铁路隧道衬砌脱空、开裂及掉块典型案例分析与预防措施

铁路隧道衬砌脱空、开裂及掉块典型案例分析与预防措施中国是世界上铁路隧道最多的国家，1990年以后，我国投入运营的铁路隧道4095座/7100余公里，在建铁路隧道3900余座/7400余公里。新投入的运营铁路大多为电气化干线铁路和客运专线铁路，行车密度大、行车速度快，隧道衬砌背后脱空、开裂、掉块脱落给行车安全构成极大威胁。根据铁路总公司运输局搜集的近年运营铁路隧道拱部开裂、掉块脱落和各铁路局上报的运营铁路隧道开裂、掉块脱落情况统计，2010年以来，有7条新开通运营的铁路、26座隧道先后出现拱部开裂掉块和施工缝修补脱落。其主要原因大多为隧道衬砌厚度严重不足并伴有衬砌背后存在空洞，造成衬砌开裂产生脱落掉块，也有部分隧道施工缝和衬砌表面混凝土修补粘结不牢产生脱落掉块。铁道部对此高度重视，工管中心和运输局联合下发了《关于开展运营铁路隧道衬砌质量专项整治工作的通知》（工管质安电【2012】134号文），要求对已经开通运营的铁路隧道衬砌进行全面第三方无损检测，集中整治衬砌背后脱空、开裂和衬砌厚度不足问题，彻底消除安全隐患，确保铁路运输安全。2010年以前已处理、在建铁路以及因隧道地质原因产生的高地应力、岩溶及裂隙高压水造成衬砌开裂破坏的，未纳入统计范围。2010年后开通运营铁路隧道开裂、脱空、掉块脱落统计表项目隧道拱顶掉块拱顶脱空衬砌开裂施工缝脱落数量衬砌最小厚度数量衬砌最小厚度铁路1山五11cm岭新1浮浆1土平17cm1铁路2乡天14cm1函关12cm11沟大12cm11铁路3山太12拱部铁路4龙青810cm52cm庄赵115cm1居义110cm1铁路5王岭1镇堡15cm10关野310cm312箐马310cm312齐山14cm打坪13cm梁槽24cm岭长21cm寺三12cm1铁路6独田16cm1铁路7虾蚶2坡白1良充3铁路8依里拱部修补脱落17处一、典型案例本文收集整理了部分铁路隧道拱部脱空、开裂、脱落掉块典型案例进行分析，初步分析了问题产生的原因，提出了防范措施，便于今后施工过程中加以克服。（一）某铁路线5箐马隧道2012年6月13日，工务养护人员例行检查发现，箐马隧道上行K1358+680处道心有混凝土块，K1358+600~+700段拱顶掉块脱落，长0.5m×宽0.4m×厚0.12m，且上部还有多处掉块的迹象，立即登记封锁区间，组织人员对隧道顶部2处严重衬砌开裂处所进行撬落处理后限速25km/h开通线路，派员现场24小时监控看守。（二）某铁路线1山五隧道2012年6月18日，工务部门检查发现，K1420+390处拱顶有裂缝，怀疑有空洞，经凿除发现空洞环向长5.5m、纵向1.2m，衬砌最薄处仅1cm（设计40cm），临时采取凿除薄层、限速160km／h。后采用植筋、模喷混凝土方案处理。（三）某铁路线2乡天隧道2012年2月3日乡天隧道上行线K868+686处拱部发生脱落掉块，拱部空洞0.95×1.6m，钢筋、防水板外露，衬砌最薄处仅4cm，采取锚固、注浆及增加套拱处理。（四）铁路线42012年8月以来，工务部门检查发现，龙青、居义、庄赵共三座隧道发生衬砌脱空、脱落掉块现象，最大1.2m×0.8m，衬砌最薄处为2cm，严重危及行车安全。（五）隧道施工缝、混凝土表面修补脱落近年开通运营的铁路隧道发生过多起由于施工缝错台、开裂、衬砌表面缺陷以及隧道渗漏水凿槽修补方法不当，造成修补部分混凝土、砂浆块脱落掉块，影响行车安全。如：某铁路庄赵隧道、某铁路5坡彭隧道、某铁路8依里等隧道，均不同程度出现过施工缝及混凝土表面修补开裂脱落现象。以坡彭隧道为例，2011年7月27日，工务部门巡道发现K1138+880处施工缝局部混凝土掉块（最大块长45cm×宽15cm楔形体），工务部门及时对掉块运行区间进行封锁，对掉块隐患进行处理后恢复通车。该事故造成运行中断2小时40分，构成D类事故。二、原因分析从上述案例和统计数据分析，发生的23处拱部衬砌脱落掉块背后存在空洞的有20处，占87%，衬砌厚度严重不足，最薄处仅1cm浮浆，另有30处为施工缝或衬砌表面缺陷修补不当造成开裂脱落。造成隧道拱部混凝土背后脱空、厚度严重不足、开裂及掉块的原因主要有以下几个方面：（一）混凝土灌注工艺不合理目前二次衬砌基本上采用衬砌台车，台车长度一般为9m和12m两种规格，泵送混凝土施工，台车拱部留有3~4个混凝土灌注孔。现场混凝土灌注工艺不正确是拱部脱空的一个重要原因。1.现场多采用单孔灌注。大部分施工单位只使用1~2个灌注孔灌注拱部混凝土，个别单位甚至1孔“一灌到底”，工艺本身就无法保证混凝土密实度和衬砌厚度，尤其是钢筋混凝土衬砌，衬砌内部大量钢筋使混凝土流动性变差，有些部位有少量浮浆混凝土附着，密实度和衬砌厚度难以保证。2.未设置排气孔。靠近已衬砌端未设置排气孔，导致已衬砌端部未能有效填充混凝土，形成空洞，如：事例中的山五隧道和庄赵隧道。3.未连续灌注。个别单位存在拱部混凝土浇筑不连续，间隔时间过长造成混凝土初凝不流动，也是产生空洞的原因。（二）工序交接验收控制不严格，初期支护表面平整度差硬质围岩光面爆破效果较差，超欠挖较严重，欠挖部分未处理,造成隧道衬砌厚度不足；初期支护平整度较差，防水板挂设松弛度控制不好，防水板与初支表面不密贴、有较大间隙。(三)防水板铺设存在缺陷1.防水板挂点偏少、挂设不牢固，混凝土浇筑过程中造成防水板脱落，侵占了混凝土位置产生空洞。2.防水板挂设过紧，没有预留一定的富余量，由于隧道初支喷射混凝土表面存在凸凹不平现象，防水板挂设没有留有足够的富余量，衬砌混凝土浇筑由下而上，逐步将防水板撑紧，造成拱部防水板与初支分离、绷紧，泵送混凝土压力又不足，产生拱部空洞。（四）工装缺陷设备故障移动衬砌台车拱部进料窗口未设置固定浇注孔，浇注孔未设置有效封堵装置，拱部附着式振捣器未设置或设置数量不足,也是造成混凝土不密实或产生空洞的原因。同时混凝土灌注过程中设备故障，导致中途停留时间过长，也会造成已初凝混凝土阻隔混凝土流动、扩散，形成空洞。（五）拱部预埋管及补注浆施做不到位二衬完成后，由于混凝土的收缩作用，拱部混凝土与防水板之间必然存在空隙，会存在一定程度的脱空，设计已考虑在衬砌混凝土达到设计强度的100%时进行压力注浆回填。但部分单位对拱部回填注浆未给予足够重视；部分隧道注浆管道预埋不到位，没有沿衬砌拱部通长埋设注浆管道并进行有效保护，只竖向埋设短管，短管长度不够被混凝土封堵或与防水板顶死无空隙，浆液无法注入产生脱空。（六）施工缝或衬砌表面缺陷修补方法不当，修补处混凝土开裂脱落部分隧道由于施工缝跑模、错台、衬砌表面缺陷整治，采取凿除缺陷部位进行普通砂浆抹面或混凝土修补，没有凿开一定深度植筋挂设钢丝网后采用掺入一定比例的化学胶结材料的砂浆或混凝土进行修补，粘结不牢，遇水或列车震动产生脱落掉块。包括隧道渗漏水整治凿槽埋管后的表面修补，也存在此类问题。（七）隧道衬砌自检和第三方检测工作不到位自检或第三方检测工作未开展或开展不及时，接触网吊柱、滑道附近由于金属影响雷达检测信号，检测结果局部失真。使脱空、衬砌厚度不足问题没有及时发现，失去了处理的最佳时机。也有个别检测单位工作不认真、检测人员素质偏低，检测结果不能真实反映质量状况，质量缺陷不能及时发现。三、防范措施及建议（一）检测工作重点前移，从源头上进行控制一是铺设防水板前，对初支背后脱空情况进行雷达扫描，对脱空地段进行注浆处理（重点是拱部及不良地质地段）；二是利用断面检测仪对开挖断面进行检测，对局部断面不足地段进行处理；对初支表面平整度进行控制，避免断面突变，要求平顺过渡。三是加强防水板铺设松弛度控制，防水板吊点要牢固可靠，防止混凝土灌注工程中混凝土的挤压造成防水板脱落、绷紧产生空洞。四是加强混凝土振捣，混凝土衬砌台车进料窗口间距不能太长，一般控制在3m以内（可通过实验确定），拱部附着式振捣器必不可少，安装数量需通过工艺性试验确定。（二）改进和规范衬砌混凝土灌注施工工艺一是拱部混凝土浇注，应采用拱顶固定浇注管孔进行浇筑，固定浇注管孔设置一般为2~3个；二是拱部混凝土浇注应设置检查窗口进行检查，并加强排气；三是合理布置进料窗口，衬砌边墙浇注窗口一般9m台车不应少于3个、12m台车不应少于4个；四是严格按照规范、验标和设计要求，在隧道衬砌拱部预埋贯通的注浆管道和注浆孔，并对管道预留孔和注浆孔进行有效保护，在衬砌混凝土强度达到设计强度的100%时及时进行压力注浆回填，方向应由下坡方向向上坡方向注浆并保证足够的注浆压力。（三）规范施工缝错台、衬砌表面缺陷以及渗漏水治理修补工作施工缝错台尽量采取打磨、修凿处理，必须要进行修补的，应凿开一定的宽度（≮15cm）和深度（≮5cm），采取植筋挂网、使用掺胶砂浆或混凝土进行修补并加强养生，包括衬砌表面混凝土缺陷处理和渗漏水埋管引排凿槽的修补。建议隧道拱部渗漏水整治不采用凿槽引排方案，应采取环向安装玻璃钢接水盒（槽）引排方案，防止拱部凿槽修补脱落。边墙渗漏水应采取注浆归水、集中凿槽引排，减少修补脱落的几率。以上均由应设计提供专项整治方案，方案宜专业整治队伍实施。（四）加强检查管理，慎重问题处理一是加强自检和第三方检测单位的管理工作。源头上做好资质、人员素质、工作业绩等内容审查，过程中加强监控（组织专家对结果进行判识）和业绩考核（对检测结果严重失实的进行处罚）。沪昆客专湖南公司出台了《沪昆客专湖南公司关于对隧道工程衬砌质量进行人工敲击检查的通知》（沪昆湘安质函〔2015〕40号公司）和邵阳指挥部制定了《怀邵衡铁路邵阳指挥部关于加强隧道二衬施工管理的通知》（怀邵衡指函〔2015〕29号）对隧道二衬进行敲击检测。二是对检测发现的问题，处理方案要严格论证、履行审批程序，不得盲目处理，缺陷处理后要复检测。四、国内外相关经验交流和研讨（一）拱顶预埋注浆管注浆施工示例为最大限度减少隧道拱顶脱空程度，某客专公司中铁xx局采取了隧道拱顶预注浆施工工艺，通过对比，取得了较好效果，其主要施工工艺及处理效果如下，供大家借鉴。1.施工工艺流程①注浆管制作现场加工制作注浆管，注浆管采用Φ20聚乙烯管或PVC管，注浆管每隔10cm设置螺旋切口，切口周长为管周长的1/2～1/3，安装时切口朝上；注浆管外露部分采用Φ20镀锌钢管与注浆管采用丝扣连接，并在镀锌管尾部连接止浆阀。在注浆管底部连接排气管以确保在注浆过程中排出浇筑混凝土过程中密封的空气。排气管与注浆管采用胶带绑在一起。②注浆管固定每循环衬砌台车定位前，将纵向注浆管设于正拱顶紧贴防水板（防水板内侧，衬砌外边缘），采用防水板条（5cm宽、15cm长）焊接固定在防水板内侧，防水板条固定位置纵向间距70cm～80cm，纵向注浆管结合环向施工缝在拱顶位置通长布置。在纵向注浆管预埋时，将止浆阀一端预留至衬砌端头模板外，以便在混凝土施工后立即对该段衬砌进行注浆处理。注浆管布置示意图如下：③注浆及质量控制在混凝土浇筑完成后，立即对本循环衬砌进行注浆，注浆过程中，排气管及竖向注浆管冒浆时，采用止浆塞封闭排气管及竖向注浆管后，采用0.4MPa压力持续压浆8min后停止注浆。注浆结束后待混凝土终凝后脱模，进行地质雷达扫描检测，若扫描结果正常，则进行下一版二衬施工；若仍有异常现象，需根据扫描分析结果对该段衬砌进行二次注浆处理。二次注浆为通过竖向注浆管注浆辅以局部开孔注浆方式处理。2.注浆效果对比以中铁xx局xx客专的xx隧道为例，2011年10月份施工完毕的二衬有3580米，经检测，拱顶脱空比例为3.7%，2012年4月份开始采用二衬预注浆技术后，拱顶脱空比例减少为0.4%，效果相当明显，工艺简单，可推广应用。3.有关问题研讨优点：该方法与传统的竖向注浆相比，有以下两个个方面优点：①不需要专用注浆台架，②二衬施工完直接注浆，处理拱顶脱空效果明显，减少了大量后期处理的费用，省工省时，提高了经济效益。问题：该方法存在预注浆材料的水灰比与混凝土不一致的问题，可能会对刚刚浇注的二衬混凝土强度构成影响。建议：注浆应在二衬混凝土初凝后进行，前期对注浆孔进行简易封闭，确保二衬混凝土液体不流入注浆