单线铁路隧道衬砌开裂原因及处理措施探讨

单线铁路隧道衬砌开裂原因及处理措施探讨

摘要：随着我国公路、铁路交通的进一步发展，隧道结构技术难度越来越大，地质情况越来越复杂，如超大直径、超长距离、超深埋深和超高水压隧道越来越多，这对隧道的设计、施工和运营期的管理与维护都提出了新的挑战。本文就单线铁路隧道衬砌开裂原因进行简要分析，同时也提出了相应的解决对策。

关键词：单线铁路隧道；衬砌开裂原因；处理措施

1、工程概况

某单线电气化铁路隧道为全线控制性工程，隧道总长4632m，合同工期为36个月。由于该隧道为全线控制工期工程，综合考虑地质条件、地形条件和工期等因素，全隧道设置2座斜井辅助正洞施工。其中1＃斜井长214m，2＃斜井长60m。其中：Ⅱ、Ⅲ级围岩占隧道全长的41％，Ⅳ、Ⅴ围岩占隧道全长的59％。隧道通过区域内构造作用强烈，断裂发育，应力集中，且隧道最大埋深约258ｍ。隧道通过地段岩性为石英斑岩、花岗斑岩和花岗正长岩等，岩石质地坚硬，抗压强度高，隧道开挖存在岩爆可能。

2、二次衬砌裂缝情况及病害成因分析

2.1、二次衬砌裂缝情况

此段隧道于2013年底施工完毕，2014年隧道二次衬砌没有发现裂缝，2015发现裂缝。裂缝大部分在距地板2～4m范围内，裂缝宽度大部分为0.5～1.5mm 之间，且呈对称分布，平行横向贯通裂缝；底板填充混凝土局部有沉降裂缝，裂缝宽度0.5～2mm之间。

2.2、隧道二次衬砌结构病害成因分析

通过对相关现场进行调查，并结合设计施工图和现场施工资料显示，认为衬砌开裂的原因通常包括有以下几种相关因素：（1）地质因素。此段隧道处于断层破碎带，有着高地温、岩爆、软岩变形、强富水等诸多不良地质相关特征，使得围岩的稳定性较差，因此在水的作用之下，软弱围岩以及一些含水量比较高的松散物质则慢慢出现了松动问题，作用在隧道衬砌之上的压力也就逐渐变大，导致压力超出了衬砌本身的承载能力。（2）不均匀沉降也会造成隧道出现衬砌裂缝问题。在仰拱施工之前，底板地基承载力不够，或者是存在浮渣、虚土清理不彻底等问题，都有可能造成仰拱下沉，继而拉裂二次衬砌边墙以及拱顶混凝土；或者

是因为隧道在修建之中穿越不同的地层，尤其是穿越断层、破碎带、岩溶、倾斜的软弱夹层时，因为地基承载力之间的差异比较大，就会比较容易导致隧道出现衬砌裂缝。在该段隧道施工过程中，现场工人没有依照技术交底进行施工，管理人员的工作出现疏忽，在进行浇筑仰拱混凝土之前并没有及时认真清理浮渣以及虚土，在一些个别部位就出现了漏检地基承载力的重要环节，导致之后的底板混凝土出现了下沉以及开裂，同时也会拉裂二次衬砌混凝土。（3）设计因素。隧道所处的地质条件和环境条件比较差，隧道位置选择不够理想；设计单位在进行地质勘探之时资料不够详细，设计的地质条件同现场实际情况之间存在一定的偏差;支护结构不够合理，支护强度严重不足；防排水体系不够完善;没有使用相关有效措施降低混凝土收缩以及温度应力对于裂缝的影响，同时细部处理不是很合理。（4）衬砌厚度不足引起衬砌裂缝。衬砌厚度不足的原因如下：首先，开挖施工光面爆破效果不符合要求，效果不理想，平整度不够，不仅影响到防水板的铺设、二次衬砌混凝土与初期支护的密贴效果，而且影响到围岩自身稳定效果。从隧道开挖新奥法原理上，围岩的突出部分改变了围岩的整体受力结构，造成应力集中，变形突出；另外，施工时欠挖，没有把一些临时支撑拆除净就进行二次混凝土的浇筑、节理发育时发生坍塌而未及时清理、用圬工体填充、初期支护不到位支撑强度不够，导致支撑变形侵入衬砌。对此段隧道调查分析：实际开挖施工时围岩平整度效果较差，凹凸严重，没有按施工技术交底施工，监管不到位，现场工人质量意识低，存在少钻孔，放大炮现象，超欠挖严重。喷射混凝土又没有修补平整，造成围岩变形较大，防水板张挂时不能很好地与喷射混凝土密贴，二次衬砌混凝土浇筑时出现较多脱空现象，质量隐患较多，后期脱空部位注浆工程量大。虽然注浆可以在一定程度上治理二次衬砌混凝土脱空现象，但是也给隧道排水系统带来很大的影响，甚至失去作用，所以开挖面的平顺度是至关重要的。

3、衬砌开裂的处理措施

综合分析后认为，支护变形已经趋于稳定，衬砌裂缝也未继续发展。为了减少扰动，采用静态爆破法拆除二次衬砌混凝土，然后对左侧边墙采用钢花管注浆预加固。

拆除破损二衬混凝土之前，应该使用全液压履带锚固钻进在表面钻孔，孔的深度为4.6m，间距保持在1.5m x1.5m(环向x纵向),呈梅花形布置。等到钻孔结

束后，在安装42注浆钢管，管壁上每间隔15cm梅花形钻眼，尾部长度100cm 的范围内当做浆段不钻孔，钢管安装结束后在进行注浆，使用高压注浆水泥浆，一般注浆压力保持在1.0-3Mpa，可以分成2到3次进行注浆。

由于隧道衬砌为C30混凝土，衬砌结构内径小于外径，为弧形结构，爆破设计时，抵抗线一般按照25～40cm之间考虑，本工程取30cm。炮孔直径30mm，孔深25cm以上，间距为0．8倍的抵抗线，取25cm，掏槽眼间距为12．5cm，周边眼间距为12.5cm，辅助眼间距为25cm，拱顶应该设置楔形掏槽，那么就可以形成临空面，而一些其他部位孔眼应该垂直在混凝土面上。爆破顺序应该将装药的先后顺序以及衬砌面喷水的顺序而进行确定：先装药或者先进行喷水的部位会先开裂，而后装药或者后喷水的部位就会后开裂。

在施工过程中，钻孔应严格依照爆破设计好的位置、方向、角度以及深度进行钻眼，待到炮孔全部钻完之后，使用吹风管把炮孔及时的吹干净，同时使用废棉纱等物将孔口待装药堵住。SCA-Ⅱ破碎剂的水灰比为0.30～0.35。在进行拌制时，首先应该定量破碎剂倒入到塑料容器之中，之后慢慢加入一定量的水，使用机械或者是手工将其拌成有着一定流动性的均匀浆体，将其拌匀，同时拌和时间不能超过高于3分钟，在水平孔装药过程中，应该把拌好的药浆装到同炮孔直径适合的塑料袋之内，之后使用炮棍慢慢送入到了炮孔内，装药的长度应该是孔深90%左右，斜孔以及水平孔可以使用快干水泥砂浆或者使用水灰比是0.25的干硬性无声破碎剂药浆进行堵塞，但都应该及时捣密实。装药堵塞1个小时之后，就可以向混凝土面之上喷洒冷水，这样就可以提升水化反应。

与此同时，在衬砌裂缝数量较少，裂缝宽度在5mm以上，长度低于10m的地段，以及单条裂缝开裂比较严重的地段，应该使用碳纤维加固的方法。

其施工工艺主要流程是:首先处理面层。先把衬砌混凝土表面劣化层及时清除，其表面平整度应满足5mm/m2的要求；其次，封闭裂缝。将基层及时清理干净，使用密封胶封闭裂缝；再次，就是预涂底胶，用滚筒刷在衬砌表层涂抹树脂，保证树脂涂抹均匀，并且厚度应该低于0.4mm；再有就是，进行找平处理。树脂固化干燥之后，用电动砂轮及时去掉底层树脂之中的气泡，同时把底层树脂整平；最后及时粘贴碳纤维布，一般在碳纤维布和粘贴的衬砌部位之上，使用滚筒毛刷均匀涂抹粘结胶，并及时粘贴碳纤维布。同时，用光滑滚子反复滚压纤维布表面，