鐵路隧道二次襯砌施工冷縫成因及對策

滿世浩 石廣田 滿開泉

1.蘭州交通大學機電工程學院，蘭州 730070；2.中國鐵路蘭州局集團有限公司工程質量監督站，蘭州 730030

因2020年西南一座鐵路隧道發生掉塊事故，冷縫引起廣泛關注，相關部門下發通知，專題安排對隧道二次襯砌冷縫進行排查整治。

Q/CR 9250—2020《鐵路隧道襯砌施工技術規程》［1］對冷縫的定義為：“隧道每模襯砌澆筑過程中由于某種原因造成澆筑中斷，且間隔時間超過混凝土初凝時間，現場未采取相應的處理措施就進行后續混凝土施作，先后澆筑混凝土之間出現的弱結合面”。

Q/CR 9207—2017《鐵路混凝土工程施工技術規程》［2］要求：“混凝土澆筑應連續進行……當超過允許間歇時間時，應按澆筑中斷處理，同時應留置施工縫，并做記錄。施工縫的平面應與結構的軸線相垂直”。事實上，隧道二次襯砌現場施工時，澆筑工藝中斷后，按Q/CR 9207—2017 的要求留置施工縫是有難度的，因此不同程度地導致了冷縫的存在。

本文對存在冷縫的隧道二次襯砌進行受力分析，探究對策以降低冷縫帶來的危害。

1 冷縫成因及危害

1.1 冷縫產生的原因

對近年來現場檢查中發現的有關隧道二次襯砌方面的質量問題進行統計，并結合近年來隧道病害，對因隧道掉塊造成的鐵路事故進行分析，發現冷縫產生的原因主要包括以下幾個方面。

1）因現場設備故障、堵管、停電等原因，造成澆筑工藝中斷后未按Q/CR 9207—2017 要求采取相應措施。隧道二次襯砌施工中出現冷縫，如果按施工縫處置，必須先退模才能進行后續施工，費工費時，成本巨大。如果冷縫出現在拱腰部位，難以留置施工縫，現場往往不做處理從而留下冷縫。

2）拌和站設置過遠，導致混凝土供應不及時。施工圖設計時，會根據現場實際、混凝土需求量確定拌和站位置。TB 10424—2018《鐵路混凝土工程施工質量驗收標準》［3］要求：“混凝土運輸、澆筑及間歇的全部時間不應超過混凝土的初凝時間”。實際施工準備中，受現場條件制約或施工單位為節約成本，會有一些位置調整，而調整位置時很可能會忽略運輸距離拉長、道路條件對混凝土的影響，特別是一些集中式拌和站，可能會導致遠端施工點混凝土供應超過初凝時間。

3）現場工藝控制不到位，分層澆筑工藝落實不好。受現場管理水平限制，個別項目中未能嚴格落實分層開窗澆筑、逐窗振搗要求，造成混凝土離析，拆模后二次襯砌表面會有明顯的“駝峰”線，出現澆筑口“集料窩”、兩側水泥砂漿不均勻的現象。

1.2 冷縫對隧道二次襯砌的危害

冷縫對隧道二次襯砌結構的影響主要體現在以下兩個方面。

1）薄弱結合面造成混凝土結構的整體性和抗應變能力下降。由于冷縫的存在，在強降雨天氣下水壓力使混凝土結構破壞。從現場經驗和隧道病害統計結果看，有二次襯砌病害問題的隧道多出現在富水隧道，事故也多發于雨季。

2）混凝土不密實造成滲水，又因長期凍融使混凝土結構產生破壞。高寒區隧道有初砌掉塊事故的案例，而無水、貧水隧道二次襯砌冷縫發展成病害的案例較少。

2 存在冷縫的隧道二次襯砌受力分析

運用有限元軟件建立模型，分析二次襯砌存在冷縫對隧道結構安全的影響機理，水壓力對帶冷縫二次襯砌結構安全的影響，以及不同部位的冷縫對隧道結構安全的影響。

2.1 冷縫對鋼筋混凝土和素混凝土二次襯砌的影響

2.1.1 模型與參數

模型建立以一座250 km/h 客運專線鐵路雙線隧道（雙塊式無砟軌道），Ⅲ級圍巖為基礎。該隧道結構形式為復合式襯砌帶仰拱，初期支護、二次襯砌混凝土厚度分別取12、40 cm，強度等級分別為C25、C30。考慮到二次襯砌縱向的單次澆筑長度與臺車長度一致，如果出現冷縫，其縱向長度最大為臺車長度，且與隧道環向施工縫相交。結合現場情況，計算模型沿隧道縱向取36 m，中間12 m 設為冷縫脫落區，其凈空高為550 cm，塊長為250 cm，冷縫一直延伸到施工縫處。頂部取實際埋深140 m，模型兩側及底部均取隧道3 倍洞徑以上距離以消除邊界效應。圍巖-隧道模型尺寸為高200 m，寬120 m，見圖1。

圖1 圍巖-隧道計算模型

素混凝土結構計算模型見圖2，初期支護、二次襯砌結構采用彈性單元，圍巖采用實體單元。初期支護與二次襯砌之間設置接觸面，模擬兩種結構間的擠壓和滑移；冷縫結合面、施工縫結合面設置有摩擦的接觸面，模擬結合面之間的摩擦擠壓。參照文獻［4］，冷縫結合面摩擦因數取0.35；假定施工縫按標準流程施工，施工縫結合面摩擦因數取0.70。

圖2 素混凝土結構計算模型（單位：mm）

根據現場情況，隧道二次襯砌掉塊前該地區出現了強降雨天氣，因此本次模擬考慮水壓力的作用。水頭高度取該襯砌結構檢算中能承受的極限值，約8 m。

鋼筋混凝土模型在素混凝土結構模型基礎上，添加鋼筋網結構，利用接觸命令綁定鋼筋模型與混凝土模型。材料計算參數取自TB 10003—2016《鐵路隧道設計規范》［5］，鋼筋選用HRB335熱軋帶肋鋼筋，全環鋼架主筋規格16@400，縱向筋10@250，拉筋8@250，采用鋼筋網結構（圖3）。材料計算參數見表1。

圖3 鋼筋混凝土模型配筋（單位：mm）

表1 材料計算參數

2.1.2 模擬結果與分析

1）素混凝土二次襯砌受力分析

素混凝土模型及二次襯砌掉塊區混凝土第一主應力云圖見圖4。可知：二次襯砌掉塊區混凝土第一主應力在施工縫結合面與冷縫結合面的交界部位出現集中拉應力，最大值達4.94 MPa，超出C30 混凝土極限抗拉強度（2.2 MPa）。出現不光滑鋸齒狀裂縫的掉塊的下緣部位［圖4（b）黑線區域］應力為3.24 MPa。

圖4 素混凝土模型第一主應力云圖

數值模擬結果驗證了冷縫致使二次襯砌掉塊的機理：與一次性澆筑成型相比，冷縫結合面混凝土黏結力不足，形成薄弱面，冷縫面兩側襯砌無法有效傳遞切向力，使得本應均勻傳遞的載荷集中在冷縫處；且施工縫處也為一薄弱面，應力在施工縫與冷縫的交界部位集中，率先在此處破裂，沿圖4（b）黑線進一步擴展致使掉塊。

2）素混凝土與鋼筋混凝土二次襯砌對比分析

相較于素混凝土結構，鋼筋混凝土結構提高了結構承載能力。如圖5 所示，鋼筋混凝土二次襯砌X方向的形變比素混凝土二次襯砌減小了15.5%，同樣工況下掉塊區所有部位的第一主應力值減幅明顯，最大值由4.94 MPa降至1.93 MPa，降至C30混凝土容許應力范圍內，降低了混凝土結構被破壞的可能性。鋼筋模型最大組合應力41.43 MPa（圖6），小于其容許應力（300 MPa），在安全范圍內。

圖5 素混凝土模型和鋼筋混凝土模型X方向位移云圖

圖6 鋼筋混凝土模型最大組合應力云圖

2.2 水頭高度對帶冷縫二次襯砌結構的安全性分析

郭詠輝等［6］論證了不同水頭高度對于帶冷縫隧道二次襯砌結構的影響，認為帶冷縫隧道二次襯砌結構安全性隨水頭升高迅速降低，“至40 m 結構安全性已低于TB 10003—2016《鐵路隧道設計規范》要求，至60 m 結構存在極高的破壞風險”。本文進行了無水頭與8 m 水頭二次襯砌受力對比，圖7 反映了無水頭時冷縫對素混凝土初砌結構的影響。

圖7 素混凝土模型（無水頭）應力與位移云圖

對比圖7（a）與圖4（a），無水頭情況較施加8 m 水頭作用時，最大應力由1.98 MPa 增大到4.94 MPa，應力集中情況明顯；X方向最大位移由1.31 mm 增加到1.54 mm。對比結果進一步驗證了冷縫致使二次襯砌掉塊的機理，即：災害前隧址區歷經暴雨，地下水位聚集升高，致使隧道外部水壓力突增；二次襯砌存在水平狀的冷縫缺陷，突增的荷載無法通過冷縫均勻傳遞，使得局部區域沿冷縫發生錯動變形與彎折破壞，該處結構受到向隧道凈空側的推壓作用，最終致使其在凈空側脫落。

2.3 不同冷縫條件下二次襯砌結構的安全性分析

根據現場病害部位反饋，對不同冷縫條件下二次襯砌結構安全性進行定量評估。分析時，設置二次襯砌上的拱腰、墻腰、墻腳部位出現冷縫。考慮到實際工程中，拱頂不易出現垂向冷縫，但會出現背后空洞造成襯砌厚度不足的情況，故拱頂工況降低局部厚度。不同冷縫條件計算模型見圖8。

圖8 不同冷縫條件計算模型（單位：mm）

對于不同冷縫條件模擬結果，提取二次襯砌內力，依據TB 10003—2016 計算襯砌結構安全系數。各工況下典型位置結構安全系數見表2。可以看出，在無水壓力的情況下，不同冷縫條件各部位安全系數較完整襯砌結構均有所下降，其中以拱腰部位降幅最為明顯，約62%。按照冷縫條件對二次襯砌結構的安全性影響大小排序，依次為拱腰＞拱頂＞墻腳＞墻腰。拱腰出現冷縫較其他部位對襯砌整體安全影響更為明顯。

表2 不同冷縫條件下典型位置結構安全系數

2.4 小結

1）冷縫面兩側襯砌無法有效傳遞切向力，應力向施工縫與冷縫的交界部位集中，率先在此破壞。

2）相比素混凝土，在同種工況下鋼筋混凝土結構掉塊區內所有部位的應力在容許應力范圍內。

3）針對水頭壓力對于帶冷縫的隧道二次襯砌結構的影響分析表明，集中降雨導致地下水位上升使隧道外部水壓力突增時，突增的載荷無法通過冷縫均勻傳遞，導致局部區域沿冷縫發生錯動變形與整體彎折破壞，極易造成二次襯砌掉塊。

4）對于不同部位冷縫對二次襯砌結構安全性的影響，拱腰＞拱頂＞墻腳＞墻腰。對素混凝土二次襯砌，即使無水條件下，拱腰出現冷縫時其安全系數也會明顯降低，應引起高度重視。

3 對策

3.1 強化特殊地區隧道結構設計

根據數值模擬結果和事故發生區域、原因分析，建議在富水區、嚴寒地區隧道二次襯砌用鋼筋混凝土替代素混凝土，在試驗、運用成熟后，納入TB 10621—2014《高速鐵路設計規范》［7］中。一方面，隧道掉塊對高速鐵路運營造成不可接受風險；另一方面，控制隧道二次襯砌施工冷縫對施工工藝控制要求高，出現缺陷后整治難度大，特別是投入運營的隧道，受天窗點、作業環境影響，實施困難。因此，高速鐵路隧道二次襯砌適當提高設計標準，符合條件的隧道用鋼筋混凝土替代素混凝土是經濟的。

3.2 細化隧道冷縫排查措施

1）對隧道隱患整治排查活動摸排出的冷縫缺陷，首先要將其列為重點觀察點加強觀測，發現安全隱患時再采取合適的方案進行整治。冷縫病害排查目前尚缺乏統一的判定標準和檢測方法。判斷是否存在冷縫，較為合理的程序是檢查二次襯砌混凝土澆筑記錄是否存在中斷，或者是通過檢測手段進行判斷，但前提是澆筑記錄要真實可信。而檢測手段中，超聲波檢測的準確性尚有待提高，鉆芯法可靠，但耗時、費用大。由于隧道數量大、檢測作業受天窗限制，現場多采用觀察法，使得病害判定存在主觀性。已發生病害隧道的統計結果相對準確，從結果推定原因有其合理性。新建隧道、未發生病害隧道的統計結果則有失精準，存在未經驗證，誤將部分二次襯砌表面貫通痕跡線視為冷縫的現象，造成數據失真。

2）對于富水區、嚴寒地區的隧道的素混凝土二次襯砌應盡早進行排查；排查過程中應對拱腰、拱頂處優先排查、優先處理。

3）有冷縫的部位，也應關注與冷縫相交的兩端施工縫情況，因破壞會率先從此處開始。

3.3 加強隧道二次襯砌施工過程控制

1）強化對混凝土澆筑記錄的管理，將之作為施工的重要檔案，建議在TB 10424—2018 中明確要求。此外，建議在拌和站信息化管理系統中增加出車、回程管理，強化對現場的管理。監督檢查也應作為重點，納入《鐵路建設工程質量安全監督檢查要點（站前工程）》中。

2）細化Q/CR 9207—2017 冷縫處理相關內容，使其更具操作性。

3）優化拌和站設置。拌和站集中管理有其優越性，對混凝土質量控制、成本節約起到積極作用，但鐵路建設線長、施工條件差，有些不具備工藝保障條件的地段要考慮客觀條件。

4 結語

1）強降雨帶來的突增的水壓力荷載無法通過冷縫均勻傳遞是致使二次襯砌掉塊的主要原因；鋼筋混凝土可以有效提升二次襯砌承載能力；拱腰出現冷縫對于整個隧道安全性影響最大。

2）由于施工冷縫病害隱蔽性較強、檢測難度大，處理不當后果嚴重，所以必須從設計、施工兩個方面加以控制，綜合治理、預防為主。

3）在施工過程中，一旦出現工藝中斷，及時采取補救措施最為經濟。要提高隧道二次襯砌冷縫對鐵路運營安全危害的認識，對可能產生冷縫的施工因素進行識別，分類制訂措施和預案，及時處理。