鐵路隧道仰拱、底板質量缺陷整治技術

鄧健

摘 要：隨著高速鐵路的迅猛發展，無砟軌道被廣泛應用，橋隧群、長大鐵路隧道等多采用無砟軌道結構。無砟軌道對隧道仰拱、底板等下部結構質量要求高，隧道施工質量提升跟不上高速鐵路發展的腳步，在施工過程中產生了部分質量缺陷，嚴重影響鐵路工程整體質量，必須進行徹底整治，確保鐵路運營安全。

關鍵詞：隧道；仰拱；缺陷；整治；技術

1 概述

近年來，我國高速鐵路建設迅猛發展，成為全世界擁有高速鐵路最多的國家，許多先進的施工生產技術和管理經驗被廣泛應用，鐵路工程整體質量得到很大提升。同時，鐵路隧道施工仍然延續以前的施工生產模式，質量提高緩慢，在已經開通運營的多條高鐵線路中，隧底滲水、返漿、冒泥、下沉等病害時有發生，嚴重影響鐵路工程整體質量，造成較大安全隱患，且處理難度大、耗費成本高。因此，對鐵路隧道仰拱、底板質量缺陷，必須在施工過程中進行徹底整治，確保鐵路運營安全。

仰拱是隧道襯砌結構的主要組成部分之一，仰拱可以看做是承受地層永久荷載和路面臨時荷載（動荷載）的一種地基梁（板），它是整個隧道襯砌的基礎。高速鐵路隧道施工斷面大，隧道結構受力較為復雜，尤以隧道底部最復雜，邊墻底與仰拱連接處應力較集中。仰拱的設置能夠將隧道上部的地層壓力通過隧道邊墻結構或將路面上的荷載有效的傳遞到地下，同時還有效的抵抗隧道下部地層傳來的反力。特別是在側壓力系數較大的軟弱圍巖、初始地應力場中具有較大的水平構造應力的圍巖、流變明顯的圍巖以及膨脹性巖體等情況，仰拱的作用就更為明顯。對于穿越軟弱圍巖地質條件的客運專線大斷面隧道，仰拱的質量對隧道襯砌體系長期使用的安全性和耐久性意義重大。

2 某鐵路隧道仰拱、底板質量缺陷現狀

2.1 某隧道工程地質概況

浙南地區某鐵路隧道位于低山區，自然坡度40°～50°，相對高差約200～300m。中線所經之地有大部分地勢較險，植被茂密，溝谷發育。該隧道地層比較單一，主要有侏羅系上統高塢組熔結凝灰巖及燕山期侵入的流紋斑巖；另外，在山間谷地、洼地及山坡地表上還零星分布有第四系坡洪積和殘坡積層。隧址區屬于華南加里東褶皺系的浙東南褶皺帶。區內未見元古代變質基底出露，全為中生代晚侏羅世一套巨厚的酸性火山巖。構造以斷裂為主，從空間展布方位看，發育有北東方向的兩條斷裂，區內褶皺不發育。隧址區未見不良地質及特殊巖土。

2.2 隧道仰拱、底板質量缺陷情況

該鐵路隧道全長9.4km，為雙線無砟軌道隧道，在隧道仰拱、底板施工完成后，無砟軌道施工之前，進行了仰拱、底板鉆芯取樣檢測。檢測共發現65處質量缺陷，其中隧底虛碴缺陷36處，約720m，虛碴厚度5～35cm；隧道仰拱厚度不足缺陷29處，約580m，厚度不足2～30cm；仰拱、底板缺陷長度約占隧道總長度的13.8%。其中，隧底虛碴缺陷主要出現在Ⅱ、Ⅲa兩種圍巖級別地段，仰拱厚度不足缺陷主要出現在Ⅲb、Ⅳa兩種圍巖級別地段。

3 仰拱、底板質量缺陷原因分析

3.1 隧道虛碴產生的原因分析

①隧底開挖過程中，打眼外插角度過大，造成底部局部超挖嚴重，機械清碴不干凈，未采用人工進行清理。

②底板炮眼間距過大，爆破后隧底凹凸不平，清底過程中出現凹處堆積虛碴的情況，未認真進行人工清碴。

③部分超深較多部分，可能存在人為回填洞碴或碎石整平情況。

3.2 仰拱結構厚度不足原因分析

①仰拱開挖過程中，炮眼間距過大，爆破后隧底凹凸不平，凸出部位欠挖，沒有進行二次補炮處理，造成仰拱局部厚度不足。

②仰拱開挖斷面檢查過程中，測量點位數量不足，未找出欠挖部位加以處理，造成隧底存在局部欠挖現象。

4 隧道仰拱、底板質量缺陷整治措施

根據隧道地質、水文情況，在確保隧道正常使用功能的前提下，結合以往施工經驗，以盡量少破壞既有結構為原則，采用以下措施對隧道仰拱、底板質量缺陷進行處理。

4.1 隧底虛碴處理措施

隧底虛碴強度低，且將隧底圍巖與隧道底板混凝土隔離，降低了隧道底板混凝土承載能力。虛碴厚度較小時，可采用注漿、錨桿加固等措施加以處理，使隧底虛碴固結，將圍巖與底板混凝土連接成整體，增強底板混凝土承載力。虛碴厚度過大以后，底板結構已經不能滿足受力要求，必須返工處理，鑿除底板，重新施做。

（1）注漿處理

Ⅱ級、Ⅲa級圍巖復合式襯砌虛碴厚度在0～10cm之間，采用注漿固結方式進行處理。注漿材料宜采用早期強度高，分散度高，漿液終凝時間不大于3h的水泥基灌漿材料，水灰比0.75：1～1.25：1，注漿壓力0.3～0.5MPa。注漿過程中，不得隨意停泵，以防管路堵塞。注漿時應注意注漿壓力、儲漿桶漿液下降情況及跑漿情況。若注漿時間很長而不升壓，可能漿液流竄太遠，應縮短漿液凝結時間或停止注漿。注漿時，安排專人記錄漿液消耗量、注漿時間、注漿壓力等技術參數。靠近中心管溝一側注漿孔注漿時，應防止漿液流入中心管溝，必要時可采取縮短漿液凝結時間或間歇注漿進行處理。注漿完成后，進行取芯檢查，對固結效果不佳部位進行補注漿，直至虛碴完全固結。雙線無砟軌道鐵路隧道Ⅱ級、Ⅲa級圍巖底板注漿孔布置見下圖：

（2）注漿+錨桿加固處理

Ⅱ級、Ⅲa級圍巖復合式襯砌虛碴厚度在10～25cm之間，采用注漿加錨桿方式進行處理。隧道底板下虛碴經注漿固結后，采用Φ32自進式錨桿進行加固處理。自進式錨桿每橫斷面4根，縱向間距2m。錨桿伸入基巖長度不小于2.0m，錨桿尾端設置錨墊板。錨桿抗拔力不小于120kN（錨固長度按2m計），砂漿飽和度不小于90%。錨桿長度可結合現場取芯情況確定，錨桿墊板應埋入隧道仰拱填充層中，且不得破壞隧道底板內鋼筋。錨桿加固可結合注漿鉆孔孔位進行，且需在注漿漿液初凝以后才能開展加固施工。雙線無砟軌道鐵路隧道Ⅱ級、Ⅲa級圍巖底板錨桿布置見下圖：

（3）返工處理

Ⅱ級、Ⅲa級圍巖隧底虛碴厚度在25cm以上時，采取返工處理。為了減少對已施工完成的隧道排水系統造成破壞，在返工處理時，只挖除左、右線路以下部分，隧道中心管溝及兩側電纜溝槽下部不返工。

4.2 仰拱厚度不足處理措施

仰拱厚度不足，降低了仰拱混凝土承載能力。同時，又使仰拱較標準設計抬高，改變了仰拱的弧度，導致仰拱混凝土幾何形狀變差，降低了仰拱混凝土物理力學性能。當仰拱厚度大于設計厚度的80%以上時，仰拱物理力學性能降低較少，可采用錨桿加固措施進行處理。錨桿的主要作用為把隧底圍巖、初期支護、仰拱混凝土、仰拱填充混凝土緊密組合在一起整體受力，相當于加厚了仰拱。打設錨桿后，可以改善仰拱物理力學性能，提高仰拱的彈性模量和粘聚力，和圍巖共同作用形成承載拱，約束隧底圍巖向上隆起，抑制仰拱結構變形。當仰拱厚度不足設計厚度的60～70%以后，仰拱結構已經不能滿足受力要求，喪失了仰拱施做初衷，必須返工處理，拆除仰拱，重新施做。

（1）錨桿加固處理

Ⅲb仰拱厚度在設計厚度60%～80%以內，且混凝土強度滿足設計要求的，采用錨桿補強處理；IV級、V級圍巖仰拱厚度在設計厚度70%～80%以內，且混凝土強度滿足設計要求的，采用錨桿補強處理。隧道仰拱采用Φ32自進式錨桿進行加固處理。自進式錨桿每橫斷面4根，縱向間距2.5m。錨桿伸入基巖長度不小于2.5m，錨桿尾端設置墊板。錨桿抗拔力不小于120kN（錨固長度按2.5m計），砂漿飽和度不小于90%。錨桿長度長度可結合現場取芯情況確定，錨桿墊板應埋入隧道仰拱填充層中。隧道仰拱補強處理應在隧道仰拱下虛碴注漿固結處理完成后進行。雙線無砟軌道鐵路隧道Ⅲb級、Ⅳ級、Ⅴ級圍巖仰拱錨桿布置見下圖：

（2）返工處理

Ⅲb仰拱厚度不足設計厚度60%的，返工處理。IV、V級圍巖仰拱厚度不足設計厚度70%的，返工處理。為了減少對已施工完成的隧道排水系統造成破壞，在返工處理時，只挖除左、右線路以下部分，隧道中心管溝及兩側電纜溝槽下部不返工。

5 結束語

5.1 徹底處理仰拱、底板質量缺陷

對隧道仰拱、底板進行加密取芯檢測，確定質量缺陷處理范圍，徹底處理隧道仰拱、底板質量缺陷，保證隧道仰拱、底板滿足使用功能，確保高速鐵路運營安全。

5.2 加強施工質量過程控制

為了確保今后施工的隧道仰拱、底板施工質量，杜絕隧底虛碴、仰拱厚度不足等問題的再次發生，必須加強施工質量過程控制。所有隧道施工工點，每次仰拱、底板施工之前，必須采用人工清理隧底虛碴，準確測量仰拱厚度。清理完成后，由施工單位、監理單位現場負責人共同檢查，確保隧底虛碴清理干凈、厚度符合設計要求后，方可進行仰拱、底板施工。進一步提升隧道工程施工質量，確保高速鐵路運營安全。

參考文獻：

[1]《高速鐵路隧道工程施工質量驗收標準》（TB10753-2010）[M].北京，中國鐵道出版社，2011.

[2]《高速鐵路隧道工程施工技術指南》（鐵建設[2010]241號）[M].北京，中國鐵道出版社，2011.

（3）返工處理

Ⅱ級、Ⅲa級圍巖隧底虛碴厚度在25cm以上時，采取返工處理。為了減少對已施工完成的隧道排水系統造成破壞，在返工處理時，只挖除左、右線路以下部分，隧道中心管溝及兩側電纜溝槽下部不返工。

4.2 仰拱厚度不足處理措施

仰拱厚度不足，降低了仰拱混凝土承載能力。同時，又使仰拱較標準設計抬高，改變了仰拱的弧度，導致仰拱混凝土幾何形狀變差，降低了仰拱混凝土物理力學性能。當仰拱厚度大于設計厚度的80%以上時，仰拱物理力學性能降低較少，可采用錨桿加固措施進行處理。錨桿的主要作用為把隧底圍巖、初期支護、仰拱混凝土、仰拱填充混凝土緊密組合在一起整體受力，相當于加厚了仰拱。打設錨桿后，可以改善仰拱物理力學性能，提高仰拱的彈性模量和粘聚力，和圍巖共同作用形成承載拱，約束隧底圍巖向上隆起，抑制仰拱結構變形。當仰拱厚度不足設計厚度的60～70%以后，仰拱結構已經不能滿足受力要求，喪失了仰拱施做初衷，必須返工處理，拆除仰拱，重新施做。

（1）錨桿加固處理

Ⅲb仰拱厚度在設計厚度60%～80%以內，且混凝土強度滿足設計要求的，采用錨桿補強處理；IV級、V級圍巖仰拱厚度在設計厚度70%～80%以內，且混凝土強度滿足設計要求的，采用錨桿補強處理。隧道仰拱采用Φ32自進式錨桿進行加固處理。自進式錨桿每橫斷面4根，縱向間距2.5m。錨桿伸入基巖長度不小于2.5m，錨桿尾端設置墊板。錨桿抗拔力不小于120kN（錨固長度按2.5m計），砂漿飽和度不小于90%。錨桿長度長度可結合現場取芯情況確定，錨桿墊板應埋入隧道仰拱填充層中。隧道仰拱補強處理應在隧道仰拱下虛碴注漿固結處理完成后進行。雙線無砟軌道鐵路隧道Ⅲb級、Ⅳ級、Ⅴ級圍巖仰拱錨桿布置見下圖：

（2）返工處理

Ⅲb仰拱厚度不足設計厚度60%的，返工處理。IV、V級圍巖仰拱厚度不足設計厚度70%的，返工處理。為了減少對已施工完成的隧道排水系統造成破壞，在返工處理時，只挖除左、右線路以下部分，隧道中心管溝及兩側電纜溝槽下部不返工。

5 結束語

5.1 徹底處理仰拱、底板質量缺陷

對隧道仰拱、底板進行加密取芯檢測，確定質量缺陷處理范圍，徹底處理隧道仰拱、底板質量缺陷，保證隧道仰拱、底板滿足使用功能，確保高速鐵路運營安全。

5.2 加強施工質量過程控制

為了確保今后施工的隧道仰拱、底板施工質量，杜絕隧底虛碴、仰拱厚度不足等問題的再次發生，必須加強施工質量過程控制。所有隧道施工工點，每次仰拱、底板施工之前，必須采用人工清理隧底虛碴，準確測量仰拱厚度。清理完成后，由施工單位、監理單位現場負責人共同檢查，確保隧底虛碴清理干凈、厚度符合設計要求后，方可進行仰拱、底板施工。進一步提升隧道工程施工質量，確保高速鐵路運營安全。

參考文獻：

[1]《高速鐵路隧道工程施工質量驗收標準》（TB10753-2010）[M].北京，中國鐵道出版社，2011.

[2]《高速鐵路隧道工程施工技術指南》（鐵建設[2010]241號）[M].北京，中國鐵道出版社，2011.

（3）返工處理

Ⅱ級、Ⅲa級圍巖隧底虛碴厚度在25cm以上時，采取返工處理。為了減少對已施工完成的隧道排水系統造成破壞，在返工處理時，只挖除左、右線路以下部分，隧道中心管溝及兩側電纜溝槽下部不返工。

4.2 仰拱厚度不足處理措施

仰拱厚度不足，降低了仰拱混凝土承載能力。同時，又使仰拱較標準設計抬高，改變了仰拱的弧度，導致仰拱混凝土幾何形狀變差，降低了仰拱混凝土物理力學性能。當仰拱厚度大于設計厚度的80%以上時，仰拱物理力學性能降低較少，可采用錨桿加固措施進行處理。錨桿的主要作用為把隧底圍巖、初期支護、仰拱混凝土、仰拱填充混凝土緊密組合在一起整體受力，相當于加厚了仰拱。打設錨桿后，可以改善仰拱物理力學性能，提高仰拱的彈性模量和粘聚力，和圍巖共同作用形成承載拱，約束隧底圍巖向上隆起，抑制仰拱結構變形。當仰拱厚度不足設計厚度的60～70%以后，仰拱結構已經不能滿足受力要求，喪失了仰拱施做初衷，必須返工處理，拆除仰拱，重新施做。

（1）錨桿加固處理

Ⅲb仰拱厚度在設計厚度60%～80%以內，且混凝土強度滿足設計要求的，采用錨桿補強處理；IV級、V級圍巖仰拱厚度在設計厚度70%～80%以內，且混凝土強度滿足設計要求的，采用錨桿補強處理。隧道仰拱采用Φ32自進式錨桿進行加固處理。自進式錨桿每橫斷面4根，縱向間距2.5m。錨桿伸入基巖長度不小于2.5m，錨桿尾端設置墊板。錨桿抗拔力不小于120kN（錨固長度按2.5m計），砂漿飽和度不小于90%。錨桿長度長度可結合現場取芯情況確定，錨桿墊板應埋入隧道仰拱填充層中。隧道仰拱補強處理應在隧道仰拱下虛碴注漿固結處理完成后進行。雙線無砟軌道鐵路隧道Ⅲb級、Ⅳ級、Ⅴ級圍巖仰拱錨桿布置見下圖：

（2）返工處理

Ⅲb仰拱厚度不足設計厚度60%的，返工處理。IV、V級圍巖仰拱厚度不足設計厚度70%的，返工處理。為了減少對已施工完成的隧道排水系統造成破壞，在返工處理時，只挖除左、右線路以下部分，隧道中心管溝及兩側電纜溝槽下部不返工。

5 結束語

5.1 徹底處理仰拱、底板質量缺陷

對隧道仰拱、底板進行加密取芯檢測，確定質量缺陷處理范圍，徹底處理隧道仰拱、底板質量缺陷，保證隧道仰拱、底板滿足使用功能，確保高速鐵路運營安全。

5.2 加強施工質量過程控制

為了確保今后施工的隧道仰拱、底板施工質量，杜絕隧底虛碴、仰拱厚度不足等問題的再次發生，必須加強施工質量過程控制。所有隧道施工工點，每次仰拱、底板施工之前，必須采用人工清理隧底虛碴，準確測量仰拱厚度。清理完成后，由施工單位、監理單位現場負責人共同檢查，確保隧底虛碴清理干凈、厚度符合設計要求后，方可進行仰拱、底板施工。進一步提升隧道工程施工質量，確保高速鐵路運營安全。

參考文獻：

[1]《高速鐵路隧道工程施工質量驗收標準》（TB10753-2010）[M].北京，中國鐵道出版社，2011.

[2]《高速鐵路隧道工程施工技術指南》（鐵建設[2010]241號）[M].北京，中國鐵道出版社，2011.