某高速鐵路隧道無(wú)砟軌道上拱處治技術(shù)

李鐵鐘

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300251)

目前，我國(guó)已是世界上隧道工程規(guī)模最大、數(shù)量最多、地質(zhì)條件和結(jié)構(gòu)形式最復(fù)雜、修建技術(shù)發(fā)展速度最快的國(guó)家[1-3]。近些年來(lái)，由于基底水壓高，營(yíng)運(yùn)的鐵路隧道在斷層、巖溶發(fā)育等富水地段屢屢產(chǎn)生無(wú)砟軌道上拱的現(xiàn)象；另外，隧道施工工藝、施工質(zhì)量等問(wèn)題，導(dǎo)致隧道仰拱底部不密實(shí)、仰拱填充分層施做以及仰拱施工縫防水效果不理想等情況發(fā)生。倘若隧道周邊地下水發(fā)育、水量豐富，這些防排水的薄弱位置將會(huì)產(chǎn)生積水，在水壓作用下，容易引起軌道板的上拱，對(duì)鐵路安全運(yùn)營(yíng)造成極大影響[4-6]。

以某既有高速鐵路隧道運(yùn)營(yíng)期內(nèi)出現(xiàn)的隧道無(wú)砟軌道上拱為例，分析問(wèn)題產(chǎn)生的原因，對(duì)整治措施進(jìn)行探討，為類似工程病害處置提供參考。

1 工程背景

某高速鐵路隧道穿越低山區(qū)，全長(zhǎng)4 675 m，為單洞雙線隧道。隧道內(nèi)最大縱坡為20‰，設(shè)計(jì)時(shí)速250 km，軌面以上凈空面積92 m2，采用CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)。2016年5月8日，列車在隧道內(nèi)運(yùn)行時(shí)，感覺(jué)明顯晃車，立即上報(bào)并停車。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)排查，發(fā)現(xiàn)K206+835～K206+876范圍內(nèi)軌道上拱，上行37 mm，下行38 mm，長(zhǎng)度41 m。隧道排水系統(tǒng)不暢，無(wú)砟軌道道床積水，積水深度達(dá)4～6 cm，對(duì)應(yīng)地表發(fā)現(xiàn)有市政道路施工形成的積水坑。

2 原因分析

2.1 隧道底部存在承壓水

事件段隧道區(qū)域?yàn)榛旌蠋r，強(qiáng)風(fēng)化～弱風(fēng)化，巖體破碎，呈碎石角礫狀，圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)，巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，基巖裂隙水能夠沿節(jié)理面下滲。隧道處于溝谷低洼地段，覆土厚度為4.8 m，屬超淺埋。

2016年5月7日，隧道穿越區(qū)域集中強(qiáng)降雨，最大值147.76 mm。經(jīng)計(jì)算，區(qū)內(nèi)匯水面積達(dá)到93 131 m2，兩側(cè)山體及溝谷上游地表水在洞頂積水坑冗滯并集中滲入地下隧道周邊。隧道通過(guò)復(fù)合式防水板、環(huán)向盲管、縱向盲管將地下水引排至仰拱填充內(nèi)的中心排水管進(jìn)行地下水限排。由于排水系統(tǒng)不暢，地下水補(bǔ)給遠(yuǎn)大于隧道排水能力，使隧道存在大量地下水，并形成一定水壓。根據(jù)該段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情況，上述水壓不會(huì)造成隧道結(jié)構(gòu)性破壞，但可導(dǎo)致隧道內(nèi)仰拱填充層上鼓，引起軌道上拱。

2.2 仰拱防水效果不理想

隨著隧道開(kāi)挖和臨空面的形成，地下水向隧道區(qū)域匯集、滲出，造成地下水的重新分配，從而形成新的含水層和地下水轉(zhuǎn)移通道[7-9]。在隧道修建完成后，積聚的地下水需要新的通道，水從結(jié)構(gòu)薄弱的施工縫、變形縫、襯砌裂縫等發(fā)生滲漏，致使隧底承壓水進(jìn)入仰拱填充層。

2.3 仰拱填充層留有水平施工縫

通過(guò)鉆芯孔，清晰可見(jiàn)距離仰拱填充層表面下約30 cm處，存在離縫，如圖1所示。該離縫為仰拱填充層施工中分兩次澆筑產(chǎn)生的水平施工縫，如圖2所示，上部30 cm厚為仰拱填充找平層。找平層為無(wú)砟軌道施工前鋪設(shè)，與仰拱填充層施工間距時(shí)間較長(zhǎng)，由于施工車輛在仰拱填充表面通行未采取成品保護(hù)措施，經(jīng)車輛長(zhǎng)期碾壓，仰拱填充層混凝土遭受破壞，表層酥碎，與找平層不密貼，隧底地下水沿著施工縫進(jìn)入隧底填充層與找平層間空隙，使地下水產(chǎn)生的水頭壓力作用在仰拱填充找平層上，施工縫以上的部分在水壓作用上浮，從而使軌道上拱。

圖1 仰拱填充找平層厚度30 cm

圖2 仰拱填充層水平施工縫

3 模擬計(jì)算

綜合以上影響因素，按照對(duì)應(yīng)的邊界條件，利用地下結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件進(jìn)行模擬計(jì)算。

(1)計(jì)算模型

本次計(jì)算按照平面應(yīng)變假設(shè)，采用了結(jié)構(gòu)-荷載模式：將結(jié)構(gòu)水壓力換算成均布荷載，施加在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算。

計(jì)算假定仰拱填充層承受水壓荷載。

(2)約束條件

采用徑向彈簧模擬初支對(duì)結(jié)構(gòu)的水平位移和垂直位移的約束作用。

(3)計(jì)算參數(shù)

①參考《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10003—2016)第4.3.3條，Ⅴ級(jí)圍巖級(jí)物理力學(xué)指標(biāo)，并參考其他相關(guān)文獻(xiàn)[10-13]，最終確定計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 圍巖物理力學(xué)指標(biāo)表

②根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況確定水壓力取值

地表距離拱頂高度為4.8 m，拱頂距仰拱填充層高度為10.3 m，故計(jì)算水頭高度為4.8 m+10.3 m=15.1 m，作用在仰拱填充層上的水壓力為151 kPa。

(4)計(jì)算結(jié)果(圖3)

圖3 隧道整體豎向位移(單位：m)

通過(guò)圖3可以看出，在該狀態(tài)下，線路中心線位置，豎直方向位移39.1 mm，與無(wú)砟軌道上拱高度基本相符。

4 治理技術(shù)

4.1 應(yīng)急措施

(1)排水系統(tǒng)疏通：疏通隧道內(nèi)中心水溝、側(cè)溝以及道床面排水槽內(nèi)積水，確保水流通暢，對(duì)地表積水及時(shí)引排，設(shè)置臨時(shí)截排水措施，避免隧道洞頂積水。

(2)設(shè)置泄水孔，每斷面內(nèi)布設(shè)4個(gè)泄水孔。

(3)建立沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)，對(duì)結(jié)構(gòu)、軌道進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

(4)根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，及時(shí)對(duì)軌道進(jìn)行應(yīng)急性精調(diào)，為鐵路安全運(yùn)營(yíng)創(chuàng)造條件。

4.2 永久措施

(1)軌道板加固處理措施

隧道基底穩(wěn)定后，采用鉆孔植筋的方式加強(qiáng)底座板與隧道仰拱回填層的連接。

軌道上拱段每塊軌道兩側(cè)的底座頂面各植5根剪力筋，每個(gè)軌道板縫間各植4根剪力筋，底座伸縮縫處除外。軌道上拱段兩側(cè)各擴(kuò)展15 m范圍，每塊軌道兩側(cè)的底座頂面各植3根剪力筋，每個(gè)軌道板縫間各植4根剪力筋，底座伸縮縫處除外。

植筋的鉆孔直徑為25 mm，深度840 mm，采用植筋膠將φ20 mm、長(zhǎng)800 mm的HRB400級(jí)剪力筋植入鉆孔中，鉆孔頂面30 mm、底部10 mm范圍采用植筋膠密封。

(2)隧底加固

將隧道事件段兩側(cè)各延長(zhǎng)15 m范圍內(nèi)，隧底結(jié)構(gòu)采用抗拔錨桿進(jìn)行注漿錨固。錨桿按沿上下行道床底座板外兩側(cè)矩形布置，錨固每斷面4孔。事件段縱向間距為2.5 m。錨固斷面里程應(yīng)避開(kāi)仰拱施工縫位置設(shè)置。其余段落斷面縱向間距為5 m。

錨桿采用φ32 mm自進(jìn)式注漿錨桿，長(zhǎng)3 m，通過(guò)錨桿對(duì)隧底及仰拱填充層水平施工縫進(jìn)行回填注漿，注漿材料采用硫鋁酸鹽水泥(水灰比0.4∶1～0.6∶1)。隧底回填注漿，壓力控制在0.3 MPa；仰拱填充層水平施工縫回填注漿，壓力控制在0.1 MPa；終孔壓力一般穩(wěn)壓2 min可停止注漿。

(3)地表注漿

采用袖閥管注漿工藝，進(jìn)行地表注漿，使隧道結(jié)構(gòu)周邊5 m范圍內(nèi)，形成止水帷幕圈。

①橫向注漿范圍：隧道結(jié)構(gòu)外邊緣兩側(cè)各5 m范圍內(nèi)。豎向注漿范圍：按隧道結(jié)構(gòu)底以下2 m至地表控制。

②注漿方式：采用后退式注漿，袖閥管注漿工藝。

③注漿孔布置：注漿范圍內(nèi)，注漿孔按梅花形布置，間距1.5 m×1.5 m。因既有線施工的嚴(yán)格要求，為避免鉆孔對(duì)隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，鉆孔邊界、鉆孔端頭，隧道結(jié)構(gòu)外邊緣兩側(cè)及結(jié)構(gòu)頂部留設(shè)的安全距離均按1 m控制。

④注漿參數(shù)：具體注漿參數(shù)如表2所示。

表2 注漿參數(shù)表

注：注漿材料實(shí)際采用以硫鋁酸鹽水泥為主，局部輔以“水泥-水玻璃”雙液漿(水灰比0.8∶1～1∶1)，以達(dá)到迅速凝結(jié)，避免對(duì)隧道結(jié)構(gòu)及排水系統(tǒng)造成不利影響。

經(jīng)過(guò)以上處理措施，目前該隧道恢復(fù)正常運(yùn)營(yíng)達(dá)1年以上，運(yùn)營(yíng)狀態(tài)良好。

5 預(yù)防建議

(1)加強(qiáng)隧底防排水設(shè)計(jì)

對(duì)鋪設(shè)無(wú)砟軌道的隧道，盡量避免將地下水引入仰拱內(nèi)，應(yīng)在隧道結(jié)構(gòu)外將水引排，可設(shè)計(jì)為深埋式中心水溝。確實(shí)不適宜設(shè)置深埋式中心水溝的，可考慮在隧底埋設(shè)環(huán)縱向溢水盲管，將水及時(shí)引排至檢查井或側(cè)溝中，避免隧道產(chǎn)生較大水壓。

(2)優(yōu)化隧道仰拱填充施工工藝

隧道仰拱填充宜一次成型施做，避免填充層內(nèi)積水。當(dāng)確需分層施做時(shí)，應(yīng)采取舊混凝土鑿毛、植筋錨固、增設(shè)鋼筋網(wǎng)片等加強(qiáng)措施，確保填充層施工質(zhì)量。

(3)加強(qiáng)施工縫、變形縫防水施工質(zhì)量

隧道底部環(huán)向施工縫、變形縫采取止水帶、界面劑等防水措施，并通過(guò)定位鋼筋卡，確保止水帶平整、居中，將混凝土面清洗、鑿毛。

(4)做好軌下隧道結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量評(píng)定

在無(wú)砟軌道鋪設(shè)前，通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)，鉆孔取芯，注水試驗(yàn)等方式，評(píng)定隧底施工質(zhì)量，根據(jù)質(zhì)量缺陷嚴(yán)重程度，采取注漿，錨桿補(bǔ)強(qiáng)，拆除重做等措施，確保軌下隧道結(jié)構(gòu)滿足要求。

6 結(jié)語(yǔ)

目前，高速鐵路一般采用無(wú)砟軌道，因水害引起的無(wú)砟軌道上拱病害，永久處理可采用洞內(nèi)“泄、錨、疏”及洞外“封、注、排”相結(jié)合的原則[14-15]。采用隧底抗拔錨桿注漿錨固+軌道板鉆孔植筋加固處理方法是可行的，對(duì)改善圍巖及仰拱的受力狀態(tài)是必要的。隧道水害整治和預(yù)防在工程建設(shè)整個(gè)周期都應(yīng)予以重視，做好隧道水害的預(yù)防和治理是一項(xiàng)重要而艱巨的任務(wù)。

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