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摘要：高速铁路隧道病害缺陷严重影响着高速铁路列车的安全平稳运行。尤以衬砌结构病害最为严重，直接威胁隧道结构安全。掌握隧道衬砌结构病害缺陷的整治技术并适时实施，对保障隧道结构的安全性、减少隧道施工安全事故显得愈发重要。从理论出发并结合实践，对高速铁路隧道衬砌结构病害缺陷及其整治技术进行探究。
关键词：高速铁路隧道；衬砌结构；病害缺陷；整治技术
引言
我国铁路建设如火如荼，铁路隧道的数量和里程也在不断增加。截至2017年底，我国铁路运营里程已经达到12.7万km，铁路隧道运营里程达到1.5万km，占运营铁路总里程11.8%[1]。新开通运营铁路隧道里程达到1206km、数量为465座，其中包括兰渝铁路西秦岭隧道、木寨岭隧道和西成高铁秦岭天华山隧道等26座特长隧道、里程达到368km。
受设计施工及隧址区地质条件的影响，隧道施工和运营过程中难免产生病害[2~6]。其中衬砌结构病害对隧道结构的可靠性造成直接威胁，严重影响衬砌结构及洞内行车的安全性，若不及时采取行之有效的整治措施进行整治，久而久之将严重减弱衬砌结构的使用寿命、影响隧道结构的耐久性。
为此，国内外相关学者专家们采用理论研究、现场试验、室内模型试验和数值模拟等方法对隧道衬砌结构病害进行研究。谭忠盛等[7]基于宜万铁路隧道病害分类、成因及评估指标，采用层次分析理论和模糊评价模型，建立隧道病害定量化评价体系。肖广智等[8]采用现场试验，对仰拱隆起、道床积水等隧底病害进行整治，提出了成套的整治方案。王志杰等[9]基于隧道病害分类、成因机理、整治方法和措施，采用理论分析和现场试验对高寒地区铁路隧道渗漏水及冻害问题进行整治，提出保温加热与注浆加固相结合的整治技术。在相关学者专家研究的基础上，笔者对高速铁路隧道衬砌结构病害缺陷及其整治技术进行探究。
1高速铁路隧道施工特点
1.1施工环境复杂恶劣
高速铁路隧道施工一般于山体内进行，不仅作业空间狭小，且易受到山体水文地质、岩体结构等复杂条件的影响，施工难度大。同时，隧道施工环境多为半封闭空间，通风条件恶劣，随着施工进展环境污染会日渐严重，加之受交叉作业需求的影响，恶劣的施工环境将进一步增大施工风险。
1.2隐蔽工程繁多
按照工程范畴分类，隧道施工属地下工程的一种，存在高难度的工程结构特点，隐蔽工程繁多，对施工质量的把控难度大。同时，隧道施工的诸多施工环节往往是彼此关联、环环相扣，任何工序出现问题均将对整个施工质量造成影响，加之若施工检验中不能及时发现问题，将增大隐蔽工程数量，施工风险也随即增大。
1.3塌方事故屡有发生
隧道施工场地主要为山体内部，往往由于水文地质的变动影响，内部结构不稳定，若施工中不能加强防护措施，将增加塌方事故发生。同时，根据以往的施工经验，塌方施工多发生在隧道开挖之后，在外力的作用下，山体结构极不稳定，时常发生塌方情况。
2高速铁路隧道病害缺陷
隧道衬砌结构病害包括衬砌渗漏水、裂缝、厚度不足以及背后缺陷等。以某高速铁路隧道为例，对衬砌结构病害进行分类如下。
2.1衬砌渗漏水病害
统计隧道衬砌渗漏水病害缺陷的数量、渗水面积及渗水范围。对正在漏水、渗水干印的数量进行记录。同时，对渗水程度进一步记录，如面渗、点渗等。得到衬砌渗漏水最大渗水面积、渗漏水最严重的部位，以及该里程的施工情况和地质信息，便于整治。
2.2衬砌裂缝病害
对隧道衬砌结构裂缝病害进行统计，包括裂缝数量、病害发生的部位、裂缝的方向。对纵向、横向及斜向裂缝数量进行统计，如下图1所示。对比可以得到数量最多的裂缝破坏形式，进而统计裂缝长度、宽度及深度，便于原因分析及整治。
图1不同形式裂缝数量统计图
2.3衬砌厚度不足病害
在隧道衬砌表面布设测线（双线隧道布设7条、单线隧道布设5条），每条测线等间距布设测点，采用地质雷达对二次衬砌厚度进行检测。对隧道横断面不同位置处衬砌厚度不足缺陷率进行统计，如下图2。
图2横断面不同位置处衬砌厚度缺陷率
分析图2不难发现：（1）隧道横断面不同位置处衬砌厚度缺陷率存在较大差异，拱顶处衬砌厚度缺陷率最大。（2）由拱顶经拱腰至边墙，衬砌厚度缺陷率逐渐降低。（3）以拱顶为中心，隧道横断面左右对称部位衬砌厚度缺陷率差异不大。
边墙和拱脚处衬砌厚度缺陷率同拱腰和拱顶处相比很小、可以忽略。进一步对拱腰和拱顶处二次衬砌厚度差值在纵向里程上的变化进行统计，如下图3所示。
图3拱顶和拱腰处衬砌厚度差值变化
2.4衬砌背后缺陷病害
在隧道衬砌表面布设测线（双线隧道布设7条、单线隧道布设5条），每条测线等间距布设测点，采用地质雷达对衬砌背后缺陷情况进行检测。隧道现场检测及横断面不同部位衬砌缺陷率如下图4所示。
图4衬砌背后缺陷检测及缺陷率
由拱顶经拱腰至边墙，衬砌背后缺陷率逐渐减小。对拱腰和拱顶处衬砌背后缺陷数量进行统计，如下图5所示。得到拱顶处衬砌背后缺陷数量最多，左右拱腰缺陷数量相差不大，侧面反映隧道施工工艺在左右两侧几无差别。
图5衬砌背后缺陷数量
3衬砌结构病害成因机理分析
3.1衬砌渗漏水成因分析
3.1.1水的来源
首先从地勘资料和设计资料出发，掌握隧址区地下水的分布及来源。其次，隧道施工过程中对地表及地下水径流的影响、季节性降水等因素亦会对地下水产生影响。最后，结合隧址区的地形条件，判断地下水的排泄状况。
3.1.2防水失效
隧道防水失效主要包括三个部分：初支与二衬之间的防水层失效、施工缝及变形缝处防水失效、衬砌混凝土自防水功能失效。对每种防水失效进行整治，如施工缝出现渗漏水时及时进行注浆。
3.2衬砌背后接触不良成因分析
衬砌混凝土质量、施工质量是衬砌背后接触不良的主要原因。如隧道超挖严重，不回填或不采用规范要求的材料回填，极易导致衬砌背后空洞或接触松散不密实。
3.3衬砌裂缝成因分析
3.3.1设计原因
在地勘和设计阶段，由于地勘取孔限制及技术水平等原因，难免产生得到的围岩分级与实际围岩级别不对应的情况，在设计阶段亦使得支护结构与荷载不对应，无法满足承载力要求，产生裂缝。
3.3.2施工原因
受施工技术、工艺及环境等因素约束，产生如前所述的衬砌厚度不足、背后不密实会造成应力集中而易产生裂缝，未施作仰拱的衬砌亦会因隧道不均匀沉降而开裂。
3.3.3地质条件
4衬砌结构病害整治
4.1衬砌厚度不足病害整治
衬砌厚度不足病害整治可采用套衬加固和钢带加固等方案，施工方案及工序分别如下图6、图7所示。
a）施工方案
b）施工工序
图6套衬加固施工方案及工序
a）施工方案
b）施工工序
图7钢带加固施工方案及工序
衬砌厚度不足病害与隧道超挖存在一定关联。提供控制爆破技术显得尤为关键。在高速铁路隧道爆破施工阶段，施工人员需要将各个爆破管进行有效连接，为了更好的保证施工人员的人身安全，可以采用延时导爆管，并将导爆管在隧道洞外有效连接，利用火雷管导爆，保证起爆网络更加安全。在连接各个导爆管的过程中，要保证导爆管通畅，减少导爆管的交叉。在一些大型高速铁路隧道施工中，由于导爆管的数量比较多，施工人员要将各个导爆管进行有效连接，并合理控制引爆时间，保证隧道洞口爆破质量。爆破完毕后，施工人员需要立即启动通风设备，将隧道内部的烟气有效排除，通常情况下，高速铁路隧道的排烟时间为50min左右，排烟完毕后，检测人员需要进行科学检测，保证隧道作业面上部的安全隐患有效排除。为了不断提升高速铁路隧道结构的稳定性，施工人员要在规定的时间内浇筑一定量混凝土，保证隧道开挖面结构的稳定性，将隧道开挖面进行合理的封闭与支护，将隧道内部的台阶进行有效连接。
4.2衬砌背后缺陷病害整治
衬砌背后缺陷病害整治如下表1所示。其中，拱部及仰拱衬砌背后缺陷、不密实段采用注浆回填措施，需注意合理选用注浆材料并控制其材料配比、控制注浆压力并适时调整，注浆完成后采取有损或无损检测措施对其效果进行验证。基底注浆加固示意图如下图8所示，未施作仰拱的衬砌段可采用树根桩加固，示意图如下图9所示。
表1衬砌背后缺陷病害整治措施
图8基底注浆加固示意图
图9边墙基础加固示意图
混凝土作为高速铁路隧道建设中重要的材料被广泛地使用着，然而从实际情况来看，由于受到多方面因素所影响部分高速铁路隧道建设中存在着混凝土不密实缺陷，对高铁运行安全性构成严重威胁。建议在高速铁路隧道混凝土施工中采取高压注浆法对不密实缺陷进行治理。首先，在高速铁路隧道混凝土施工后把不密实部位标记出来，然后借助直径10mm的钻头垂直钻入混凝土中去，深度要小于二衬厚度，2孔之间距离控制在15cm内。其次，为了防止钻孔中残留的粉尘、混凝土渣子影响到治理效果，要在钻好孔后使用设备进行吹洗，之后装上灌浆嘴及拧紧它。最后，在完成上述工序后，将具有超细、瞬凝与无收缩等性能的水泥基灌浆材通过电动高压灌浆机注入孔中去，待其凝结密实之后予以打磨恢复。这样一来通过高压注浆法便可较为有效地治理高速铁路隧道混凝土不密实缺陷。
4.3衬砌裂缝病害整治
针对裂缝的多种表现形式、有无渗漏水、渗漏水形式及裂缝宽度等不同，采用如下表2所示措施对衬砌裂缝进行整治，每种措施对应的施工工艺如下图10所示。
表2衬砌裂缝病害整治措施
a）表面封闭法示意图
b）压力灌注法示意图
c）填充密封法示意图
d）凿槽引排法示意图
图10衬砌裂缝病害整治措施示意图
5结论
（1）影响高速铁路隧道结构安全的主要衬砌结构病害包括衬砌渗漏水、衬砌表观裂缝、衬砌厚度不足和衬砌背后接触不良等。形成一套包括病害分类、病害原因分析及病害整治措施在内的病害整治方案，对高速铁路隧道衬砌结构病害的整治具有重要借鉴意义。
（2）衬砌结构病害与隧道地勘、设计、施工、管理、维护都有着千丝万缕的联系。只有不断提高地勘和设计水平，保证施工技术，加强施工管理和后期监测维护，才能有效降低衬砌结构病害的发生。高速铁路隧道施工风险管理是一项系统化的工程，涉及施工环节的各个阶段，因此，工程前期的风险管理工作应详细到位，在隧道设计环节，工程管理人员应采取工程风险管理措施，建立高效的风险评估机制，合理的评析施工中存在的风险因子，有效的降低高速铁路隧道施工的风险。
（3）高速铁路隧道，天窗时间有限、隧道内电气化线路亦会对病害整治措施产生限制。因此，不断开拓病害整治技术、将新材料、新工艺、新组合结构用于隧道病害整治，如纤维混凝土的研究与应用等。
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