运营高铁隧道衬砌空洞病害检测与治理技术

Roads and Bridges

道路桥梁

第47卷第23期

2020年12月

运营高铁隧道衬砌空洞病害检测与治理技术

孙洪斌1，唐 林1，丁江云2

（1.山东潍莱高速铁路有限公司，济南 250014；2.山东中勘工程技术有限公司，济南 250014）

［摘 要］衬砌空洞是一种常见的隧道施工质量缺陷，结合我国隧道质量缺陷的特征，全面分析了衬砌空洞产生的病因，并采用钻孔电视和地质雷达对空洞范围进行了探测；同时通过数值模拟手段对空洞存在的危害性进行了验算，制订出了切实可行的治理方案，可为类似工程提供参考借鉴。［关键词］高铁隧道；衬砌空洞；病害检测；数值模拟；治理技术［中图分类号］TU 528；U 455　　　　　［文献标志码］B　　　　　［文章编号］1001–523X（2020）23–0121–03

Detection and Treatment Technology of Lining Cavity

Disease in High Speed Railway Tunnel

Sun Hong-bin，Tang Lin，Ding Jiang-yun

［Abstract］The lining cavity is a common quality defect in tunnel construction. Combined with the characteristics of tunnel quality defects in our country，this paper comprehensively analyzes the causes of lining cavity，and uses borehole television and geological radar to detect the scope of the cavity. At the same time，through the checking calculation of the danger of the cavity，a feasible treatment scheme is developed，which can provide reference for similar projects learn from it.［Keywords］high speed railway tunnel；lining cavity；disease detection；numerical simulation；treatment technology随着我国高速铁路建设的飞速发展，我国的高铁隧道数量也是与日俱增。在隧道工程逐步建设的同时，因受地质、气候、设计、施工等因素的影响，隧道往往存在着各种缺陷。其中，衬砌空洞就是一种较为常见的隧道病害，国内外学者针对衬砌空洞展开了多方面研究。

应国刚[1]、金成昊[2]和姜宁[3]等通过现场检测和监测、理论推导、数值分析和室内模型试验相结合的技术手段对隧道衬砌背后空洞对衬砌结构的致害机理及空洞存在下衬砌结构安全性计算模型进行研究。周强[4]通过实际工程应用，采取数值分析的方法研究衬砌背后不同空洞大小和不同位置对隧道结构安全性影响，得出了空洞大小及部位不同对结构的安全性影响也不同。姜宁和何亮[5]等对空洞产生的原因进行了分析，并按照空洞位置的不同，分别提出了相应的治理措施。

本文以某运营高铁隧道为依托，针对隧道衬砌空洞的形成原因、检测方法和处理措施进行研究，具有极其重要的现实意义。

该隧道位于低山丘陵区，局部冲沟发育，地基表岩裸露，植被不发育，以杂草为主，进口自然坡度为25°~40°，出口自然坡度为15°~35°。进口里程为K174+430，出口里程为K174+755，隧道全长325 m，为双线隧道；隧道位于直线上，隧道进口至K174+620纵坡为19.9‰的上坡，K174+620至隧道出口纵坡为2.4‰的上坡，隧道最大埋深为50 m。

2 衬砌脱空处检测

2.1 钻孔电视检测

采用钻孔电视系统从破口处对空洞进行探测，采集了空洞内部图像和距离破口处距离，根据现场采集资料，空洞内部图像如图2所示。

1 工程概况

某高铁隧道施工里程DK165+964（运营里程K174+486对应轨道板板号为L27574）处，两线间靠近上行侧拱顶，敲击后出现掉块，约0.3 m2，经过现场目测，掉块处朝大里程方向附近约有7 m2脱空，沿线路方向宽1.7 m，从拱顶中心线延环向两侧各2 m，设计断面衬砌厚度为50 cm，脱空部位最薄衬砌厚度为5 cm，脱空部分成倒梯形（图1）。

空洞位置

（a）

大里程方向（b）

（a） （b）

图1 空洞位置图像及示意

（a）空洞位置图像；（b）空洞位置示意

收稿日期：2020–07–18作者简介：孙洪斌（1968—）󰀃，男，山东济南人，高级工程师，主要研究

方向为铁路工程。

（c）

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Building Technology Development（d）

（e）

图2 空洞探测图像

（a）空洞左侧；（b）空洞左前侧；（c）空洞右侧；

（d）空洞右前侧；（e）空洞前侧

根据电视成像现场拍摄的照片及视频分析，此位置拱顶混凝土内部无填充，空洞形状为不规则半圆形，破损位置无填充处厚度最大，为0.5 m，沿大里程方向及两侧无填充厚度逐渐减小，钢筋有轻微锈蚀，无损坏，防水板无明显破损，成像探测期间未发现渗漏水。

空洞位置已暴露破损缺口面积约0.3 m2，缺口呈不规则矩形，缺口处残存混凝土最厚处约10 cm，最薄处约3 cm，缺口左侧混凝土出现裂纹。

沿大里程方向，空洞左侧距离破损缺口处最大距离约1.74 m，空洞左前侧距离破损处最大距离约3.30 m，空洞前侧距离破损处最大距离约1.40 m，空洞右前侧距离破损处最大距离约2.60 m，空洞右侧距离破损处最大距离约2.20 m，二次衬砌厚度为0.5 m，拱顶空洞无填充面积约14 m2。空洞平面形状如图3所示。

大里程方向

3.30 m

m04.12.60 m

探头位置

1.74 m2.20 m

图3 空洞平面形状示意

2.2 地质雷达检测

采用较为成熟的地质雷达对空洞区域进行探测，围绕空洞进行布设测线，共布设5条检测线，沿隧道纵向3条，横向2条。雷达测线布置如图4所示，记录如图5所示。

测线1

破损位置

2号保护线

测线2

1号保护线

测线3

测线5

测线4

图4 测线布置示意

·122·

（a） （b）

（c） （d）

图5 雷达记录

（a）测线1；（b）测线2；（c）测线3；（d）测线4

测线1-4均探测了运营里程K174+486前一板二衬拱顶情况，其中测线1-3前半部分扫描了前一板二衬，测线4为全部在前一板二衬，从解译图像看，同相轴连续性较好，表明二次衬砌与初支结合良好，未发现二次衬砌与初支结合部存在明显空洞或不密实现象，测线5为全部在空洞处探测，测线范围内二衬为全部空洞。综合钻孔摄像和地质雷达探测处理空洞的具体位置和形状，为后期数值验算和治理提供依据。

3 空洞处衬砌稳定性验算

3.1 模型建立

根据空洞位置、隧道实际结构形式及地质条件，选取隧道施工里程DK165+955~DK165+982段为模拟范围，平均埋深20 m。模型x轴为水平方向，x方向取值范围为–30~30 m，z轴为垂直方向，z方向取值范围为–30 ~20 m，y轴为纵向，y方向取值范围为–27~0 m，模型概况如图6所示。为了便于计算将空洞简化成4 m×3 m的长方形空洞。

图6 计算模型

3.2 计算参数

试验岩体的密度、弹性模量、泊松比、内聚力、内摩擦角和抗拉强度等一系列物理力学参数，同时也测量岩体的渗透系数和孔隙率特征。具体模型参数取值如表1所示。直接承受车辆荷载的楼板等构件，车辆竖向荷载应按实际轴重和排列计算，并考虑动力的影响，本次计算将列车荷载等效为90 kN的均布荷载。

表1 模型参数取值

参数

密度/弹性模（kg/m3）量/Pa泊松比内聚力/Pa内摩擦抗拉强角/（°）度/Pa围岩2 3002 e100.22.7e4 234e6初期支护

2 5003 e100.25———二次衬砌

2 500

4 e

10

0.18

—

—

—

3.3 结果分析

考虑隧道运营期在列车荷载作用下空洞的存在对二衬变

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形的影响规律，图7为二次衬砌竖向位移云图，图8为二次衬砌竖向应力云图。

（a）

（b） （c）图7 二次衬砌竖向位移云图（单位/m）（a）整体位移沉降；（b）空洞处；（c）无空洞处

图8 二次衬砌竖向应力云图（单位：kN/m2）

从计算结果看，空洞处拱顶沉降约为0.552 mm，无空洞处的拱顶沉降为0.542 mm；空洞处拱底沉降为1.21 mm，无空洞处拱底沉降也为1.21 mm。

目前隧道已经趋于稳定，空洞的存在对隧道整个支护体系影响较小，但仍需对空洞进行一定的加固处理，防止出现掉块等次生灾害。

4 空洞处理方案

4.1 空洞形成原因分析

从空洞内部混凝土厚薄范围的分布、空洞位置及钢筋被混凝土包裹的情况分析，形成该空洞的原因如下。

（1）混凝土浇筑工艺的不足是形成空洞的主要原因。高铁隧道衬砌均采用复合衬砌，初衬完成后，粘贴防水材料，然后施工二衬。二衬施工时，衬砌台车面板的顶部进料口位于拱顶中央位置，封顶时混凝土是由该节段模板中间进料口向两端流动充填，与上一模衬砌相接的施工缝位置距进料口最远，较难保证充填满。

（2）混凝土供应不连续，继续浇筑时原来的混凝土已失去流动性，导致泵送困难或无法泵送到接头和较远的位置，又未采取必要的补救措施。混凝土振捣不及时，导致混凝土堆积后，后续混凝土不能泵送到相应位置。

（3）在施工地过程中，土建施工需要与供电等其他专业施工交叉进行，其他专业施工在混凝土结构内的预埋件影响混凝土浇筑。由于接触网支柱基础的槽道阻挡，很大程度上减弱了混凝土粗骨料越过槽道向施工缝方向流动。

（4）初衬、上一环已浇筑的混凝土、模板三者形成一个封闭空洞，空洞处受压缩气压力作用，不易被后浇筑的混凝土充填。

（5）现场施工监控体系缺失，未对拱顶压注作业进行监控和检查。混凝土堵管后，未仔细对模筑情况进行检查，认为已注满造成脱空。4.2 治理原则

（1）本着“安全性”和“实用性”的原则，采取有针对性的措施，既要保证治理过程中隧道结构的安全性，又要保证治理后隧道运营的安全性。

（2）由于病害检测、评判技术的局限性，因此在整治实施过程中需进一步核实病害的范围，评价其安全性，据此对整治措施进行细化、调整。整治实施后，交付运营前需对衬砌结构进行监测。

（3）对于不满足要求的衬砌结构，在混凝土结构满足耐久性要求、防水满足规范要求，并且不影响美观、不侵入限界的前提下，对结构做加强处理。

（4）隧道开挖过程中，初期支护结合围岩的自稳，承担全部荷载，待二次衬砌施工完成后，二衬与初支紧密结合在一起，形成了一个完整的受力体系，因此在治理过程中尽可能减少对初支及二衬的破损，以避免隧道围岩荷载重新分布，使结构受力发生转变，导致隧道结构失稳。4.3 治理方案

针对运营高铁隧道治理时间要求高，场地狭窄，注浆面积较大，立模及脚手架搭设时间短等诸多不利因素，将整个施工过程划分为四个阶段，分别加以控制，以明确施工工序流程，确保施工间歇的合理及工序搭接的流畅。

阶段1：前期调查准备阶段，包括为压浆所做的所有保证工序，具体为接水接电→搭设脚手架→复测隧道断面尺寸→调查二衬空洞大小及位置→支撑体系→设备就位。

接水接电：由于本次施工在既有隧道内，电源及水源都较远，从施工成本考虑不合算。本次加固时间短，用电量小，因此采用2台5 kW发电机为电源。而水源则采取水箱储水放至安全位置待施工完毕后再取出。

阶段2：锚杆施工。根据岩体情况采用潜孔钻机打孔，然后安装锚杆并紧固。为了加快施工进度，采用涨壳式锚杆，涨紧并注浆固定。

阶段3：隧道断面清理及立模阶段，前期调查摸清空洞大小及位置后，将空洞表面混凝土厚度小于30 cm（30 cm需设计论证，根据论证结果，现场实施）的进行人工清除，根据实际的压浆范围确定需立模面积。

阶段4：压注自流平混凝土施工阶段。在浇筑混凝土施工前，缺少钢筋笼的地方增设钢筋。灌浆材料选用HGM-4强修型水泥基高强度无收缩灌浆料。

5 结论

（1）本文通过对隧道衬砌背后空洞的多种探测，明确了空洞的范围，并对空洞的存在对二衬的影响进行了数值模拟。（2）根据模拟结果，提出了隧道空洞病害的针对性处治措施，可为隧道养护部门提供借鉴。

参考文献

[1] 应国刚.衬砌背后空洞对隧道结构体系安全性的影响机理研究[D].北京： 北京交通大学，2016.[2] 金成昊.衬砌背后空洞对隧道结构安全影响分析[D].重庆：重庆交通大 学，2018.[3] 姜宁.衬砌背后空洞对隧道衬砌结构安全性的影响研究[D].烟台：烟台 大学，2016.[4] 周强.高速公路隧道衬砌背后空洞影响及安全性分析[D].重庆：重庆交 通大学，2013.[5] 何亮.隧道衬砌背后空洞危害及治理方案研究[J].中外建筑，2019（6）： 269–271.[6] 周超. 三车道公路隧道信息化施工技术研究[D]. 西南交通大学, 2010.

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