基于荷載鐵路隧道襯砌裂縫產(chǎn)生的原因及對策研究

喬朋慶　萬梅

[摘要]隨著鐵路網(wǎng)絡(luò)的完善隧道的占比不斷提高，但襯砌裂縫嚴(yán)重影響隧道質(zhì)量和安全，所以裂縫的治理也越來越引起人們的重視。文章主要分析了荷載下鐵路隧道襯砌產(chǎn)生裂縫的原因，并對對裂縫存在的問題提出了圍巖加固、二次襯砌表面補(bǔ)強(qiáng)和嚴(yán)格控制標(biāo)注的方法等一些相應(yīng)的裂縫預(yù)防治理措施。

[關(guān)鍵詞]襯砌裂縫 治理 圍巖加固 二次襯砌表面補(bǔ)強(qiáng)

一、緒論

（一）研究背景及意義

（1）研究背景。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國大陸2013年底運(yùn)營鐵路隧道有11074座，總長8938.78km；2014年在建的鐵路隧道有4206座，長度7795.15kin；已規(guī)劃有4600余座鐵路隧道，總長10600km。鐵路隧道作為鐵路的重要組成部分其襯砌的裂縫的預(yù)防與治理也應(yīng)引起重視。

（2）研究意義。襯砌結(jié)構(gòu)裂縫的產(chǎn)生不僅會影響美觀而且會對結(jié)構(gòu)的使用壽命（耐久性）及結(jié)構(gòu)防水產(chǎn)生不利影響，因此混凝土襯砌的開裂是誘發(fā)其他病害的主要原因。對襯砌結(jié)構(gòu)裂縫進(jìn)行及時的補(bǔ)強(qiáng)工作是保證地下結(jié)構(gòu)長期安全使用的關(guān)鍵。因此對鐵路隧道襯砌裂縫的研究具有很大的意義。

（二）國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

（1）國外研究現(xiàn)狀。c.Carranza Tortes，M.Diederichs采用等效截面法，研究了圓形隧道復(fù)合襯砌的受力狀況，并且對其安全性進(jìn)行校核。在新世紀(jì)到來后，歐洲和日本一些研究者開始采用二維、三圍有限體積法等一些新技術(shù)對火車進(jìn)入隧道后對隧道襯砌結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行研究。

（2）國內(nèi)研究現(xiàn)狀。趙永明等針對云南某單線鐵路隧道襯砌的裂縫情況，在隧道全部襯砌完成和回填壓注工作結(jié)束后，采取錨固注漿的方法修復(fù)及加固襯砌結(jié)構(gòu)。隧道與地下工程專家關(guān)寶樹提出，對于隧道襯碩裂縫病害必須“早期發(fā)現(xiàn)、及時維護(hù)”，在施工過程中的質(zhì)量控制中，采用游標(biāo)卡尺、開裂規(guī)尺、相機(jī)及記錄用紙來調(diào)查與描述襯砌表面裂縫狀況。

二、荷載引起的鐵路隧道襯砌裂縫分類

（一）鐵路隧道襯砌結(jié)構(gòu)不合理

既有鐵路隧道一般年代較久遠(yuǎn)，修建時期的勘測設(shè)計(jì)條件有限，而隧道穿越山體工程和水文地質(zhì)條件復(fù)雜多變，設(shè)計(jì)階段難以取得完整準(zhǔn)確的地質(zhì)資料。這就會導(dǎo)致隧道襯砌實(shí)際所受的荷載與設(shè)計(jì)荷載之間出現(xiàn)較大的偏差，由于荷載與產(chǎn)期結(jié)構(gòu)不相適應(yīng)在鐵路投入使用之后就會出現(xiàn)開裂。設(shè)計(jì)師在隧道設(shè)計(jì)時不能準(zhǔn)確的判斷周圍巖石的受力情況，選擇了不合適的襯砌類型就會導(dǎo)致所設(shè)計(jì)襯砌受力結(jié)構(gòu)與實(shí)際所受之力存在差異。在長期的應(yīng)力和列車行駛產(chǎn)生的應(yīng)力的作用之下，隧道襯砌便會產(chǎn)生裂縫。

（二）偏壓

（1）內(nèi)因。在隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，對偏壓型襯砌、后背挖空情況等相應(yīng)的影響沒有思考全面，邊墻的基本結(jié)構(gòu)鑲嵌幅度太小并且沒設(shè)計(jì)仰拱；在進(jìn)行施工的時候，隧道的襯砌的后面有時會有孔洞、剎肩不良和厚度不足等各種情況。

（2）外因。鐵路隧道所處的位置不合適，在迎風(fēng)口、軟弱底層上、深度溝壑、巖樁、滑坡等地方容易導(dǎo)致隧道裂縫的產(chǎn)生。

（三）外力引起的鐵路隧道襯砌裂縫

鐵路隧道襯砌在完工以后造成裂縫生成的主要因素是附加力的作用，這些附加力可劃分為幾個方面，其中主要的是四種。其一是松弛地壓力；其二是偏壓蠕動；其三為滑坡；還有一種是膨脹性的土壓力，不相同的附加力所造成的危害的外在表現(xiàn)也不相同。暴雨、地震等自然災(zāi)害也會增加病害發(fā)生的可能性。

三、鐵路隧道襯砌裂縫的預(yù)防治理措施

（一）鐵路隧道襯砌裂縫的預(yù)防措施

（1）施工時盡量減少每平方米的普通硅酸鹽水泥使用量。不同牌子、型號、出場時間的水泥不能混合用的。

（2）在條件允許的情況下應(yīng)優(yōu)先使用飲用水。沒有飲用水，使所使用水的PH>4。

（3）摻合料。建議摻加粉煤灰和膨脹劑的雙摻技術(shù)，同量替代水泥，以減少水泥用量，其具體摻量應(yīng)經(jīng)試驗(yàn)確定。

（4）外加劑。高效率的外加減水劑參量不能過多，否則就會造成混凝土的腫脹和開裂。外加劑是多種多樣的，其用量應(yīng)該要符合工程的要求。

（二）鐵路隧道襯砌裂縫的治理措施

圍巖加固。鐵路隧道上方的空洞很容易形成塌方，在有空洞的地方襯砌結(jié)構(gòu)很可能形成裂縫。應(yīng)對塌方造成的空洞時可以填漿砌片石或者是事先做注漿孔兩種方法。為了保證塌方洞穴不再因?yàn)槭Х€(wěn)造成隧道襯砌形成裂縫需要在襯砌混凝土施工后立刻注漿回填密實(shí)。在二次襯砌上方的大型孔洞若是由超挖形成，也需要立即注漿回填。二次襯砌表面補(bǔ)強(qiáng)。現(xiàn)在的鐵路隧道襯砌一般都是采用混凝土作為材料，襯砌的裂縫是客觀存在的。但是正常的狀況之下可以通過加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)和監(jiān)管來預(yù)防裂縫的產(chǎn)生。在混凝土剛剛出現(xiàn)裂縫的時候要及時的進(jìn)行治理，以防裂縫進(jìn)一步惡化。

（1）細(xì)微裂縫。隧道襯砌外表面上如同網(wǎng)狀般的裂縫就是細(xì)微裂縫。相對而言此種裂縫的危害幾乎可以忽略不計(jì)。它對襯砌的結(jié)構(gòu)不會造成危害，只是影響了審美。可對其進(jìn)行表面的處理，與周圍環(huán)境相適應(yīng)，條件不足的也可以不做處理。

（2）貫通性裂縫。貫通性裂縫有很大的破壞性，需要及時處理。處理的方法一般是加固鋼板，減小襯砌的荷載。

（3）密集裂縫。隧道襯砌背后存在的孔洞會導(dǎo)致密集裂縫的產(chǎn)生，密集裂縫是非常容易惡化的。為了防止這樣的裂縫進(jìn)一步發(fā)展成危害性的裂縫需要進(jìn)行一些相應(yīng)的防護(hù)處理，此時可以沿著開裂的方向每隔1.2m-1.5m交錯布點(diǎn)，鑿成10cmx10cm大小深5cm的方孔，用風(fēng)動鑿巖機(jī)鉆孔，孔深3-5m，注入砂漿。在注漿完成之后，另外開新的孔洞在適當(dāng)?shù)膲毫ο伦⑷爰兯酀{檢查注漿效果。

隧道襯砌的某一段若產(chǎn)生了密集裂縫，在其不威脅隧道結(jié)構(gòu)安全和凈空的斷面可以縮小的前提之下，可以采用施作套襯得方法。套襯就是指在隧道襯砌內(nèi)部再澆筑一層混凝土，減小圍巖對原有隧道襯砌的荷載。并且套襯是在已經(jīng)破壞的混凝土的內(nèi)部，因此可以阻止既有襯砌進(jìn)一步裂損變形。

四、結(jié)論

（1）在進(jìn)行隧道設(shè)計(jì)時一定要結(jié)合隧道的實(shí)際位置，實(shí)地嚴(yán)格勘探隧道建設(shè)位置的地質(zhì)，依地形選擇隧道結(jié)構(gòu)。這樣才能有效的預(yù)防結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與承載的荷載不相符造成的隧道破壞性的裂縫。

（2）隧道建成之后會受到各種的外力，有些外力不可預(yù)見例如地震，山體滑坡等。但是一些荷載卻是可預(yù)見的，例如列車行駛帶來的外力，山體荷載等，對于這些可預(yù)見荷載要采取預(yù)防措施減少其對隧道襯砌的傷害，避免一些正常范圍內(nèi)的荷載造成襯砌開裂。

（3）通過此次的研究明了對隧道襯砌裂縫我們應(yīng)該采取預(yù)防和治理相結(jié)合的方法，只有如此才能有效的治理襯砌開裂現(xiàn)象。