高鐵隧道水壓致災(zāi)型軌道隆起模型試驗與處置對策

李林毅，陽軍生，王樹英，吳劍，王子建，相懋龍

(1. 中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長沙，410075；2. 中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，四川成都，611731)

鐵路隧道運營情況表明，隧底結(jié)構(gòu)易受外部因素影響，使得隆起變形、結(jié)構(gòu)失穩(wěn)等問題常有發(fā)生[1-2]。隧底隆起變形一旦出現(xiàn)，將導(dǎo)致其上覆軌道形位失格，致使線路限速甚至停運，造成社會不良影響[3-4]。尤其對于高鐵隧道，由于運營時速快、對軌道形位控制要求高[5-6]，此類病害更易發(fā)生且更具危害性[7-8]。隧道底部隆起原因多樣，根據(jù)主導(dǎo)因素可劃分為軟巖蠕變型、地層高水壓型、圍巖膨脹型、層狀圍巖擠壓型、地層錯動型(地震、滑坡)等[9]。其中，地層高水壓型隆起變形因其涉及因素多，演變規(guī)律復(fù)雜且難預(yù)測，許多研究者通過實例調(diào)研、數(shù)值仿真、模型試驗等方法對此類病害的原因及治理進(jìn)行了研究，如：代鴻明[4]通過歸納西南山區(qū)的數(shù)個案例，分析了仰拱隆起及襯砌開裂原因，并提出了相應(yīng)的防治方法；何昌國等[10]總結(jié)了貴廣鐵路數(shù)個隧道病害特征，從地形地質(zhì)條件、排水堵塞等方面探討了病害原因，并對整治措施進(jìn)行了歸納；李鐵鐘[11]依托某高鐵隧道隆起案例，探討了病害原因及整治措施，并基于數(shù)值軟件模擬了現(xiàn)場病害位移特征；李洪濤[12]基于數(shù)值仿真方法與模型試驗方法，探究了不同排水模式下高鐵隧道底部隆起變形特征與結(jié)構(gòu)受力特征。上述研究成果經(jīng)實踐驗證，為同類病害案例治理提供了較好指導(dǎo)。然而，值得注意的是，一方面，現(xiàn)有研究多基于少量案例的原因分析與處置總結(jié)，而未對此類病害的系統(tǒng)特征進(jìn)行統(tǒng)計歸納；另一方面，受現(xiàn)有分析手段所限，當(dāng)前研究難以考慮隧道內(nèi)部精細(xì)化構(gòu)件(如軌道結(jié)構(gòu)等)與排水系統(tǒng)導(dǎo)流特征，致使隧道外水壓力分布特征及高水壓下軌道隆起(稱“軌隆”)演變規(guī)律仍不明確?；诖耍疚膶σ虻貙痈咚畨阂l(fā)的高鐵隧道軌隆案例進(jìn)行統(tǒng)計分析，并結(jié)合典型案例，采用3D 打印技術(shù)構(gòu)建其精細(xì)化高鐵隧道模型，開展軌隆病害可視化模擬試驗，以獲取隧道滲流場與位移場規(guī)律特征。同時，對此類病害的處置方法進(jìn)行系統(tǒng)歸納，并介紹其工程應(yīng)用效果，以期為富水地區(qū)高鐵隧道運營與整治設(shè)計提供借鑒與參考。

1 水壓致災(zāi)型軌隆案例分析

經(jīng)調(diào)研，近年來在運營鐵路隧道中因地層高水壓導(dǎo)致的軌隆案例統(tǒng)計結(jié)果如表1[4,10-11,13-17]所示。需要說明的是，考慮致災(zāi)模式的差異性，對于結(jié)構(gòu)存在明顯缺陷(如厚度不夠)而導(dǎo)致軌隆問題發(fā)生的部分案例未納入統(tǒng)計。根據(jù)表1 中相關(guān)信息，從隆起位移、病害特征、降雨強(qiáng)度、地質(zhì)因素4 個方面繪制對應(yīng)統(tǒng)計圖，見圖1。其中，圖中百分?jǐn)?shù)為該類案例數(shù)相對于總案例數(shù)的占比。

由圖1和表1可知：

表1 運營鐵路隧道軌隆案例統(tǒng)計Table 1 Statistics of track uplift in operating railway tunnels

1)軌隆位移處于[20，30)mm區(qū)間最多，案例占比達(dá)37.5%，[10，20)mm區(qū)間與≥30 mm區(qū)間案例占比次之，而[0，10)mm 區(qū)間案例占比最少?？梢?，雖然地層高水壓型軌隆位移并不大，主要集中于30 mm 以內(nèi)，但該位移無法匹配高鐵軌道的毫米級運營需求，最終導(dǎo)致病害發(fā)生，進(jìn)而嚴(yán)重干擾線路行車。

2)軌隆病害往往伴隨著其他病害，而排水管堵塞、填充層開裂、軌道板脫離是較常見的并發(fā)病害(見圖1(b))。其中，在統(tǒng)計案例中，有6 個隧道(占比75.0%)的排水系統(tǒng)出現(xiàn)了失效情況，有5個隧道(占比62.5%)的隧道存在填充層開裂，還有少數(shù)隧道(占比25.0%)出現(xiàn)了軌道板脫離。

3)地表強(qiáng)降雨是軌隆病害的主要誘因。本文統(tǒng)計的全部軌隆案例中，在病害發(fā)生前，隧址區(qū)均出現(xiàn)了一定強(qiáng)度的地表降雨，且季節(jié)雨量存在差異，病害均集中于雨季(4—10月份)出現(xiàn)。同時，據(jù)雨量統(tǒng)計結(jié)果和等級劃分標(biāo)準(zhǔn)[18]，致災(zāi)降雨強(qiáng)度多在暴雨等級(24 h 雨量大于100 mm)以上，且不乏雨量突破歷史極值的相關(guān)案例(如廣西胡山隧道、貴州省麻拉寨隧道)。

4)隧道與地表之間的水力聯(lián)系是軌隆病害的主要原因之一。在文中統(tǒng)計案例中(圖1(d))，有較大比例(占比62.5%)的隧道處于灰?guī)r地層中或巖溶發(fā)育，地層中存在的溶洞、巖溶管道可為地下水提供豎向徑流通道，進(jìn)而引發(fā)雨后地下水壓突增。此外，還有部分隧道位于斷層破碎帶或節(jié)理裂隙發(fā)育區(qū)，破碎化巖體具有良好豎向滲透性，也會導(dǎo)致地表降雨與隧道之間存在較強(qiáng)的水力聯(lián)系。

從上述統(tǒng)計可知：此類病害主要發(fā)生于雨季地表強(qiáng)降雨之后，由于大量雨水通過地層巖體裂隙下滲或豎向通道徑流，引發(fā)地下水位迅速上升，并在隧道堵管問題的共同作用下，地層水壓力進(jìn)一步增大，導(dǎo)致軌隆病害出現(xiàn)；同時，隨著軌隆位移增大，現(xiàn)場結(jié)構(gòu)還伴隨著填充層開裂、軌道板脫離等相關(guān)病害。

2 典型案例模型試驗

2.1 背景案例病害簡述

麻拉寨隧道位于貴州省麻江縣，為高鐵雙線隧道，全長2 640 m。2015-06-17(運營后)，隧址區(qū)突降大雨，10 h 雨量達(dá)165 mm，仰拱與填充層出現(xiàn)隆起，導(dǎo)致軌道形位失格，途徑列車晃車現(xiàn)象明顯。經(jīng)軌道檢測，軌隆病害段長約100 m，最大軌隆位移達(dá)28 mm，線路運營限速至80 km/h。同時，現(xiàn)場還發(fā)現(xiàn)該隧道病害段存在較嚴(yán)重的排水系統(tǒng)堵塞問題。地勘資料顯示該病害段處于V級圍巖段，位于渚拉窩當(dāng)斷層帶核部，巖質(zhì)以強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r為主，巖體破碎，節(jié)理發(fā)育。

2.2 試驗相似原理

本試驗?zāi)M的主要內(nèi)容是實現(xiàn)地層高水壓作用下軌隆病害可視化過程，此過程具體涉及圍巖滲流、隧道排水與結(jié)構(gòu)形變等方面，因此，地層材料、隧道排水系統(tǒng)與支護(hù)結(jié)構(gòu)材料均應(yīng)滿足特定相似比例?；谙嗨频诙ɡ?，本試驗結(jié)合可行性、經(jīng)濟(jì)性等因素，確定幾何相似比CL、容重相似比Cγ、滲透系數(shù)相似比Ck為基礎(chǔ)相似比，并通過量綱分析法獲得試驗相關(guān)參數(shù)相似比，具體量值見表2。

表2 試驗參數(shù)相似關(guān)系Table 2 Similar relationship of parameter in model test

2.3 相似材料及隧道模型制作

2.3.1 地層相似材料

本試驗對地層材料的相似性控制以滲透系數(shù)為核心指標(biāo)，并盡可能滿足其他材料參數(shù)的相似性。經(jīng)滲透性測試，選取細(xì)砂(滲透系數(shù)測試均值1.05×10-3cm/s)作為地層相似材料，且確保與現(xiàn)場圍巖滲透系數(shù)(地勘值為1.0×10-3cm/s)一致。

2.3.2 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)材料選取

對于初支結(jié)構(gòu)，參考同類試驗?zāi)M方法[19]，選用土工布進(jìn)行模擬，不考慮其支護(hù)性能，模擬其減滲、透水、阻砂三方面的功能。土工布具體厚度為5.9 mm，層數(shù)為8 層。對于二襯及底部結(jié)構(gòu)，本試驗參考既有研究[20]，以彈性模量相似為原則選取適宜3D打印材料，并根據(jù)彈性模量相似比(CE=1∶40)，選取尼龍11 作為結(jié)構(gòu)模型的打印材料(彈性模量為1.06 GPa，原型C35 鋼筋混凝土等效彈性模量為34.1 GPa)。對于隧道排水系統(tǒng)，在試驗過程中僅需發(fā)揮其排泄水功能，而無須遵循彈模相似性。因此，對比常用打印材料的經(jīng)濟(jì)性、極限強(qiáng)度等因素，最終選擇光敏樹脂作為排水系統(tǒng)的打印材料。

2.3.3 隧道模型3D打印

考慮打印機(jī)成型尺寸(長×寬×高為40 cm×40 cm×45 cm)限制，本次試驗所制作隧道模型的原型縱向長度定為14 m，即經(jīng)縮尺后模型長×寬×高為35.0 cm×37.4 cm×31.6 cm。隧道現(xiàn)場結(jié)構(gòu)與排水系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)如圖2 所示。首先建立隧道結(jié)構(gòu)3D模型、排水系統(tǒng)3D模型，然后，采用尼龍11打印隧道結(jié)構(gòu)模型，并采用光敏樹脂打印排水系統(tǒng)模型。經(jīng)模型組裝，最終獲得包含排水系統(tǒng)與隧底結(jié)構(gòu)的高鐵隧道精細(xì)化模型。

2.4 試驗工況與流程

2.4.1 試驗系統(tǒng)與工況設(shè)置

本試驗自行設(shè)計隧道滲流試驗系統(tǒng)，見圖3。該系統(tǒng)具體包括模型試驗箱、滲流控制系統(tǒng)、測試系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，模型試驗箱長×寬×高為2.40 m×1.90 m×0.35 m。滲流控制系統(tǒng)用于控制地層滲流場，由進(jìn)水管、輸水管、頂部水箱、控制閥門等構(gòu)成。測試系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要用于測試試驗數(shù)據(jù)，并予以集中記錄、存儲。

本試驗主要探究雨后地下水位變動與排水管網(wǎng)堵塞這2個主導(dǎo)因素的影響，在隧道埋深為65 m(原型高度)時，以10 m為梯度設(shè)置7組地下水位工況(0～60 m)，同時，在每組地下水位下還考慮排水通暢與排水不通暢共2 種情況，共計14 組試驗工況。需要說明的是，地下水位的0 m基礎(chǔ)面以隧道中心水平面為基準(zhǔn)。此外，本試驗中通過在橫向排水管設(shè)置堵塞頭使排水管堵塞，如圖4所示。

2.4.2 測試內(nèi)容及布設(shè)

根據(jù)測試內(nèi)容，需測試的參數(shù)包括結(jié)構(gòu)外水壓力、典型部位結(jié)構(gòu)位移、隧道排水量。選取1個測試斷面(見圖5(a))獲得上述參數(shù)：1)將孔壓傳感器布置于隧道外表面的8 個典型位置(圖5(c))獲得結(jié)構(gòu)外水壓力；2)將千分計布置于隧道內(nèi)的3個典型部位(圖5(d))，以獲得隧底、內(nèi)軌、外軌的位移發(fā)展規(guī)律；3)通過量杯收集側(cè)溝、中心溝在單位時間段內(nèi)的排水量(圖5(d))，累加即得到總排水量。

2.4.3 試驗流程

根據(jù)試驗內(nèi)容及工況設(shè)置，試驗步驟如下。

1)安裝隧道模型并組裝排水系統(tǒng)，布置測試元件，將土工布包裹在隧道結(jié)構(gòu)外部并保證其密貼。

2)逐層填入并壓實地層材料，填至所需高度后，使用玻璃膠封間隙以保證其密封性；布置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，檢驗元件運行狀態(tài)，并記錄初值。

3)通過調(diào)控滲流控制系統(tǒng)，提升水位至初始試驗水位(0 m)。試驗時，待滲流穩(wěn)定后依次測試排水量、外水壓力、結(jié)構(gòu)位移等。據(jù)試驗工況，提升地下水位并穩(wěn)定至下一水位，再測試該水位，直至全部水位測試完畢。

4)若考慮堵管，則重復(fù)步驟3)中水位逐步提升過程，并在各地下水位工況下，將堵塞頭依次塞入左右邊溝共計6 處的排水口，待滲流穩(wěn)定后，再對步驟3)中相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測試與采集。

2.5 試驗結(jié)果分析與探討

為便于分析，本文試驗結(jié)果均已轉(zhuǎn)為原型尺度下的數(shù)值。根據(jù)試驗工況，當(dāng)?shù)貙铀粡? m升至60 m 時，典型水頭下隧道排水口出流情況如圖6(a)所示。從圖6(a)可知：地下水經(jīng)側(cè)溝與中心溝聯(lián)合排導(dǎo)后排出隧道，且隨水位升高，水流流量明顯增大。本試驗中排水系統(tǒng)工作狀態(tài)良好，流水順暢，故認(rèn)為本文建立的精細(xì)化高鐵隧道模型能夠滿足模型試驗中對于隧道排水設(shè)施的模擬需求。

經(jīng)統(tǒng)計，0～60 m 水頭下隧道排水量增長曲線如圖6(b)所示。從圖6(b)可知：隨水位增大，未堵管隧道每延米排水量從2.97 m3/d 增至26.04 m3/d，而全堵隧道排水量基本為0 m3/d；此外，未堵管隧道的排水量增長存在一定階段性，即水位為0～30 m 時隧道排水量基本呈線性增大，而30 m 后呈放緩型增大。

圖6(c)所示為水位升高后不同部位結(jié)構(gòu)水壓力的變化曲線，其中“隧底”對應(yīng)測點WP-4，WP-5和WP-6，“邊墻”對應(yīng)測點WP-3和WP-7，“拱部”對應(yīng)測點WP-1，WP-2和WP-8。圖6(d)所示為30～60 m水位下未堵管隧道的外水壓力分布情況。由圖6(d)可知：1)對于全排隧道，隨水位升高各部位水壓均出現(xiàn)了先慢速后快速增大，其中，隧底水壓增幅最大，拱部增幅次之，邊墻增幅最小，這應(yīng)與排水系統(tǒng)的降壓特點有關(guān)；2)對于堵管隧道，各部位水壓基本呈由位勢水頭控制的線性增長態(tài)勢，當(dāng)部位水下埋深不同時，呈現(xiàn)“隧底水壓最大、邊墻水壓次之、拱部水壓最小”的水壓力分布；3)無論堵管與否或在任意水位下，隧底外水壓力在隧道全環(huán)中最高，故可認(rèn)為現(xiàn)有排水系統(tǒng)中難以消除的隧底高水壓風(fēng)險應(yīng)是軌隆病害的直接原因。

圖6(e)所示為隨水位升高隧底結(jié)構(gòu)隆起位移的變化曲線。其中，DT-1為隧底測點，DT-2為內(nèi)軌測點，DT-3為外軌測點。從圖6(e)可知：1)底部結(jié)構(gòu)隆起位移呈階段性增大，在0～20 m水位結(jié)構(gòu)隆起位移較小，而20 m后隆起位移逐步增大，同時呈“隧底隆起位移最大、內(nèi)軌隆起位移次之、外軌隆起位移最小”的分布形式；2)在全排隧道至50 m 水位、堵管隧道至40 m 水位時，內(nèi)軌隆起位移分別為27.13 mm 和26.98 mm，均與現(xiàn)場位移較吻合，可認(rèn)為隧道排水通暢且地下水位達(dá)到50 m 或排水堵塞且地下水位達(dá)到40 m 時，現(xiàn)場可能出現(xiàn)背景案例軌隆病害；3)即使排水通暢，在工程常有的地下水位下軌隆病害仍會出現(xiàn)，該情況表明現(xiàn)有排水系統(tǒng)無法消除隧底高水壓，難以有效防控軌隆病害的發(fā)生。

總體來看，現(xiàn)有排水體系對于隧底水壓力控制不佳是病害頻發(fā)的根本原因，而隧道排水管網(wǎng)堵塞引發(fā)的隧底水壓力增大會進(jìn)一步加重病害程度。

3 運營隧道軌隆病害處置對策

3.1 整治原則與治理措施

3.1.1 處置階段劃分

結(jié)合試驗結(jié)果，應(yīng)采取相關(guān)整治措施控制隧底水壓力。考慮軌隆病害的突發(fā)性與難根治特點，病害處置通常需分為緊急性處理階段與永久性處理階段。這2個階段均以控制或消除隧道高水壓力為目標(biāo)，但在整治時間、處置手段等方面有所不同。緊急性處置通常針對病害出現(xiàn)而需快速恢復(fù)線路限速通行的整治階段，其階段性目標(biāo)更側(cè)重于抑制病害加重、快速恢復(fù)行車，且處置對象多為洞內(nèi)工程。永久性處置通常針對恢復(fù)線路限速通行后的整治階段，其階段性目標(biāo)更側(cè)重于如何確保類似水害不再復(fù)發(fā)，而處置手段多元化，處置對象為洞內(nèi)外工程。

3.1.2 處置流程

病害處置流程如圖7所示。

從圖7可見，軌隆病害整治流程包括緊急性處置與永久性處置。緊急性處置流程為：當(dāng)軌隆病害出現(xiàn)后首先需通過軌檢、表觀檢查等方式確定病害段落，再針對病害段進(jìn)行隧道泄壓及結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)處理，并經(jīng)位移監(jiān)測與軌檢測試確認(rèn)恢復(fù)線路限速運營的可行性。為預(yù)防類似水害再次發(fā)生，永久性處置流程包括以下4個方面。

1)隧底穩(wěn)固。通過長錨桿連接底部結(jié)構(gòu)與深部圍巖，以限制底部位移隆起變形，同時采用隧底注漿加強(qiáng)底部圍巖參數(shù)，降低巖體滲透性以及隧底高水壓的風(fēng)險。

2)永久性降壓措施。保留緊急處置階段的部分泄壓措施以永久泄壓，同時視病害嚴(yán)重程度可新建泄水洞、運用井點降水法以控制地層水頭。

3)地表處理。匯聚于地表進(jìn)而下滲至地層的雨水是病害的源頭，故應(yīng)改變地表水匯聚及入滲條件，地表封堵防滲、地表匯水引流處理均是可行措施。

4)定期巡檢。通過結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測、軌檢，可判定在同等甚至更高等級的暴雨下處置后隧底結(jié)構(gòu)是否穩(wěn)定性良好，經(jīng)多次暴雨、多個季度檢驗后，可確認(rèn)線路是否具備恢復(fù)常速運營的條件。試驗結(jié)果顯示，運營期堵管問題會加劇軌隆病害程度，因此，應(yīng)高度重視病害段排水暢通。

3.2 處置實例——貴州省麻拉寨隧道

3.2.1 整治方案及實施流程

麻拉寨隧道病害發(fā)生后，現(xiàn)場人員通過軌檢緊急確定病害段范圍，在病害段邊墻、隧底部位布置了一系列泄水孔(見圖8(b))，迅速降低隧底高水壓力，并對開裂部位進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。在線路停運7 d后，緊急處置完成，位移監(jiān)測顯示已無隆起跡象，線路恢復(fù)至80 km/h限速運營。根據(jù)現(xiàn)場地表調(diào)查(圖8(a))，隧道病害段上覆巖溶洼地，地表分布多處落水洞且仍存有大量積水?；诖?，整治人員以“堵源頭、截路徑、疏隧身”為治水原則，提出了“隧底注漿錨固+洞內(nèi)泄壓孔+新建泄水洞+地表處理”的永久性處置措施。限速運營4 d后，地表封堵與地表引流工程(圖8(b)和圖8(c))全部完成；8 d 后，隧底注漿錨固工程(圖8(d))全部完成；2 a后(2017年11月)，新建泄水洞工程(圖8(e))全部完成。

3.2.2 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性評價

經(jīng)永久性處置工程完成后，對結(jié)構(gòu)位移進(jìn)行了近1 a監(jiān)測，其中最大位移斷面監(jiān)測結(jié)果(正值表示隆起、負(fù)值表示沉降)如圖9 所示。由圖9 可知：1)在2018年雨季期間，尤其是6月份下旬經(jīng)歷的歷史級特大暴雨后(24 h雨量超250 mm，突破歷史極值)，雖然隧底結(jié)構(gòu)普遍輕微上抬，但受整治工程降壓作用影響，抬升量很小，處于合理范圍；2)多季節(jié)、多次暴雨的位移監(jiān)測結(jié)果顯示，歷雨后結(jié)構(gòu)隆起位移不大，即使降雨強(qiáng)度突破歷史極值，最大隆起位移僅為0.76 mm，表明經(jīng)處置后麻拉寨隧道雨后軌隆不再出現(xiàn)，證明了整治工程的有效性?；诖吮O(jiān)測結(jié)果，經(jīng)軌道形位調(diào)整且復(fù)檢合格后，隧道已恢復(fù)常速運營。

4 結(jié)論

1)在病害演變過程中，雨季地表強(qiáng)降雨是關(guān)鍵誘因，地表與隧道間的緊密水力聯(lián)系是主要病因，而軌隆位移及可能伴有的結(jié)構(gòu)開裂、軌道板脫離是病害的主要特征形式。此外，對運營期常發(fā)生排水管堵塞產(chǎn)生的不利影響需引起高度重視。

2)現(xiàn)有排水系統(tǒng)難以消除的隧底高水壓力是軌隆病害的根本原因，即使排水暢通，在地下水位為50 m 時現(xiàn)場病害仍會出現(xiàn)；若排水管堵塞，則其引發(fā)水壓力增大，使得軌隆位移進(jìn)一步增大，病害程度加重，至地下水位40 m時，病害出現(xiàn)。

3)提出了軌隆病害緊急性處置與永久性處置的整治流程與處置方針，并針對典型病害案例，提出了相應(yīng)處置措施。經(jīng)整治施工后，即使隧址區(qū)歷經(jīng)歷史級特大暴雨，隧道結(jié)構(gòu)仍能保證穩(wěn)定，基本不受地表降雨影響，證明處置對策是有效的，可為同類軌隆案例提供重要參考。