剖析铁路隧道基底病害成因及预防措施

陈　泉（中铁二院南宁勘察设计研究院，广西 南宁 530022）



剖析铁路隧道基底病害成因及预防措施

陈泉（中铁二院南宁勘察设计研究院，广西 南宁 530022）

从源头上剖析铁路隧道基底病害产生的因素，并提出预防病害产生的办法。

铁路隧道；基底病害；产生因素；预防措施

1　引言

近年来随着我国经济蓬勃发展，使全社会对运输需求总量不断增长，铁路作为一种经济的、大运量的交通方式，在生活中占有非常重要的地位。由于我国幅员辽阔，地形、地质复杂多样，为提高列车运行速度、改善铁路线型，绕避重大不良地质区域，以保障行车的安全性、舒适性，隧道的数量和占路线的比例越来越高。目前我国己成为世界上隧道工程最多、发展最快的国家。

铁路隧道建成后在长期的使用过程中出现了各种各样的病害，部分隧道甚至在未使用时就开始出现比较严重的病害。隧道病害一直是困扰铁路运营管理部门的一大难题，其中隧道基底病害直接影响运营行车，它恶化了行车条件，限制了行车速度，严重危及行车安全。

2　基底病害产生因素

隧道基底病害包括仰拱（底板）破裂、翻浆冒泥、基底软化、基床下沉及基底吊空等，具有危害大、难整治的特点。国家每年用于隧道基底病害整治和维护的费用数额巨大，但均是治标不治本。要整治隧道基底病害，就必须彻底分析病害产生的原因，才能对症下药，标本兼治，并为设计、施工及运营养护提供指导，从源头上减轻或避免病害产生。基底病害产生的因素主要有以下几点：

2.1隧底结构裂缝

2.1.1荷载变形缝

混凝土浇筑后，盲目追求施工进度，衬砌脱模过早，使低强度混凝土过早承受荷载，导致混凝土开裂，形成荷载变形缝；施工时底部的虚渣未清理干净，混凝土浇筑后，隧道基底产生不均匀受力，同样也会形成荷载变形缝。

2.1.2温度裂缝

水泥水化产生大量的热，混凝土温度升高，体积膨胀。在无约束时，不会产生温度应力；受到外部约束时，在混凝土内部和表面间形成温度梯度，便会产生温度应力，当温度应力超过混凝土表面的约束力时，就会产生温度裂缝。

2.1.3干缩裂缝

干缩裂缝是表面性的，纹理细小，走向没有规律，在混凝土养护过程中水分逐渐蒸发消失，使水泥凝结胶体干燥收缩产生变形，由于受到围岩和模板的约束，内部产生应力，当应力超过混凝土抗拉强度时，便会出现干缩裂缝。

隧底结构裂缝的形成为基底病害产生的初始因素，裂缝越多，隧道的初始缺陷越多。

2.2隧道道床积水

熟话说“十隧九漏”，隧道衬砌渗漏水一直是难以处理的问题。虽然隧道自身有防排水系统，但只要围岩中有地下水存在，隧道开挖建成后就会成为地下水的汇集通道。一旦地下水含量丰富，衬砌排水系统能力不足，或由于管道堵塞而使排水系统失效，就会造成地下水聚积在衬砌与围岩之间的裂隙中，形成水压，衬砌外积水必然会通过一切缝隙进入隧道中。根据水压、水量、空隙大小和部位的不同，可形成渗、滴、淋、涌等形式各异的出水方式。防水板老化开裂、防水板施工时操作不当被刺穿、“三缝”防水措施施作不当、衬砌开裂等均为隧道渗漏水的主要原因。此时如果没有及时发现漏水部位，或采取针对性整治措施，将水引进水沟，就会造成道床漫流。当隧道水沟淤积，缺乏定期养护疏通，洞内水无法顺畅排出洞外时，就会造成道床积水。

隧道渗漏水及洞内水沟排水不畅为基底病害形成提供了条件。

2.3地下水侵蚀

当隧道衬砌遇到有侵蚀性的地下水时，会降低混凝土强度，影响结构的正常使用。根据不同环境地下水对混凝土的腐蚀机理，可分为以下几种形式：

（1）在碳化环境中，由于保护层混凝土碳化，导致钢筋锈蚀失效，混凝土受拉开裂。

（2）在氯盐环境中，氯盐渗入混凝土内部，导致钢筋锈蚀失效，混凝土受拉开裂。

（3）在化学侵蚀环境中，硫酸盐等化学物质与水泥化合物发生化学反应，导致混凝土不断分解溶出，生成物流失后形成侵蚀。遭受这种侵蚀的混凝土，常有白色析出物，使混凝土结构呈多孔状，导致材质酥松，强度下降。

（4）在盐类环境中，硫酸盐等化学物质与混凝土中化学成分作用后形成新生成物，在混凝土中析出晶体，发生体积膨胀，从而造成混凝土破坏。

（5）在冻融环境中，由于混凝土微孔隙中的水在正负温度交替作用下，形成冰胀压力和渗透压力联合作用的疲劳应力，在这种疲劳应力的作用下混凝土产生了由表及里的剥蚀作用，从而混凝土强度降低，出现掉块脱落。

有侵蚀性的地下水会在一定程度上使混凝土结构受损，其也是基底病害产生的因素之一。

2.4列车动载作用

在正常情况下，道床应干燥、无水、捣固良好。列车经过时，荷载通过钢轨、轨枕和道碴均匀平稳地传给路基，压缩变形被道床的空隙吸收。当道床积水时，含有粘土矿物成分的地下水与道砟碎屑、粉末以及列车行驶过程中散落的泥沙、煤屑混合，形成泥浆，并充满道床空隙。当列车通过时，道床受压缩，空隙变小，泥浆被挤出，使轨枕下部固体颗粒发生冲刷和流失，列车经过后，基床下空隙形成真空，迅速由四周泥水补充，固体颗粒流失却得不到补充，造成轨枕下被淘空。列车再次经过时，由于部分轨枕悬空，荷载的传递不再是均匀的，悬空的轨枕在列车的作用下，对其下的水以很大的速度进行拍击，致使道床中水的运动速度加快，冲刷能力和夹带泥沙的能力更强。在反复的抽吸作用下，一部分浆液向外挤喷，另一部分挤进周围道碴和衬砌仰拱或底板的裂缝中，造成道床污染和隧道基底结构劈裂破坏，形成翻浆冒泥。

当基底围岩含有夹层、基底结构与围岩之间存在空隙或空洞时，隧道和围岩之间不密贴，两者不能很好的粘结共同变形，列车经过会发生层间拍打作用。当隧道基底混凝土结构存在小裂缝时，不均匀受力及反复振动会加速裂缝的扩展；同时基底围岩在列车动载的反复振动、冲击下，部分岩块间失去平衡，引起相对位移、相互摩擦、滑动，造成破碎和逐渐粉化，形成小颗粒而被地下水带走，使基岩与基床交界面更粗糙、软弱，在地下水的侵蚀作用下，导致隧道基底软化。

随着隧道基底软化及基底与围岩之间空隙不断扩大，便会形成基床下沉及基底吊空，此时列车的反复振动会加速隧道基底结构裂缝扩展，致使仰拱（底板）破裂，直接影响到结构的承载能力。如此恶性循环，甚至有些地段结构会丧失承载能力，危及行车安全。

当隧道基底结构本身就存在多种不良状况时，列车动载的作用加速了基底病害的形成，并加剧了病害的恶劣程度。

3　基底病害预防措施

从以上分析可以看出，基底病害产生的主要因素有四个，即裂缝、水、衬砌与围岩不密贴和列车动载。后者是铁路运营的主体，无法加以改变，而裂缝、水、衬砌与围岩不密贴是可通过人工措施而加以控制的。因此，只要我们在设计、施工及日常运营养护中着重控制隧道混凝土施工质量、加强隧道防排水、重视耐久性措施和减少超挖规范回填，是可以从源头上消减隧道基底的不良状况，从根本上预防和减少隧道产生基底病害。

3.1提高设计水平

设计是把思维转化为用途的过程，是把理论转化为现实的前期，优质的设计可以为隧道带来更高的安全性、更广的适用性及更强的耐久性，因此设计决定着隧道的合理性，提高设计水平，可以从源头上预防、减少病害：

（1）根据围岩的性质及状态、埋置深度、地下水发育情况制定合理的隧道断面形式与支护参数。初期支护应能承受开挖后的大部分围岩压力，二次衬砌应留有安全储备。采用曲墙衬砌，Ⅲ级以上围岩设置仰拱。岩体破碎、围岩压力大及高压富水地段采用钢筋混凝土。

（2）防排水采用“防、排、截、堵结合，因地制宜，综合治理”的原则。根据地下水情况设计水沟尺寸、形状及沟底标高，可通过集中引排、增加泄水孔、加大加密盲管的办法减少衬砌背后水压力，必要时可采用注浆堵水或泄水洞方式处理地下水。

（3）在地下水侵蚀环境下，提高衬砌混凝土抗渗等级，并根据不同的侵蚀环境进行耐久性设计，使混凝土具有足够的承载力及良好的抗裂能力，并强化混凝土的耐腐蚀性。

（4）应重视隧道软弱基底或软硬岩交界的不均匀沉降，采取地基处理、增设变形缝等措施。

3.2提高施工水平

施工建设作为隧道从无到有，从开挖到建成的一个过程，施工质量的好坏决定着一个隧道缺陷的多少，缺陷越多，就越容易发展成病害，因此提高施工建设水平，可以在生产过程中减少病害：

（1）重视施工排水，避免隧道底部长期积水而导致基底软化。

（2）仰拱或底板施作前，必须将隧底虚砟、杂物、积水等清除干净，超挖部分应采用同级混凝土回填与找平，避免脱空。严禁采用弃砟回填超挖部分，避免在隧底混凝土与基底间形成不密贴夹层。

（3）仰拱或底板施作应一次成型，不得分部浇筑。

（4）混凝土原材料、配合比、抗压强度、耐久性指标、结构厚度、钢筋保护层厚度均应满足设计要求。

（5）严格要求混凝土施工工艺，混凝土浇筑过程中必须振捣，提高混凝土的密实度和均质性，减少内部细微裂缝和气孔，提高抗裂性；混凝土拆模时的强度必须符合设计或规范要求，严禁提前脱模，脱模时不得损伤混凝土；脱模后注意保养，避免产生裂缝。

（6）规范隧道防排水施工工艺，防水板施作时避免过松或过紧，防水板铺设时避免刺穿或焊接不密实；施工缝、变形缝为结构防排水中最薄弱的环节，应给予足够重视，按要求施作止水带、止水条、嵌缝材料等；及时疏通排水管、排水盲管及泄水孔，避免水泥浆或杂物堵塞，地下水不能顺畅排出，造成衬砌背后水压过高。

3.3加强运营养护维修

隧道缺陷的发展是一个由量变到质变的过程，如果维护得当，在隧道运营过程中能够发现细小缺陷，并及时处理，可以阻止缺陷发展成病害；若是病害初期，能够及时对症下药，可以将病害产生的危害程度降到最低。因此必须加强运营养护维修：

（1）建立完善的清理制度，定期清理道床或水沟中的杂物或淤积物，确保洞内排水顺畅。

（2）及时疏通盲管出口或泄水孔孔眼，避免衬砌后水排不出而造成水压过大。

（3）定期清筛道砟，避免道床板结，失去弹性。

（4）加强巡查，及时发现隧道病害并有针对性整治，避免病害逐步扩大，形成危害。

4　结语

隧底病害是多个因素共同作用的结果，只有认识病害，查清病害产生的因素，才能有针对性克服病害；设计、施工及运营养护作为隧道从构思到运营使用的过程，只有给予足够重视才能杜绝病害的产生并消灭病害。

［1］《铁路隧道设计规范》（TB10003-2005）.

［2］《铁路混凝土结构耐久性设计规范》（TB10005-2010）.

［3］《铁路混凝土工程施工技术指南》（铁建设【2010】241号）.

［4］《铁路隧道防排水施工技术指南》（TZ331-2009）.

［5］《铁路工程设计技术手册隧道》（1995年出版）.

2016-3-8

U457.2

A

2095-2066（2016）09-0174-02