运营铁路隧道的病害整治

1、运营铁路隧道的病害整治中铁目前我国约5000余座的运营铁路隧道中，有占总数65.7%的3433座 隧道失格，存在各类病害如渗漏水、衬砌裂损、基底病害等，这些病害从 不同程度上危及着行车安全、制约着铁路提速，因此如何利用成熟技术和 新型材料，高效、便捷、安全地整治好各类病害，确保铁路运营隧道的耐 久、畅通，是一个普遍、严峻而需亟待解决的问题。近年来，北京中铁瑞 威基础工程有限公司与北京交大隧道中心及各铁路局在路内联合开展隧 道病害整治工作，一直重视深入分析病害成因、优选整治方案、合理引用 国外的和自行研发新材料等方面的工作，成功地完成了一些隧道的病害整 治项目，取得了满意的工程效益。并得到了用户

2、和管理部门的好评。1. 运营铁路隧道的主要病害及成因我国铁路隧道的设计和施工经历了不同阶段，无论是支护形式还是开 挖方式在不同历史阶段也各不相同，另外我国幅源辽阔，各地区的气候、 水文和地质条件也复杂多样，因此，我国铁路隧道的病害现象有着以下特 征：病害隧道数量多，病害种类半富，病因复杂多样。同时各类病害乂是 并发存在的，互为原因、相互转化的，为便于研究和整治，拟作以下分类：1.1渗漏水病害运营隧道的渗漏水是我国铁路隧道较为普遍的病害，对于非电气化的 铁路区段，一般不直接妨碍行车，易被忽视，但长期不治的各类水害能使衬砌腐蚀、钢轨锈蚀、轨枕腐烂、路基翻浆冒泥；对于电气化隧道，可能 危及行车安全，

3、严寒地区可能产生冻害或挂冰侵界等情况。造成隧道渗漏水病害的主要原因有：（1）衬砌的防排水系统失效；（2）衬砌混凝土自身密实度不够，泌水管路较通畅；（3）地下水对衬砌混凝土的化学腐蚀；（4）施工原因造成的衬砌混凝土缺陷，如拌和不均、有杂物、骨料 污染、接缝处理不当、施工方法不当、拆模过早而开裂等；（5）衬砌裂损。1.2衬砌结构性病害隧道衬砌结构性病害主耍包括衬砌裂损、衬砌变形。主耍表现为隧道 衬砌的各类裂缝、勾缝脱落、压溃、错台、断面变形或缩小等。造成衬砌结构性病害的原因主要有：（1）地质的影响：当围岩压力过大或分布不均匀，超过衬砌实际强 度和刚度吋，衬砌就会产生裂缝、变形或位移，严重吋会产生局

4、部掉块、 失稳，甚至拱坍墙倒。（2）地形的影响：隧道在傍山临水时容易产生偏压，当洞顶覆盖层 较薄时，易造成衬砌开裂。（3）地下水的影响：地下水的动静压作用、严寒地区的冻胀力、地 下水作用于隧道体周围的软弱破碎岩层，导致衬砌周围出现空洞等约束不 均匀，都有可能造成衬砌开裂。（4）衬砌结构形式的影响：由于衬砌计算时的假定与实际受力状态有一定差异，当差异较大时，容易引起衬砌开裂。（5）施工方法与施工质量的影响：由于施工方法不同、施工质量不 好，造成围岩松动，压力增大，衬砌厚度不够、强度不足，衬砌背后回填 不密实，运营后会出现结构的变形和裂损。（6）运营维护的影响：列车的振动、煤烟、蒸气等对衬砌强度影

5、响， 如果养护工作不及时跟上，或病害整治效果差，也将会加剧或产生衬砌的 裂损。中铁1.3衬砌混凝土病害运营铁路隧道的衬砌混凝土病害指由物理或化学等原因引起的衬砌 混凝土强度下降、开裂、腐蚀、疏松、表面脱落或掉块等现象，从而降低 了结构的耐久性，会诱发其它类型的病害，直接缩短隧道的使用寿命。引起这类病害的主要原因有：（1）衬砌混凝土受侵蚀性环境介质如各种酸、碱、盐以及大气中各 种冇害气体与混凝上中某些组分通过化学反应而产生的化学反应侵蚀。主 要包括溶出性（或软水）侵蚀，分解性（或酸型）侵蚀，盐类（硫酸盐、 析盐、苛性碱、碱溶液）侵蚀，油类侵蚀和生物侵蚀破坏等；（2）由于配制混凝土时原材料中含有一

6、定数量的碱或“碱活性”骨 料，而发生因反应生成物吸水膨胀导致混凝土开裂的碱骨料反应。（3）由于碳化作用或氯盐污染而破坏混凝土中钢筋的钝化膜，即去 钝化，如果混凝土屮具有适当的湿度，钢筋开始锈蚀，进一步发展至混凝 土顺筋胀裂、保护层及部分边角脱落；（4）衬砌混凝土的冻溶破坏是重要病害之一，由于混凝土微孔隙中 的水，在温度正负交替作用下，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 降低混凝土的强度；（5）此外，衬砌混凝土由于受温度、收缩、膨胀、不均匀沉降等因 素而引起的变形裂缝都会降低混凝土的强度、结构的安全使用和耐久性。1.4基底类病害

7、运营铁路隧道的基床病害主要指由于隧道基底病害和渗漏水等引起 的道床下沉、开裂、翻浆冒泥等现象。基床病害容易导致线路几何状态难 以保持，制约列车提速，危及行车安全，严重时能造成列车在隧道内脱轨 倾覆。基床病害的成因主要包括：当基底为软弱层，如风化的基岩、断层破 碎带、超挖部分为浮確填充层等，由于其强度低、结构松散，容易被水浸 泡软化或被水冲刷流失，列车动载的反复作用使基底泥水多沿边墙缝、人 行道与道床的接缝或其他薄弱环节（如中心及侧水沟）等处涌向道床，形 成翻浆冒泥，进而使基底局部淘空，造成道床断裂。另外，还有软岩膨胀 底鼓等原因。1.5其它病害危及隧道运行安全，形成隧道病害的因素还有很多，包括

8、：山体滑坡 挤压隧道衬砌造成衬砌裂损、隧道穿越溶岩地层形成围岩空洞、洞口处塌 方、落石等等，不在此处一一赘述。2. 隧道病害的检测一、检测内容（一）隧道衬砌病害检测主要使用地质雷达法、回弹法、结合现场调查。主要检测内容如下：1、隧道二次衬砌厚度雷达检测；2、隧道二次衬砌背后回填密实度（有无空隙、空洞病害）；3、衬砌混凝土强度检测；4、隧道相关调查（渗漏水病害调查、衬砌残损调查等）。5、隧道限界检测；二、检测原理中铁检测依据：铁路工程物理勘探规程tb10013-2010；铁路隧道衬砌无损检测规程tb10223-2004；铁路工程结构混凝土强度检测规程tb10426-2004；铁路运营隧道衬砌安全

9、等级评定暂行规定铁运函【2004】174号。1、地质雷达检测原理本次隧道衬砌厚度及背后密实程度检测，采用地质雷达探测方法进行。 该方法通过地质雷达发射天线向地下连续发射脉冲式高频电磁波，当遇到 有电性差异的界面或目标体（介电常数和电导率不同）时即发生反射波和 透射波。接收天线接收反射波并经电缆传递给主机，在主机显示屏上形成 实时的时间剖面。根据记录到的反射波的到达时间和求得的电磁波在介质 中的传播速度，确定界面或目标体的深度；同时根据反射波的形态、强弱及其变化等因素来判定目标体的性质。三、检测仪器及方法：主要用到两种仪器：地质雷达仪（sir-20型主机，配备400m天线）；用于衬砌检测。美国g

10、ssi公司生产的sir-20型地质雷达中铁瑞士产的digi-2000型全自动数字回弹仪 用于衬砌强度检测四、检测布置:（-）隧道检测按设计要求，每座隧道布置5条雷达测（即：拱顶、左右拱脚、左右边墙）进测，如右示意图；强度检测在隧道边墙测点，每50m-测点。限界检测按委托求，或每5米做一个断面。线行检布置方要3整治技术和新材料的应用3.1衬砌渗漏水病害整治技术3.1.1注浆防水（1）衬砌壁后注浆对于由衬砌壁后围岩疏松、空洞、集水而造成的严重裂损渗漏水，尤其是单式衬砌的渗漏水病害整治，将专门的浆液注入到衬砌壁后，以加固 和密实围岩，堵塞裂缝而治水，是比较普遍的方法。在衬砌壁后围岩有疏 松或空洞漏水

11、部位，布置间距为2m-4m的注浆孔，先疏后密、中间插补， 孔深以穿透衬砌厚度进入围岩约10-30cm为宜，孔径4）42cmo埋设注浆 管，使用压力洗孔，然后采用防水型tgrm水泥基特种灌浆料进行注浆施 工，注浆时孔口压力控制在0.4-0.6mpa以下，并注意观察浆液的串孔和裂 缝的跑浆情况，注意封堵，直至压满为止，如遇到吃浆量过大时，可暂停 注浆，重新设孔隔天再注，以避免浆液扩散过大造成浪费。对于衬砌壁后 的较大空洞，有条件时可先灌注不分散砂浆或混凝土，然后补灌防水型 tgrm水泥基特种灌浆料；如果衬砌状态欠佳，可考虑采用轻质型tgrm 水泥基特种灌浆料进行回填注浆，以减少衬砌负荷。屮铁（2）

12、衬砌内防水注浆针对淌涌水形式的衬砌裂缝，如果衬砌背后没有大的空洞，可根据渗 漏水分布情况，在完成拱部衬砌裂缝封堵后，将浆液注入到衬砌体内或初、 二衬之间，以加固和密实衬砌、堵塞裂缝，提高衬砌强度和抗蚀防水能力， 同时分段赶水，集中由边墙排水槽排至边沟。注浆时，先按间距布设注浆孔，孔深应严格等于或小于各段的 钢筋混凝土衬砌厚度，不能打透初期支护，孔径为42mm，埋设注浆管。 先进行压水试验，确定渗透范围和合理孔间距。然后采用超细防水型tgrm 水泥基特种灌浆料进行注浆施工，注浆时孔口压力控制在0.4mpa以下， 压浆时注意观察浆液的串孔和裂缝的发展情况，注意封堵和调整注浆参数, 直至压满为止。衬

13、砌内注浆适合于复合衬砌中因一、二衬之间有空隙或衬砌内混凝土疏松、有孔洞而造成的大面积渗漏水。图 3-1-3注浆孔布置示意图图314注浆断面示意图3.1.2凿缝填充堵漏整治衬砌孔洞或比较规则、明晰的衬砌浅表裂缝的渗漏水病害，可采 用凿缝填充堵漏措施，先凿除裂缝周围的腐蚀、松散混凝土，并用堵漏剂 填塞，以达到治水和修补的双重效果。对于一般漏水点，用钢钎或手持式磴切割机在漏水点周围凿一 u型坑,宽6cm深不小于4cm,用足够量的腻子状速凝堵水砂浆”瞬间堵 漏剂一次填满压实。对于有压力水的漏水点，在漏水点处开宽6cm深不小于4cm的u型 坑，在坑中央安放一根管径e中铁8mm-12mm软塑管引水，然后用

14、"w-21速凝堵水砂浆”从边缘向坑中央封堵，逐渐缩小漏水范围，最后将排水软管扎住，并用速 凝堵水砂浆”封堵严实。对于漏水裂缝，沿裂缝方向开u型槽，槽宽6cm深不小于4cmo用钢 丝刷将槽缝内的碎石、浮浆、杂物全部清除掉，用高压水冲洗干净。用 速凝堵水砂浆”堵，将腻子状“w21速凝堵水砂浆”捏成合适形状，迅 速填入u型槽内，挤压密实。遇到长裂缝需分段封堵时，“w21速凝堵水 砂浆”间的接茬耍成反八字形相接。图3-1-5漏淌水裂缝示意图图3-1-6漏淌水裂缝堵水示意图图3-1-7 示意图3.1.3背水面内贴式防水用高效防水剂喷涂在有渗漫水等病害或修补后的衬砌背水面，以封闭 表面，达到防水

15、、防潮、防裂等目的。首先对拱部衬砌表面进行清理：用钢丝刷和高压水将衬砌表面的灰尘、 油污、泛碱、浮浆、松动碎块等杂物清除干净，确保露出確结构新面。確 表面要平整，若有凹凸不平或孔洞等蜂窝麻面，可用up2000或聚合物砂 浆嵌填抹平，以保证防水材料均匀地覆盖。图3-1-8拱部渗漏水病害平血示意图图3-1-9衬砌内贴式防水平 面示意图图3-1-10衬砌内贴式防水剖面图图3-1-11 1点大样图中铁喷涂“w22聚合物改性水泥基防水砂浆”涂层前先将衬砌表面洒水 润湿以利于喷涂，但不能有流淌水；然后用配制好的"w-22聚合物改性 水泥基防水砂浆”浆液（呈浓奶油状）进行喷涂，喷涂次数22不少于两

16、遍，第一遍材料用量为1 kg/m,第二遍材料用量不小于 0.5 kg/m；两次喷涂的时间间隔不小于12小时。对于修补过的部位适当增加材料用量和喷涂遍数，确保 涂层有足够厚度，喷涂过的防水层可适当洒水养护。对隧道衬砌上的施工 缝、变形缝要以缝两侧20cm范围为界喷涂“柔性w-22聚合物改性水泥基 防水砂浆”，以提高防水保护效果。3.1.4边墙盲沟排水对于拱部渗漏水严垂的部位以及边墙淌水部位，应先在对应涌水点的 边墙位置开泄水孔，以减少涌水点水压，然后再用“w21速凝堵水砂浆” 封堵漏水点，如果泄水孔不能有效减少水压，同时隧道所处地质环境允许 排水，可采用边墙盲沟排水方法：用钢钎或手持式碗切割机沿

17、涌水点开凿 一向下至边墙的u型槽，槽宽24 cm,深不小于14 emo在u型槽内埋设 “ 20 cm半圆型塑料管，然后用“w21速凝堵水砂浆”、up2000嵌填密实， 并在槽宽及两测20cm范围喷涂“柔性w22聚合物改性水泥基防水砂浆”。对于高寒地区要对排水盲沟采取保温措施，可以考虑采用深埋聚氨酯 保温盲沟，其适用温度在一20°c 40°c间，在施做时要结合衬砌、围岩 状态及水的分布处理好集水口，防止水在集水口冻结，如果不能保证集水 口的防冻，且在围岩、衬砌间存在浅表水，就耍考虑衬砌保温一在衬砌表 面喷涂聚氨酯保温层，以保证冬季盲沟排水畅通，防止冻害发牛。图3-1-12暗槽

18、排水示意图 图3-1-13横断面示意图 图3-1-14剖面示意图3.2衬砌裂损整治技术3.2.1衬砌嵌补加固中铁（1）裂缝对于漏水或不漏水的衬砌裂缝，参照整治漏水的方法，用“w21速凝堵水砂浆”瞬间堵漏剂或聚合物改性水泥基修补砂浆”嵌填。（2）强涌水裂缝以改性聚合物、水泥为胶结材料，石英砂为骨料构成pmc聚合物砂浆。 该材料具有快凝、早强和水下不分散的特性，30分钟抗压强度达lompa, 小时后抗压强度达14mpa以上。材料含内聚能密度高的基团，遇水很快 固结，不溶于水，又不会被水冲走，具有很好的粘接强度。在设计中，材 料的初凝时间为68分钟，在12分钟内脱粘、固结（可根据现场具体情 况调整）

19、，并可按设计要求调整配方，配制聚合物（减量）砂浆，满足不 同病害整治施工需耍。（3）腐蚀成洞、空鼓剥皮掉块的衬砌凿除腐蚀成洞处栓，要求凿到新鲜栓为止，剔除空鼓，清除浮浆碎屑， 用高压水冲洗干净，在修补处刮涂p31聚合物改性水泥基修补砂浆，当 第一层up2000开始初凝硬化时，抹第二层up2000,每一层厚度不超过2cm, 如此方法至表面刮平，如果洞界较大较深，耍打钎钉挂钢筋骨架，并可在 up2000中拌和骨料以提高强度。（4）表层修补加固对于隧道衬砌存在较大血积的裂损、表层脱落等病害，且隧道限界条 件又不能满足常规施工要求的，可考虑釆用adex混凝止结构修补防护体 系。该体系由n型（nivel

20、ex）底涂材料、玻璃丝束增强网（reinforcing mesh）、 r型（reviflex）面涂材料组成。对混凝土结构病害具有极好的修补防护功 能。adex混凝土结构修补防护体系抗老化、耐盐雾、耐酸碱和抗化学腐 蚀的性能及单向呼吸性，可有效防止水汽及有害介质的侵入。adex混凝 土结构修补防护体系与结构表面粘结牢固、不开裂，具有良好的弯曲弹性。 施工完成后无需养护。图3-2-1剖面图图3-2-2节点大样图3.2.2注浆锚杆加固隧道衬砌由于塑性压、偏压和倾斜蠕变、围岩松弛造成的垂直压等引 起的衬砌变形、裂损病害，采用锚杆加固是有效的整治方法。有效的锚固 作用能改善围岩及结构的力学性能，控制围岩

21、体结构变形的屮铁图3-2-3注浆锚杆平面布置图 图3-2-4 1-1剖面图发展，形成具有动态耦合作用的衬砌一锚杆一围岩体系自适应内承载 结构，从而保证隧道体的稳定性。具有严重裂损或变形隧道体多处在围岩 破碎、软弱、受地下水危害、难以成孔的地段，目前较为有效的锚固办法 是采取以自钻式或半自钻式锚管等成孔置杆方式，高压注入具有早强高强 性、可注流动性、膨胀密实性的加固型tgrm水泥基特种灌浆料，以形成 注浆锚固加强带，全面改善围岩及结构的承载和抗渗特性。从效果、可操 作性、经济性等方面考虑，可选择国产的hz25k型半自钻式高效注浆锚杆， 它是集钻头、锚杆、注浆导管为体的管式锚杆。3.3衬砌混凝土病

22、害整治技术衬砌混凝土病害整治技术主要指用于整治衬砌混凝土因受到侵蚀性 环境介质作用或自身原材料等原因产生的化学病变的技术，它包括涂层覆 盖技术、混凝土除氯技术、混凝土钢筋锈蚀病害修补处理等。同样，这些 技术可更广泛地应用于桥梁和建筑物等混凝土结构的病害整治中。对于锈蚀破坏期的钢筋锈蚀，如顺筋胀裂、部分保护层和边角脱落, 结构已处于不安全运行期或危险期，必须立即采取措施将开裂及松动的保 护层砸掉，将包裹钢筋的混凝土凿除一薄层，使钢筋全部露出，然后除锈 清理，对于截面缺损小于5%的钢筋应涂以环氧树脂补足断面，其它应补 足钢筋，在其上涂敷p41渗透型防中性化阻锈剂，并用p31聚合物改性 水泥基修补砂

23、浆修补好保护层。对于盐污染已使钢筋表面处混凝土氯离子含量超过最高限值时，应采 用除氯技术降低氯离子含量，必要时需要凿除氯离子超限混凝土、清理钢 筋表面涂敷p-41渗透型防中性化阻锈剂，并用p-31聚合物改性水泥基修 补砂浆修补好保护层。对于构件表面完好，敲击无空鼓层裂的部位，和碳化深度和氯离子深 入深度还未到保护层终点的衬砌，只须在混凝土结构表面加涂一道excel 渗透型混凝土防碳化保护剂即可。3.4基床加固技术隧道基底和道床的病害视情况可采用加设有效的地下水排导系统、道 床翻修、换填、置换、道床基底注浆等措施。这里详细介绍利用新材料和 技术成功地创用于大瑶山、雷公尖等隧道道床严重病害的整治方

24、法一一锚 桩一注浆加固法。3.4.1锚桩- -注浆加固采用聚合物栓灌注锚桩加固和封闭水沟墙及与基底灌浆相结合的方 法，使断裂和“吊空”被锚固、充填，通过沟墙封闭将灌浆区段与水隔绝， 确保灌浆质量，然后在封闭的灌浆区段进行基底灌浆，达到基底完全固结 填实的冃的。图3-3-1锚固桩平面布置示意图 中铁图3-3-2锚固桩立面布置示意图 图3-3-3道床基底注浆示意（1）锚桩设计1）桩径d：取决于钻机成孔直径，一般取d=120150mm；2）桩长l： l二道床厚度+舖底厚度+嵌岩深度（0.25m）；3）桩间距a：按承载力计算结果，同时满足a>3d,并采用错位梅花 排列；4）pmc聚合物混凝土：灌

25、桩材料性能具有在lm/秒的涌水冲刷下不 离散、30分钟抗压强度8mpa以上，抗折强度在6mpa以上，耐冲击性好 的特性，且由于材料的粘接特性，较大幅提高了桩身的侧摩阻力。（2）注浆设计专用于隧道基底和道床病害整治的灌浆料须符合以下几点要求：30分 钟的抗压强度在8mpa以上；可操作时间（用于灌浆操作的时间）在:l0 12分钟；浆液粘度小（10分钟的净浆流动度250mm）,可灌性好。经过 试验工程检验和正式施工使用，证明加固型tgrm水泥基特种灌浆料满足 基床病害整治要求，其突出特点是：在小水灰比（w/c=0.37）的情况下， 浆液流动性好，直至初凝前12分钟流动性仍保持稳定；初、终凝间隔时 间

26、短，只有23分钟，从而在保证灌浆后有30分钟限定时间的同时，为 可操作时间留出了 10-12分钟，也为终凝后的强度快速发展使之达到 8mpa/30分钟以上提供了保证。（3）施工工艺1）钻孔灌注锚桩主要利用其抗压强度强度高优势，支撑“吊空”，以群桩承载方式， 传递列车荷载至基岩，达到稳定基床、消除轨道状态变化、拆除扣轨的目的。工序为：钻孔-清孔放钢筋笼支模板-灌注於捣固。 钻孔采用小型工程钻机120mm金刚石岩芯钻头，孔位中心点距 水沟墙边16cm,钻深至基岩下2025cm。在钻进过程屮曾出现由于冷却 水供给不畅而使钻头发热，使钻出的稠浆胶住钻头，难于下钻；为此，在 施工中我们采用了多向供水器，通过施加压力将水输送到钻头位置，效果 显著，不但延长了钻头的使用寿命，而且有效地提高了工效。 清孔采用风水联合法，将风压机的风管伸入已成孔的锚桩孔内将 孔内的沉渣吹起，再用钳式清孔器或铲式清孔器将风压吹不起来的大块岩 芯取出，并压水冲洗，以保证施工质量。 支模板是针对病害“吊空”严重地段，即成孔后发现锚桩孔与中、 侧沟相串通，通过支模板避免灌注锚桩的確沿“吊空”流失，在本次施工 中扣轨段及其它病害段“吊空”严重处均采用了这一措施。