重載無砟軌道鐵路隧道基底加固技術(shù)研究

李 力

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司城市軌道交通設(shè)計研究院,北京 100055)

重載無砟軌道鐵路隧道基底加固技術(shù)研究

李 力

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司城市軌道交通設(shè)計研究院,北京 100055)

以國內(nèi)第一條30t軸重的重載萬噸煤運通道——山西中南部鐵路通道工程為依托,在分析既有重載鐵路隧道基底病害產(chǎn)生機(jī)理的基礎(chǔ)上,結(jié)合本工程的工程地質(zhì)特征,制定了隧道基底處理的原則,提出土質(zhì)地層和石質(zhì)地層的加固方案、工藝控制及效果檢測標(biāo)準(zhǔn),為重載鐵路的運營,尤其是無砟軌道線路提供穩(wěn)固的運行基礎(chǔ),減少隧道基底病害的發(fā)生。

重載鐵路；無砟軌道；隧道基底；加固

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展以及能源戰(zhàn)略的部署，對鐵路貨運提出了更高的要求[1]，在建的山西中南部鐵路通道由當(dāng)初的軸重22 t提高至30 t，體現(xiàn)了對未來鐵路貨運大能力需求的不斷攀升，以及即將建設(shè)的蒙西至華中鐵路通道工程，都將成為重載鐵路運輸?shù)拇硇怨こ?，大軸重重載運輸技術(shù)必將成為鐵路貨運發(fā)展的一個主要方向。國內(nèi)外在重載技術(shù)研究方面，主要集中在對軌道、路基及橋梁結(jié)構(gòu)上，對隧道結(jié)構(gòu)的研究較少[2，3]。以山西中南部重載鐵路工程為依托，對隧道基底進(jìn)行系統(tǒng)、深入的研究，提出隧底加固處理原則及方案。

在建的山西中南部鐵路通道，由22 t軸重變?yōu)?0 t后，隧道主體工程已基本施工完成，為了保證重載無砟軌道線路基礎(chǔ)的穩(wěn)定，故對已施工隧道基底進(jìn)行加固研究。

1 工程概況

山西中南部鐵路通道起點自山西省呂梁市興縣的瓦塘，經(jīng)臨縣、柳林、蒲縣，折向東經(jīng)洪洞、長治，跨京廣線后引入湯陰東站，利用湯臺線增建二線至臺前，跨京九線后折向南跨越黃河，經(jīng)梁山、萊蕪至日照南，線路全長約1 311 km，是我國修建的第一條30 t軸重的重載萬噸煤運大通道。全線隧道共196座，總長378 km，除南呂梁山隧道和太行山隧道為雙洞單線隧道外，其余均為單洞雙線隧道。目前項目正在建設(shè)，預(yù)計2014年開通運行[4]。

2 重載鐵路隧道基底病害分析

2.1 病害情況

根據(jù)對大秦線、朔黃線等既有重載鐵路隧道進(jìn)行調(diào)查，在列車反復(fù)荷載的作用下，受地下水以及當(dāng)時施工工藝、施工質(zhì)量的影響，部分隧道出現(xiàn)了鋪底開裂、損壞、翻漿、冒泥等病害。如大秦線的大團(tuán)尖隧道，在重車線一側(cè)底板出現(xiàn)了長1 m，寬0.16 m，深0.7 m的陷槽，鋪底裂損，在列車通過時伴有泥漿從裂隙中射出[5]。朔黃線的水泉灣隧道在里程K144+450～K144+480段出現(xiàn)了翻漿冒泥現(xiàn)象，線路局部出現(xiàn)下沉，沉降達(dá)到56 mm[6]。尤其在大秦線這樣的煤運通道，隧道內(nèi)煤灰污染嚴(yán)重，加劇了隧道病害的發(fā)展。

根據(jù)對既有鐵路病害的調(diào)研及歸納整理發(fā)現(xiàn)，諸多隧道病害以隧道底部發(fā)生率為最高[7]，這也是對無砟軌道結(jié)構(gòu)影響最大的病害類型。

2.2 病害原因分析

(1)列車的反復(fù)動力作用

作用于隧道基底及基巖上的動應(yīng)力值具有周期性，它和機(jī)車車輛的軸重、運行速度、軌道結(jié)構(gòu)形式等有關(guān)[8，9]。

(2)地下水侵蝕作用

根據(jù)對既有線隧道病害的調(diào)查，隧道基底翻漿冒泥病害多數(shù)情況下發(fā)生在處于富水地層或地下水位較高的地段，地下水對隧道基底病害的產(chǎn)生主要有兩方面的作用。一是地下水對隧道基底圍巖有侵蝕軟化作用，在列車荷載作用下，表層基巖逐漸磨損形成小顆?；蛑饾u漿化，這些微小顆粒被水帶走，從而加劇了隧道基底結(jié)構(gòu)局部的掏空狀態(tài)；另外在列車反復(fù)沖擊荷載作用下，對地下水產(chǎn)生反復(fù)抽吸作用，也會加速其破壞。特別是在大軸重、大運量下，在列車動載及水的共同作用下，若隧道基底軟弱，或者遇水軟化，基底結(jié)構(gòu)與基巖之間容易產(chǎn)生空洞，此時，隧道鋪底結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)有所改變，其所承受的彎矩和剪力將大增，并最終導(dǎo)致鋪底結(jié)構(gòu)的開裂破壞，從而產(chǎn)生基底翻漿冒泥等病害[8，9]。

與此同時，在重載條件下基底巖土的動力學(xué)效應(yīng)對隧道底部結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)影響顯著。軟弱圍巖(尤其是土質(zhì)圍巖)，在列車動載作用下，其物理力學(xué)性質(zhì)將發(fā)生變化，加之排水不暢，巖土的物理指標(biāo)和承載力將明顯降低，這是引起隧道基底結(jié)構(gòu)開裂、下沉以及翻漿冒泥的主要原因[8，9]。

3 重載鐵路隧道基底加固原則確定

3.1 施工揭示的地質(zhì)條件及存在的問題

(1)黃土隧道

隧道洞身穿越的主要地層為黏質(zhì)黃土，砂質(zhì)黃土，粉土。局部含水率高，部分段落含水率20%以上，局部可達(dá)25%，掌子面、各臺階底部及邊墻和仰拱底部受水浸泡，泥化非常嚴(yán)重。

土質(zhì)隧道圍巖強(qiáng)度低、變形大、自穩(wěn)能力差，且隨著粉質(zhì)黏土、粉土含水量增加，土受到水的侵蝕、軟化，圍巖自穩(wěn)能力越來越差，開挖后自穩(wěn)時間短，易出現(xiàn)掉塊、坍塌。局部含水量很高的段落，施工中為保證施工安全，在下臺階設(shè)積水井坑，并及時用水泵將水抽出，地下水在一定程度上降低了基底承載能力。

(2)含砂層隧道

洞身穿越地層為砂層夾圓礫石層，一般含水量較高，加之上下黏質(zhì)黃土、粉質(zhì)黏土、黏土易形成隔水層，黏性土的交界帶易形成軟塑帶或流塑帶，砂層、圓礫石層含水易形成上層滯水，工程地質(zhì)條件差。

局部粉、細(xì)砂潮濕，手捏成團(tuán)。砂粒微細(xì)純凈，黏粒含量少，自然條件下密實，但擾動后承載力急劇降低。在車輛荷載作用下，易產(chǎn)生液化現(xiàn)象，長期重載運營易產(chǎn)生板底脫空及軌道板斷裂。

(3)膨脹巖隧道

膨脹性圍巖以泥巖、膏溶角礫巖、鋁土質(zhì)頁巖、鶴壁組的砂礫巖為主。膨脹巖一般巖質(zhì)較軟，巖體完整性差，巖體受干濕影響崩解明顯，具弱～中膨脹性。在地下水作用下，膨脹巖迅速崩解軟化，部分呈泥狀。

隧道開挖后，膨脹巖在地下水的浸泡下，經(jīng)過多次水循環(huán)作用，發(fā)生膨脹內(nèi)鼓變形，變形較大處甚至侵限。拱頂局部泥巖因應(yīng)力大于屈服強(qiáng)度產(chǎn)生塑性變形，斷面內(nèi)縮，支護(hù)系統(tǒng)變形破壞。同時膨脹巖隧道基底在地下水作用的影響下，強(qiáng)度及承載力迅速降低，長期重載運營易產(chǎn)生病害。

(4)土石分界隧道

隧道洞身穿越土石分界地層，上臺階為粉質(zhì)黏土、黃土，多為硬塑，土質(zhì)較均勻，下臺階為強(qiáng)風(fēng)化～弱風(fēng)化的砂巖或泥巖，軟硬不均，穩(wěn)定性差。受土石分界面的影響，巖層界面均有較豐富的地下水，上部土體大多呈可塑狀態(tài)，下部巖層較破碎，受層間滯水影響，基底易軟化。

(5)砂泥巖互層隧道

砂巖泥巖互層，產(chǎn)狀平緩，巖體較完整～較破碎，局部存在裂隙帶，圍巖破碎，地下水較發(fā)育。局部層間夾有薄層狀泥巖、頁巖，層間及節(jié)理裂隙間結(jié)合差。其中砂巖地段，巖質(zhì)堅硬，受水影響軟化不明顯。泥巖地段，在地下水作用下，軟化明顯，涌水段落，泥巖多呈泥狀，在人工干擾地下水徑流作用下，加之受施工車輛反復(fù)碾壓，含水泥巖基底段落地質(zhì)條件有所惡化。

(6)球狀風(fēng)化隧道

花崗巖球狀風(fēng)化隧道，當(dāng)風(fēng)化球體暴露于洞室周邊及基底時，臨空面的球體風(fēng)化層易發(fā)生層裂開和鱗片狀剝落，并陸續(xù)從圍巖中脫離開來，在形成新的受力平衡體系的過程中，風(fēng)化球包裹物不足以支撐圍巖及其他荷載所施加的荷載，產(chǎn)生不均勻沉降。如遇地下水作用，條件更為惡化。

(7)硬質(zhì)巖隧道

硬質(zhì)巖隧道主要包括：弱風(fēng)化灰?guī)r、花崗巖、部分段落的砂巖隧道。硬質(zhì)巖在大多數(shù)段落，巖質(zhì)堅硬，基底狀況良好。

(8)灰?guī)r隧道

隧道穿過地層以強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r為主時，一般地段圍巖穩(wěn)定性好，基底承載力高。局部段落溶洞、溶腔發(fā)育，地下水富集。如這些現(xiàn)象存在于隧道基底時，易產(chǎn)生不均勻沉降和翻漿冒泥現(xiàn)象[10]。

3.2 處理原則的確定

根據(jù)隧道基底圍巖特點，綜合和分析重載條件下隧道基底病害機(jī)理及特征以及產(chǎn)生病害的地質(zhì)條件，確定如下處理原則。

(1)具有濕陷性的黃土段落。

(2)第三系(N2)粉質(zhì)黏土含水率高(近飽和狀態(tài)、軟塑帶)，施工過程中有泥化現(xiàn)象的段落。

(3)第三系(N2)粉細(xì)砂(含圓礫)含水率高(近飽和)或有滲水，在施工過程中受人工干擾產(chǎn)生松散，振動作用下易產(chǎn)生液化現(xiàn)象的段落。

(4)圍巖中存在膨脹巖，含水率較高或涌水量較大段落(太岳山低山區(qū)、太行山低山區(qū)與長治盆地交界地帶、臨汾區(qū)域凝灰?guī)r段落、河南鶴壁組砂礫巖段落)。

(5)構(gòu)造破碎帶，寬張裂隙涌水帶、溶蝕作用明顯且富水段落(斷層破碎帶、褶皺破碎帶，寬張裂隙(太行山隧道)發(fā)育的涌水段落)。

(6)土石分界線，且基底巖性受層間滯水影響軟化段落。

(7)硬質(zhì)巖的球狀風(fēng)化、全風(fēng)化松散層段落。

(8)具有軟弱夾層，滲水量較大或股狀涌水，軟弱層易軟化段落(太岳山低山區(qū)泥巖夾層、太行山地山區(qū)，魯中南構(gòu)造侵蝕低山丘陵區(qū)域頁巖泥灰?guī)r夾層，魯東構(gòu)造侵蝕丘陵頁巖泥灰?guī)r夾層)[10]。

4 重載鐵路隧道基底加固技術(shù)方案

4.1 土質(zhì)地層基底加固方案

對于土質(zhì)地層，采用劈裂注漿的機(jī)理，對仰拱下方一定范圍內(nèi)的土體進(jìn)行加固，注漿孔按梅花形布置，注漿孔與仰拱面垂直，環(huán)、縱向間距150 cm×150 cm。注漿孔采用風(fēng)鉆開孔，孔徑50 mm。注漿管采用φ42 mm，壁厚3.5 mm的焊管，鋼管長5 m，注漿管采用鋼花管，注漿管應(yīng)埋設(shè)牢固，并有良好的止?jié){措施。注漿完畢后，用干稠水泥漿將注漿孔填滿搗實。注漿漿液材料采用(0.6～0.8)∶1水泥漿液。注漿壓力0.5～1 MPa。注漿孔布置如圖1所示[10]。

4.2 石質(zhì)地層基底加固方案

對于富水軟弱不均、遇水變軟的石質(zhì)地層，采用滲透充填注漿的機(jī)理，能夠?qū)ρ龉跋路揭欢ǚ秶鷥?nèi)的巖體進(jìn)行加固，封堵水流通路。注漿孔按梅花形布置，注漿孔與仰拱面垂直，環(huán)、縱向間距200 cm×200 cm。注漿孔采用風(fēng)鉆開孔，孔徑50 mm。注漿管采用φ42 mm，壁厚3.5 mm的焊管，鋼管長3.5 m，注漿管采用鋼花管，注漿管應(yīng)埋設(shè)牢固，并有良好的止?jié){措施。注漿完畢后，用干稠水泥漿將注漿孔填滿搗實。注漿采用(0.6～0.8)∶1水泥漿液。注漿壓力0.5～1 MPa。注漿孔布置如圖2所示[10]。

5 施工工藝及質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)

(1)在注漿施工前，應(yīng)嚴(yán)格進(jìn)行資料審查，認(rèn)真進(jìn)行注漿施工前的技術(shù)交底，并嚴(yán)格進(jìn)行注漿關(guān)鍵工序過程控制及注漿材料檢驗[11]。

(2)加強(qiáng)施工人員的崗前培訓(xùn)，遇到復(fù)雜技術(shù)問題時，應(yīng)進(jìn)行專門研究提出解決方案[11]。

(3)施工前應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場注漿試驗，針對不同地層及襯砌類型，選取最優(yōu)的注漿參數(shù)[11]。

(4)采用先進(jìn)設(shè)備，并定期進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，確保設(shè)備機(jī)器工作狀態(tài)良好[10]。

(5)嚴(yán)格控制材料的采購、驗收和保管，凡購買的材料必須有出廠合格證明及質(zhì)量證明，必要時抽樣進(jìn)行嚴(yán)查，杜絕不合格產(chǎn)品的使用[11]。

(6)在注漿施工中，應(yīng)建立完善的技術(shù)管理體系，明確各崗位人員職責(zé)，制定詳細(xì)的技術(shù)實施方案[11]。

(7)在注漿施工中，應(yīng)嚴(yán)格按照國家頒布的有關(guān)規(guī)程、規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)真按照設(shè)計要求及經(jīng)批準(zhǔn)的技術(shù)工藝標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)方案執(zhí)行[11]。

(8)注漿采用先兩邊、后中間的施工順序，在同一排，為防止相臨施工孔之間竄漿，采用間隔施工法。對于注漿效果較差地段應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)充注漿[10]。

(9)注漿壓力一般控制在0.5～1 MPa，最大壓力1 MPa，施工時根據(jù)實際情況調(diào)整。注漿壓力達(dá)到0.5～1 MPa時，并持續(xù)30 min，單孔注漿量達(dá)到平均注漿量1.5～2.0倍以上，且注漿量明顯減少時應(yīng)結(jié)束注漿。

(10)注漿結(jié)束后，用干稠水泥漿或水泥砂漿進(jìn)行回填封孔，為了確保注漿孔封填密實，可采用壓力注漿封孔法或機(jī)械壓漿封孔法進(jìn)行回填封孔[11]。

6 注漿效果檢測

可采用鉆孔法和注水試驗兩種方法結(jié)合，對隧道基底注漿效果進(jìn)行檢測。

(1)鉆孔法

施工結(jié)束后，在注漿孔間布置2%～3%質(zhì)量自檢孔，且每個注漿段落不得少于2個孔，鉆孔取芯具體標(biāo)準(zhǔn)可參照《工程地質(zhì)鉆探標(biāo)準(zhǔn)》[12]，檢查孔巖芯見水泥結(jié)實體，基本填滿可注裂隙，水泥結(jié)實體單軸抗壓強(qiáng)度不小于0.3 MPa，視注漿施工合格。

(2)注水試驗

注漿施工前后，在注漿孔間布置質(zhì)量檢測鉆孔，孔數(shù)為注漿孔總數(shù)的2%，且每個注漿段落不得少于2個孔，壓水試驗具體方法可參照《水利水電工程鉆孔壓水試驗規(guī)程》[13]，測定的滲透系數(shù)小于注漿施工前的1/10，視注漿施工合格。

除以上兩種方法外，還可采用現(xiàn)場取芯觀察，查看漿脈的填充程度、土體與水泥體的結(jié)合程度，對注漿效果進(jìn)行綜合輔助評價。

7 配套綜合技術(shù)

除了對隧道基底以下圍巖進(jìn)行改良處理，消除病害源頭外，還應(yīng)從以下幾方面著手，降低病害的發(fā)生。

(1)隧道內(nèi)軌道采用彈性支撐塊式無砟軌道，采用與重載鐵路相適應(yīng)的扣件、軌枕及道床板，降低列車振動荷載對隧道結(jié)構(gòu)的影響。

(2)在隧道仰拱填充摻鋼纖維，或鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)片等措施，提高仰拱填充的抗裂性，避免列車荷載作用下，仰拱面受力不均導(dǎo)致的開裂。

(3)對Ⅳ～Ⅵ軟弱圍巖地段，襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)，對仰拱進(jìn)行配筋，提高仰拱結(jié)構(gòu)承載能力。

8 結(jié)論

(1)鑒于既有重載鐵路出現(xiàn)的基底翻漿冒泥、下沉等問題，當(dāng)軸重提高后，更易于出現(xiàn)病害，尤其是無砟軌道結(jié)構(gòu)開裂破損后難以養(yǎng)護(hù)修復(fù)，為保證重載鐵路線路運行能夠有穩(wěn)固的基礎(chǔ)，基底加固處理是必要的。

(2)根據(jù)圍巖地質(zhì)條件，結(jié)合地下水等因素，對工程地質(zhì)條件較差的土質(zhì)地層，土石分界地層，富水軟巖、軟弱不均地層的隧道仰拱下可采取注漿處理措施進(jìn)行加固。

(3)施工中應(yīng)控制好注漿參數(shù)，針對不同的地層，通過注漿試驗，選擇適宜的注漿工藝。

(4)除了采取隧底加固措施外，還應(yīng)選擇適宜重載的彈性支撐塊式無砟軌道類型，對隧道仰拱填充層摻入鋼纖維或鋼筋網(wǎng)片進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，對軟弱圍巖地段的仰拱結(jié)構(gòu)進(jìn)行配筋等措施，有助于降低病害的發(fā)生幾率。

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StudyonStrengtheningTechnologyUsedinTunnelFoundationBaseofBallasstless-trackHeavy-haulRailway

LI Li

(Urban Rail Transit Design and Research Institute, China Railway Engineering Consulting Group Co., Ltd., Beijing 100055, China)

This paper was based on the project of Middle and Southern Shanxi Railway, which is the first heavy-haul coal transport channel of ten thousand tons with 30-t axle load in China. After analysis on the disease mechanism of tunnel foundation bases of existing heavy-haul railways, this paper developed the treatment principle of tunnel foundation base in combination with geological features of this project, and then proposed strengthening schemes, process control and inspection standards for both soil strata and rock strata, in the hope of providing stable operating foundation for heavy-haul railways, especially for ballastless-track railways, so as to reduce diseases on tunnel foundation base.

heavy-haul railway; ballastless track; foundation base of tunnel; strengthening

2013-11-01；

：2013-12-06

李 力(1979—)，男，工程師，2007年畢業(yè)于北京交通大學(xué)，工學(xué)碩士。

1004-2954(2014)05-0095-04

U457+.3

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.05.022