铁路隧道衬砌纵向裂缝产生原因分析及整治

铁路隧道衬砌纵向裂缝产生原因分析及整治

杨嘉炜

中国铁路呼和浩特局集团公司呼和工务段 内蒙古呼和浩特市 010051

摘要：随着我国铁路工程建设速度进一步迅猛发展，隧道数量越来越多，截止2018年底投入运营的铁路隧道15117座，总长16331km。同时我国公路交通工程也得到快速发展，截止2017年底，投入运营的公路隧道16229座，总长15285km。我国隧道工程数量不断增加，在施工及运营过程中随之出现了不同类型和不同程度的病害，影响正常运营，其中衬砌裂缝是隧道病害最常见的形式。在隧道衬砌出现裂缝后，应根据裂缝的形态及位置分析和找出裂缝的诱因，并据此确定针对性的整治技术措施，才能达到较好的治理效果。本文针对某铁路客专隧道衬砌左边墙出现纵向裂缝的问题，分析衬砌裂缝产生的原因，制定相应的整治技术措施，以保证隧道运营安全。

关键词：隧道衬砌；纵向裂缝；软板岩；膨胀力；裂缝整治

中图分类号：U457.2　 文献标识码：Ｂ　

1、工程概况

（某）客运专线设计时速为200km/h，隧道为单洞双线。衬砌出现裂缝段的隧道埋深约在61~72m。上覆土层为第四系残坡积粉质粘土，褐黄色，硬塑状，含少量碎石，表层腐殖质含量大，主要分布在山坡地表层，厚度一般0.7~2.2m；下元古界(Pt）强风化板岩，褐黄～灰绿，板状构造，节理裂隙发育，部分裂隙填充有铁锰质氧化物，岩芯破碎，呈块状、破碎状；下元古界（Pt）弱风化砂质板岩和泥质板岩，局部夹千枚岩；弱风化板岩呈灰绿～青灰色，板状构造，节理裂隙发育，单轴抗压强度18.4MPa。板岩的岩层倾角较缓约15~20°。地下水主要为基岩裂隙水及地表水入渗，施工过程中未见地下水^[1]。

２衬砌裂缝情况

隧道施工完成后在建设方检查拱部空洞时发现衬砌左边墙处在DK25+625~DK25+715总计连续90m范围二衬出现纵向裂缝。裂缝位置主要出现在隧道左侧边墙最大跨以上约0.5~1.2m处，裂缝基本呈水平方向，在环向施工缝处错开。发现衬砌裂缝后立即对裂缝扩展情况进行了两个月余的现场监测，并采用超声波测缝仪对裂缝深度进行测定，最后对衬砌裂缝较宽处钻取岩芯验证裂缝深度。监测结果表明：裂缝已经停止发展。裂缝宽度0.1~0.5mm，深度5~15cm。

3裂缝产生原因分析

3.1围岩取芯探查情况

在裂缝宽度较大的里程段验证衬砌裂缝深度时继续向围岩钻取岩芯，结果显示：钻孔中有裂隙水渗出，说明此处围岩近于饱和状态，围岩结构较破碎，节理裂隙发育，完整性较差，岩性以泥质板岩和砂质板岩为主，且泥质板岩主要分布在裂隙上下1.2~1.8m。衬砌边墙后密实无空洞^[2]。

隧道工程区气候温暖湿润多雨，年平均降雨量1774mm，主要集中在每年的4~7月份。裂缝段隧道山顶坡度较缓，植被发育，线路走向左侧距隧道中线约２０ｍ处存在一不规则长条形陷坑，宽度6~10m，长约80m，最深处约2.3m。

3.2裂缝产生机理

由于地表植被条件较好、低洼地形的存在及降雨量丰沛等原因，为大气降雨入渗进入地层提供了有利条件，另外上层岩层风化严重导致节理裂隙极其发育而形成较为通畅的地下水渗流通道。虽然在隧道施工阶段并未见到地下水，但由于隧道开挖爆破作用导致隧道周边围岩中裂隙数量增加并使原生裂隙扩展，从而导通了从地表到隧道周边的渗流通道，最终使衬砌裂缝处岩层受地下水浸泡而饱和。板岩在受水浸泡后发生膨胀而产生不均匀的侧向膨胀压力，围岩侧向压力也相应增加，使衬砌内侧拉应力大于Ｃ３０混凝土的极限抗拉强度而产生开裂，但由于板岩的膨胀力已发挥至极限，所以裂缝处于停止状态。关于板岩受水浸泡产生膨胀特性，已经有相应的研究成果予以证实^[3]。

3.3板岩膨胀特性

由此可见，在地表降雨入渗进入地层、渗流沿着裂隙到达隧道边缘的泥质板岩时，发生体积膨胀。软板岩浸水后向周边发生膨胀变形。由于围岩刚度小于衬砌混凝土的刚度，膨胀变形首先挤压远隧道侧围岩，但因隧道结构距膨胀源较近，膨胀力则通过初支作用于隧道边墙，使衬砌内侧产生大于其极限抗拉强度的拉应力，使得混凝土结构表面出现裂缝。

4衬砌裂缝整治

4.1隧道山坡陷坑整治

隧址区降雨量丰沛，为尽可能减少衬砌裂缝段隧道地表大气降雨入渗地层的水量，在隧道山坡左侧的陷坑下游开挖排水沟，将大气降雨汇流后尽快排走，避免陷坑中出现积水入渗地层。

4.2衬砌裂缝灌注

衬砌裂缝的出现，使得混凝土暴露在空气中的表面积增大，有利于混凝土的碳化，从而对结构的耐久性产生不利影响，为此对所有裂缝均采用流动性及力学性能较好的瑞士生产的Araldite111A/B型双组分混凝土结构修补胶进行灌缝封闭，避免空气进入裂缝，保证衬砌结构的耐久性。该双组分胶体室温固化触变性环氧胶，在25℃时混合后25min可以凝固，用专用的针管注射装置对裂缝进行灌注。该加固胶的主要力学参数：抗压强度81MPa，抗拉强度33MPa，抗弯强度54MPa，抗拉弹性模量4800MPa，与混凝土粘结抗拉强度3.32MPa。

结束语

某铁路客专隧道衬砌左边墙出现长距离的纵向裂缝。根据现场踏勘情况，采用室内试验和数值模拟的方法分析了隧道衬砌产生纵向裂缝的主要原因：山坡地表线路左侧的陷坑有利于地表大气降雨大量渗入地层到达隧道左侧围岩；软（弱）板岩受水浸泡产生膨胀力作用于边墙使衬砌结构内侧产生较大拉应力。针对裂缝情况，采用裂缝灌胶和在深长裂缝两侧打设骑缝锚杆进行整治。整治后裂缝状态稳定^[4]。

参考文献

[1]机制砂在高寿尖隧道衬砌泵送混泥土中的应用[J].章恩钊.四川水泥.2017(07)

[2]探地雷达检测隧道衬砌的影响因素及应用[J].邵顺安，郑景祥，郑礼永.福建建材.2017(07)

[3]地质雷达在隧道衬砌质量检测中的应用[J].徐玉兴.中国标准化.2017(04)