重載鐵路軟弱基底黃土隧道仰拱開(kāi)裂整治及隧底加固

田永鑄

(中鐵十二局集團(tuán)第三工程有限公司，山西太原 030024)

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重載鐵路軟弱基底黃土隧道仰拱開(kāi)裂整治及隧底加固

田永鑄

(中鐵十二局集團(tuán)第三工程有限公司，山西太原 030024)

為解決某重載鐵路長(zhǎng)大、有水黃土軟弱基底隧道仰拱開(kāi)裂病害，首先開(kāi)展了裂縫分布、混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量及圍巖地質(zhì)情況詳勘。在此基礎(chǔ)上分析隧道仰拱開(kāi)裂的原因，有針對(duì)性地提出引排水、裂縫注漿堵裂、鋼花管注漿加固隧底、仰拱表面敷設(shè)鋼筋網(wǎng)加強(qiáng)的整治措施，有效解決了出現(xiàn)的問(wèn)題，為同類(lèi)問(wèn)題的預(yù)防及處理提供了一定經(jīng)驗(yàn)。

重載鐵路 軟弱基底 黃土隧道 仰拱裂縫整治 隧底加固

隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)是抵抗隧道變形，保證隧道穩(wěn)定的重要保障。大部分隧道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)為100年，對(duì)承載能力、使用安全的要求很高[1，2]。特別是對(duì)于重載鐵路，運(yùn)營(yíng)期內(nèi)往往很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，故建設(shè)期內(nèi)及時(shí)發(fā)現(xiàn)隧道開(kāi)裂變形問(wèn)題，加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力和整體性就顯得極為重要。

所述問(wèn)題隧道位于整條重載鐵路隧道的出口段，里程為DK56+570～+994，共計(jì)224 m。隧道支護(hù)施工即將完成時(shí)，發(fā)現(xiàn)隧底仰拱出現(xiàn)大量裂縫。為保障隧道使用后重載鐵路的安全運(yùn)營(yíng)，對(duì)隧道開(kāi)裂段進(jìn)行了加固治理。

首先介紹隧道的設(shè)計(jì)和工程地質(zhì)條件，隨后給出隧道仰拱裂隙的分布和詳細(xì)的隧道圍巖及施工質(zhì)量勘察成果。在此基礎(chǔ)上提出了“鋼花管樁注漿+裂縫處理+仰拱表層鋼筋網(wǎng)加強(qiáng)”的方案。經(jīng)過(guò)對(duì)隧道變形的監(jiān)測(cè)，表明本次加固處理措施得當(dāng)，隧道仰拱開(kāi)裂得到有效控制，可為相關(guān)工程提供一定的借鑒。

1 工程概述

1.1 隧道設(shè)計(jì)

隧道為單洞雙線(xiàn)隧道，圍巖以Ⅳ、Ⅴ級(jí)為主，軌道采用無(wú)砟軌道。隧道地屬黃土高原丘陵地貌，溝壑縱橫，地形起伏較大，沖溝發(fā)育，海拔高程1 100～1 334 m。隧道地質(zhì)十分復(fù)雜，集濕陷性黃土、土石分界、陷穴、淺埋偏壓、富水等不良地質(zhì)為一體，安全施工管理風(fēng)險(xiǎn)較大，為全線(xiàn)高風(fēng)險(xiǎn)隧道，屬于全線(xiàn)的控制性工程。

隧道結(jié)構(gòu)采用雙線(xiàn)隧道無(wú)砟軌道Ⅳ級(jí)(黏土)復(fù)合襯砌，隧道斷面設(shè)計(jì)如圖1所示，設(shè)計(jì)隧道仰拱和填充層厚度如表1，病害發(fā)生時(shí)隧道仰拱和填充層厚度如表2。

圖1 雙線(xiàn)隧道設(shè)計(jì)

表1 隧道基底仰拱和填充層設(shè)計(jì)厚度 cm

表2 當(dāng)前隧道基底仰拱和填充層要求厚度 cm

1.2 工程地質(zhì)概況

(1)地質(zhì)概況

施工過(guò)程中開(kāi)挖揭示DK56+570～+638段圍巖為粉質(zhì)黏土，棕紅色，硬塑，含水量大，沿節(jié)理處滲水，局部呈股狀流水，初期支護(hù)滲水。粉質(zhì)黏土具弱膨脹性。

施工過(guò)程中開(kāi)挖揭示DK56+638～+823段圍巖上導(dǎo)地層為老黃土，褐黃色，中、下導(dǎo)地層為粉質(zhì)黏土，紫紅色，堅(jiān)硬-硬塑，局部夾半膠結(jié)碎石類(lèi)土層，呈大塊狀壓密結(jié)構(gòu)。粉質(zhì)黏土具弱膨脹性。

施工過(guò)程中開(kāi)挖揭示DK56+823～+994段圍巖為新黃土，淺黃色，硬塑；老黃土，褐黃色，硬塑；新老黃土界面自基底變化至隧道拱頂附近。

(2)地下水

勘察資料表明，地下水位位于路肩設(shè)計(jì)高程以下，隧道洞身局部可能含水。隧道施工開(kāi)挖過(guò)程中，二襯排水孔大部未見(jiàn)出水，局部有少量滲水。拱開(kāi)裂后大部裂縫處有析水(少量滲水)現(xiàn)象。仰拱開(kāi)槽至基底對(duì)地下水情況進(jìn)行觀(guān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)仰拱與土層分界面有股狀水流，水流方向推測(cè)為順坡向小里程方向。

(3)開(kāi)裂段隧道圍巖分級(jí)

開(kāi)裂段隧道圍巖分級(jí)如表3所示。

表3 開(kāi)裂段落圍巖分級(jí)統(tǒng)計(jì)

2 地質(zhì)及施工詳勘

2.1 裂縫分布狀況

對(duì)隧道隧底裂縫調(diào)查發(fā)現(xiàn)，隧底裂縫開(kāi)裂嚴(yán)重，裂縫分布廣，偏離隧道中心線(xiàn)左右兩側(cè)幅度在65～90 cm之間，裂縫寬度在4～10 mm之間，部分段落裂縫處有輕微錯(cuò)臺(tái)，整個(gè)變形段長(zhǎng)424 m。

裂縫分布情況統(tǒng)計(jì)如表4。

表4 裂縫位置及寬度統(tǒng)計(jì)

2.2 隧道開(kāi)裂段地質(zhì)及施工質(zhì)量詳勘

為進(jìn)行仰拱開(kāi)裂原因分析，制定有針對(duì)性的整治措施，對(duì)開(kāi)裂段隧道仰拱填充及隧底地質(zhì)情況開(kāi)展了詳細(xì)調(diào)查，主要開(kāi)展了以下勘察工作。

對(duì)隧道底部填充層、仰拱混凝土及圍巖開(kāi)展了鉆孔取樣；

對(duì)隧道仰拱和填充層和基底圍巖進(jìn)行縱向與橫向的地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)；

隧道裂縫、隧底結(jié)構(gòu)沉降變形以及基底水壓檢測(cè)。

(1)鉆孔取樣勘察成果

分別在DK56+646(距左邊墻3.5 m)、DK56+744(距左邊墻2.8 m)、DK56+890(距左邊墻3.6 m)三處鉆孔取樣。

圍巖地質(zhì)勘察結(jié)果表明，鉆孔內(nèi)淺部約1.4～1.7 m范圍內(nèi)為支護(hù)結(jié)構(gòu)混凝土，其后1.7～3.6 m為黃色粉黏土，3.6～4.9 m為棕紅色黏土，4.9～7.4 m為黃色粉黏土。室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明，隧道圍巖土體屬于粉質(zhì)黏土，土體中密、飽和，具有弱膨脹性，且鉆孔淺部土體密度較低，表明隧道圍巖已發(fā)生松弛變形。

從3個(gè)鉆孔取出的巖樣看，混凝土仰拱和填充層沒(méi)有明顯界限，基本為一次澆筑?；炷梁穸葹?35～170 cm，大于基底厚度129.2 cm，施工厚度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表明，混凝土強(qiáng)度在30.5～53.7 MPa之間，強(qiáng)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

(2)隧底混凝土雷達(dá)探測(cè)

對(duì)隧道開(kāi)裂段布設(shè)了10條雷達(dá)探測(cè)線(xiàn)，以掌握全面的施工質(zhì)量。隧道縱向沿中線(xiàn)、左側(cè)軌道中線(xiàn)及右側(cè)軌道中線(xiàn)布置3條測(cè)線(xiàn)。沿軌道橫向布置7條橫向測(cè)線(xiàn)。具體測(cè)線(xiàn)布置見(jiàn)圖2。

圖2 隧道測(cè)線(xiàn)布置

各測(cè)線(xiàn)不同位置處的仰拱與填充層厚度及其分布情況經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析如下：

①隧道縱向方向上，混凝土填充層和仰拱厚度最大值為230 cm，最小83 cm，平均143 cm，大于基底厚度129.2 cm的長(zhǎng)度為311 m，小于基底厚度的長(zhǎng)度有100 m。

②線(xiàn)路橫向方向上混凝土仰拱與填充層厚度總體滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

隧道檢測(cè)區(qū)段內(nèi)部分地段仰拱或仰拱下部圍巖內(nèi)存在不密實(shí)等病害異常情況，有314 m，占78.5%。另外，檢測(cè)過(guò)程中仰拱上表面普遍存在積水現(xiàn)象，雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果顯示其下部圍巖內(nèi)也普遍存在含水較大現(xiàn)象，加之此隧道內(nèi)圍巖大部分為黃色粉黏土，極易發(fā)生變形，從而導(dǎo)致仰拱開(kāi)裂等病害。

在DK56+635，DK56+735，DK56+835，DK56+935設(shè)4處觀(guān)測(cè)斷面，在水溝邊、隧道中線(xiàn)、拱頂設(shè)水準(zhǔn)觀(guān)測(cè)點(diǎn)，并設(shè)裂縫變形觀(guān)測(cè)點(diǎn)。每日觀(guān)測(cè)2次，觀(guān)測(cè)周期直至不再變形為止。隧底變形觀(guān)測(cè)結(jié)果如下：

①經(jīng)對(duì)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，4處裂縫寬度變化均在1 mm之內(nèi)，變化不明顯。

②隧底左、中、右側(cè)相對(duì)高程變化有一定累積(以中點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，觀(guān)測(cè)左右兩點(diǎn)高晨個(gè)變化)，隧道DK56+735和DK56+935處左側(cè)觀(guān)測(cè)點(diǎn)下沉，下沉量在1.209～3.378 cm，DK56+635和DK56+835處左側(cè)觀(guān)測(cè)點(diǎn)上升，上升量在0.247～2.780 cm；4處監(jiān)測(cè)斷面右側(cè)觀(guān)測(cè)點(diǎn)均上升，上升量為0.149～2.537 cm。

(4)隧道基底地下水分析

隧底頂面多處有集水，由裂縫滲出，地下水壓較大。施工中為了減少隧底頂面集水，便于施工，在這段隧底挖了幾個(gè)集水井，用水泵排出地下水。

3 隧底仰拱開(kāi)裂原因分析

3.1 隧道受力分析

從病害調(diào)研情況來(lái)看，隧道仰拱裂縫基本為縱向發(fā)展，沒(méi)有橫向裂縫，裂縫口張開(kāi)，部分段落有微小錯(cuò)臺(tái)，主要為受拉裂縫，可以判定主要與支護(hù)結(jié)構(gòu)承受彎矩有關(guān)。利用有限元分析軟件ANSYS建立隧道力學(xué)模型，開(kāi)展隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力計(jì)算分析。圖3為隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)承受的彎矩分部圖。

圖3 斷面彎矩示意

從圖3可以看到，隧道頂部和底部承受了較大的臨空方向彎矩，隧道底部中間的彎矩最大，達(dá)到了96.12 kN·m，是造成隧道仰拱開(kāi)裂的一個(gè)重要原因。

3.2 地下水作用分析

AutoCAD導(dǎo)出的協(xié)作文件為stl格式，模型繪制完畢后，選取每個(gè)獨(dú)立部件，選擇發(fā)布->發(fā)送到三維打印服務(wù)，設(shè)置好相關(guān)參數(shù)后，即可將單個(gè)模型生成為stl格式文件。

地下水是引起隧底結(jié)構(gòu)開(kāi)裂的主要原因，主要體現(xiàn)在兩方面。

(1)地下水對(duì)隧底圍巖的作用

圍巖勘察結(jié)果表明，隧底圍巖具有膨脹性，遇水產(chǎn)生膨脹力直接作用于隧底仰拱，增加了仰拱的彎矩，加劇了隧底結(jié)構(gòu)開(kāi)裂。當(dāng)隧道開(kāi)挖后，隧底土體卸荷松弛，降低了隧底圍巖抗力系數(shù)，也會(huì)增加支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載。

(2)地下水壓力對(duì)隧底結(jié)構(gòu)的作用

雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果表明，地下水壓力較大，作用在仰拱上，對(duì)隧底結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了向上的彎矩，加速了隧底填充層開(kāi)裂。

3.3 其他原因

由于隧底地下水發(fā)育，造成隧道開(kāi)挖后圍巖膨脹松弛，施工清挖過(guò)程中存在清理不到位的情況，而且隧底圍巖粉質(zhì)黏土層分布不均，引起隧底地基存在軟硬不均現(xiàn)象。

此外，隧道仰拱和二次襯砌施做時(shí)機(jī)過(guò)早，隧道圍巖圍壓釋放不足也增加了隧底支護(hù)結(jié)構(gòu)的彎矩，促進(jìn)了支護(hù)結(jié)構(gòu)開(kāi)裂。

4 隧底病害加固方案

鑒于該線(xiàn)設(shè)計(jì)為重載鐵路且為無(wú)砟軌道，本著一次根治、不留后患的原則，應(yīng)采取有效工程措施進(jìn)行處理。借鑒以往工程經(jīng)驗(yàn)，并綜合各方面意見(jiàn)，確定采用鋼花管樁注漿方案，并做好裂縫處理及仰拱表層鋼筋網(wǎng)加強(qiáng)措施。

4.1 鋼花管樁注漿主要技術(shù)參數(shù)

(1)注漿鋼花管樁長(zhǎng)

考慮到仰拱層厚度較大，鉆孔難度較大，加固方案應(yīng)加大樁間距以減少樁的數(shù)量，因此，管樁長(zhǎng)度必須夠長(zhǎng)，以提供足夠的承載力，但單樁樁長(zhǎng)也不應(yīng)過(guò)長(zhǎng)，避免浪費(fèi)[3，4]。根據(jù)本次加固隧道基底地層情況，本次鋼花管樁長(zhǎng)度為8 m，進(jìn)入基底長(zhǎng)度為6.1 m，鉆孔直徑為15 cm。鋼花管直徑為108 mm，壁厚8 mm。沿橫斷面在4根鋼軌下布置4根樁(如圖4所示)。

圖4 注漿鋼花管加固斷面(單位：cm)

(2)注漿鋼花管間距確定

根據(jù)鐵路中—活載圖式標(biāo)準(zhǔn)，本客貨共線(xiàn)鐵路荷載(按照一般荷載分布)換算均布荷載為1.2×250 kN/1.6 m=187 kN/m。

考慮機(jī)車(chē)通過(guò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生沖擊力，其動(dòng)力系數(shù)(μ)取機(jī)車(chē)通過(guò)的動(dòng)力系數(shù)0.2。

P=(1+μ)P=(1+0.2)×187=224 kN/m

列車(chē)荷載全部由鋼花管承擔(dān)，則樁間距為

L=(2Ra)/Q

L=(2Ra)/Q=2×86.1/224=0.975m

取鋼花管的間距為1.0 m。

(3)鋼花管注漿的主要施工工藝

采用φ108 mm×8.0 mm鋼管，在鋼管頂端1.8 m以下部分沿鋼管軸線(xiàn)間距5 cm、徑向旋轉(zhuǎn)45°鉆φ8 mm的孔眼，注漿孔沿鋼管四周呈螺旋式布置，注漿孔用特制膠帶和凝膠密封。先定好孔位，再用臺(tái)鉆鉆孔，防止偏斜。鋼管外壁要用鋼絲刷除銹，以增強(qiáng)鋼管與水泥漿的粘結(jié)力，也有利于封孔膠帶粘貼牢靠，鋼管連接采用φ120×8 mm的無(wú)縫鋼管套接。將φ108插入φ120 mm內(nèi)，環(huán)縫處焊接，接頭鋼管長(zhǎng)度120 mm。注漿鋼花管構(gòu)造見(jiàn)圖5。

圖5 注漿鋼花管構(gòu)造

第一次注漿管從鋼花管中間下管安裝，注漿管端頭15 cm范圍內(nèi)鉆φ8梅花孔眼，固定在U形托架上，端頭距孔底約12 cm。注漿管在封端鋼板出口處用膠帶密封。

鋼管底部用厚度5 mm 的鋼板焊接密封，頂部對(duì)稱(chēng)焊接2個(gè)Φ14 mm的螺母，作多次注漿固定槍頭用。注漿孔用專(zhuān)用膠帶纏繞密封，纏繞4～5層。

為了保證鋼管在孔中居中，同時(shí)保護(hù)密封膠帶在鋼管入孔時(shí)不被損壞，沿鋼管軸線(xiàn)間隔2～3 m安裝一個(gè)對(duì)中架，對(duì)中架按設(shè)計(jì)圖中要求加工和焊接。用φ16 mm鋼筋在鋼管底部焊接V形托架，長(zhǎng)度10 cm，避免鋼管與孔底泥渣直接接觸而銹蝕。

一次常壓注漿:采用P.O 42.5水泥配制純水泥漿，水泥漿配合比為水泥∶水=1∶0.5。用攪拌機(jī)攪拌，先倒入水，然后邊攪拌邊加入水泥，經(jīng)過(guò)濾后倒入泥漿池，并不停地?cái)噭?dòng)，避免水泥漿沉淀離析。一次注漿塑料管綁安在鋼花管中間，與鋼管一同入孔，伸入孔底，從孔底向上反向壓漿，將孔底的水或泥漿壓出來(lái)，至孔口返出正常的水泥漿液。

注漿設(shè)備采用泥漿泵，從注漿泵到孔口用內(nèi)徑20 mm的高壓液壓軟管輸送漿液。應(yīng)注意控制流量，防止堵塞管路。

一次注漿為0.4 MPa，當(dāng)孔口返出正常漿液時(shí)即停止，如果出現(xiàn)漿液凝固收縮回落到孔口以下，要及時(shí)補(bǔ)漿，直到孔口注滿(mǎn)為止。

二次注漿:二次注漿配合比為水泥∶水=1∶0.7。注漿量按500 kg/m或注漿壓力不小于1 MPa(管口)單控。實(shí)際操作中，應(yīng)隨時(shí)注意現(xiàn)場(chǎng)情況，如果有地表冒漿或裂縫增大等異常情況要及時(shí)停止注漿，查明原因，可以采取減小注漿壓力或間歇式注漿的辦法處理。

4.2 其他補(bǔ)強(qiáng)措施

(1)裂縫修補(bǔ)

對(duì)于已經(jīng)產(chǎn)生的仰拱開(kāi)裂裂縫需要進(jìn)行修補(bǔ)封閉，將裂縫鑿40 cm深，寬20 cm，用微膨脹混凝土補(bǔ)強(qiáng)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35。

(2)增設(shè)橫向排水管

在中線(xiàn)每間隔5 m設(shè)置孔徑大于10 cm的減壓排水孔，深3 m，孔中放排水管外包土工織物布反濾，間隔距離20 m，由橫向排水管排入水溝內(nèi)。填充層未完成施工時(shí)，將排水管澆筑在填充層內(nèi)。

(3)仰拱填充層頂層內(nèi)配筋加強(qiáng)

鑒于隧道填充層表層有0.5 m厚度尚未施工，因此在該層內(nèi)配筋可提高仰拱的抗裂性能，配筋見(jiàn)圖6。

圖6 填充層配筋(單位：cm)

5 結(jié)束語(yǔ)

該隧道通過(guò)鋼花管注漿加固及仰拱填充補(bǔ)強(qiáng)處理后，通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間觀(guān)察，該隧道未出現(xiàn)仰拱開(kāi)裂及滲漏水現(xiàn)象。目前，該工程已經(jīng)通車(chē)，通車(chē)后也未出現(xiàn)異常情況，說(shuō)明對(duì)該隧道的病害原因分析是正確的，對(duì)該隧道病害整治措施行之有效。

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The Regulation for Inverted Arch Crack and Reinforcing Tunnel Bottom of Heavy Haul Railway Loess Tunnel With Weak Base

TIAN Yongzhu

2016-07-26

田永鑄(1974—)，男，1998年畢業(yè)于太原理工大學(xué)建筑工程專(zhuān)業(yè)，高級(jí)工程師。

1672-7479(2016)05-0059-05

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