杜家山隧道基床翻漿冒泥病害成因及治理方案研究

荊韋莊

(中國鐵路西安局集團(tuán)有限公司，陜西西安 710054)

在鐵路運營過程中，路基直接承載著軌道重力及列車運行過程中的動靜荷載,由于路基所處的地質(zhì)環(huán)境條件和施工工藝等差別，在長期工程荷載作用下，會出現(xiàn)多種路基病害，嚴(yán)重影響列車的安全運營。其中翻漿冒泥病害是路基在路基下伏巖土的地質(zhì)條件、施工工藝、鐵路沿線下伏的地質(zhì)條件差別較大，諸多區(qū)段都存在凍土、膨脹土等不良土，路基填料也難以保持均勻一致，再加上由于技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、經(jīng)濟(jì)差異以及施工等方方面面的原因，導(dǎo)致許多運營線路出現(xiàn)了不同類型不同程度的路基病害，嚴(yán)重影響著列車的安全運行，危害人民群眾的財產(chǎn)和生命安全[1-2]。除此以外，在過去修建既有線時基床填料的選擇大部分都是壓實系數(shù)和彈性模量較小的土質(zhì)填料，設(shè)計厚度也相對偏小，造成路基病害時常發(fā)生。國內(nèi)很多學(xué)者針對路基翻漿冒泥病害的成因[3-6]、檢測方法[7-9]和處理措施[10-12]的研究已有很多。

1 杜家山隧道概況

杜家山特長隧道位于改建鐵路陽平關(guān)至安康線增建二線擴(kuò)能改造安康樞紐配套工程的南秦嶺越嶺段，隧址區(qū)位于南秦嶺旬陽縣甘溪鄉(xiāng)與安康市早陽鄉(xiāng)交界的分水嶺地帶，隧道橫穿南秦嶺山脈。隧道呈NE-SW向穿越南秦嶺低中山區(qū)，地形崎嶇，地勢險要，山高溝深，植被茂密，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地層巖性多變，工程難度大。

2 地質(zhì)環(huán)境分析

2.1 地形地貌

杜家山隧道進(jìn)口位于旬河支流麻坪河河谷區(qū)，出口位于漢江支流丁家河河谷區(qū)，洞身穿越南秦嶺低中山區(qū)。隧址區(qū)主峰為界嶺高程1 150 m，麻坪河河床高程303 m，丁家河床高程314 m，溝谷發(fā)育，多呈垂直山脊樹枝狀分布的“V”形谷，山體相對高差500～800 m，屬中-深切割山區(qū)，松散土層少量，以淺變質(zhì)石質(zhì)山地為主，山坡植被茂密，樹木較多；隧址區(qū)為北亞熱帶秦巴濕潤山地氣候，氣候溫和，雨量充沛。

2.2 地層巖性

隧道工程涉及地層主要有第四系全新統(tǒng)坡殘積粉質(zhì)黏土，沖、洪積細(xì)圓礫土，卵石土；泥盆系中統(tǒng)大楓溝組、公館組灰?guī)r，千枚巖，千枚巖夾灰?guī)r，灰?guī)r夾千枚巖；志留系下統(tǒng)梅子埡組千枚巖，含泥炭質(zhì)片巖夾云母片巖，片巖，此外局部有長英質(zhì)巖脈及巖株侵入。本區(qū)經(jīng)歷了多次構(gòu)造變動，巖層不同程度發(fā)生變質(zhì)。

2.2.1 第四系全新統(tǒng)(Q4)

全新統(tǒng)洪積層(Q4pl),細(xì)圓礫土,主要分布于洞身淺埋段沖溝表層，青灰色為主，礫石成份主要為千枚巖、片巖、灰?guī)r等，一般厚2～8 m；卵石土主要分布于洞身淺埋段沖溝表層，淺灰色、淺黃色，礫石成份主要為千枚巖、片巖、灰?guī)r等，一般厚2～5 m.

滑坍、錯落堆積層(Q4sl)，主要是含碎石土的粉質(zhì)黏土，以灰?guī)r、千枚巖為主塊石土、碎石土，分布于滑坡堆積體內(nèi)。

坡、殘積層是含碎石土粉質(zhì)黏土，主要分布在支溝坡麓、溝腦及地形平緩的山坡地帶，成分以粉質(zhì)黏土為主。

2.2.2 泥盆系中統(tǒng)(D2)

公館組(D2g)，一套青灰色、淺灰色白云質(zhì)、硅質(zhì)、泥質(zhì)細(xì)晶灰?guī)r，中厚層-厚層狀，底部為厚層狀千枚巖(千枚巖附近灰?guī)r呈薄-中厚層狀)，灰?guī)r具輕微溶蝕現(xiàn)象，弱風(fēng)化，節(jié)理較發(fā)育，巖體較完整，產(chǎn)狀主要為N58°～74°W/46°～62°N。千枚巖呈淺灰色，鱗片變晶結(jié)構(gòu)，千枚狀構(gòu)造。本巖組與志留系呈斷層接觸，與下伏泥盆系大楓溝組呈平行假整合接觸。

2.2.3 大楓溝組(D2d)

出露于隧道越嶺地段是一套灰綠色、灰黃色粉砂質(zhì)千枚巖、鈣質(zhì)千枚巖、灰色薄層狀-中厚層狀泥質(zhì)細(xì)晶灰?guī)r交互地層，局部夾雜石英質(zhì)、長英質(zhì)巖脈及巖株貫穿，本段為長大斷裂構(gòu)造、褶皺構(gòu)造集中發(fā)育區(qū)，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜多變。

(1)千枚巖(D2dPh)、千枚巖夾灰?guī)r(D2dPh+Ls)：千枚巖呈灰色、灰綠色，鱗片變晶結(jié)構(gòu)，千枚狀構(gòu)造，具絲絹光澤，灰?guī)r呈灰色、深灰色，細(xì)晶結(jié)構(gòu)，極薄層-薄層狀構(gòu)造，層間結(jié)合較弱，易沿片理面劈裂，節(jié)理、裂隙較發(fā)育，揉皺發(fā)育，巖體較破碎-較完整。

(2)灰?guī)r夾千枚巖(D2dLs+Ph)、灰?guī)r((D2dLs)：灰?guī)r呈淺灰色-深灰色，泥質(zhì)、鈣質(zhì)細(xì)晶結(jié)構(gòu)，薄-中厚層狀構(gòu)造，局部節(jié)理、裂隙面可見微弱溶蝕現(xiàn)象，千枚巖呈灰色、灰綠色，鱗片變晶結(jié)構(gòu)，千枚狀構(gòu)造，具絲絹光澤，節(jié)理、裂隙較發(fā)育-發(fā)育，巖體較破碎-較完整。

2.2.4 志留系下統(tǒng)(S1)

隧道區(qū)志留系下統(tǒng)出露梅子埡組(S1m)，分千枚巖、含泥炭質(zhì)片巖夾石英云母片巖、云母石英片巖等3個巖性段。千枚巖(S1mPh)為一套灰色粉砂質(zhì)絹云母千枚巖，層間偶含石英脈透鏡體及硅質(zhì)板巖，與志留系中統(tǒng)公館組呈斷層接觸，產(chǎn)狀變化較大，褶皺發(fā)育；含泥炭質(zhì)石英片巖夾云母片巖(S1mcSc+mSc)，主要由石英、炭質(zhì)、絹云母組成，層間夾少量薄層狀灰?guī)r，巖體破碎，斷裂構(gòu)造、層間揉皺發(fā)育；分布于隧道出口端的云母石英片巖(S1mSc)為一套云母、綠泥石石英片巖層，含石英云母片巖，層間夾少量泥炭質(zhì)石英(片)巖，礦物成分主要由石英、絹云母、綠泥石及少量炭質(zhì)組成，巖體較破碎-較完整，層間擠壓破碎帶較發(fā)育。

順斷裂帶或斷層破碎帶發(fā)育巖性為：壓碎巖、擠壓千枚巖、擠壓片巖、斷層角礫、斷層泥礫，原巖為硬質(zhì)石英片巖、灰?guī)r，千枚巖，云母片巖等。隧道段還有巖脈及巖株狀分布，巖性為長英巖，灰白色，成分以石英、長石為主，含少量暗色礦物，細(xì)-中礫結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。

3 探地雷達(dá)和鉆探測試

該隧道自運營以來，部分地段整體道床頂面局部滲水，部分地段整體道床底與墊層混凝土結(jié)合部冒水、翻漿，且病害呈不斷發(fā)展趨勢。對此，整體道床病害地段采用現(xiàn)狀調(diào)繪、地質(zhì)雷達(dá)測試普查、重點地段鉆芯驗證的綜合手段。

3.1 現(xiàn)狀調(diào)繪

隧道側(cè)溝溝幫混凝土部分開裂，側(cè)溝部分橫向盲管堵塞、局部破損或滲漏水，水從縫隙中滲出，通過混凝土膠結(jié)面流向整體道床底部形成積水，積水從混凝土質(zhì)量缺陷處滲入混凝土墊層與填充層，在列車動載的反復(fù)作用下，水帶著破損的混凝土細(xì)骨料從整體道床底部與混凝土墊層結(jié)合部縫隙中冒出，隨著時間累積使墊層混凝土與填充層混凝土局部產(chǎn)生空隙，由于水的存在，在列車震動載荷的作用下出現(xiàn)抽吸，進(jìn)而出現(xiàn)結(jié)合部翻漿冒水現(xiàn)象。

3.2 探地雷達(dá)

在隧道病害范圍內(nèi)的線路下行左側(cè)側(cè)溝、下行道心、下行右側(cè)軌枕頭、下行右側(cè)側(cè)溝、上行左側(cè)側(cè)溝、上行左側(cè)軌枕頭、上行道心、上行右側(cè)側(cè)溝位置，沿線路方向從左到右依次布設(shè)測線1～測線8共8條測線(面向大里程方向區(qū)分左右)，具體探地雷達(dá)測試測線布置見圖1。探測深度約0～2.0 m。測試儀器采用美國地球物理公司的SIR-3000 探地雷達(dá)及配套400 MHz天線進(jìn)行測試，對發(fā)現(xiàn)異常部位進(jìn)行加密測試，對明顯異常部位進(jìn)行重點測試。

雷達(dá)測試結(jié)果表明：整體道床下墊層與填充層混凝土內(nèi)部含水、膠結(jié)面存在間隙、多處存在嚴(yán)重不密實區(qū)，仰拱與基巖結(jié)合部存在不密實區(qū)。

3.3 鉆探

選用SG-220 小型鋼筋混凝土鉆孔機(jī)，樣芯直徑選取φ83 mm。根據(jù)現(xiàn)場情況，本次探測在病害嚴(yán)重地段共鉆孔4 個，鉆孔標(biāo)高以側(cè)溝頂面為±0.00 m。鉆探時測得實際混凝土厚度為1.50～1.55 m。

鉆芯取樣結(jié)果表明：側(cè)溝鉆芯取樣位置混凝土厚度150～155 cm，芯樣基本完整，鉆孔位置基床混凝土膠結(jié)面存在縫隙、夾少量泥沙，仰拱與基巖膠結(jié)不良，部分地段基巖破碎(千枚巖)。

4 測試結(jié)果與產(chǎn)生病害的原因

4.1 測試結(jié)果分析

通過對隧道病害區(qū)段的地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造和水文資料的基礎(chǔ)上，經(jīng)探地雷達(dá)測試及現(xiàn)場鉆探，通過調(diào)閱資料和室內(nèi)分析整理，大嶺鋪至安康東直通線杜家山隧道病害地段測試結(jié)果分析如下(圖1)。

圖1 測線布置

(1)病害區(qū)段的地層巖性為受構(gòu)造應(yīng)力作用的擠壓千枚巖地層，巖體較破碎。

(2)現(xiàn)場小型鉆探時實際量測得到混凝土厚度為1.50～1.55 m，基床混凝土狀態(tài)基本完好。

(3)測試地段測線1、測線8未見明顯規(guī)則布筋，個別處所見零散鋼筋；測線2、測線3、測線6、測線7見規(guī)則布筋，鋼筋保護(hù)層厚度5～12 cm；測線4 中K13+726～768、K14+276～300 段未見明顯規(guī)則布筋，個別處所見零散鋼筋，其余地段見規(guī)則布筋，鋼筋位于側(cè)溝下25～35 cm 位置；測線5見規(guī)則布筋，鋼筋位于側(cè)溝下25～35 cm位置。

(4)測試地段未發(fā)現(xiàn)明顯地下洞穴。部分地段混凝土內(nèi)部存在裂隙、離析、嚴(yán)重不密實及不密實區(qū)域；部分地段整體道床與墊層混凝土膠結(jié)面存在間隙，含水；部分地段仰拱與基巖結(jié)合部之間存在破碎帶、不密實區(qū)域。

4.2 產(chǎn)生病害的原因

基于物探和鉆探揭示的資料，分析產(chǎn)生病害的原因有以下幾種可能。

(1)半圓水溝底部與找平層底部為同一高程，此段施工水溝及電纜槽時，因前方掌子面仍在施工，水溝及電纜槽底部可能未清理干凈，水溝里的水與找平層底部結(jié)構(gòu)面存在滲水貫通現(xiàn)象。

(2)找平層、整體道床施工時，底部未清理干凈，底部可能存在積水，找平層與原填充層可能存在裂隙、不密貼情況。

(3)找平層縱向每約150 m留一橫向施工縫，在找平層與原填充層可能存在裂隙、不密貼情況下，在荷載作用下，找平層有可能出現(xiàn)裂縫。

(4)半圓槽及排水溝堵塞致使道床底部積水，水通過找平層與體道床間裂隙滲入道床底部，部分地段水已從半圓形排水槽溢出至道床底部，在列車荷載反復(fù)作用下，水通過道床施工縫滲到道床頂面。

綜上，水溝里的水通過水溝及電纜槽底部滲向找平層底部，因找平層底部可能出現(xiàn)的裂縫，在列車荷載反復(fù)作用下，找平層底部水與污泥及砂子被帶上找平層與整體道床結(jié)構(gòu)面，最終向道床兩側(cè)擠壓。

5 治理方案研究

對整體道床底部與混凝土墊層結(jié)合部出現(xiàn)冒水翻漿地段，擬采用加固型TGRM水泥基特種灌漿料，對整體道床下混凝土不密實區(qū)域、膠結(jié)面間隙等病害進(jìn)行注漿加固(圖2)。

圖2 注漿加固方案(單位:mm)

先疏通上下行側(cè)溝橫向排水盲管，再對兩側(cè)側(cè)溝滲漏水地段檢查橫向盲管接頭質(zhì)量情況，對接頭滲漏水處進(jìn)行修補(bǔ)處理。

根據(jù)現(xiàn)場情況，針對本設(shè)計方案需要注意的施工事項有，所有施工項目必須在施工天窗點內(nèi)進(jìn)行，注漿鉆孔前必須對既有光電纜設(shè)備做好有效防護(hù)措施。鉆孔直徑應(yīng)控制在φ50 mm以內(nèi)，應(yīng)注意避開整體道床下橫向排水管和整體道床鋼筋網(wǎng)。

注漿時先注兩側(cè)溝孔，再注整體道床注漿孔。注漿孔位可根據(jù)現(xiàn)場加以調(diào)整，但孔中心位置誤差不宜過大，鉆孔深度可根據(jù)現(xiàn)場鉆孔芯樣狀況適當(dāng)調(diào)整，但不得小于設(shè)計深度。

注漿采用加固型TGRM水泥基灌漿料，水灰比控制在0.45～0.55之間，注漿壓力0.2～0.6 MPa，施工時控制好注漿壓力，線路抬高控制在2 mm以內(nèi)。注漿時注意觀察漿液的串孔和裂縫的跑漿情況，注意封堵，如遇到吃漿量過大時，可暫停注漿，重新設(shè)孔隔天再注。