京包線旗下營隧道基底結(jié)構(gòu)病害整治對(duì)策探討

馬凌宇

(呼和浩特鐵路局，內(nèi)蒙古呼和浩特010057)

京包線旗下營隧道基底結(jié)構(gòu)病害整治對(duì)策探討

馬凌宇

(呼和浩特鐵路局，內(nèi)蒙古呼和浩特010057)

針對(duì)京包鐵路旗下營隧道存在的基底下沉與翻漿冒泥等，分析了基底病害類型及成因機(jī)理，確定了基底結(jié)構(gòu)病害整治的總體思路，采用了鉆探與物探相結(jié)合的基底病害檢測(cè)手段，在掌握隧道基底現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出了可改善隧道基底結(jié)構(gòu)受力性能的錨固樁結(jié)合灌注高分子樹脂材料的病害加固處理措施，對(duì)既有鐵路隧道基底結(jié)構(gòu)的病害處理具有借鑒意義。

基底結(jié)構(gòu) 鉆探 物探 病害整治 對(duì)策

1 隧道概況

京包線大同至包頭段旗下營隧道，位于內(nèi)蒙古自治區(qū)旗下營鎮(zhèn)民族車站附近，1959年開工，1983年建成，2007年隧道落底改建為電氣化鐵路隧道。旗下營隧道為兩座單線隧道，上行線(右線)隧道起訖里程為K612+425—K614+033，總長1 608 m，坡度為7.3‰，6.2‰的下坡;下行線(左線)隧道起訖里程為K612+ 475—K614+043，總長1 568 m，坡度為7.3‰的下坡。左右線隧道均位于直線上，線間距為18 m，兩線間設(shè)有5個(gè)橫通道。

旗下營隧道地處中低山，山體總體東陡西緩，進(jìn)口自然坡度35°～45°，出口自然坡度15°～20°，植被不發(fā)育，梁頂?shù)匦屋^為平緩，部分辟為墓地、林地。

根據(jù)既有勘測(cè)資料及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，隧道圍巖為Ⅱ，Ⅲ級(jí)，屬大理巖、花崗片麻巖。隧道地表水不發(fā)育，各溝內(nèi)夏秋季節(jié)無水流，僅當(dāng)降水時(shí)有水流?；鶐r裂隙水主要受大氣降水補(bǔ)給，水量一般，但長期的滲透對(duì)隧道穩(wěn)定性有一定的影響。

2 病害情況

2.1 表觀特征

調(diào)研表明，旗下營隧道存在不同程度的病害，主要表觀特征為水溝蓋板和擋砟墻有明顯的下沉痕跡，線路標(biāo)高變化較快，列車通過時(shí)有不同程度的振動(dòng)。工務(wù)部門主要采取及時(shí)添加道砟與墊高軌道等方式控制基底下沉。該隧道病害主要表現(xiàn)為:

1)動(dòng)變形過大。K612+400—K612+630區(qū)段線路晃動(dòng)嚴(yán)重，不得不限速45 km/h運(yùn)行。上行K612+ 585處萬噸大列通過時(shí)鋼軌上下晃動(dòng)幅度為15 mm。

2)積水嚴(yán)重。K612+565—K612+625隧道鋪底混凝土頂部與道床底部有不同深度的積水，并且道床底部有20 mm厚的類似巖漿淤泥，積水最大深度達(dá)130 mm，位于K612+575—K612+610。

3)隧道底板斷裂。檢查隧道內(nèi)設(shè)備時(shí)發(fā)現(xiàn)在K612+815等多處存在隧道底板斷裂現(xiàn)象。

4)基底脫空。排水溝疏通后發(fā)現(xiàn)，底板混凝土與圍巖脫離，排水溝堵塞，淤積嚴(yán)重。K612+620，K612 +615，K612+585處由排水溝側(cè)墻擠出類似巖漿淤泥，同時(shí)在側(cè)墻(向道床方向)挖出了河卵石和碎石子。

2.2 成因分析

1)地下水的影響

地下水對(duì)基底結(jié)構(gòu)的影響主要有以下幾個(gè)方面:①軟化作用，地下水對(duì)隧道圍巖具有軟化作用，導(dǎo)致圍巖承載力降低;②潛蝕作用，地下水潛蝕作用下，圍巖與底板混凝土交界處小顆粒被地下水帶走，導(dǎo)致基底結(jié)構(gòu)出現(xiàn)吊空現(xiàn)象;③水壓作用，列車通過時(shí)和通過后的正負(fù)水壓對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的反復(fù)抽吸作用導(dǎo)致并加劇基底結(jié)構(gòu)劈裂與擴(kuò)展;④翻漿冒泥，基底結(jié)構(gòu)開裂后，地下水的存在容易出現(xiàn)類似巖漿的翻漿冒泥。

2)循環(huán)荷載與振動(dòng)的影響

列車的循環(huán)荷載與振動(dòng)對(duì)基底結(jié)構(gòu)病害的影響主要有以下幾個(gè)方面:①?zèng)_擊作用，基底結(jié)構(gòu)動(dòng)應(yīng)力分布不均衡產(chǎn)生的較大彎拉應(yīng)力，致使基底開裂破壞;②振動(dòng)作用，列車的反復(fù)振動(dòng)會(huì)加速隧道基底結(jié)構(gòu)裂縫的擴(kuò)展，引起并加劇隧道基底混凝土斷裂破壞;③疲勞作用，隧道基底結(jié)構(gòu)在長期循環(huán)荷載作用下，必然會(huì)逐步產(chǎn)生疲勞破壞;④擾動(dòng)圍巖，基底圍巖在受壓、卸壓、振動(dòng)、沖擊下破碎、粉化甚至漿化，惡化了結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，加劇了地下水的影響。

3)隧道底部存在缺陷

受修建時(shí)期設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和施工技術(shù)條件的限制，隧道底部存在缺陷，主要表現(xiàn)在:①底板結(jié)構(gòu)厚度不足，鉆探表明，基底結(jié)構(gòu)混凝土厚度多數(shù)存在不足;②基底虛渣，基底施工時(shí)受環(huán)境限制，巖面高低不平，松散渣石厚薄不勻，虛渣未清理干凈，模板不平整，造成圍巖與混凝土之間吊空，粘結(jié)不良;③基底結(jié)構(gòu)完整性差，施工時(shí)交替進(jìn)行，不成整體，接縫處易開裂。

2.3 物探檢測(cè)

通過探地雷達(dá)結(jié)合鉆探手段對(duì)旗下營隧道基底結(jié)構(gòu)病害區(qū)段進(jìn)行檢測(cè)。主要檢測(cè)內(nèi)容包括:隧道基底結(jié)構(gòu)完整性;隧道基底吊空、回填不實(shí)以及厚度不足等;隧道底部異常地質(zhì)性質(zhì)、規(guī)模和分布。結(jié)果表明:旗下營隧道基底主要病害為基底結(jié)構(gòu)破損與脫空，上行隧道基底存在98處不同程度的破損，總長度約為512 m，下行隧道基底存在39處基底破損情況，總長度約為356 m。該類病害異常在雷達(dá)剖面上表現(xiàn)為，同相軸錯(cuò)斷、彎曲，反射零亂，在存在高吸收物質(zhì)時(shí)雷達(dá)波反射回來的能量較弱等特點(diǎn)。

3 隧道基底病害整治措施

依據(jù)原有設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)維修等資料，通過隧道基底檢測(cè)得出基底不同缺陷和病害產(chǎn)生原因及其分布、尺寸、規(guī)模等，結(jié)合線路天窗時(shí)間與作業(yè)空間等特點(diǎn)，提出經(jīng)濟(jì)合理的基底強(qiáng)化整治措施。隧道基底結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化措施主要有基底結(jié)構(gòu)加固或置換、基底圍巖加固以及疏導(dǎo)排水。

針對(duì)京包線旗下營隧道基底下沉及翻漿冒泥病害，綜合考慮天窗時(shí)間短、限速條件苛刻、操作空間有限等限制，建議使用施工工藝較為簡單的“基底錨注一體化”整治方案。

3.1 “錨固樁+注漿”加固方案

旗下營隧道基底結(jié)構(gòu)存在一層不低于50 cm的完整性較好的鋼筋混凝土層，通過錨固樁把底板結(jié)構(gòu)與承載能力較好的圍巖錨固形成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，協(xié)同受力。通過在底板注漿提高基底結(jié)構(gòu)破碎狀態(tài)下的綜合整治效果。

采用漲殼式預(yù)應(yīng)力錨桿:①樁徑d=40 mm;②樁長L=底板厚度+嵌巖深度=1.2 m;③嵌巖深度不小于0.6 m;④樁間距a按承載力計(jì)算且結(jié)果滿足a＞ 3d。錨樁平面布置如圖1所示。

圖1 錨樁平面布置示意

注膠采用TKSGT高分子樹脂材料，其作用:①能夠在淤泥中反應(yīng)，并能把水?dāng)D走，防止基底翻漿冒泥;②固結(jié)虛渣，填充基底空洞，改善基底結(jié)構(gòu)整體性，提高其承載能力，防止基底下沉。注膠材料特性:①黏度低，能很好地滲入細(xì)小裂縫中;②膠結(jié)能力強(qiáng)，能與地層形成很強(qiáng)的粘合;③憎水，能在水中反應(yīng)，生成物不溶于水;④速凝，2 min初凝，30 min強(qiáng)度達(dá)到50 MPa;⑤環(huán)保，不變質(zhì)、不老化、無污染。

現(xiàn)場(chǎng)注漿加固施工工藝流程如圖2所示。主要技術(shù)參數(shù)包括材料配合比、漿體溫度、注漿壓力和穩(wěn)壓時(shí)間等，這些參數(shù)需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和所用注漿材料綜合考慮。3.2加固效果

圖2 現(xiàn)場(chǎng)注漿流程

通過列車載荷作用下軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)變形測(cè)試和注漿前后物探云圖變化情況，來評(píng)價(jià)旗下營隧道病害整治的加固效果。

1)動(dòng)變形分析

動(dòng)變形可反映隧道基底結(jié)構(gòu)的使用狀態(tài)，其值過大易造成基底結(jié)構(gòu)累計(jì)變形，增大維修工作量，影響行車安全。旗下營隧道基底加固前后軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)變形的對(duì)比如圖3所示。

測(cè)試位置加固前軌道板有脫空現(xiàn)象，處于病害狀態(tài)，列車經(jīng)過時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)變形較大，造成脫空縫隙處積水上涌，并有噴涌現(xiàn)象。加固后軌道板與基巖的脫空裂縫處被注入了加固材料，使縫隙里的水被擠出。由圖3可看出:加固前，貨車通過時(shí)道床板的動(dòng)變形最大達(dá)到1.02 mm;加固后，貨車通過時(shí)道床板的動(dòng)變形減少為0.41 mm?？梢娀准庸堂黠@地改善了列車通過時(shí)的動(dòng)力響應(yīng)。

2)物探測(cè)試

地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，隧道加固前部分區(qū)段存在基底不密實(shí)、脫空及破碎斷裂現(xiàn)象。加固區(qū)段病害見表1，加固前后地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)反射圖見圖4。

圖3 貨車通過時(shí)基底加固前后軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)變形對(duì)比

表1 旗下營隧道內(nèi)主要病害

圖4 加固前后地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)反射圖

由圖4可見，加固后病害大小和深度都明顯縮短，除個(gè)別區(qū)段仍然存在結(jié)構(gòu)不密實(shí)、破損及脫空現(xiàn)象外，隧道基底結(jié)構(gòu)的整體密實(shí)狀況得到明顯改善，說明加固措施發(fā)揮了較好作用。

4 結(jié)論與建議

本文對(duì)京包線旗下營隧道多年運(yùn)營后基底結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的病害成因進(jìn)行分析，并對(duì)其加固對(duì)策進(jìn)行了探討。明確了隧道病害整治思路，提出了隧道基底結(jié)構(gòu)病害量化檢測(cè)方法。根據(jù)基底結(jié)構(gòu)病害類型提出了“錨固樁+注漿”的整治對(duì)策，加固前后貨車作用下基底結(jié)構(gòu)動(dòng)變形與地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果對(duì)比分析表明，采用“基底錨注一體化”加固方案對(duì)旗下營隧道基底病害整治效果良好。

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(責(zé)任審編李付軍)

TU375.4

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.02.21

1003-1995(2015)02-0076-03

2014-07-20;

2014-08-30

鐵道部科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2012G011-B)

馬凌宇(1982—)，男，甘肅渭源人，工程師。