铁路隧道二次衬砌施工冷缝成因及对策

时间：2024-07-28

满世浩石广田满开泉

1.兰州交通大学机电工程学院，兰州 730070；2.中国铁路兰州局集团有限公司工程质量监督站，兰州 730030

因2020年西南一座铁路隧道发生掉块事故，冷缝引起广泛关注，相关部门下发通知，专题安排对隧道二次衬砌冷缝进行排查整治。

Q/CR 9250—2020《铁路隧道衬砌施工技术规程》［1］对冷缝的定义为：“隧道每模衬砌浇筑过程中由于某种原因造成浇筑中断，且间隔时间超过混凝土初凝时间，现场未采取相应的处理措施就进行后续混凝土施作，先后浇筑混凝土之间出现的弱结合面”。

Q/CR 9207—2017《铁路混凝土工程施工技术规程》［2］要求：“混凝土浇筑应连续进行……当超过允许间歇时间时，应按浇筑中断处理，同时应留置施工缝，并做记录。施工缝的平面应与结构的轴线相垂直”。事实上，隧道二次衬砌现场施工时，浇筑工艺中断后，按Q/CR 9207—2017 的要求留置施工缝是有难度的，因此不同程度地导致了冷缝的存在。

本文对存在冷缝的隧道二次衬砌进行受力分析，探究对策以降低冷缝带来的危害。

1 冷缝成因及危害

1.1 冷缝产生的原因

对近年来现场检查中发现的有关隧道二次衬砌方面的质量问题进行统计，并结合近年来隧道病害，对因隧道掉块造成的铁路事故进行分析，发现冷缝产生的原因主要包括以下几个方面。

1）因现场设备故障、堵管、停电等原因，造成浇筑工艺中断后未按Q/CR 9207—2017 要求采取相应措施。隧道二次衬砌施工中出现冷缝，如果按施工缝处置，必须先退模才能进行后续施工，费工费时，成本巨大。如果冷缝出现在拱腰部位，难以留置施工缝，现场往往不做处理从而留下冷缝。

2）拌和站设置过远，导致混凝土供应不及时。施工图设计时，会根据现场实际、混凝土需求量确定拌和站位置。TB 10424—2018《铁路混凝土工程施工质量验收标准》［3］要求：“混凝土运输、浇筑及间歇的全部时间不应超过混凝土的初凝时间”。实际施工准备中，受现场条件制约或施工单位为节约成本，会有一些位置调整，而调整位置时很可能会忽略运输距离拉长、道路条件对混凝土的影响，特别是一些集中式拌和站，可能会导致远端施工点混凝土供应超过初凝时间。

3）现场工艺控制不到位，分层浇筑工艺落实不好。受现场管理水平限制，个别项目中未能严格落实分层开窗浇筑、逐窗振捣要求，造成混凝土离析，拆模后二次衬砌表面会有明显的“驼峰”线，出现浇筑口“集料窝”、两侧水泥砂浆不均匀的现象。

1.2 冷缝对隧道二次衬砌的危害

冷缝对隧道二次衬砌结构的影响主要体现在以下两个方面。

1）薄弱结合面造成混凝土结构的整体性和抗应变能力下降。由于冷缝的存在，在强降雨天气下水压力使混凝土结构破坏。从现场经验和隧道病害统计结果看，有二次衬砌病害问题的隧道多出现在富水隧道，事故也多发于雨季。

2）混凝土不密实造成渗水，又因长期冻融使混凝土结构产生破坏。高寒区隧道有初砌掉块事故的案例，而无水、贫水隧道二次衬砌冷缝发展成病害的案例较少。

2 存在冷缝的隧道二次衬砌受力分析

运用有限元软件建立模型，分析二次衬砌存在冷缝对隧道结构安全的影响机理，水压力对带冷缝二次衬砌结构安全的影响，以及不同部位的冷缝对隧道结构安全的影响。

2.1 冷缝对钢筋混凝土和素混凝土二次衬砌的影响

2.1.1 模型与参数

模型建立以一座250 km/h 客运专线铁路双线隧道（双块式无砟轨道），Ⅲ级围岩为基础。该隧道结构形式为复合式衬砌带仰拱，初期支护、二次衬砌混凝土厚度分别取12、40 cm，强度等级分别为C25、C30。考虑到二次衬砌纵向的单次浇筑长度与台车长度一致，如果出现冷缝，其纵向长度最大为台车长度，且与隧道环向施工缝相交。结合现场情况，计算模型沿隧道纵向取36 m，中间12 m 设为冷缝脱落区，其净空高为550 cm，块长为250 cm，冷缝一直延伸到施工缝处。顶部取实际埋深140 m，模型两侧及底部均取隧道3 倍洞径以上距离以消除边界效应。围岩-隧道模型尺寸为高200 m，宽120 m，见图1。

图1 围岩-隧道计算模型

素混凝土结构计算模型见图2，初期支护、二次衬砌结构采用弹性单元，围岩采用实体单元。初期支护与二次衬砌之间设置接触面，模拟两种结构间的挤压和滑移；冷缝结合面、施工缝结合面设置有摩擦的接触面，模拟结合面之间的摩擦挤压。参照文献［4］，冷缝结合面摩擦因数取0.35；假定施工缝按标准流程施工，施工缝结合面摩擦因数取0.70。

图2 素混凝土结构计算模型（单位：mm）

根据现场情况，隧道二次衬砌掉块前该地区出现了强降雨天气，因此本次模拟考虑水压力的作用。水头高度取该衬砌结构检算中能承受的极限值，约8 m。

钢筋混凝土模型在素混凝土结构模型基础上，添加钢筋网结构，利用接触命令绑定钢筋模型与混凝土模型。材料计算参数取自TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》［5］，钢筋选用HRB335热轧带肋钢筋，全环钢架主筋规格16@400，纵向筋10@250，拉筋8@250，采用钢筋网结构（图3）。材料计算参数见表1。

图3 钢筋混凝土模型配筋（单位：mm）

表1 材料计算参数

2.1.2 模拟结果与分析

1）素混凝土二次衬砌受力分析

素混凝土模型及二次衬砌掉块区混凝土第一主应力云图见图4。可知：二次衬砌掉块区混凝土第一主应力在施工缝结合面与冷缝结合面的交界部位出现集中拉应力，最大值达4.94 MPa，超出C30 混凝土极限抗拉强度（2.2 MPa）。出现不光滑锯齿状裂缝的掉块的下缘部位［图4（b）黑线区域］应力为3.24 MPa。

图4 素混凝土模型第一主应力云图

数值模拟结果验证了冷缝致使二次衬砌掉块的机理：与一次性浇筑成型相比，冷缝结合面混凝土黏结力不足，形成薄弱面，冷缝面两侧衬砌无法有效传递切向力，使得本应均匀传递的载荷集中在冷缝处；且施工缝处也为一薄弱面，应力在施工缝与冷缝的交界部位集中，率先在此处破裂，沿图4（b）黑线进一步扩展致使掉块。

2）素混凝土与钢筋混凝土二次衬砌对比分析

相较于素混凝土结构，钢筋混凝土结构提高了结构承载能力。如图5 所示，钢筋混凝土二次衬砌X方向的形变比素混凝土二次衬砌减小了15.5%，同样工况下掉块区所有部位的第一主应力值减幅明显，最大值由4.94 MPa降至1.93 MPa，降至C30混凝土容许应力范围内，降低了混凝土结构被破坏的可能性。钢筋模型最大组合应力41.43 MPa（图6），小于其容许应力（300 MPa），在安全范围内。

图5 素混凝土模型和钢筋混凝土模型X方向位移云图

图6 钢筋混凝土模型最大组合应力云图

2.2 水头高度对带冷缝二次衬砌结构的安全性分析

郭咏辉等［6］论证了不同水头高度对于带冷缝隧道二次衬砌结构的影响，认为带冷缝隧道二次衬砌结构安全性随水头升高迅速降低，“至40 m 结构安全性已低于TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》要求，至60 m 结构存在极高的破坏风险”。本文进行了无水头与8 m 水头二次衬砌受力对比，图7 反映了无水头时冷缝对素混凝土初砌结构的影响。

图7 素混凝土模型（无水头）应力与位移云图

对比图7（a）与图4（a），无水头情况较施加8 m 水头作用时，最大应力由1.98 MPa 增大到4.94 MPa，应力集中情况明显；X方向最大位移由1.31 mm 增加到1.54 mm。对比结果进一步验证了冷缝致使二次衬砌掉块的机理，即：灾害前隧址区历经暴雨，地下水位聚集升高，致使隧道外部水压力突增；二次衬砌存在水平状的冷缝缺陷，突增的荷载无法通过冷缝均匀传递，使得局部区域沿冷缝发生错动变形与弯折破坏，该处结构受到向隧道净空侧的推压作用，最终致使其在净空侧脱落。

2.3 不同冷缝条件下二次衬砌结构的安全性分析

根据现场病害部位反馈，对不同冷缝条件下二次衬砌结构安全性进行定量评估。分析时，设置二次衬砌上的拱腰、墙腰、墙脚部位出现冷缝。考虑到实际工程中，拱顶不易出现垂向冷缝，但会出现背后空洞造成衬砌厚度不足的情况，故拱顶工况降低局部厚度。不同冷缝条件计算模型见图8。

图8 不同冷缝条件计算模型（单位：mm）

对于不同冷缝条件模拟结果，提取二次衬砌内力，依据TB 10003—2016 计算衬砌结构安全系数。各工况下典型位置结构安全系数见表2。可以看出，在无水压力的情况下，不同冷缝条件各部位安全系数较完整衬砌结构均有所下降，其中以拱腰部位降幅最为明显，约62%。按照冷缝条件对二次衬砌结构的安全性影响大小排序，依次为拱腰＞拱顶＞墙脚＞墙腰。拱腰出现冷缝较其他部位对衬砌整体安全影响更为明显。

表2 不同冷缝条件下典型位置结构安全系数

2.4 小结

1）冷缝面两侧衬砌无法有效传递切向力，应力向施工缝与冷缝的交界部位集中，率先在此破坏。

2）相比素混凝土，在同种工况下钢筋混凝土结构掉块区内所有部位的应力在容许应力范围内。

3）针对水头压力对于带冷缝的隧道二次衬砌结构的影响分析表明，集中降雨导致地下水位上升使隧道外部水压力突增时，突增的载荷无法通过冷缝均匀传递，导致局部区域沿冷缝发生错动变形与整体弯折破坏，极易造成二次衬砌掉块。

4）对于不同部位冷缝对二次衬砌结构安全性的影响，拱腰＞拱顶＞墙脚＞墙腰。对素混凝土二次衬砌，即使无水条件下，拱腰出现冷缝时其安全系数也会明显降低，应引起高度重视。

3 对策

3.1 强化特殊地区隧道结构设计

根据数值模拟结果和事故发生区域、原因分析，建议在富水区、严寒地区隧道二次衬砌用钢筋混凝土替代素混凝土，在试验、运用成熟后，纳入TB 10621—2014《高速铁路设计规范》［7］中。一方面，隧道掉块对高速铁路运营造成不可接受风险；另一方面，控制隧道二次衬砌施工冷缝对施工工艺控制要求高，出现缺陷后整治难度大，特别是投入运营的隧道，受天窗点、作业环境影响，实施困难。因此，高速铁路隧道二次衬砌适当提高设计标准，符合条件的隧道用钢筋混凝土替代素混凝土是经济的。

3.2 细化隧道冷缝排查措施

1）对隧道隐患整治排查活动摸排出的冷缝缺陷，首先要将其列为重点观察点加强观测，发现安全隐患时再采取合适的方案进行整治。冷缝病害排查目前尚缺乏统一的判定标准和检测方法。判断是否存在冷缝，较为合理的程序是检查二次衬砌混凝土浇筑记录是否存在中断，或者是通过检测手段进行判断，但前提是浇筑记录要真实可信。而检测手段中，超声波检测的准确性尚有待提高，钻芯法可靠，但耗时、费用大。由于隧道数量大、检测作业受天窗限制，现场多采用观察法，使得病害判定存在主观性。已发生病害隧道的统计结果相对准确，从结果推定原因有其合理性。新建隧道、未发生病害隧道的统计结果则有失精准，存在未经验证，误将部分二次衬砌表面贯通痕迹线视为冷缝的现象，造成数据失真。

2）对于富水区、严寒地区的隧道的素混凝土二次衬砌应尽早进行排查；排查过程中应对拱腰、拱顶处优先排查、优先处理。

3）有冷缝的部位，也应关注与冷缝相交的两端施工缝情况，因破坏会率先从此处开始。