上官濤

(中國(guó)鐵路總公司工程管理中心，北京100844)

鐵道隧道底部病害成因分析與質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)

上官濤

(中國(guó)鐵路總公司工程管理中心，北京100844)

系統(tǒng)地總結(jié)了既有鐵路隧道底部結(jié)構(gòu)常見(jiàn)的病害現(xiàn)象，分析病害產(chǎn)生的原因，指出隧底常見(jiàn)的施工缺陷?；谀壳八淼讬z測(cè)常用的地質(zhì)雷達(dá)法和鉆芯法，給出了隧底檢測(cè)要點(diǎn)和提高檢測(cè)精度的措施。分析近年來(lái)隧底施工質(zhì)量抽查發(fā)現(xiàn)的典型問(wèn)題，提出在建隧道底部質(zhì)量檢測(cè)和質(zhì)量控制建議，為新建隧道建設(shè)管理提供參考。

隧底檢 測(cè)施 工質(zhì)量控制 地質(zhì)雷達(dá)法 鉆芯法

如何控制新建隧道施工質(zhì)量，提高隧底檢測(cè)精度，是目前在建隧道建設(shè)管理的重點(diǎn)工作。本文在分析既有線隧道底部病害特征及其產(chǎn)生機(jī)理的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程案例，對(duì)新建隧道底部常見(jiàn)缺陷及質(zhì)量檢測(cè)的技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行了分析，給出隧道底部施工質(zhì)量控制建議，為新建隧道的建設(shè)管理提供參考。

1 既有線隧底常見(jiàn)病害成因分析

隧道基底下沉及道床翻漿冒泥是既有線隧道主要的病害。其主要是由施工質(zhì)量缺陷、運(yùn)營(yíng)列車動(dòng)荷載作用、自然和地質(zhì)環(huán)境等引起。已有的數(shù)值分析結(jié)果表明，圍巖壓力和施工質(zhì)量對(duì)隧道結(jié)構(gòu)破壞的影響更大。隧底出現(xiàn)破損后，在列車振動(dòng)沖擊作用下隧底結(jié)構(gòu)病害會(huì)進(jìn)一步惡化。以下結(jié)合近年來(lái)大量新建隧道檢測(cè)及既有鐵路隧底病害檢測(cè)與加固分析的經(jīng)驗(yàn)對(duì)隧底的病害成因進(jìn)行分析。

1.1 施工質(zhì)量

施工質(zhì)量缺陷是隧底病害的主因。施工中當(dāng)存在隧底虛渣、混凝土強(qiáng)度不足、隧底厚度不足、鋼架未按設(shè)計(jì)施作等問(wèn)題時(shí)，在地下水、列車動(dòng)載作用下，隧底會(huì)出現(xiàn)腐蝕、凍脹、基底吊空、開(kāi)裂等病害。常見(jiàn)的施工缺陷有:

1)隧底厚度不足。隧道開(kāi)挖常存在超挖或欠挖現(xiàn)象。隧底欠挖時(shí)，常出現(xiàn)隧底厚度不足、仰拱上浮，影響襯砌結(jié)構(gòu)的整體受力狀態(tài)，削弱了襯砌的整體承載能力，給隧道的長(zhǎng)期受力穩(wěn)定帶來(lái)隱患。

2)仰拱充填片石。為節(jié)約成本，采用片石或洞渣代替混凝土仰拱或填充仰拱，導(dǎo)致基底承載能力不足，引起隧底結(jié)構(gòu)破壞。

3)隧底虛渣。隧底虛渣分兩種情況:①在澆筑仰拱或底板混凝土前隧底虛渣未清理干凈;②隧底嚴(yán)重超挖，采用洞渣進(jìn)行回填而形成隧底虛渣，這為地下水沖刷、凍脹、腐蝕提供了通道，使基底出現(xiàn)吊空現(xiàn)象，在列車動(dòng)荷載長(zhǎng)期作用下，導(dǎo)致隧底結(jié)構(gòu)破壞。

4)混凝土強(qiáng)度不足?；炷翉?qiáng)度不足體現(xiàn)為兩個(gè)方面:①混凝土質(zhì)量不合格或施工振搗不充分，導(dǎo)致隧底仰拱或底板混凝土達(dá)不到設(shè)計(jì)要求;②仰拱混凝土強(qiáng)度等級(jí)未達(dá)到規(guī)定要求，致使基底承載能力不足，在長(zhǎng)期的動(dòng)荷載及圍巖壓力作用下引起隧底結(jié)構(gòu)破壞。

5)鋼筋或鋼架缺失。未按設(shè)計(jì)要求放置鋼筋或鋼架是襯砌或仰拱的常見(jiàn)缺陷。近年來(lái)隨著地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)的普及、檢測(cè)人員水平的提高以及施工管理的加強(qiáng)，這類現(xiàn)象逐漸減少，但仍未杜絕。

1.2 水的作用

地下水的動(dòng)水作用會(huì)對(duì)裂隙產(chǎn)生沖刷;泥質(zhì)頁(yè)巖和炭質(zhì)頁(yè)巖浸水會(huì)產(chǎn)生體積膨脹;在嚴(yán)寒地區(qū)，基底巖土內(nèi)的水分會(huì)使隧底及整體道床產(chǎn)生凍害。隧底施工質(zhì)量缺陷為水對(duì)隧底的沖刷、腐蝕、凍脹與破壞提供了通道，加重了水害。此外，隧道的排水系統(tǒng)不能有效降低地下水位往往導(dǎo)致水害的發(fā)生。如平行導(dǎo)洞內(nèi)的附屬排水溝及中心水溝堵塞使地下水不能及時(shí)排出，從而長(zhǎng)期浸泡侵蝕道床，加之列車的碾壓致使道床橫向斷裂、下沉。

1.3 列車動(dòng)荷載的作用

在隧道建成初期，列車荷載一般不會(huì)引起隧底結(jié)構(gòu)破壞。當(dāng)隧底存在施工質(zhì)量缺陷時(shí)，在水流沖刷后，隧道鋪底結(jié)構(gòu)在列車長(zhǎng)期的沖擊荷載作用下，逐步引起隧底結(jié)構(gòu)破壞。具體表現(xiàn)為:列車通過(guò)時(shí)輪對(duì)下壓，使變軟的泥、水從裂縫中擠出，形成翻漿冒泥，輪對(duì)經(jīng)過(guò)后，軌枕復(fù)位上抬，基床下空隙形成吊空，迅速由四周泥水補(bǔ)充，在反復(fù)的抽吸作用下，隧底開(kāi)裂與翻漿冒泥之間形成惡性循環(huán)，基底與圍巖之間空隙不斷擴(kuò)大，造成道床下沉、吊空，威脅行車安全。

1.4 圍巖較差

圍巖較差是隧道基底發(fā)生下沉和翻漿冒泥等病害的原因之一。地下水對(duì)隧道泥巖夾層的軟化與潛蝕，使得泥巖夾層與混凝土仰拱交界處泥巖小顆粒被地下水帶走，導(dǎo)致基底結(jié)構(gòu)脫空。近年來(lái)隨著列車提速、載重量提升、行車密度的加大，既有線隧道由于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低、施工缺陷、結(jié)構(gòu)物老化等因素而產(chǎn)生病害。對(duì)于新建隧道，設(shè)計(jì)對(duì)耐久性、結(jié)構(gòu)物使用壽命等因素考慮比較多，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)較高，在保證施工質(zhì)量和勘探準(zhǔn)確度的情況下，短期內(nèi)出現(xiàn)因圍巖狀況引起的隧底病害的可能性較小。因此，施工質(zhì)量控制是關(guān)鍵。

綜上分析表明，施工質(zhì)量缺陷是隧底病害的主因。在新建隧道的建設(shè)管理中，提高檢測(cè)精度和可靠性，嚴(yán)格把好隧底施工質(zhì)量關(guān)，是預(yù)防隧底病害的重要措施。

2 隧底質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)

隧道結(jié)構(gòu)檢測(cè)與評(píng)估的方法主要有地質(zhì)雷達(dá)法、鉆芯法、聲波法、瞬變電磁法、超聲回彈綜合法、回彈法、瑞雷波法、地震影像法及紅外線探測(cè)法等。其中地質(zhì)雷達(dá)法為最常用的檢測(cè)方法。近年來(lái)，由于鉆芯設(shè)備愈加便捷，通常將地質(zhì)雷達(dá)法和鉆芯法相結(jié)合進(jìn)行新建隧道底部質(zhì)量檢測(cè)和驗(yàn)收。

2.1 地質(zhì)雷達(dá)法

地質(zhì)雷達(dá)法是利用一個(gè)天線發(fā)射高頻率寬頻帶電磁波，另一個(gè)天線接收來(lái)自地下介質(zhì)界面的反射波來(lái)進(jìn)行探測(cè)。電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其路徑、電磁場(chǎng)強(qiáng)度與波形隨所通過(guò)介質(zhì)的電性質(zhì)及幾何形態(tài)而變化。根據(jù)所接收到的電磁波旅行時(shí)間(雙層走時(shí))、幅度與波形可推斷介質(zhì)的結(jié)構(gòu)。

雷達(dá)波反射信號(hào)的強(qiáng)度主要取決于上下層介質(zhì)的電性差異，電性差異越大，反射信號(hào)越強(qiáng)。雷達(dá)波的穿透深度主要取決于介質(zhì)的導(dǎo)電性和雷達(dá)天線的中心頻率。導(dǎo)電率越高，穿透深度越小;天線中心頻率越高，穿透深度越小。反之亦然。因此，選擇合理的天線頻率對(duì)提高檢測(cè)準(zhǔn)確度非常重要。

地質(zhì)雷達(dá)主機(jī)配備不同頻率的天線可對(duì)不同深度的目標(biāo)體進(jìn)行探測(cè)。目前在鐵路隧道襯砌檢測(cè)中普遍應(yīng)用的是900，400，200(270)MHz天線。目前鐵路雙線隧道線路中線仰拱及填充層設(shè)計(jì)厚度一般為1.5～1.8 m，用400 MHz天線檢測(cè)深度略顯不足，用200 MHz天線則檢測(cè)精度不夠。隧底及仰拱檢測(cè)可采用兩種頻率的天線綜合檢測(cè)。

2.2 鉆芯法

以往對(duì)隧底(仰拱)質(zhì)量有懷疑時(shí)，普遍采用液壓地質(zhì)鉆機(jī)鉆探取芯。由于該儀器笨重，效率低，很難將鉆芯法作為仰拱質(zhì)量檢查的常規(guī)方法。近年來(lái)，隨著鉆芯設(shè)備的更新，簡(jiǎn)易鉆機(jī)即可完成3 m以內(nèi)的混凝土鉆芯取樣。與簡(jiǎn)易鉆機(jī)相比，液壓地質(zhì)鉆機(jī)在隧底巖芯的鉆探方面具有明顯優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)通常將簡(jiǎn)易鉆機(jī)和液壓地質(zhì)鉆機(jī)相結(jié)合進(jìn)行鉆芯檢測(cè)。

目前，在鐵路隧道質(zhì)量抽檢中，已將隧底鉆芯檢測(cè)作為常規(guī)檢測(cè)項(xiàng)目，及時(shí)有效地發(fā)現(xiàn)了隧底施工質(zhì)量缺陷。鉆芯抽檢的方法與效果引起建設(shè)各方的重視，逐漸作為常規(guī)方法被引入隧道仰拱質(zhì)量第三方檢測(cè)工作中，大大提高了施工質(zhì)量意識(shí)和質(zhì)量控制水平。具體做法是沿隧道每隔一定長(zhǎng)度在隧底鉆取一組混凝土芯樣，用于檢測(cè)隧底厚度、強(qiáng)度或?qū)Φ刭|(zhì)雷達(dá)法檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

3 隧道底部檢測(cè)效果及分析

近幾年新建隧道的監(jiān)督管理、質(zhì)量調(diào)查以及既有線隧底質(zhì)量整治工作中暴露出隧底施工質(zhì)量問(wèn)題主要是拱架間距超標(biāo)、隧底厚度不足、仰拱強(qiáng)度不足、虛渣過(guò)厚等。

3.1 地質(zhì)雷達(dá)法檢測(cè)隧底的效果示例

例1。某段隧底仰拱設(shè)計(jì)厚度50 cm，填充層設(shè)計(jì)厚度68 cm。從雷達(dá)圖像(圖1)上可看出約在40 cm深度處有明顯層位分界，且分界處有多次波反射，可能存在脫空或不密實(shí)區(qū)域。經(jīng)鉆芯驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)38 cm深度處以下為拋填碎石。

圖1 隧底厚度嚴(yán)重不足且摻雜碎石

例2。某段隧底仰拱設(shè)計(jì)厚度55 cm，填充層設(shè)計(jì)厚度80 cm。從雷達(dá)圖像(圖2)上可看出框內(nèi)仰拱表層鋼筋約在55 cm深度處，說(shuō)明填充混凝土厚度＜55 cm。該段填充層厚度比設(shè)計(jì)厚度少約25 cm，仰拱上抬。

例3。圖3為仰拱鋼筋的典型探測(cè)圖，可以看出明顯的仰拱表層鋼筋反射，但由于埋深和屏蔽效應(yīng)，無(wú)法顯示仰拱下層鋼筋反射及初支鋼架反射。地質(zhì)雷達(dá)對(duì)鋼筋背后的鋼架布置、仰拱下部虛渣等檢測(cè)效果不佳。建議加大鉆芯驗(yàn)證頻率，多積累對(duì)比資料。

3.2 鉆芯檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的典型問(wèn)題

例1，隧底厚度不足。隧道開(kāi)挖常存在超挖或欠挖的現(xiàn)象。在目前的新建鐵路中，一般情況下隧底厚度均能滿足設(shè)計(jì)要求，但也有個(gè)別隧道仍存在隧底厚度不足的現(xiàn)象。一隧道某里程處圍巖級(jí)別為Ⅲb，仰拱混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。在該里程處線路右側(cè)距中心水溝2.3，2.4 m處分別進(jìn)行鉆芯取樣(圖4)，鉆芯部位隧底(仰拱+填充層)的設(shè)計(jì)厚度分別為1.53，1.52 m，隧底混凝土實(shí)測(cè)厚度分別為0.49，0.52 m，下部為基巖，實(shí)測(cè)厚度僅為設(shè)計(jì)厚度的1/3，嚴(yán)重不足。

圖2 仰拱上抬(填充層厚度不足)

圖3 仰拱鋼筋雷達(dá)探測(cè)示意

圖4 芯樣

例2，仰拱強(qiáng)度不足。對(duì)某工程隨機(jī)抽查7座隧道的23組仰拱混凝土抗壓強(qiáng)度，有5組混凝土不合格，占抽查數(shù)量的21.7%。其中一組仰拱設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35，實(shí)測(cè)的混凝土抗壓強(qiáng)度推定值僅為22.8 MPa，明顯低于設(shè)計(jì)值。

例3，虛渣過(guò)厚。在既有線隧道的病害調(diào)查中，發(fā)現(xiàn)了隧道虛渣過(guò)厚引起的沉陷、開(kāi)裂及翻漿冒泥的現(xiàn)象。在近期的新建鐵路隧底質(zhì)量抽查中，這種情況尚不多見(jiàn)，但仍有這類問(wèn)題存在。

某隧道圍巖級(jí)別為Ⅲb，仰拱混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，在線路左側(cè)距中心水溝2.5 m處鉆芯2孔，該處隧底設(shè)計(jì)厚度1.16 m。鉆芯結(jié)果表明，該處存在拋填片石、厚度不足、隧底虛渣現(xiàn)象(圖5)。其中，第1孔(鉆芯深度1.57 m)0～1.00 m段為混凝土，0.36～0.43 m段夾片石，1.00～1.57 m段為青灰色巖芯，上部呈破碎塊狀、下部呈短柱狀;第2孔(鉆芯深度1.54 m)0～1.05 m段為混凝土(其中0.44～0.55 m段和0.64～0.98 m段夾片石)，1.05～1.54 m段為青灰色巖芯，上部呈破碎塊狀、下部呈短柱狀。

圖5 隧底夾片石、虛渣

4 結(jié)論與建議

1)地質(zhì)雷達(dá)法是目前常用的隧底檢測(cè)方法，能發(fā)現(xiàn)一些施工質(zhì)量問(wèn)題，但對(duì)鋼筋背后的鋼架布置、仰拱下部虛渣等問(wèn)題檢測(cè)效果不佳，建議加大鉆芯驗(yàn)證頻率，多積累對(duì)比資料。

2)目前鐵路雙線隧道線路中線仰拱及填充層設(shè)計(jì)厚度一般為1.5～1.8 m，用高頻天線檢測(cè)測(cè)深不足，用低頻天線檢測(cè)則精度不夠。建議利用兩種頻率天線綜合檢測(cè)，低頻天線用于檢測(cè)線路中心線，中高頻天線用于檢測(cè)靠近邊墻處的隧底質(zhì)量。

［1］程建平，馬偉斌.水泉灣隧道病害成因分析與整治措施［J］.鐵道建筑，2013(8):85-88.

［2］閆鑫，葉陽(yáng)升，馬偉斌，等.運(yùn)營(yíng)鐵路隧道基底結(jié)構(gòu)快速補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)研究［J］.鐵道建筑，2012(5):32-34.

［3］施成華，彭立敏，黃娟.鐵路隧道基底病害產(chǎn)生機(jī)理及整治措施［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，2005，26(4):62-66.

［4］李晉平，邵丕彥，谷牧.地質(zhì)雷達(dá)在鐵路隧道工程質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，2006，27(3):56-59.

［5］熊昌盛，李晉平，陳輝，等.地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)鐵路隧道襯砌質(zhì)量的效果驗(yàn)證［J］.鐵道建筑，2011(11):32-34.

［6］胡在良，李晉平，張佰戰(zhàn).混凝土強(qiáng)度鉆芯法檢測(cè)與評(píng)定的若干問(wèn)題分析［J］.鐵道建筑，2012(11):131-135.

(責(zé)任審編李付軍)

U456

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.06.17

1003-1995(2015)06-0064-03

2015-01-10;

2015-01-29

上官濤(1970—)，男，湖北武漢人，高級(jí)工程師，碩士。