铁路隧道常见病害原因分析及整治技术

杨超　邹永木

【摘 要】衬砌开裂、脱空、施工缝及底板渗水是铁路隧道常见四大病害，危及隧道运营安全。为此，文章结合西南地区铁路建设施工经验，从设计、施工各环节较为全面地总结了以上四种隧道病害产生的主要原因，并提出了针对不同程度病害的整治措施和预防建议，相关成果可为铁路隧道的设计、施工提供参考。

【关键词】隧道病害; 裂缝; 脱空; 渗水

【中图分类号】U457+.2【文献标志码】B

2020年，“四纵四横”高速铁路主骨架全面建成，“八纵八横”高速铁路主通道和普速干线铁路加快建设，我国铁路运营里程达到14.6×104 km。在我国近些年的铁路开通项目中，隧道衬砌开裂、渗水等现象时有发生，不仅降低了混凝土的耐久性和隧道内各种设施的功能，恶化了隧道内的环境，而且严重影响隧道的正常运营安全。目前，我国在隧道病害研究防治方面已有了一定的成果，雷波[1]等人根据25座隧道衬砌结构纵向裂缝统计样本，建立隧道衬砌结构纵向裂缝统计样本与成因变量的列联表，并对其进行矩阵规范化处理，分析隧道衬砌纵向开裂的主要成因;刘子阳等人[2]依托六盘山隧道，充分利用天窗时间，提出了一种衬砌开裂掉块整治及加固方案;江星宏[3]等人统计分析了高铁隧道复合衬砌脱空分布和特性，并总结了围岩条件与脱空深度、长度之间关系;龚成明[4]等人简述了拱顶脱空的危害、常规处理方法，并提出了一种能有效预防脱空的带模及时注浆工艺，但目前关于隧道病害整治研究的文献较为零散，多是基于具体工程案例的整治方案。为此，文章结合西南地区铁路建设施工经验，较为全面地总结了目前隧道衬砌开裂、脱空，施工缝及底板渗水四種常见病害产生的主要原因，提出了针对不同程度病害的整治措施，相关成果对隧道的设计、施工具有一定的经验借鉴作用。

1 衬砌裂缝

隧道衬砌裂缝根据产生的原因可分为非荷载性裂缝、荷载性裂缝以及冷缝。非荷载性裂缝是衬砌混凝土自身变形而导致的裂缝，荷载性裂缝是衬砌混凝土受外力作用产生的裂缝[5]，冷缝是由于施工原因造成的裂缝。

1.1 非荷载性裂缝

由于衬砌混凝土纵向收缩受到约束而产生的应力大于混凝土的抗拉强度而引起的裂缝，也是目前隧道裂缝中数量最多的一种裂缝，一般延伸距离不长，裂缝发展初期对衬砌结构受力影响不大，主要表现为环向裂缝，在施工缝、沉降缝、伸缩缝等处居多[6]。

非荷载性裂缝主要整治措施如下：

（1）整治前先采用砂浆块或贴玻璃片设置裂缝观测标，观测确认裂缝发展情况。

（2）裂缝变形稳定后，缝宽不大于5 mm的裂缝，采用沿缝凿孔压浆封堵处理。首先沿裂缝凿楔形孔，孔口宽视裂缝大小为5～10 cm（一般为缝宽+4 cm），凿孔间距30～50 cm，冲洗干净后埋入10 mm塑料管，其周围空隙用环氧砂浆压实固管（图1）;随后采用环氧树脂进行封缝，由裂缝两端向裂缝中部注浆，无水裂缝采用环氧浆液，有水裂缝采用水溶性聚氨酯浆液，注浆压力一般为0.2～0.6 MPa，待其固结后沿缝涂环氧树脂一遍。

（3）对于宽度大于5 mm的裂缝，采用骑缝锚杆处理（图2）。衬砌后岩体完整、无水、无空洞时骑缝锚杆采用22 mm砂浆锚杆，衬砌后为软质岩、有水、有空洞或回填不密实时，采用25 mm中空注浆锚杆。22 mm砂浆锚杆（25 mm中空注浆锚杆）每根长3.5 m，沿裂缝两侧交错布置，距裂缝50 cm，沿裂缝间距1.0 m。

1.2 荷载性裂缝

分为一般荷载性裂缝和衬砌端头月牙形裂缝。

荷载裂缝是由于对高地压（塑性地压、膨胀性地压）、偏压、冻胀作用等处理不当造成外部荷载大于衬砌结构自身的承载能力而产生的裂缝，主要表现为纵向裂缝或斜向裂缝，具有延伸距离长，裂缝深度大的特点，对结构安全构成较大隐患，原则上应采取拆换重建的方式。可根据具体部位、严重程度、地质条件等，研究确定拆除拱部161°范围或墙拱全部拆除方案，天窗时间紧张的营运线路，在满足建筑限界要求的前提下可采用增加套衬的整治方案（图3）。

衬砌端头月牙形裂缝是由于二衬台车拆模过早，衬砌混凝土强度不足，在端头失去约束和受到相邻衬砌混凝土浇筑时挤压的条件下产生的裂缝（图4）。衬砌端头月牙形裂缝在列车活塞风及混凝土劣化的共同作用下，极易造成掉块，严重影响行车安全。对于宽度小于等于20 cm的月牙形裂缝，采取凿除方案，打磨后刷涂碳化涂层;对于宽度大于20 cm的月牙形裂缝，原则上采取衬砌拆换处理。

1.3 冷缝

在施工过程中由于某种原因使先浇筑混凝土在已经初凝后，后浇筑混凝土继续浇筑，使前后混凝土连接处出现的一种软弱结合面。处理措施：施工冷缝位于拱部需进行拆换处理;位于边墙处有渗水，先处理渗水，再设置骑缝锚杆处理（与裂缝大于5 mm方案一致）;位于边墙无渗水，直接进行封缝处理。

2 衬砌脱空

衬砌脱空产生的原因较多，主要可以分为以下8类：

（1）衬砌台车设计或制作的刚度、强度、外模板厚度不足，在浇筑和振捣过程中发生台车变形而引起脱空。

（2）由于防水板挂设的松弛度不足和不均匀，局部紧绷，在防水板与喷混凝土面之间形成空腔，甚至拉脱拱部防水板焊点，造成防水板成为阻止拱部混凝土流动填充的“软墙”[7]。

（3）由于防水板挂设松弛过度、余量大，形成褶皱，造成衬砌脱空。

（4）混凝土未严格逐仓、分层浇筑，在振捣和混凝土流动性不足条件下，形成衬砌脱空。

（5）拱顶混凝土采用一次泵满的方式施工，形成衬砌脱空。

（6）注浆压力、数量不足就终止了拱顶注浆。

（7）拱部注浆未设置排气孔或预留排气孔堵塞形成气囊，不能将拱部空隙填充密实，从而形成衬砌脱空。

（8）混凝土水灰比控制不当，在浇筑后发生收缩、徐变，在衬砌背后出现空隙[8]。

处理措施：脱空引起的衬砌实际厚度与设计厚度比不小于80 %，原则上可采取注浆处理。注浆材料采用微膨胀水泥砂浆，注浆压力控制在0.2 MPa以内。当注浆压力达到设计终压并稳定5 min以上，吸浆量很少或不吸浆时即可结束注浆;衬砌实际厚度与设计厚度比小于80 %时，需采用拆换措施整治，衬砌拱部存在局部欠厚参照图5进行拆换整治，衬砌边墙存在局部欠厚参照图6进行拆换整治。

衬砌拆除前，应先对拆除段前后衬砌临时加固;拆除衬砌时，边缘先采用切割工艺切割到位，再凿除衬砌混凝土，减少对拆换范围以外衬砌产生扰动破坏，衬砌拆除应采取纵向分段跳槽方式，Ⅱ、Ⅲ级围岩每次拆除长度不超过3 m，Ⅳ、Ⅴ级围岩每次拆除长度不超过1 m。

3 施工縫渗水

施工缝渗水是由于防水板、中埋式止水带等防水结构被破坏，造成地下水通过施工缝进入隧道内部的一种常见隧道病害。除水量较小的滴水缝可采用注浆封堵外，施工缝渗水整治应以凿槽引排为主（图7）。具体整治步骤如下：

（1）沿施工缝凿槽，槽深60 mm，宽30 mm呈倒梯形状（图8），并用高压水（或高压空气）冲洗槽身，清除灰碴、粉尘及松动混凝土块。

（2）复合式膨胀橡胶条大端向内置于槽底，其两侧应与槽壁密贴，采用环氧砂浆封闭，将水引至侧沟排放。

（3）拱部渗水量较大，呈雨淋状、散体状自施工缝流出时，病害整治重点是降低拱部水量、水压。可在整治措施①②后，通过边墙径向打孔排水泄压，将地下水引排至槽道及侧沟（图9）。同时，在拱部120 °范围内施做V型槽，采用M20膨胀螺栓进行固定，形成防水的第二道防线（图10）。

4 底板渗水

在列车荷载的反复作用下，底板渗水会逐渐“掏空”道床板（图11），造成道床的不均匀沉降及道床板变形开裂。从底板渗水来源进行划分，底板渗水原因主要有以下4种：

（1）浇筑混凝土时，相邻两段侧沟电缆槽之间的施工缝未凿毛、刷界面剂，形成渗水通道。侧沟水流从施工缝沿路径C流入道床底部（图12、图13）。

（2）横向引水管出水口堵塞且被破坏，排水沿E路径渗入道床底部（图13）。

（3）仰拱中埋式止水带被破坏，地下承压水沿仰拱及填充施工缝G→D路径渗入道床底板（图13）。

（4）环向、纵向盲管出水口（ 图13、图14中0位置）在浇筑混凝土时被堵塞，排水沿施工缝经A→B→C或A→F→D路径渗入道床底部。

整治步骤如下：①对道床底板渗水段落侧沟、中心水沟、横向引水管进行疏通，保持隧道排水通畅;②在积水段找平层下30 cm增设坡度为2 %横向引水管，积水通过地漏（图12）→横向引水管，排放至中心水沟;③承压水头较高地段，在隧道侧沟底部进行钻孔泄压，钻穿仰拱并做好泄水孔的反滤措施;④在渗水整治完成后，再进行无砟道床整治。对于道床板与底板间的离缝，可参照TG/GW 115-2012《高速铁路无砟轨道线路维修规则（试行）》的离缝伤损修复办法，采用低压注浆修补材料进行修复。同时采用钻孔植筋的办法，加强道床板与隧道结构的连接，在道床与底板间间隔10 cm间距植入4排直径25 mm钢筋（图15、图16）。

5 建议

目前，随着一些新工艺、新材料的投入，在隧道病害整治方面，我国铁路建设者已经积累了一套较为有效的技术体系，但归根到底，也只是一种补救措施，隧道病害整治需要投入的时间、经济成本是设计、施工阶段的数倍。提高铁路隧道建设质量水平，需要从设计、施工源头上进行优化完善，才能彻底解决隧道病害问题。结合铁路建设经验及相关文献成果，提出以下建议：

（1）对于非荷载性裂缝，要加强衬砌浇筑后的养护，通过降低水化热和加速散热，控制混凝土温度变化;同时，要提高初支平整度，特别是在围岩完整的Ⅱ、Ⅲ级段落，减少初期支护及背后围岩对衬砌的约束[5]。对于荷载性裂缝，要从勘察设计源头进行优化，合理确定各阶段勘察设计周期，加密地质勘探孔，提高对区域地质构造的判识水平。针对受构造影响严重、高地应力等地质复杂长大隧道，应结合地质特征适当降级修正隧道围岩分级，提出较适应的支护措施。

（2）重视中埋式止水带。中埋式止水带是隧道防水结构的最后一道防线，施工过程中质量控制难度大，易发生偏移、跑位、被破坏等现象，一直是隧道施工的顽疾，造成以上结果的原因不仅有现场管理问题、安装工艺问题，还有橡胶止水带在横向刚度方面的材料性能问题[9]，希望设计者重视。

（3）优化排水设计。隧道富水段落，应根据开挖揭示地质水文情况，动态调整排水设计方案，充分考虑施工因素对排水能力的折损，预留足够的排水富余量;采用深埋中心水沟，将水沟设于仰拱下方，防止隧道底部出现承压水[10];加深隧道侧沟有效过水高度，避免侧沟水流通过施工缝流入道床板底部。

（4）预防衬砌脱空，需从控制防水板铺设松弛度，混凝土浇筑等多方面入手，但其核心仍是加强施工现场过程管理，强化标准化管理，大力推行隧道施工机械化水平，最大限度地减少人为因素的影响。

参考文献

[1]雷波，漆泰岳，陈小雨，等.基于对应分析模型的隧道纵向裂缝主成因分析[J].铁道标准设计，2013（10）：102.

[2]刘子阳，程康.六盘山隧道二衬开裂掉块整治及加固方案[J].兰州工业学院学报，2017，5：14.

[3]江星宏，闫明超，曾鹏，等.高铁隧道复合衬砌脱空统计分析与防治[J].华东交通大学学报，2015，32（6）：8.

[4]龚成明，朱嘉斌，佘海龙.铁路隧道衬砌台车拱顶带模及时注浆工艺研究[J].现代隧道技术，2017，54（1）：180.

[5]谢立广，杨群.隧道衬砌环向裂缝的成因分析及预防建议[J].公路，2020，5：347.

[6]邹育麟，何川，周艺，等.重庆高速公路现役营运隧道渗漏水病害统计及成因分析[J].公路交通科技，2013，30（1）：89.

[7]王立川，周东，吴剑，等.铁路隧道复合衬砌脱空的危害分析与防治[J].中国铁道科学，20l1.32（5）：56.

[8]赵阳川，李亚林，卫 敏，等.隧道衬砌脱空及厚度不足的原因分析与防治措施初[J].现代隧道技术，2019，56（2）：41.

[9]张民庆，黎庶，刘俊成.横向内置加劲型中埋式橡胶止水带研制[J].现代隧道技术，2019，56（6）.

[10]肖广智，薛斌.向莆铁路隧道道床积水、轨道隆起病害整治技术[J].现代隧道技术，2015，52（3）.

[定稿日期]2021-03-02

[作者简介]杨超（1987～），男，硕士，工程师，主要从事隧道工程的建设管理工作;邹永木（1975～），男，本科，高级工程师，主要从事铁路工程的建设管理工作。