既有隧道整體道床下沉的“抬—注—錨”復合整治技術(shù)研究

鄒文浩，馬偉斌，杜曉燕，郭小雄( ．中國鐵道科學研究院，北京　0008; ．中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京　0008)

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既有隧道整體道床下沉的“抬—注—錨”復合整治技術(shù)研究

鄒文浩1，馬偉斌2，杜曉燕2，郭小雄2
( 1．中國鐵道科學研究院，北京100081; 2．中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

摘要:我國既有鐵路隧道整體道床下沉、翻漿冒泥等病害嚴重影響線路平順性與服役狀態(tài)，采用調(diào)整扣件等常規(guī)措施難以根治，無法保障線路安全運營。本文以太嵐鐵路柏崖頭隧道病害整治工程為例，提出了“抬—注—錨”復合整治技術(shù)。該技術(shù)采用液壓同步控制系統(tǒng)精確控制整體道床的抬升過程，在施工過程中與后續(xù)注漿和錨固措施緊密配合。首先采用有限元數(shù)值模擬，對比分析道床中部抬升、道床兩側(cè)頂升、邊頂中抬三種方案，確定了邊頂中抬為實施方案;然后介紹了整體道床下沉病害整治方案的實施過程及要求;最后通過施工監(jiān)測對整治效果進行驗證。結(jié)果表明:經(jīng)“抬—注—錨”復合整治技術(shù)處理后，整體道床的最大下沉量由整治前的39. 8 mm降低為1. 9 mm，差異沉降由整治前的8. 33‰減少為0. 47‰，整治效果良好。

關(guān)鍵詞:鐵路隧道整體道床抬升注漿錨固

整體道床是用混凝土整體板代替松散道砟堆筑而成的道床，并和軌枕聯(lián)成一體，從根本上改變了軌下基礎的受力分布、荷載傳遞及變形發(fā)展過程［1-2］。整體道床具有維護工作量少、結(jié)構(gòu)簡單、整體性強以及表面整潔等諸多優(yōu)點，能顯著改善隧道內(nèi)維修作業(yè)的工作條件，縮短洞內(nèi)作業(yè)停留時間和減輕勞動強度。然而，經(jīng)過一段時間的運營之后，整體道床會出現(xiàn)了翻漿冒泥、基底下沉和道床開裂等病害，危及行車安全［3-4］。目前針對整體道床沉降問題，一般采用更換軌墊等臨時措施進行處理，難以根治病害;若采用整體道床翻修、壓力注漿等［5-6］措施整治，又存在工程量大、造價高、影響列車正常運營等問題。

鐵路線路行車密度大、運行條件要求高、天窗時間短，而鐵路隧道具有凈空小、寬度窄、空間相對封閉等特點，這就要求鐵路隧道內(nèi)的病害整治需達到以下要求［7］:①病害整治作業(yè)應快速，修補材料應盡快達到所需強度，從而滿足線路正常運營的要求;②施工設備應滿足隧道凈空的要求，作業(yè)量不應太大，盡量少干擾列車運行;③應設法改善施工作業(yè)環(huán)境，給作業(yè)人員創(chuàng)造良好的工作條件。

針對鐵路隧道的上述特點，研發(fā)出針對整體道床下沉病害整治的“抬—注—錨”復合整治技術(shù)。本文首先簡單介紹大秦鐵路柏崖頭隧道整體道床下沉病害基本情況，接著采用有限元模擬方法對備選抬升方案進行對比分析，確定最終抬升方案，然后介紹整體道床下沉病害整治方案的實施過程及整治效果，以期為類似工程提供參考。

1　工程概況

柏崖頭隧道位于太嵐線土堂—柳林河區(qū)間，全長1 276 m，單線隧道，為混凝土雙支撐塊式整體道床(圖1)，鋪設60 kg/m無縫鋼軌。隧道為早期噴錨結(jié)構(gòu)，圍巖以中厚層石灰?guī)r為主，巖石堅硬，整體性較好。地下水主要為基巖裂隙水。

圖1混凝土雙支撐塊式整體道床

柏崖頭隧道某區(qū)段整體道床長8 m，寬2. 4 m，厚0. 35 m，材料為C30混凝土，整體道床縱橫向裂縫交錯，道床外沿縱向裂縫長達5 m。整體道床不均勻沉降明顯，最大下沉量為4 cm，造成線路豎向、橫向起伏較大，嚴重危及行車安全。工務部門前期采取增加扣件橡膠墊等臨時措施，已達到扣件可調(diào)節(jié)范圍極限。經(jīng)資料分析和現(xiàn)場調(diào)查后，根據(jù)實際情況創(chuàng)新性地提出“抬—注—錨”復合整治方案來對該區(qū)段整體道床進行徹底整治。

2　抬升方案的選定

采用數(shù)值分析方法對備選抬升方案進行對比，主要考察各方案中整體道床的受力、變形、抬升裝置的受力情況、方案在施工工藝等方面的要求，以及整治后對后續(xù)線路運營的影響，以選擇最佳抬升方案。

2. 1備選抬升方案

備選抬升方案有道床中部抬升、道床兩側(cè)頂升、邊頂中抬3種。

1)道床中部抬升方案。先鑿除混凝土板兩側(cè)寬約10～15 cm混凝土路面至基巖位置，在整體道床中部將螺旋絲杠打設于基巖內(nèi)，千斤頂布設于螺旋絲杠及工字鋼、化學錨栓及支撐鋼板形成的受力結(jié)構(gòu)之間提供反力，形成“上挑”作用，沿隧道軸向?qū)ΨQ布置兩列千斤頂。抬升作業(yè)采用的TK-1型千斤頂為超薄液壓千斤頂，該千斤頂起重量為10 t，缸體外徑50 mm，行程50 mm，本體高度為80 mm。

2)道床兩側(cè)頂升方案。兩側(cè)鑿除人行道混凝土路面至基巖處，布設TK-2型千斤頂，用其頂升整體道床兩側(cè)的角鋼，頂起整體道床。頂升作業(yè)采用的TK-2型千斤頂同樣為液壓千斤頂，該千斤頂起重量為20 t，缸體外徑80 mm，行程65 mm，本體高度為120 mm。

3)邊頂中抬方案。如圖2所示，該方案為上述兩種方案的結(jié)合，在道床兩側(cè)頂升方案的基礎上在道床中心處加設一列TK-1型千斤頂。

圖2邊頂中抬方案

2. 2數(shù)值模擬

1)數(shù)值模型

為了解各抬升方案下混凝土板的受力和變形，以及抬升系統(tǒng)的受荷情況。采用大型商用有限元程序ABAQUS進行數(shù)值模擬。

①道床中部抬升方案三維數(shù)值模型(見圖3)。混凝土板尺寸為8 000 mm×2 400 mm×300 mm，M16化學錨栓插入混凝土板的深度為12. 5 cm。化學錨栓與混凝土板直接連接，不發(fā)生相對錯動，即認為兩者連接牢固。邊界條件為約束所有化學錨栓頂部的平移和轉(zhuǎn)動。

圖3道床中部抬升方案三維數(shù)值模型

②道床兩側(cè)頂升方案三維數(shù)值模型(見圖4)。M12型化學錨栓深入混凝土板深度為11 cm，邊界條件為約束化學錨栓外端部的平移和轉(zhuǎn)動。

圖4道床兩側(cè)頂升方案三維數(shù)值模型

③邊頂中抬方案三維數(shù)值模型(見圖5)。該方案在道床兩側(cè)頂升方案的基礎上在道床中部沿隧道軸向布置兩列M16化學錨栓，插入混凝土深度為12. 5 cm。邊界條件為約束混凝土板兩側(cè)錨栓外端部及中部錨栓頂部的平移和轉(zhuǎn)動。

圖5邊抬中頂方案三維數(shù)值模型

2)本構(gòu)模型及參數(shù)

化學錨栓的本構(gòu)模型采用線彈性模型;混凝土板采用塑性損傷模型。參數(shù)依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》( GB 50010—2002)選取，見表1、表2。ABAQUS內(nèi)嵌的塑性損傷模型由Lubliner等人提出，由Lee和Fenves進行改進和發(fā)展［9-10］。采用該模型對單調(diào)荷載作用下的混凝土構(gòu)件進行模擬能得到其準確的宏觀反映，該模型還可用于混凝土結(jié)構(gòu)在往復荷載作用下的受力行為模擬［11］。

表1材料基本物理參數(shù)

表2 C30混凝土損傷計算參數(shù)［8］

3)數(shù)值計算結(jié)果與分析

①道床中部抬升方案。化學錨栓主拉應力最大值為11 MPa左右，遠小于其抗拉強度;混凝土板主拉應力最大值為0. 75 MPa，和其抗拉強度相比較小?；炷涟宓淖冃畏浅Ｐ?。

②道床兩側(cè)頂升方案。化學錨栓主拉應力最大值為57 MPa左右，為中部抬升方案的5. 2倍，但同樣遠小于錨栓抗拉強度?；炷涟逯骼瓚ψ畲笾禐?. 01 MPa，混凝土板在化學錨栓周圍的部分區(qū)域已經(jīng)出現(xiàn)開裂的情況。混凝土板最大應變?yōu)?. 84×10－4，出現(xiàn)在錨栓附近。

③邊頂中抬方案。該方案計算得到的主拉應力云圖見圖6?？芍?，化學錨栓主拉應力最大值為29 MPa左右，為中部抬升方案的2. 6倍，為兩側(cè)頂升方案的1 /2左右，中部加設抬升千斤頂有效分擔了兩側(cè)化學錨栓的荷載;混凝土板主拉應力最大值為2. 01 MPa，混凝土板在化學錨栓周圍的部分區(qū)域也出現(xiàn)開裂的情況，但比兩側(cè)頂升方案輕微，且范圍也小很多。中部抬升化學錨栓附近混凝土主拉應力最大值為0. 95 MPa，在方案實施過程中可以適當調(diào)整中部抬升千斤頂?shù)奶?。由圖7可知，混凝土板最大應變?yōu)?. 802× 10－4，出現(xiàn)在兩側(cè)化學錨栓附近。

圖6邊頂中抬方案主拉應力云圖(單位: Pa)

圖7混凝土板應變云圖

2. 3最終方案選取

中部抬升方案的計算結(jié)果略優(yōu)于其他兩種方案，兩側(cè)頂升方案和邊頂中抬方案也基本滿足要求。中部抬升方案的缺點是需要在道床上鉆孔施作多組千斤頂基座，會較大程度削弱混凝土板的整體性，給后續(xù)線路運營帶來隱患。兩側(cè)頂升方案的缺點在于道床側(cè)面施工作業(yè)面小，對施工精度要求高，群錨系統(tǒng)整體性能難以有效發(fā)揮［12］。而邊頂中抬方案綜合了上述兩種方案的優(yōu)點，也減少了其缺點所帶來的影響，故在實際施工中選擇該方案為最終道床抬升方案。

3病害整治方案的實施

柏崖頭隧道整體道床下沉病害整治施工流程見圖8。

由于道床有一定程度的破損，且已出現(xiàn)多條裂縫，需對其進行裂縫修補以增強其抵抗變形的能力。整體道床下沉病害整治施工從14年5月5日開始，19日結(jié)束，集中利用14個天窗點完成。具體步驟和方法:①對道床已發(fā)生的變形進行測量和統(tǒng)計，掌握整體道床實際的服役狀態(tài);②進行抬升系統(tǒng)的布置，原則是易于布置且要使得道床受力均勻，與此同時進行監(jiān)測系統(tǒng)的布置，要求實時、準確;③開始道床的抬升，抬升過程中要保證道床受力均勻，即精確控制各千斤頂頂程，采用文獻［13］中所述的荷載—位移法對抬升過程進行雙控;④采用注膠的方式填充基底大范圍空隙，要求膠液速凝、早強、流動性好、無污染，且凝固前后膠體體積變化小;⑤待膠體強度達到一定程度后，用錨桿把道床、膠體和基底圍巖錨固為一體，提高其受力性能;⑥整理施工現(xiàn)場，恢復線路的正常運營。

圖8柏崖頭隧道整體道床下沉病害整治施工流程

3. 1道床“邊頂中抬”方案實施流程

道床“邊頂中抬”方案的剖面布置見圖9。

圖9道床“邊頂中抬”方案的剖面布置

施工工藝流程如下:

1)人行道混凝土鑿除。鑿除道床兩側(cè)人行道長約8. 5 m、寬約0. 5 m范圍內(nèi)的混凝土，沿深度方向鑿至基巖處。

2)道床兩側(cè)頂升平臺布置。在道床兩側(cè)側(cè)面中線沿隧道軸線方向每隔0. 5 m布置化學錨栓，然后錨固長約8 m的8#角鋼，為道床兩側(cè)TK-2型千斤頂提供頂升平臺。

3)道床兩側(cè)千斤頂基座施工。人行道混凝土鑿除后的工作面坑洼不平，且基巖直接承擔千斤頂作用力可能會失穩(wěn)，故施作C40混凝土墩作為千斤頂基座。先清理基巖表面浮渣，然后支模澆筑早強混凝土并進行養(yǎng)護。

4)道床中心千斤頂基座施工。在道床中部沿隧道軸線每隔1 m鉆孔布置螺旋絲扣，深入到基巖中一定深度以滿足承載要求，且與道床鉆孔分離，即螺旋絲扣與道床鉆孔間有一定空隙。螺旋絲扣固定后，在其上端焊接托盤作為TK-1型千斤頂承載平臺。

5)道床中心抬升平臺布置。在道床中部沿隧道軸線方向每隔0. 5 m左右對稱布置化學錨栓，固定支承鋼板。支承鋼板和TK-1型千斤頂間布設長約8 m的 I12型鋼，作為道床中心抬升平臺，保證道床均勻受力。

6)道床抬升作業(yè)。采用雙控法對抬升作業(yè)進行控制，以控制位移即抬升量為主，計算各千斤頂?shù)目偺?，把整個抬升過程分為三個階段，各千斤頂?shù)碾A段抬升量為總量的1 /3。

3. 2整治效果

整治施工完成后整體道床沉降與抬升前沉降對比見圖10。經(jīng)“抬—注—錨”復合整治技術(shù)處理后，整體道床的最大下沉量由整治前的39. 8 mm降低為1. 9 mm，差異沉降由整治前的8. 33‰減少為0. 47‰。目前該區(qū)段線路平順，運行狀態(tài)良好。

圖10抬升前后整體道床沉降對比

4　結(jié)論

1)邊頂中抬方案結(jié)合了中部抬升方案和兩側(cè)頂升方案的優(yōu)點，能滿足道床混凝土板受力和變形要求，且對施工精度要求不高，對線路后續(xù)運營影響小。

2)“抬—注—錨”復合整治技術(shù)通過液壓抬升系統(tǒng)調(diào)整道床混凝土板的沉降和變形，注膠填充基底空隙，錨固增強基底結(jié)構(gòu)和圍巖的整體性，三者共同作用改善道床的承載能力?！疤Аⅰ^”復合整治技術(shù)是整治措施和監(jiān)測措施的有機結(jié)合，具有施工簡單、能準確控制各點抬升量等優(yōu)點，尤其適用于運營鐵路隧道整體道床抬升工程。

3)柏崖頭隧道整體道床下沉病害整治效果顯著。經(jīng)“抬—注—錨”復合整治技術(shù)處理后，整體道床的最大下沉量由整治前的39. 8 mm降低為1. 9 mm，差異沉降由整治前的8. 33‰減少為0. 47‰。

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(責任審編葛全紅)

Research on composite technologies—lifting，grouting and anchorage—for treating subsidence of monolithic concrete bed in existing railway tunnel

ZOU Wenhao1，MA Weibin2，DU Xiaoyan2，GUO Xiaoxiong2
( 1．China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2．Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

Abstract:T unnel monolithic concrete bed subsidence of some existing railway lines and the diseases such as frost boiling and mud pumping seriously affected the railway line smoothness and service status，which couldn't be cured by conventional measures including adjusting fasteners，and railway line safety operation couldn't be assured．T aking the disease remediation project of Baiyatou tunnel in T ailan railway as an example，the composite remediation technology of lifting-grouting-anchorage was presented in this paper，which adopted hydraulic synchronous control system controlling the lifting process of monolithic concrete bed and closely matched with the following grouting and anchorage measures．By using finite element numerical simulation，three schemes of lifting in the middle，jacking on both sides and jacking on side-lifting in the middle were compared and analyzed and the last scheme was selected，implementation process and requirements of disease remediation plan for monolithic concrete bed subsidence were introduced，and the remediation effectiveness was verified through the construction monitoring．Results showed that the maximum subsidence of monolithic concrete bed was decreased from 39. 8 mm to 1. 9 mm and differential settlement was from 8. 33‰to 0. 47‰after composite remediation technology treatment of lifting-groutinganchorage，which means the remediation effect was good．

Key words:Railway tunnel; M onolithic concrete bed; Lifting; Grouting; Anchorage

文章編號:1003-1995( 2016) 01-0025-04

中圖分類號:U213．7

文獻標識碼:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．01．05

作者簡介:鄒文浩( 1986—)，男，博士研究生。

基金項目:國家自然科學基金—高鐵聯(lián)合基金項目( U1434211) ;鐵道科學技術(shù)研究發(fā)展中心科研項目( J2014G004) ;中國鐵道科學研究院基金項目( 2014YJ015，2015YJ039)

收稿日期:2015-11-11;修回日期: 2015-12-10