测、动态应变监测、温度监测、有害气体监测和排水系统水位监测等。

2.2 存在问题

铁路隧道工程结构复杂，影响因素较多，其检测、监测特点、难点可概括如下： 1)工作时间短、检测项目多、数据釆集难、信息传输量大，对自动化采集有迫切需求； 2)从形变特点看,隧道工程往往同时包含累积性变形和突发性变形,需要综合使用静态监测和动态监测； 3)监测内容同时包含方向性的矢量信息(如位移、应力、应变)与非方向性的标量信息(如渗流、衬砌质量)，需要多层次监测； 4)监测周期长，观测频率变动大，仪器选择、预警等级的设计需要与时俱进； 5)监测精度要求不同，随监测指标变化而变化； 6)监测范围广，涉及衬砌本体检测、监测与区域检测、监测，需做到宏观监测与微观监测相结合。针对运营期铁路隧道，快速检测、监测装备的短缺，维修天窗时间短等是目前检测、监测工作面临的难点。

2.3 解决措施

当前信息化技术、物联网技术、可视化技术、卫星定位、网络通信、智能设备、AI技术已经应用在各个领域，铁路隧道作为线路的重要组成部分，其运营环境较路基、桥梁、轨道等工程更为复杂、隐蔽，高模糊性的特点与迫切需求的现状要求尽快采用新技术、新设备、新理念，建立多指标、集成化、综合分析与精准决策的新型检测、监测成套技术体系。这对于保障列车安全运营，为运维养修部门提供科学决策依据具有积极意义。

基于当前现状，铁科院建立了由验收检测、周期检测、日常检测、重点监测构成的铁路隧道检测、监测体系，如图2所示。

图2 铁路隧道检测、监测体系

2.3.1 铁路隧道检测、监测体系

基于铁路隧道检测、监测标准化作业管理，铁科院针对服役隧道不同状态下检测、监测的方式、频次等，形成了面向设计寿命的铁路隧道检测、监测技术条件，建立了由验收检测、周期检测、日常检测、重点监测构成的铁路隧道检测、监测体系。对于全部隧道，在竣工验收期，以衬砌质量检测车为主进行验收检测； 进入运营期后，进行周期检测和日常检测； 对于存在风险的重点隧道，开展移动与定点相结合的重点监测。所有检测、监测数据集中存储于隧道检测、监测数据管理系统中。

2.3.2 铁路隧道周期检测及日常谱系化装备

铁科院采用基于WEB的物联网技术与移动检测平台，研发了面向竣工验收期隧道的轮胎式衬砌质量检测装备(见图3)和面向运营期隧道的轮轨式衬砌质量检测装备(见图4)。轮胎式衬砌质量检测装备可通过车载地质雷达、表观裂纹扫描等检测手段，在竣工验收期检测隧道衬砌和底部结构存在的内部空洞、不密实和衬砌表观裂缝等信息。轮轨式衬砌质量检测装备可通过车载地质雷达等检测手段，在运营期检测隧道衬砌和底部结构在列车循环振动条件下疲劳损伤的演化过程等信息。

衬砌质量检测装备采用车载地质雷达实现对隧道衬砌状态的检测。地质雷达法是一种以高频或超高频电磁波为信息载体，利用不同介电常数传播介质界面的电磁波反射特性和传播速度变化规律，对目标物进行探测和定位的方法，具有快速、无损、连续探测和实时显示的特点。

2.3.3 重点隧道监测成套技术

针对重点隧道，铁科院建立了涵盖围岩接触压力、锚索受力、锚杆受力等关键参数，地表位移、围岩体内位移及衬砌表面裂缝等关键指标，水位水压、有害气体、粉尘、边坡微变形等关键项目的数据采集体系，形成包括内力、变形、环境监测与视频监控4部分构成的重点监测成套技术。

图3 轮胎式隧道衬砌质量检测车

图4 轮轨式隧道衬砌质量检测车

2.3.4 铁路隧道检测、监测大数据平台

以深度学习、数据挖掘和云计算技术为支撑，采用定位技术和面向对象的关系数据模型，针对海量、多源、异构检测、监测数据，研究分布式存储备份技术，建立多等级多角色用户体系，设计高可用数据库架构，开发数据在线管理及图表可视化等系统应用，并为数据处理的高性能计算、人工智能识别分析需求提供平台支撑，如图5所示。

图5 隧道检测、监测大数据平台

3 运营铁路隧道状态评估

3.1 现有评估原则和方法

铁路隧道状态评估的原则有： 系统性原则、定性与定量相结合原则、独立性原则、必要性原则、适用性原则、科学与可靠性原则。我国运营铁路隧道状态评估的主要方法有： 可拓学方法、模糊物元理论、层次分析法、单一因素控制法等。我国运营铁路隧道状态评估相关规定如下：

1)铁运函[2004]174号《铁路运营隧道衬砌安全等级评定暂行规定》按照隧道衬砌缺陷与病害的严重程度，划分为轻微、较严重、严重、极严重4个等级进行评估。

2)铁运[2010]38号《铁路桥隧建筑物劣化评定标准》要求工务部门每年对桥隧建筑物按项目进行一次评估。隧道状态评定按劣化程度划分为A、B、C 3级，A级又分为AA和A1 2等。

3)铁运[2011]131号《高速铁路桥隧建筑物修理规则(试行)》也将高铁隧道按劣化程度划分为A、B、C 3级，但较普速铁路更严，提高了一个等级。

3.2 存在问题

通过对目前铁路隧道劣化评定、状态评定等相关问题以及城市轨道交通技术状态评定等相关问题进行广泛调研，得出现有标准和规范存在以下问题：

1)缺少拱墙衬砌混凝土厚度、强度和密实情况等评定内容；

2)缺少隧底结构劣化评定内容；

3)缺少防护门、洞内沟槽、通风设施、照明设施、疏散救援指示和导向应急标示劣化评定内容；

4)缺少隧道洞口设施劣化评定内容；

5)缺少隧道洞口环境劣化评定内容。

3.3 铁路隧道劣化评定方法的优化

近年来，随着高速铁路的快速发展，对隧道内轨道的平顺性要求大大提高。隧道整体道床裂损、仰拱或铺底裂损、隧底不密实或吊空、仰拱及填充层厚度不足等病害严重影响了隧底结构的稳定，进而影响了隧道内轨道的平顺性，给行车安全造成了较大负面影响。为适应铁路隧道快速发展的需要，完善和补充标准内容，在结合现有研究成果并征求大量专家意见的基础上，对现有铁路隧道桥隧建筑物劣化评定方法进行了优化，为铁路隧道运营安全提供技术支撑。

3.3.1 隧道整体劣化等级划分

本文通过比选常用的多因素、多源信息综合评价方法的特征及其适应性，研究隧道衬砌评价指标的获取方法，提出了运营铁路隧道整体劣化等级划分方法。隧道整体劣化程度分为A、B、C、D 4级，其中A级分为AA和A1共2级，见表1。

表1 铁路隧道劣化等级划分

注： 多种隧道劣化并存时，应按劣化等级最严重的一项评定。

3.3.2 铁路隧道拱墙结构劣化评定

3.3.2.1 拱墙衬砌表观型病害劣化评定方法

1)衬砌变形或移动的等级评定方法是按衬砌变形、移动、下沉等的发展速度来划分的。量测衬砌变形或移动的方法可采用投影式断面测定仪或利用激光对隧道的横断面进行测试；也可采用管式标尺、带尺延伸计、收敛计、带式标尺等仪器，对隧道的净空位移进行测定。在隧道净空位移测定前，必须在隧道衬砌上安设标志，设置测线。

2)衬砌开裂的等级评定，主要是根据裂缝的长度、宽度和深度来确定，还应考虑裂缝的发展速度加以判断。

3)对于压溃劣化等级划分是根据所在的部位(重点是拱部)、范围、深度的大小。确定开裂的长度和宽度、错台深度等可用折尺、比尺等进行，而测定裂缝的发展速度可采用裂缝计和各种应变计，也可采用砂浆饼、油漆标志等方法来测定。黏接带应采用尼龙或聚酯材料。

3.3.2.2 拱墙衬砌结构型病害劣化评定方法

1)衬砌混凝土厚度可采用仪器探测和钻孔取样等方法进行评定。

2)衬砌背后空洞或回填不密实，可采用仪器探测、敲击声检和钻孔取样等方法进行评定。

3)衬砌混凝土强度可采用回弹仪和取芯试验等方法进行评定。

4)衬砌材料劣化可采用目测和仪器探测等方法进行评定。

5)多种结构型病害并存时，应按劣化等级最严重的一项评定。

3.3.2.3 拱墙渗漏水病害劣化评定方法

1)漏水、涌水的评定方法可用肉眼观察： ①检查漏水的位置对列车运行、洞内设备功能的影响程度； ②检查各漏水处的漏水状态(可分为渗水、滴水、淌水、涌水4种)； ③线路上有无翻浆冒泥现象、钢轨及扣件有无锈蚀现象、排水设备是否良好等。可用量具测渗漏水量，用道尺或轨检车检查轨道几何形态。

2) 判定拱墙渗漏水对衬砌有无侵蚀作用的主要方法是对水进行化学测试，测出水的 pH 值。

3)多种渗漏水病害并存时，按劣化等级最严重的一项评定。

3.3.3 铁路隧道底部结构劣化评定

3.3.3.1 隧底病害劣化评定方法

1)底部结构开裂的等级评定，主要是根据裂缝的长度和宽度来确定，还应考虑裂缝的发展速度加以判断。

2)底部结构混凝土厚度可采用仪器探测和钻孔取样等方法进行评定。

3)底部结构空洞或回填不密实，可采用仪器探测、敲击声检和钻孔取样等方法进行评定。

4)多种结构型病害并存时，应按劣化等级最严重的一项评定。

3.3.3.2 隧底渗漏水病害劣化评定方法

1)涌水、涌砂的评定方法可用肉眼观察： ①检查涌水、涌砂的位置对列车运行、洞内设备功能的影响程度； ②检查钢轨及扣件有无锈蚀现象、排水设备是否良好以及碎石道床是否有翻浆冒泥现象等。可用量具测渗漏水量，用道尺或轨检车检查轨道几何形态。

2) 判定隧底水体对道床有无侵蚀作用的主要方法是对水进行化学测试，测出水的 pH值。

3)多种渗漏水病害并存时，按劣化等级最严重的一项评定。

3.3.4 铁路隧道冻害劣化评定

1)在评定冻害对隧道功能影响程度时，主要是用肉眼观察及量具测定。

2)多种冻害同时发育时，以最严重的一项为基准。

3.3.5 铁路隧道附属结构劣化评定

1)隧道防护门劣化评定方法： 主要采用目测、尺量和使用测力计。

2)隧道洞内沟槽劣化评定方法： 主要采用目测和尺量。

3.3.6 铁路隧道洞口病害劣化评定

1)隧道洞口防排水设施劣化评定主要采用设计资料查阅、现场普查等方法进行。

2)隧道洞口浆砌片石结构或混凝土结构劣化评定可采用目测、回弹仪和混凝土碳化仪等方法或工具进行。

3)洞口多种病害同时发育时，以最严重的一项为基准。

4 运营铁路隧道病害整治技术

4.1 衬砌渗漏水

在隧道穿越含水地层时，地层中的一些固有地下水通道被隧道截断，地层中的渗流场也相应改变，隧道本身所拥有的空间就成了此处地下水汇集的良好场所，处于此种环境中的隧道极易出现渗漏水病害[13]。铁路隧道衬砌渗漏水的整治方法如下。

1)凿槽引排法。沿渗水裂缝处自上而下开凿倒梯形引水槽，内置入半圆形排水管并固定，防水砂浆填充管外槽体； 用水泥基渗透结晶型防水涂料封槽； 引排水流统一通过引排管进入隧道内侧沟，排出洞外。该方法适用于既有隧道边墙竖向施工缝、变形缝及其他竖向裂缝出现“淌水”等严重渗漏水病害的部位。

2)高压灌注法。以高压灌注机注入单组份油溶性聚氨酯灌浆材料至发现发泡剂从结构表面渗出，如图6所示。该方法适用于隧道拱顶、拱腰及边墙渗漏水裂缝。

(a) 整治前

(b) 整治后

3)锚固灌注法。通过裂缝打磨、裂缝封闭、布设锚杆、灌注聚氨酯材料等工序进行整治。该方法适用于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级围岩，裂缝宽度在1～5 mm，且密度较小的混凝土裂缝。

4)钻孔降压法。通过降压孔把隧道拱墙或隧底地下水的压力释放出来，达到降压的效果，从而防止水压过大造成隧道底板渗水或湿积。该方法适用于隧道内底板渗水，尤其对高压富水区隧道道床板渗水整治效果十分明显。

4.2 衬砌裂损

衬砌裂损类型主要有变形、移动和开裂。衬砌开裂又分为张裂、压溃和错台。

隧道衬砌裂损产生的原因是复杂的、多方面的，裂损发展形式不同，其产生的原因也不相同[14]。形变压力作用、松动压力作用、地层沿隧道纵向分布及力学性态的不均匀作用、温度和收缩应力作用、围岩膨胀性或冻胀性压力作用、腐蚀性介质作用、施工中人为因素、运营车辆的循环荷载作用等，均是隧道衬砌结构物产生裂损的原因[15]。

针对衬砌施工缝等受到温度应力等较小应力作用导致开裂的普通干裂缝的整治方法主要是注胶粘合法，注胶材料一般选择环氧类材料。主要施工工艺流程为： 衬砌表面清理—裂缝识别与标记—裂缝表面打磨—裂缝宽度量测—裂缝封闭—注胶孔成孔及注胶咀安装—注胶—取芯抽检—裂缝涂装。

4.3 衬砌掉块

近年来，运营铁路隧道发生过多起由于施工缝错台、开裂、衬砌表面缺陷以及隧道渗漏水凿槽修补方法不当，造成修补部分混凝土、砂浆块脱落掉块，影响行车安全。

衬砌掉块的整治方法有： 1)对衬砌裂缝周围填充砂浆和浮浆进行凿除； 2)注浆或注环氧树脂进行嵌补； 3)对严重的衬砌裂纹进行套衬处理； 4)衬砌小范围掉块，采用“聚合物改性水泥基修补砂浆+挂网修补+玻璃纤维布”综合处理措施进行处理； 5)衬砌较大范围空洞掉块，采用凿除表层混凝土、重新施作二次衬砌的方法进行整治； 6)采用压浆的方法进行整治，压浆采用无收缩灌浆料； 7)“高强波纹板+锚杆”和“W钢带+钢丝网+平钢带+锚杆”。

高强波纹板是将2.0～7.0 mm薄钢板或铝合金板板面压成波纹(正弦形状)，经热镀锌、绝缘处理后制成波纹板片，其抗弯刚度和抗压强度较圆管大幅增加，具有较强的抗震能力，而且能适应较大的沉降与变形。建成后与衬砌结构形成一种组合结构共同受力，改善了结构的受力特性，如图7所示。

图7 “高强波纹板+锚固”技术

4.4 衬砌厚度不足及背后空洞

隧道衬砌厚度不足与背后空洞多为隧道施工时造成的，由施工单位管理水平和技术参差不齐，且有部分施工单位偷工减料或者不严格按照设计进行施工导致的。衬砌厚度不足与背后空洞整治方法如下：

1)泡沫混凝土填充。 密度300～1 200 kg/m3，为普通混凝土的1/2～1/8，提高抗震性、抗裂性，如图8所示。

图8 泡沫混凝土原理

2)衬砌补强技术。衬砌凿除—锚杆钻孔—锚杆安装—网片安装—衬砌补强(喷混凝土)—模板架设—空洞填充，如图9所示。

图9 隧道衬砌补强技术

3)“锚杆+波纹板+背后空洞填充”技术，如图10所示。

图10 “锚杆+高强波纹板+空洞填充”技术

Fig. 10 Bolt + high strength corrugated plate + cavity filling technology

4.5 衬砌表面腐蚀

铁路隧道衬砌腐蚀分为物理性腐蚀和化学性腐蚀2类。隧道衬砌腐蚀的主要影响因素有： 衬砌混凝土的质量和水泥的品种、渗流到衬砌内部的环境水含侵蚀性介质的种类和质量分数、环境的温度和湿度等自然条件。铁路隧道衬砌腐蚀的整治方法如下：

1)加强衬砌外排水措施。将侵蚀性环境水排离隧道周围，减少侵蚀性地下水与衬砌的接触。在地下水丰富地区，用泄水导洞法将地下水引至泄水导洞内，减少地下水对隧道主体的影响，一般泄水洞应根据地下水的活动规律和流向，设在主洞的上游，拦截住地下水。

2)使用与混凝土不产生化学作用的密实材料，在衬砌外表面形成隔离防水层。国内常用的防水卷材有 EVA、ECB、PE、PVC等, 这些材料的耐酸碱性能稳定，作为隔离防水层是较为理想的材料。

3)向衬砌背后压注防蚀浆液(这种方法只适用于一般隧道)。常用的材料有阳离乳化沥青、沥青水泥浆液等沥青类的乳液，高抗硫酸盐、抗硫酸盐水泥类浆液。在衬砌表面涂抹水泥防蚀涂料，常用的有阳离子乳化沥青乳胶涂料、编织乙烯共聚涂料，近几年又出现了焦油聚氨酯涂料、防水涂料等材料。

4.6 衬砌冻害

衬砌冻害的成因有寒冷气温的作用、季节冻结圈的形成，以及围岩岩性、隧道设计和施工等其他影响因素。衬砌冻害整治方法如下：

1)上部衬砌挂冰电伴热整治技术。针对高寒地区隧道上部衬砌挂冰问题，可采用电伴热半管排水技术。电伴热半管集排水、保温为一体，可解决隧道上部衬砌挂冰问题，降低冬季隧道打冰工作量。

2)水沟结冰“电伴热面板+水沟保温”整治技术。针对高寒地区隧道水沟结冰问题，可采用“电伴热面板加热+水沟保温”的综合整治技术，电伴热面板发热效率高，安全可靠，安装方便，水沟保温通过铺设聚氨酯保温材料及新型保温橡胶水沟盖板来实现，可解决水沟冰害问题。

3)衬砌冻胀喷射聚氨酯保温整治技术。针对高寒地区隧道衬砌冻胀破坏问题，可采用衬砌表面喷射聚氨酯保温技术，其施工工艺简单可行，保温效果明显。

4.7 隧底下沉和翻浆冒泥

隧底结构层状剥离、地下水的存在及大轴重列车重复作用是产生隧底下沉及翻浆冒泥病害的主要原因。在列车动荷载长期频繁反复冲击下，加之地下水的存在，形成隧底分层拍打及水力冲刷效应，隧底软弱夹层中的细颗粒被地下水冲走，出现空洞，导致隧道底部结构脱空，形成简支结构，素混凝土底板开裂破损，导致隧底下沉与翻浆冒泥，影响铁路的运营安全。该病害整治技术如下：

1)“锚注一体化”整治技术。针对运营铁路(普通、客货及重载)隧道底部结构下沉、隧底翻浆冒泥等病害，结合既有铁路隧道天窗时间短、操作空间有限、施工环境恶劣、限速条件苛刻等限制条件，采用快速高效、不影响行车的隧道底部病害“隧底结构锚注一体化”通用强化技术[6-8]。

2)整体道床抬升整治技术。针对隧道底部下沉现状，在结构受力及边界条件分析的基础上，总结出“隧底抬升+隧底注胶”技术，辅助整体道床表面裂缝修补的综合整治方案，如图11所示。

图11 整体道床病现场抬升

3)“轻型井点降水+注浆”复合强化技术。针对隧道底部翻浆冒泥，采用“轻型井点降水+注浆”复合式强化技术。轻型井点降水能降低地下水位，保持隧底干燥，同时注浆能填充隧底空隙，提高隧底的完整性，能有效提高隧底承载能力。通过有针对性的降水及注浆复合式整治，能长期并有效控制病害发展。

4.8 隧底上拱

隧道穿越软弱围岩及地质条件差的高地应力区时，时常发生隧道拱顶坍塌、围岩大变形及底部结构鼓裂等病害。隧道上拱(底板隆起)指洞室开挖后由于应力调整或地下水的冲蚀作用，导致底板变形并向上隆起的现象。

由于隧道所处的围岩性质、地质条件以及应力状态的差异，底部结构上拱的方式和机制也不相同。隧道底部结构隆起变形机制主要分为2类： 塑性剪切膨胀引起的底部结构上拱；底部围岩含有膨胀性黏土矿物，由于岩石含水率的增加，底部围岩发生膨胀变形导致底部结构上拱。依据隧底上拱的破坏力学特征分类，一般可分为4种基本类型： 挤压流动型隧底上拱、遇水膨胀型隧底上拱、挠曲褶皱型隧底上拱和剪切错动型隧底上拱。

针对隧道道床或仰拱及填充层已发生严重的结构性破坏、隧底强度整体不足、修复难度较大的隧底上拱病害，在维修天窗内施工完成后不影响列车正常通行条件下，一般可采用“纵横梁架空线路+隧底开挖与浇筑+回填道砟(有砟轨道)或新做承轨块(无砟轨道)”的方案进行隧底病害整治，简称隧道换底整治技术[9]，如图12所示。

图12 隧道换底整治技术

5 结论

1)通过对铁路隧道病害进行普查和调研，对运营期铁路隧道病害进行了梳理。在铁路隧道运营过程中，部分线路隧道出现了不同类型的病害，其原因涉及到环境、设计、施工、运营维护、原材料及部件质量等多个方面。各种类型病害对隧道结构的稳定性、耐久性、线路平顺度甚至运营安全产生了不同程度影响。

2)建立由验收检测、周期检测、日常检测、重点监测构成的运营铁路隧道检测、监测体系。对于全部隧道，在竣工验收期，以衬砌质量检测车为主进行验收检测； 进入运营期后，进行周期检测和日常检测； 对于存在风险的隧道，开展移动与定点相结合的重点监测。所有检测、监测数据集中存储于隧道检测、监测数据管理系统中。隧道服役能力智能评判系统可基于大数据分析技术提供辅助决策和预警服务。该体系覆盖隧道状态的全部检测项目、全生命周期，可及时掌握运营铁路隧道的运营状态。

3)开展运营铁路隧道状态评估方法研究，实现了隧道建筑物劣化状态的快速评定。对铁路隧道结构进行劣化类型、劣化状态、劣化等级程度、评定标准等方面的研究，通过室内试验、数值模拟和现场验证等方法确定了隧道建筑物劣化类型、劣化状态、劣化等级程度等关键技术参数，修订了适用于现代铁路隧道信息化、自动化、标准化养护维修发展要求的劣化状态评定标准，更准确及时地为铁路隧道结构病害的整治提供技术依据，提高了铁路养护维修运营效率。

4)总结出一套适用于运营铁路隧道的病害整治技术体系。通过对铁路隧道病害类型的归纳和原因分析，总结出针对铁路隧道衬砌渗漏水、接缝掉块、衬砌裂缝、空洞与厚度不足、衬砌冻害、隧底结构裂损、隧底结构下沉、翻浆冒泥、洞门裂损与洞门病害、偏压等各类型病害特点且适用于铁路隧道条件的整治方法和技术。