第24卷,第1期 中国铁道科学Vol 124No 11　2003年2月 CHINA RA IL WA Y SCIENCEFebruary ,2003　文章编号:100124632(2003)0120099205铁路隧道病害的综合检测与治理林　懂　明(柳州铁路局兴义工务段,贵州兴义　562409) 摘　要:隧道检测中最关心的问题是利用衬砌厚度、裂损部位、空洞空隙分析、混凝土结构完整性、力学强度、围岩变形等方面的信息,判断工程施工是否达到设计要求,诊断与评价既有衬砌的工作状态与安全性能,分析病害产生的原因,提出病害整治方案。

利用雷达扫描沿隧道拱顶、左右拱肩、左右边墙施工5条线连续扫描,声波检测沿拱顶每10m 一对测点,数码摄像沿隧道全程连续摄录,对90座隧道进行了全面的病害检测。

地质与综合物探检测表明,铁路隧道病害的产生与地质环境、设计与施工有密切的关系,病害整治要针对不同原因制定相应措施。

关键词:隧道工程;病害;综合检测;治理 中图分类号:U45712 文献标识码:A　收稿日期:2002204202　作者简介:林懂明(1969—),男,广西博白人,总工程师。

1　前　言 铁路隧道经常会发生衬砌裂损、崩塌、隧底翻浆等严重危及行车安全的重大病害。

隧道病害检测中最关心的问题包括衬砌厚度、裂损部位、空洞空隙分布、混凝土结构完整性、力学强度、围岩变形等方面的信息,用以判断工程施工是否达到设计要求,诊断与评价既有衬砌的工作状态与安全性能,分析病害产生的原因,提出病害整治方案。

从2000年12月至2001年9月28日,对兴义工务段管内的90座隧道进行了全面的病害检测。

检测仪器采用SIR 22型地质雷达及900MHz 天线、CE2001型工程检测仪和数码摄像机。

雷达扫描沿隧道拱顶、左右拱肩、左右边墙施工5条测线,连续扫描。

声波检测沿拱顶每10m 一对测点,一发双收。

数码摄像沿隧道全程,连续摄录。

2　隧道病害综合检测分析211　雷达波相识别与衬砌厚度雷达记录首先经垂直和水平滤波等预处理,然后进行波相识别,对混凝土衬砌前后两界面的反射波进行波相追踪,读取前后界面的反射波走时,根据理论和实测电磁波速,将走时差转换成厚度,编制成衬砌厚度图,并确定出空洞位置及大小。

隧道检测中雷达记录图象十分复杂,除衬砌界面及围岩内部结构的反射波之外,还有一系列干扰波。

依据发射和接收天线移动时位置变化对应的波相与走时变化的特征,能可靠地区分来自衬砌内部的反射信号与隧道空腔内的干扰信号。

图1是典型的雷达记录图象,从中可以清楚地看出衬砌界面、空洞及台车等反射波相。

图1　典型隧道检测雷达记录图象 围岩的结构与构造在雷达扫描图像中也有清楚的显现,有的地段围岩较稳定,虽有节理裂隙等构造,但未形成新的变形。

有的地段围岩不稳定,围岩变形已造成衬砌结构破坏,形成开裂,图2是围岩不稳定造成衬砌破坏的图象,此类现象多发生在围岩为砂岩的隧道内。

每座隧道的5条测线对应的衬砌厚度编绘成等值线图,如图3a 所示。

不同颜色表示不同厚度。

横坐标是从隧道入口起算的里程,向昆明方向增加。

检测结果表明,对多数地段而言,砂岩地段拱顶厚40cm ～50cm ,边墙厚50cm ～60cm ,灰岩地段拱顶厚20cm ～30cm ,边墙厚30cm ～40cm 。

衬砌厚度变化很大,局部最薄处仅为十几厘米,拱顶空洞较多,特别是灰岩地段,拱顶空洞连片,最大空腔高达1m 。

空洞位置表示在病害图3b 中。

212　数码摄像与隧道表面病害 隧道表面病害是隧道工作安全状态的最真实记录,凡是出现开裂的地段,说明衬砌结构的应力水平已超过了弹性极限,进入非安全工作状态。

将开裂、掉块和漏水等病害摄像记录汇编成病害图(图3b ),可用于评价隧道病害的严重程度和原因分析。

检测结果表明,表面开裂多沿拱肩水平延伸,严重地段衬砌有掉块。

图2　围岩变形及衬砌破坏的雷达图象图3　典型衬砌检测结果213　混凝土强度和结构完整性本次声波检测包含纵波速度、面波速度、频谱特征等三项内容,按不同的研究内容分别进行处理。

混凝土强度是通过纵波、面波速度表征的。

纵波速度是根据两点记录初至波走时差与点距计算的。

面波速度是由相关分析求取的。

对于C15混凝土,正常纵波波速值在2300m ・s -1～2800m ・s -1之间,C20为3000m ・s -1～4000m ・s -1,低于这个指标,混凝土本身质量有问题。

对C15混凝土,面波速度在600m ・s -1～800m ・s -1范围内为正常。

001中　国　铁　道　科　学 第24卷工程应用中最关心混凝土弹性模量E和剪切模量μ的大小,并将其与标准模量E o,μo相比较,将其比值称作混凝土完整系数K p和K r: K p=E/E o(1) K r=μ/μo(2) 它表示混凝土的强度,如果混凝土强度与设计值接近,完整系数接近1。

通常完整系数小于1,质量好时也可大于1。

完整系数可以由波速测量直接计算: K p=V pV po(3) K r=V rV ro2(4)式中,V p为测量的纵波速度,V po为混凝土的标准波速,V r为测量的面波速度,V ro为标准面波速度。

对于C15混凝土,标准纵波速值V po可取2800m・s-1。

标准面波速度V ro可取为800m・s-1。

混凝土强度测量结果如图3c所示。

混凝土强度完整系数大于015时,可以认为强度合格,小于015时,强度偏低。

波谱特征反映衬砌结构的完整性。

波谱分析重点研究三个参量,一是主频高低,二是谱峰的多少,三是两点主频的相关程度。

对于完整的混凝土结构体,一般表现为一个主峰,且频率较高,靠近激发点的记录主频略高于远点,两点波谱有很好的相关性,主频大致为160Hz和150Hz。

当结构出现裂纹时,哪怕是很小的裂纹,主频会明显降低,并且出现多个谱峰,两点波谱形态出现较大差异,失去相关性。

完整的和有裂纹的衬砌的波谱特征见图4。

将近、远两点的实测主频按下式归一化,称为结构完整性系数K f,绘于图3d中。

K f=ff o2(5) 式中,f为近点和远点记录的主频,f o为对应的近、远点归一化标准值。

近点选f o=160Hz,远点选f o=150Hz。

这些标准值是依据大量实测资料选定的。

结构完整系数值接近1时,表示结构完整,系数远小于1时结构破碎,有裂纹;系数远大于1时,衬砌薄有空洞,有声波共振。

3　隧道病害类型及成因分析 综合检测发现隧道病害的类型有拱顶开裂、边墙开裂、拱顶空洞、铺砌损坏、隧道漏水、围岩变形、衬砌厚度薄、混凝土强度低等几种,根据病害的分布特征及检测图象分析,砂岩夹泥岩类的围岩变形是引起衬砌破坏的主要原因之一,此外施工工艺不合理、施工质量问题,也是造成病害的重要原因。

病害整治中应采取衬砌修整与围岩加固相结合的治理方案。

图4　波谱特征与衬砌完整性311　拱顶病害与围岩变形在检测的90座隧道中,最常见病害是拱顶开裂,多数开裂分布在拱肩,沿水平方向延伸,长达几十米,开裂宽度达数厘米,两侧错抬1cm～2 cm。

开裂严重地段有横向和斜向裂纹交错发展,裂纹切穿整个衬砌并伴有掉块发生。

这种破坏是由于围岩的过大的侧向压力所至,发生在围岩严重变形的地段。

发生这类病害的隧道主要集中在根龙至尾下区间,最严重的地段在册亨至尾下之间。

该地段围岩的岩性是砂岩夹泥岩,结构破碎,节理发育,风化严重,吸水后易变形。

312　边墙开裂与边墙稳定性缺陷边墙开裂是仅次于拱顶开裂的另一类常见病害。

边墙开裂多沿水平方向发展,延伸长达几十米,裂缝为闭和状态。

这种病害对边墙稳定性影响较大,极易引起边墙跨塌事故,它也集中在册亨至101第1期 铁路隧道病害的综合检测与治理尾下之间。

导致此类病害的产生有两种原因,其一是由于围岩的侧向偏压过大,二是由于边墙顶端施工缝的存在,边墙本身稳定性存有缺陷。

由于这些隧道都是按“先拱后墙”工艺施工的,边墙与上拱圈之间衔接不良,普遍存有缝隙,减弱了边墙的上端约束,在围岩侧向变形的推力作用下,极易发生较大侧弯和内倾变形,失稳折断,甚至发生崩塌。

尾下隧道整治中就发生过此类事件。

313　空洞与衬砌偏薄拱顶空洞和衬砌偏薄是又一类常见病害,90座隧道中有69座存在此类问题,坐落在灰岩地段的隧道最为严重。

有些隧道拱顶的空洞占总长度的95%以上,拱顶几乎全部脱空,衬砌厚度仅几厘米、十几厘米。

显然,这类病害是属于施工质量问题,与传统的“先拱后墙”的施工工艺有关。

采用这种施工方法,虽然施工方便,成本降低,但后期施工工序干扰前期施工质量,致使前期拱圈不可避免地下沉而与围岩分离。

另外施工造成的断面超挖、衬砌厚度不足、回填不实。

衬砌与围岩间空隙的存在严重地影响了衬砌与围岩的相互约束,造成应力分布不均,在应力集中部位易导致衬砌开裂、掉块等病害。

庆幸的是灰岩比较稳定,围岩对拱和墙的作用力较小,至今尚未产生较大范围的破坏。

314　隧道底部破坏与仰浮压力隧道底部冒水翻浆、线路下沉是又一种比较严重的病害。

混凝土铺底或仰拱被破坏,围岩中的裂隙水大量涌入隧底,造成路基浸泡软化。

此类病害的发生一方面是由于隧道底部铺砌混凝土质量差,强度较低,厚度薄;另一方面更重要的原因是围岩中节理带严重变形,裂隙水压力过大,导致隧底衬砌破坏,米花岭隧道就是一个很典型的实例。

米花岭隧道围岩为砂岩夹泥岩,断裂和节理极其发育,具有良好的导水性。

隧道埋深超过100m,水头压力超过10MPa,加之砂岩风化矿物遇水膨胀作用,水及围岩对隧底产生巨大的压力,使拱底剪断,裂隙水涌入。

315　隧道漏水和衬砌混凝土强度低隧道漏水是较普遍的病害,90座隧道中有42座存在不同程度的漏水问题,个别隧道漏水段长度占隧道总长度的70%～80%,漏水部位主要沿拱顶横向施工缝发育。

衬砌结构混凝土强度偏低是不容忽视的问题。

在检测的90座隧道中有一座隧道,其大部分地段的弹性模量不到设计值的一半,这是施工质量问题。

316　围岩结构变形与衬砌破坏雷达检测中对隧道外2m范围内的围岩结构进行了探测,并与衬砌破坏形态进行了对比分析。

检测结果表明,围岩中节理带很发育,灰岩与砂岩中都有,但变形主要发生在砂岩夹泥岩地层中,灰岩中节理带变形很小。

围岩变形严重的地段与隧道开裂严重地段位置完全一致,主要分布在册亨至尾下区间。

围岩变形与岩性、岩体结构特征、山体偏压作用、施工处理及地下水活动密切相关。

砂岩结构破碎,裂隙发育,导水性好。

裂隙充水后,减少了岩体间的内磨擦力,直接影响了岩体的力学平衡与稳定,造成递进式变形,引起隧道破坏。

4　隧道整治方案与建议 根据隧道病害检测结果分析,影响隧道安全运营的工程隐患可包括边墙跨塌、拱顶蹦落和岩块击顶等。

边墙跨塌和拱顶蹦落可能发生在开裂严重地段,围岩为砂岩夹泥岩的隧道中,类似的事故在昆明局管内曾发生过。