重載鐵路隧道隧底翻漿冒泥整治技術(shù)研究

孟憲洪

(朔黃鐵路發(fā)展有限責任公司，河北肅寧 062350)

我國既有重載鐵路隧道在長大編組列車的長期振動沖擊作用下，加上地質(zhì)環(huán)境的變化以及地下水的影響，隧道各類病害頻發(fā)，其中隧底病害尤為嚴重[1]，隧道道床翻漿冒泥較為突出，制約著鐵路運輸，甚至危及行車安全。盡管工務(wù)部門依據(jù)病害檢測[2-4]結(jié)果采取了回填道砟與注漿加固等臨時處置措施，但均未達到理想效果，急需研究適宜重載鐵路隧道隧底翻漿冒泥的整治技術(shù)。本文對隧底降水整治技術(shù)進行了重點研究。

1 隧底翻漿冒泥機理分析

由于隧底填充分層施工往往造成隧道底部回填混凝土與仰拱之間的咬合力不夠，在列車運行振動作用下填充層與二襯混凝土分離，互相拍打、摩擦形成泥漿，并由裂縫返出道床及水溝面，從而形成道床底部混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)磨耗、掏空的問題。隧道道床與填充層、二襯混凝土的振動磨耗、剝離、脫空嚴重時會影響列車運行安全。

1)圍巖狀況差

隧道內(nèi)的翻漿冒泥地段，圍巖巖性多為泥巖、頁巖、砂質(zhì)泥巖夾層、泥巖互層，易產(chǎn)生沖蝕破壞，且區(qū)段節(jié)理發(fā)育，結(jié)構(gòu)松散或受斷層影響較大，通常為Ⅳ或Ⅴ級圍巖。

2)地下水的影響

某些地下水和地表水都很豐富的地區(qū)，隧道在防排水方面的設(shè)計標準較低。有的隧道既有水溝排水不暢，導(dǎo)致大量地下水和地表水匯集于隧底下而排不出隧道。由于隧底與圍巖間的結(jié)合不夠緊密，隧底圍巖裂隙發(fā)育、破損，使地下水在圍巖與仰拱之間形成一層水膜或水層，長時間浸泡、侵蝕隧底混凝土，并使隧底圍巖軟化產(chǎn)生泥漿，在水溝內(nèi)沉淀、淤積并抬高水面，通過與道床的連接通道進入道床。

3)列車荷載的影響

重載列車的循環(huán)荷載對隧底結(jié)構(gòu)病害的影響主要有:隧底結(jié)構(gòu)動應(yīng)力分布不均衡產(chǎn)生的較大彎拉應(yīng)力，致使基底開裂;列車循環(huán)荷載的長期作用會加速隧道隧底結(jié)構(gòu)裂損與擴展，必然會逐步產(chǎn)生疲勞破壞;基底圍巖在受壓、退壓、振動、沖擊下破碎、粉化甚至漿化，惡化了結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，加劇了地下水的影響。

4)隧道底部存在缺陷

受修建時期設(shè)計標準和施工技術(shù)條件的限制，隧底存在缺陷，主要表現(xiàn)為隧底結(jié)構(gòu)厚度不足、隧底虛渣未清理干凈、施工時隧底結(jié)構(gòu)整體性差。

隧底翻漿冒泥見圖1。

圖1 隧底翻漿冒泥示意

2 翻漿冒泥整治方法

整治隧底翻漿冒泥病害的方法較多，主要有隧底注漿，增設(shè)單、雙側(cè)密井暗管水溝，更換隧底，隔離處理等[5-7]。這些方法可在一定程度上緩解既有重載鐵路隧道翻漿冒泥病害，但各有其優(yōu)缺點。

1)隧底注漿

采用各類型水泥漿(普通水泥漿、TGRM早強水泥漿、改性環(huán)氧漿液等)進行注漿加固。通過壓漿，將隧底地下水外擠。漿液填充隧底富水空間。該法施工簡單，能夠在短期起到加固病害段的作用，但是病害得不到根治。

2)隧底降水

隧底降水多采用設(shè)單、雙側(cè)排水井，中心排水井或兩側(cè)密井暗管水溝。其中兩側(cè)密井暗管水溝是在原有側(cè)溝處增設(shè)單、雙側(cè)密井暗管水溝。首先對原有隧道水溝進行拆除，然后將水溝開挖至隧底一定深度，重新施作水溝。同時，為方便檢查、維修，密井暗管水溝每隔若干米需設(shè)一個檢查井。該法施工工序繁多、開挖難度大，但是降水效果明顯，翻漿冒泥病害能夠得到根治。

3)更換隧底

將翻漿冒泥段混凝土鑿除，重新澆筑新混凝土，該方法需要架空線路，每個天窗內(nèi)病害整治范圍較短，一般4～6 m，施工進度慢，開通后需要限速，影響行車。

4)隔離處理

用隔離法整治隧底翻漿冒泥，就是將隧底的細粒土進行隔離處理。常采用土工纖維布鋪入道砟與隧道底面之間，只允許地下水、裂隙水通過土工纖維布進入基床流走，不允許粉細土混入水中通過，防止泥土上翻使道砟污染，保持道床清潔，使之具有良好的彈性和排水性能，提高線路穩(wěn)定性。

上述方法中，隧底降水由于施工工序多、開挖困難，同時缺乏理論數(shù)據(jù)的支持，工程應(yīng)用較少。本文重點對隧底降水方案進行分析，從而為其應(yīng)用提供理論依據(jù)。

3 隧底降水方案計算模型

3.1 不同降水方案預(yù)設(shè)

由于難以用解析法對隧道內(nèi)不同降水措施進行對比分析，本文采用數(shù)值計算方法對不同措施的降水過程進行模擬?？紤]到后期施工因素，對3種可行的方案進行模擬:兩側(cè)設(shè)置排水井，且雙側(cè)錯開;隧道中心設(shè)置排水井;隧道側(cè)溝設(shè)置深排水溝。降水方案如圖2所示。

圖2 不同降水方案示意

模擬計算工況如下。

工況1:未開挖排水溝(初始狀態(tài))。

工況2:兩側(cè)設(shè)排水井(長0.6 m×寬0.6 m×深6.0 m)，單側(cè)間距30 m，雙側(cè)錯開。

工況3:隧道中心設(shè)排水井(長0.2 m×寬0.2 m×深4.0 m)，排水井間距5 m。

工況4:兩側(cè)設(shè)置深水溝(0.6 m×6.0 m)。

3.2 計算模型

采用有限元軟件ANSYS建模，模型范圍沿橫向自隧道軸線起向兩側(cè)各取約50 m;豎向上下各取離隧道中心約50 m。計算模型尺寸為100 m×100 m，中心降水、兩側(cè)降水及單側(cè)降水計算模型分別劃分12 315，12 218，12 340個單元。模型中圍巖、初期支護、襯砌結(jié)構(gòu)、仰拱填充及水溝等均采用三維實體單元模擬。

3.3 計算參數(shù)

圍巖滲透系數(shù)取5×10－5cm/s，邊墻和拱部襯砌滲透系數(shù)取5×10－5cm/s(設(shè)襯砌背后排水系統(tǒng)基本暢通，計算中考慮與圍巖滲透系數(shù)相同)，仰拱滲透系數(shù)取1×10－6cm/s(考慮仰拱無排水系統(tǒng)或排水系統(tǒng)堵塞)，地下水水頭為40 m。

3.4 邊界條件

模型初始條件通過在所有節(jié)點加40 m總水頭的穩(wěn)定流計算得到。另外在兩側(cè)邊界加載40 m總水頭。

4 降水方案對比分析

4.1 降水效果對比分析

通過計算分析，不同降水工況下的降水效果對比見表1。

表1 不同工況下降水效果對比分析

由表1可以看出，工況2仰拱水壓力最大值降低為原來的75%，盡管對仰拱中心水壓力有一定緩解，但是水壓力降低較少。工況3作用在仰拱上的水壓力降低為原來的50%，可以在一定程度緩減水壓力對仰拱的力學(xué)作用，從而減小由水壓力引起的病害。工況4仰拱水壓力最大值降低為原來的15%，能有效降水仰拱水壓力。因此，從計算分析結(jié)果可以看出，對隧底翻漿冒泥地段采用兩側(cè)設(shè)深排水溝較為合理。

4.2 施工可行性對比分析

3種降水工況施工可行性對比分析見表2。

表2 3種工況施工可行性對比分析

由表2可以看出，兩側(cè)設(shè)置深水溝方案施工難度較大，但是從長遠來看，此法仍可以采用。

4.3 現(xiàn)場實施工藝

兩側(cè)設(shè)置深水溝的施工工藝如下:

1)開挖線路左右側(cè)既有水溝及電纜槽。開挖至隧底混凝土與圍巖交界面以下20 cm。

2)新建水溝與既有集水井間連接通道。新建通道寬50 cm，深度與加深水溝底部平齊，連接通道內(nèi)布置PVC管，與主排水管通過三角接頭連接，延伸至既有集水井。

3)開挖檢查井。檢查井采用100 cm×70 cm的長方形斷面，底部開挖至新建暗管下20 cm處，檢查井間距為6 m。檢查井的目的主要是在暗管堵塞時便于及時疏通。

4)施作溝底墊層。采用M10砂漿鋪砌溝底，墊層邊緣厚5 cm，以一定角度均勻過渡至中心處，用作土工布墊層。

5)鋪設(shè)土工布。沿新建水溝及電纜槽四周密貼鋪設(shè)土工布。

6)施作排水暗管。排水暗管采用PVC管，全部設(shè)置進水口，呈梅花形布置。

7)回填洗凈碎石。選取均勻洗凈碎石回填，用土工布包裹。

8)施作隔離層。在土工布上方施作早強混凝土隔離層，防止上方回填混凝土漿液進入碎石層堵塞排水孔隙。

9)施作釬釘。在新老混凝土交接面設(shè)置釬釘。

10)施作回填混凝土?；靥罡叨纫罁?jù)現(xiàn)場實際確定。

11)施作檢查井井蓋。檢查井井蓋采用鋼筋混凝土，施工時確保井蓋密貼，做好防水，防止上游水流經(jīng)水溝時進入密井。

5 結(jié)論與建議

1)重載鐵路隧道隧底翻漿冒泥是多因素耦合作用的結(jié)果，病害的整治應(yīng)該綜合考慮。

2)相比于單、雙側(cè)設(shè)置排水井與中心設(shè)置排水井方案，兩側(cè)設(shè)置深水溝更能有效地降低地下水位，而且能夠保持基底干燥，避免發(fā)生翻漿冒泥病害。

3)兩側(cè)設(shè)置深水溝整治隧底翻漿冒泥方案，對以后類似既有鐵路隧道底部翻漿冒泥病害整治具有借鑒意義。

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