铁路隧道衬砌背后空洞影响及处理分析

铁路隧道衬砌背后空洞影响及处理分析

【摘要】随着我国交通基础设施规模的不断扩大与工艺升级，铁路事业的飞越式发展，高速铁路的全面建设，通过隧道来进行轨道铺设的工程项目越来越多，而隧道建设的安全性与稳定性，成为了建设者与运营管理者首要关注的问题。本文就隧道衬砌背后空洞的安全性与处理方法做出探讨，为做好其安全建设提出建议。

【关键词】隧道；衬砌背后空洞；处理；安全

隧道属于地下建筑结构，对于铁路建设来说，隧道的安全性十分的重要。隧道的位置特殊性与结构特殊性，决定了其隐患发现难、病害成因多、病害处置难等特点，如何做好隧道的安全隐患排查与处理是隧道建筑研究的最重要内容。其中，衬砌背后空洞是隧道建设中常见的安全隐患，也是比较难根除的顽疾之一。

一、铁路隧道衬砌背后空洞的形成分析

1. 隧道衬砌背后空洞的形成

铁路隧道设计规范要求隧道衬砌与围岩紧密贴合，实际上衬砌与围岩之间常存在空隙或两者之间填补不够密实，留有的夹缝被称为“背后空洞”。衬砌背后空洞既与隧道施工工法有关，又与隧道地质水文条件、隧道防排水设施与方式有关。

首先，隧道施工过程中，由于施工设备、施工技术水平、施工工艺等原因很难确保隧道衬砌背后回填完全密实，衬砌背后容易存在空洞或回填不密的情况。一般来说拱顶、拱腰是施工确保密实的难点，由于力学因素与施工工艺所限，这些部位极易产生空洞。隧道运营过程中，衬砌背后回填物中可能有松散土体或易分解、溶解物质，施工结束后，在地下水的渗透、冲刷和腐蚀下，将松散岩体与微小颗粒冲去而产生空洞，此外隧道围岩如果包含易溶物质，也容易产生空洞。

总结得出，空洞形成的原因有两个必要条件。一是引起衬砌变形、移动和开裂的外部条件发生变化；二是衬砌抵抗变形、移动和开裂的能力不足以适应外部荷载的变化。

2.施工中背后空洞形成的原因

在施工中，混凝土收缩的塑性收缩和缩水收缩是发生混凝土体积变形的主导因素，另外还有自生收缩和炭化收缩等收缩情况。

塑性收缩就是在施工过程中、混凝土浇筑后的六小时内，水泥的水化反应激烈，分子链变化，出现泌水和水分急剧蒸发的现象，混凝土失水收缩，伴随骨料框架因自重下沉，因此时混凝土没有硬化，形成的收缩。

缩水收缩就是混凝土结硬以后，随着表层水分逐步蒸发，湿度的降低使混凝土收缩结硬，混凝土体积减小而形成的缩水，又称为干缩。

自生收缩是混凝土在硬化过程中，水泥与水由于水化反应，形成的收缩，与外界湿度无关。

炭化收缩是指大气中的二氧化碳与水泥的水化物发生化学反应引起的收缩变形。

3.影响背后空洞形成的因素

首先是水泥的类型与型号。矿渣水泥、低热水泥、快硬水泥等收缩性较强，普通水泥、火山灰水泥、矾土水泥混凝土收缩性较弱。水泥标号越低、单位体积用量越大、磨细度越大，则混凝土收缩越大，且发生收缩时间越长。

第二，骨料品种。石英、石灰岩、花岗岩等材料吸水性较小、收缩性较低。砂岩、板岩等吸水性较强、收缩性较高。另外骨料的密度也对收缩性很重要。

第三，用水量。用水量越大，水灰比越高，混凝土收缩性越高。

第四，施工过程。机械振捣的过程也很重要。振捣的时间太短，振捣不密实，形成混凝土强度不足或不均匀；时间太长，造成分层都会使密度不均匀，易发生收缩裂缝。

第五，混凝土浇筑期间技术措施不当。由于泵送压力不足或混凝土流动性不足，泵送口角度不合理，防水层松铺长度不足，封口不当等原因造成的脱空，是混凝土浇筑期间主要的形成空洞的原因。

第六，设计问题。一是设计初对于地形与地质的调研不够，直接造成了空洞形成的原因。二是对隧道洞承重压力的计算方式方法不对，或是误差太大。三是对于地表条件考虑不准，深埋与浅埋划分不清。

第七，隧道运营过程中形成空洞的原因。一是衬砌材料老化劣化，由于使用时间的问题，材料的老化劣化不可避免。二是保养维修的不及时。三是道运营过程中，衬砌背后回填物中可能存在松散土体或易腐蚀分解的材料。

二、背后空洞造成的病害

1.衬砌产生开裂

根据很多隧道运营过程中，空洞造成的病况情况来看，背后空洞是衬砌裂损及渗漏水等病害的关键。由于隧道施工与设计在工程开始便形成隐患而没有进行整治，后期由于地下水长期侵蚀与冲洗，围岩变形产生新荷载以及衬砌防水层老

化等共同影响，产生隧道衬砌病害。隧道衬砌病害都可能造成结构承受荷载不均匀对称，产生偏压现象，进而形成隧道变形。衬砌背后空洞即使引起很小的偏压作用，衬砌也会产生开裂。背后空洞会使一侧拱肩下沉，另一侧造成上升，容易形成裂缝。偏压形成的侧向开裂和环状开裂，拱和墙的接缝容易形成错位。

2.空洞引起的地层下沉

地层下沉起因于地下空洞的变异，不仅造成隧道本身下沉，包括隧道周围的结构也会有下沉的危害。空洞位于地表深部时会形成大范围的盆状下陷，空洞比较浅时会发生局部的浅层下陷，地层下沉会使隧道在纵断方向发生扭曲，环向开裂的状况很明显，施工缝以外的部分会出现不规则变化。

3.空洞会形成地压松弛

对于松弛地压来说，很容易使隧道建筑在不平衡地压的情况下，发生形变，在拱顶处沿隧道纵向多产生张开性开裂。松弛地压沿隧道纵向连续作用时，松弛围岩的重量主要作用在拱部，拱顶附近是主动区域，形成开口状开裂。

三、铁路隧道衬砌背后空洞的控制对策

铁路隧道结构衬砌病害的控制要从设计理念、施工质量控制和养护维修3个方面来控制。

1.改变改进传统的设计理念，尤其是单层衬砌支护的方法，采用先拱后墙的施工方法，这样必然会出现施工过程中拱部压力大而形成结构下沉，进而造成拱部衬砌结构与围岩的脱离，形成空洞或裂缝，因此要在设计时对于衬砌支护在调研时做好预想，对于如何平衡支应力做好研究。

2.在施工过程中，通过对施工质量的控制，严把初期支护各环节质量，在铺设防水板之前应用探地雷达对衬砌背后进行全面探测，以探测空洞的形成程度，有针对性的对发现的空洞进行注浆，直到探测满足要求为止。安装防水层时必须保证足够的松铺系数，防止因防水层铺挂过紧造成混凝土挤破防水层。控制好衬砌混凝土的泵送压力和流动性，防止衬砌与防水板之间出现空洞。

3. 隧道交付运营中，考虑列车运行频繁振动的具体情况，在隧道周边围岩实施衬砌背后的回填注浆和径向注浆，以防发生空洞周边围岩的坍塌。在运营中，保养维修是关键，定期与不定期的检查与保养是十分必要的。

4.在对运营隧道进行定期检查的基础上，一方面要对病害及时整治，包括结构修复和衬砌背后的回填注浆，以及对围岩的加固和堵水；实施对重点隧道及地段全面检测和关键指标的实时监测，并制定相应的预警和报警指标值。由此可有效地控制隧道衬砌背后空洞的发展以及安全事故的发生。

铁路运营隧道衬砌背后质量受设计特殊性、施工质量控制和运营管理等层面