铁路隧道衬砌裂缝成因分析及处置措施

白银强

中铁北京工程局集团第一工程有限公司 陕西省西安市 710100

摘要：社会经济的发展，促进了我国的交通行业的发展，铁路隧道工程建设越来越多。“十四五”期间水利工程建设重点之一为实施国家级水网建设,提升水资源优化配置能力。其中引调水工程为国家水网的重要组成部分,隧洞作为工程的重要组成部分,在实际施工过程中会产生各种裂缝,为了提高工程耐久性,本文就铁路隧道衬砌裂缝的成因及处理措施进行研究，以供参考。

关键词：铁路隧道；二次衬砌；裂缝；成因；处置措施

引言

黄土中的优势渗流通道包括拉张裂缝和落水洞等，浇灌汇集的水主要沿着这些优势渗流通道向土体深部迁移。主裂缝周围发育有次级裂缝以及毛细裂缝，因此土体空隙数量多、连通性好、渗透性强。

1隧道二次衬砌裂缝分类

1.1干缩裂缝

混凝土成型后，未按规定的方法和频率养护，混凝土表面水分散失过快，表面体积收缩较大，而混凝土内部湿度变化相对较小，收缩较小，表面混凝土变形的同时受到内部混凝土的约束力，出现拉应力，引起混凝土表面开裂。

1.2荷载裂缝

隧道支护结构在承受围岩所施加的主动压力作用时将发生弹性变形，由于隧道支护结构周围有围岩存在，因此，它的这种弹性变形将受到围岩的约束作用，这种约束作用称为弹性抗力，它的大小与地层性质和隧道支护结构性质有关。在进行数值模拟时，二次衬砌采用梁单元进行模拟，用软件中自带的仅受压弹簧单元模拟围岩弹性抗力，并对二衬关键位置强度进行核算。

1.3施工缝（接茬缝）

由于施工工艺或施工异常的原因，难免会出现新旧混凝土交接的施工缝。当浇筑新的混凝土时，旧混凝土表面基础未进行凿毛处理、凿毛处理不彻底或凿毛处理后浇筑新混凝土前未充分浇水润湿，就直接在原混凝土表面浇筑混凝土，致使新旧混凝土接茬处出现裂缝。

2隧道二次衬砌混凝土裂缝处置措施

2.1施工方法及灌浆压力

根据裂缝深度不同,采用的处理方法及压力不同,一般当处理深度不大于1.5m时,建议采用对于深度小于1.5m的裂缝,建议采用无损处理办法即贴嘴灌浆法;对于裂缝深度大于1.5m时,建议采用钻孔灌注法,钻孔前应对钢筋进行探测,以免对衬砌结构造成影响,灌浆压力以0.1~0.2倍设计水头为宜,且不应小于0.5MPa。

2.2衬砌裂缝处表面有明水渗出

采用钻孔压注环氧树脂的方法进行整治，具体处置方法如下：①把裂缝两边衬砌表面各5cm宽范围内刷洗干净并清除松动混凝土块；②在裂缝上涂J-1快干型封缝胶两道；③在裂缝一侧100-250mm处钻孔，钻孔应交叉布置在裂缝两侧，钻孔应斜穿裂缝，垂直深度宜为混凝土结构厚度h的1/3-1/2，孔径不宜大于20mm斜孔倾角0宜为45°-60°；④通过注浆嘴往钻孔内注环氧树脂，注浆嘴深入钻孔的深度不宜大于钻孔长度的1/2。待树脂固化后，拆除灌浆嘴并清理表面封缝胶；⑤沿裂缝走向在两侧各20cm范围内的基层表面涂布水泥基渗透结晶型防水涂料2次，用量不应小于1.5kg/m2且涂抹厚度不应小于2.0mm。

2.3环氧胶泥进行裂缝处理工艺

用砂纸或特殊打磨设备将混凝土表面进行磨平,厚度以小于5mm为宜;清除残留在衬砌表面上的水泥浆凝固体等,用高压水或高压风清除隧洞衬砌表面的砂砾、粉尘等,使衬砌表面无残留物。采用刮铲逐个把清理后衬砌面上的缝隙用环氧胶泥填塞至密实状态。大于4h且总时长小于12h后,待胶泥固化并达到一定强度后,刮涂第二层环氧胶泥并进行找平,面刮找平后的施工层表面要平整、光滑、无施工缝及划痕等。

2.4模型训练

各网络的训练次数(Epochs)均设置为200次，以保证各网络在训练过程中都能够达到收敛。基于迁移学习的思想，加载ImageNet-1K数据集训练得到的预训练权重作为各网络主干部分的初始权重，并对该部分权重进行冻结，仅对网络其余部分权重进行训练并更新，以加速网络收敛的速度并节约计算资源。完成50次训练后，对主干网络部分进行解冻，对整个网络的权重进行训练更新直至训练结束。各网络的批量大小在GPU内存允许的范围设置的尽可能大，以避免训练震荡的问题发生。各网络的学习率在训练过程中首先确定最大值和最小值，然后采用余弦退火策略进行衰减，以避免网络陷入局部最优。

2.5隧道衬砌结构荷载措施

1)根据荷载计算结果，当隧道洞顶裂缝发育时，浅埋和深埋工况结构安全系数均小于规范要求的最小安全系数;因此，土体中裂缝的发育与否，是影响灌区隧道结构安全的重要因素。2)在裂缝不发育的情况下，土壤中水分运移受到基质势、初始含水率、重力势和压力势等相互作用，无法向深层土体渗透。其对隧道的影响直观的表现为荷载的增加，并无弱化洞周围岩的作用，因此，其对隧道衬砌安全系数的影响较小。3)本项目对黄土隧道洞口及洞身段具有湿陷性的黄土地段的基底进行旋喷桩方案处理;采用旋喷桩加固地基，可使地基承载力有效提高，并使得黄土地基的湿陷性病害得到有效的遏制，在所有的计算工况下，拱底沉降均控制在一个较小的范围。4)在裂缝发育的情况下，滴灌、喷灌及漫灌等灌溉水沿裂缝下渗弱化隧道围岩，隧道受到的荷载增大。因此，在隧道洞顶水浇地灌溉期间，应加大加强巡查力度，对发育裂缝及时进行封闭处理，以防止灌溉汇水沿发育裂缝下渗

2.6手刮聚脲复合胎基布处理工艺

(1)初步清理。将需要涂刷聚脲部位附近的污染物等清理干净。(2)处理区表面除油。主要将衬砌内壁表面的油污清理干净,清理范围应垂直裂缝宽度外延不小于50cm。(3)衬砌表面进行打磨。①处理范围应以裂缝为中心线,同时应大于聚脲处理宽度,两侧外延宽度不应小于10cm。②打磨后衬砌混凝土表面无残留物,且出现细骨料即可。(4)聚脲施工。①界面剂涂刷处理。其范围应与打磨范围一致。表面干燥无潮湿状态后涂刷聚脲。②涂刷第一层聚脲施工。在裂缝表面涂刷聚脲时,应确保表面处于平整状态,无棱角,厚度均匀,颜色无较大差异。③涂刷第二层聚脲涂刷施工。铺设第二层聚脲时,边铺边刷,不可整体铺完后再涂刷,同时应反复涂刷,以浸透胎基布且胎基布网格消失为准,涂刷过程中应保持浸透均匀,避免局部起泡等。④涂刷第三层聚脲涂刷施工。待前一工序完毕表干后进行,施工顺序为由下至上进行刮涂,施工过程中应及时找平。

2.7拉性裂缝原因

根据裂缝及施工情况统计分析结果可知，基本可排除因混凝土原因、地质原因造成的开裂。经询问现场工人及施工技术人员，并查阅过程影像资料，调取仰拱浇筑信息，可得知以下情况：进口明洞大里程工区仰拱施工前，基底基本无虚渣和积水，出口工区仰拱施工质量相对较差，大多都存在不同程度的虚渣和积水情况；同样围岩等级条件下，进口明洞大里程工区仰拱浇筑方量较出口工区多10方-20方，换算到仰拱厚度，约厚8-16cm，通过仰拱钻芯实测仰拱厚度，发现进口明洞大里程工区仰拱厚度普遍大于出口工区。结合以上信息分析可知，BYS隧道二次衬砌环向裂缝主要成因是：二次衬砌施工后，由于仰拱施工质量较差（仰拱基地存在虚渣和积水），导致二次衬砌受力模式与原设计发生变化，呈现了二次衬砌中间沉降较两端大的情况，二次衬砌中间底部受拉形成长度不一的竖向裂缝（同时猜测仰拱中心里程靠近底部应同样出现下宽上窄的裂缝），二次衬砌沉降稳定后，裂缝随之稳定不再发育。

结语

二衬砌混凝土裂缝病害案例随着交通建设的不断发展，也呈现日益增多的趋势，裂缝病害严重影响了后续线路运营安全。应当从配合比设计、原材料质量控制和施工控制等方面着手，全面预防二次衬砌裂缝病害的发生。当裂缝病害出现之后，应深入分析病害成因，并采取有效的措施避免病害进一步扩大，待裂缝稳定后，要根据裂缝的方向、深浅、宽窄及对结构安全的影响程度来选择较为合适的处置措施处理裂缝。

参考文献

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