某運營線鐵路隧道隧底混凝土結(jié)構(gòu)隆起的原因分析及建議

孫曉陽

【摘 要】隧底混凝土結(jié)構(gòu)開裂隆起，結(jié)合竣工文件對隧道病害段進行了調(diào)查、綜合檢測、實驗室分析及結(jié)構(gòu)受力檢算，綜合分析了病害的原因，并提出一些隧道設(shè)計施工檢測及維護建議。

【關(guān)鍵詞】隧底結(jié)構(gòu)隆起；襯砌開裂；受力檢算

1.引言

隧道運營后，隨著時間推移，部分隧道由于各種原因造成隧底混凝土結(jié)構(gòu)開裂隆起及拱墻襯砌開裂，導(dǎo)致線路幾何狀態(tài)難以保持，影響列車運行或造成列車降速運行。隆起后，應(yīng)及早監(jiān)測并全面分析原因并加以合理整治，以防對結(jié)構(gòu)及行車的危害進一步加大。

2.隧道主要情況

2.1隧道概況

隧道穿越地段隸典型干旱地區(qū)高原剝蝕丘陵地貌，隧址內(nèi)無控制性大型斷裂、褶曲構(gòu)造，隧址地震動峰值加速度值為0.1g，最冷月平均氣溫-11.5℃左右。最高時速80Km/h的貨運電化鐵路單線隧道，采用次重型有碴軌道設(shè)計，全隧采用曲墻帶仰拱復(fù)合式襯砌。

2.2隧道病害處地質(zhì)情況

病害段距離洞口500m以上，病害段里程K10+117～+149，埋深51～63m，病害段在內(nèi)的K9+981～K10+281為Ⅳ級圍巖級地段，貧水區(qū)，隧道最大跨附近以上為三疊系上統(tǒng)砂巖，最大跨附近以下為三疊系上統(tǒng)泥巖，具體地質(zhì)情況如下：

2.2.1 砂質(zhì)黃土：主要分布于洞身頂部表層，厚度1～3m；

2.2.2 砂巖：青灰-灰白色，節(jié)理裂隙發(fā)育，泥鈣質(zhì)膠結(jié)，中、粗粒（局部含礫）結(jié)構(gòu)，厚層—巨厚層狀構(gòu)造；全、強風化層厚15～20m，Ⅳ，σ0=400kPa；以下弱風化，σ0=500kPa。

2.2.3泥巖：棕紅色，節(jié)理裂隙發(fā)育，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造；具弱膨脹性，蒙脫石含量23.61%，自由膨脹率Fs=36.8%，自由飽和吸水率ωsa=28.4%，膨脹力Pp=270.47Kpa；全、強風化層厚15～25m，Ⅳ，σ0=300kPa；以下弱風化，σ0=400kPa。

2.2.4 地下水主要為砂巖層中賦存的基巖孔隙裂隙水，水質(zhì)對圬工無腐蝕性。

2.3主要設(shè)計支護參數(shù)

初支全環(huán)設(shè)置1榀/m的H125型鋼鋼架，C20噴混凝土厚18cm，二襯及仰拱采用30cm厚的C25混凝土，仰拱填充采用C20混凝土，道心處隧道混凝土結(jié)構(gòu)總厚度152cm。

2.4施工及變更情況

施工地質(zhì)與設(shè)計地質(zhì)情況基本吻合，病害段及其附近未發(fā)生變更，亦未發(fā)生坍塌塌方等。

配合施工期間，K10+097處隧底開挖時，未見地下水水且為質(zhì)硬泥巖。

3.隧道隆起段病害情況

3.1縱向裂縫

通車后6.3～8.6年，病害段襯砌兩側(cè)均出現(xiàn)縱向裂縫并向兩頭有延伸，裂縫位置在最大跨以下1.4m處，裂縫寬度1～3mm，裂縫兩側(cè)及附近未見明顯錯臺、次生裂縫及小范圍掉塊。

3.2環(huán)向裂縫

襯砌出現(xiàn)環(huán)向裂縫2道，間距約10～15m。開裂部位為拱部及兩側(cè)邊墻，裂縫基本在同一里程斷面處，且每道環(huán)向裂縫長度為18～19m，最大裂縫寬度1～3.5mm；環(huán)向裂縫距離環(huán)向施工縫1m以上，裂縫兩側(cè)及附近未見明顯錯臺、次生裂縫及小范圍掉塊。

3.3隧底隆起

隧底結(jié)構(gòu)不同程度開裂及隆起，兩側(cè)的水溝蓋板傾斜約15～20°，隆起段道心附近道砟厚度為12～25cm。

3.4隧底隆起及襯砌開裂后的工務(wù)處理

縱向裂縫出現(xiàn)及逐漸稍變大后，工務(wù)采取的措施為水泥漿涂抹及日常監(jiān)測；隧底隆起段從輕微直至嚴重階段，工務(wù)采取的措施為減小碎石道床厚度、適度調(diào)整軌道幾何尺寸及日常監(jiān)測，同時列車在該段降速運行。

4.對隧道的監(jiān)控量測、調(diào)查、檢測、物探鉆探、有關(guān)實驗分析及結(jié)構(gòu)檢算

通車后8.6年，為全面分析病害原因，結(jié)合竣工文件進行了調(diào)查，并布置監(jiān)控量測、內(nèi)輪廓檢測、鉆探取樣進行實驗室分析及結(jié)構(gòu)受力撿算分析。

4.1 拱墻襯砌觀測及內(nèi)輪廓檢測

由于缺乏相關(guān)資料，無法判斷病害段的襯砌收斂及沉降的絕對值，只能對現(xiàn)有觀測及檢測值與理論設(shè)計值進行對比分析。

對比分析結(jié)果為，拱墻襯砌穩(wěn)定無明顯收斂及變形，襯砌內(nèi)輪廓未侵限，持續(xù)續(xù)監(jiān)測的2周時間內(nèi)襯砌收斂及沉降處于穩(wěn)定狀態(tài)。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，軌面高程高出設(shè)計值215mm～354mm。

4.2 地質(zhì)雷達物探

對病害段拱頂及兩側(cè)邊墻進行物探，混凝土厚度滿足設(shè)計值，混凝土密實，拱頂部分段落存在回填不密實及離析現(xiàn)象。

4.3鉆探

為探明基底情況，進行鉆探，共計10處，鉆孔深度為120～160cm，鉆探位置為道心及側(cè)溝附近仰拱填充。

經(jīng)鉆探，混凝土與隧底巖層結(jié)合部未見虛砟；隧底混凝土結(jié)構(gòu)總厚度在道心附近為0.35m～0.45m，在水溝附近為0.30m～0.35m；未施工仰拱。

隧底混凝土結(jié)構(gòu)以下泥巖地層較破碎，且潮濕；經(jīng)鉆探揭示，隧底受擾動地層厚度1.8～2.1m。

4.4 混泥土結(jié)構(gòu)強度檢測

對取出的混凝土芯樣，進行混凝土抗壓強度檢測，襯砌的檢測強度為25.6～29.1Mpa，滿足設(shè)計強度25Mpa；仰拱填充的檢測強度為25.52～27.23Mpa，滿足仰拱填充設(shè)計強度20Mpa。

4.5 隧底隆起段兩側(cè)水溝中有小股水流。

4.6 泥巖膨脹性分析

隆起段2處鉆孔進行鉆探至隧底以下5m，以獲取未擾動地層巖樣；在兩側(cè)邊墻縱向裂縫以下1～1.5m附近，鉆孔取樣2處，每側(cè)各1處，鉆孔沿線路方向間距10m，鉆孔深度沿水平方向不小于5m。

對4份泥巖巖樣進行膨脹性試驗，結(jié)果如下：蒙脫石含量26.1～27.43%，自由膨脹率Fs=49.78～52.9%，自由飽和吸水率ωsa=38.81～44.56%，膨脹力Pp=360.73～427.43Kpa。

4.7 病害段襯砌受力檢算

由于隧道病害嚴重，且考慮到病害段存在地下水及膨脹性泥巖等情況，故采用荷載結(jié)構(gòu)模型對結(jié)構(gòu)的安全性能進行分析評價。

根據(jù)隧道施工圖、鉆孔及檢測資料等，對隧底結(jié)構(gòu)按35cm厚的C25混凝土底板考慮，考慮泥巖膨脹力按0.427Mpa、結(jié)構(gòu)自重及正常圍巖壓力等荷載采用有限元軟件進行分析，結(jié)果如下：

結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位安全檢算

位置 軸力

（kN） 彎矩

（kN.m） 截面高

度（m） 混凝土

等級 強度控

制因素 安全

系數(shù)

拱頂 -175.28 21.35 0.30 C25 抗拉 4.17

拱腰 -201.71 -17.25 0.30 C25 抗拉 7.33

拱腳 -237.49 -26.78 0.30 C25 抗拉 3.52

最大跨 -310.54 5.73 0.30 C25 抗壓 18.28

最大跨以下1.4m -286.43 -47.49 0.30 C25 抗拉 1.58

邊墻底部 -272.31 -39.55 0.35 C25 抗拉 3.02

道心底板 -268.29 96.48 0.35 C25 抗拉 0.88

水溝附近底板 -197.45 67.42 0.35 C25 抗拉 1.28

注：抗拉控制安全系數(shù)3.6，抗壓控制安全系數(shù)2.4。

經(jīng)計算，隧道襯砌的結(jié)構(gòu)安全系數(shù)存在不滿足規(guī)范要求的情況，具體如下：

隧道二襯拱部受拉控制，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)滿足規(guī)范要求；邊墻最大跨附近及以上部位，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)滿足規(guī)范要求；邊墻在最大跨以下1.4m附近及以下邊墻，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求；底板受拉控制，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)遠小于規(guī)范要求。

5.隧道病害原因分析

該病害段為Ⅳ級圍巖地段，施工時下導(dǎo)弱風化泥巖無水及開挖支護及時，隧底泥巖堅硬承載力較高。由于施做40cm厚度的C25混凝土底板后，邊墻下部受力狀況改變?yōu)槭芾刂疲约斑\營后對地層有一定的擾動，砂泥巖接觸帶的地下水逐漸滲入泥巖，泥巖膨脹性逐漸增大，隧底及邊墻部位圍巖承載力逐漸降低，底板逐漸不足以抵抗隧底的圍巖壓力，出現(xiàn)開裂及輕微破壞，邊墻部位裂縫出現(xiàn)，直至底板逐漸開始破壞，并不斷隆起。

5.1隧底隆起

隆起原因：隧底混凝土結(jié)構(gòu)總厚度嚴重不足，不能承受隧底較大的圍巖壓力等作用。

根據(jù)檢算，道心附近底板最大安全系數(shù)0.88，最大拉應(yīng)力值為2.49Mpa，該值大于C25混凝土抗拉設(shè)計值2.0Mpa，底板應(yīng)基本破壞，且道心附近的破壞情況應(yīng)較嚴重，這與現(xiàn)場勘查情況一致。軌下部分隆起最嚴重，大致為35+30-12=53cm；水溝附近的底板開裂隆起后，導(dǎo)致水溝蓋板傾斜，附近底板隆起高度大致為50×sin20°=17cm。

5.2邊墻縱向裂縫

開裂原因：由于未施工仰拱，使隧道襯砌未形成閉環(huán)結(jié)構(gòu)，從而改變邊墻的正常受理狀況，邊墻部位出現(xiàn)受拉控制。

襯砌兩側(cè)最大跨以下1.4m處附近安全系數(shù)1.58<3.6，安全系數(shù)較低但襯砌不會發(fā)生破壞，襯砌在該位置出現(xiàn)對稱縱向裂縫，裂縫最大寬度3.5mm，裂縫是否貫通整個截面應(yīng)結(jié)合其他檢測手段監(jiān)測裂縫深度。

5.3邊墻底部安全系數(shù)較小情況

邊墻底部安全系數(shù)3.02<3.6，勘查現(xiàn)場襯砌該處未發(fā)現(xiàn)裂縫，主要原因為：此處襯砌實際厚度比計算采用值35cm大15cm左右；邊墻混凝土強度比設(shè)計值稍高0..6～4.1Mpa；該部位襯砌安全系數(shù)相對接近規(guī)定限值。

襯砌厚度由0.35m修正為0.5m時，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)大于3.6。

5.4環(huán)向裂縫

病害段不同里程處，道心附近隧底混凝土結(jié)構(gòu)不同程度開裂隆起后，，隧底地層同步有不同程度松動隆起，表明隧底地層的承載力不同程度降低，從而引起襯砌整體的不均勻沉降，導(dǎo)致襯砌在非環(huán)向施工縫部位出現(xiàn)環(huán)向裂縫。每環(huán)的環(huán)向裂縫的長度大致為18～19m，也表明襯砌不均勻沉降相對較明顯。

5.5泥巖膨脹性

勘察階段泥巖的膨脹力為Pp=270.47Kpa，病害段的泥巖膨脹力為Pp=427.43Kpa，二者有一定的差值，主要原因為二者取芯位置不同及取芯方式方法可能有關(guān)。

在設(shè)計階段，綜合了其他膨脹性判定標準及工程對比，對泥巖的膨脹力考慮了安全系數(shù)1.3，設(shè)計采用值=270.47*1.3=351.61。雖膨脹力采用值小于病害段泥巖膨脹力的試驗值75.82Kpa，但該差值對襯砌的影響很小，也不是拱墻襯砌開裂及隧底隆起的主因。

6.整治建議

病害段隧底混凝土結(jié)構(gòu)已經(jīng)破壞，不能承載，需開挖后恢復(fù)隧底的初支、仰拱及仰拱填充。同時為策襯砌安全，隧底整治前需對邊墻襯砌進行加固。

6.1對縱向裂縫上下的襯砌進行錨桿注漿加固。

6.2對最大跨以下邊墻進行錨桿及錨管注漿加固，根據(jù)錨管間距及管徑在錨管內(nèi)（間隔）加設(shè)鋼筋籠。

6.3.加固線路對線路進行架空，方案有扣軌施工及采用D型梁等，架空方案中應(yīng)進行檢算，確保降速行車安全。

6.4隧底初噴后，進行基底注漿加固，隨后進行恢復(fù)隧底初支仰拱及仰拱填充等。仰拱整體澆筑禁止半幅澆筑，仰拱與填充分開澆筑，嚴禁一次澆筑。

6.5施工完仰拱填充，根據(jù)情況進行環(huán)向裂縫整治。

6.6邊墻及隧底地基注漿采用加固型TGRM水泥基特種灌漿料及超細型TGRM水泥基灌漿料。

6.7拆除開挖整治時，分段跳槽拆除，拆3m跳6m，每次拆換長度不大于3m。

6.8嚴格進行監(jiān)控量測，必要時根據(jù)情況采用臨時加固措施。

6.9所有隧道內(nèi)施工事項，應(yīng)按既有線改建施工相關(guān)規(guī)定規(guī)程規(guī)范等辦理，確保安全。

7.結(jié)束語

7.1當圍巖較好時，隧底混凝土結(jié)構(gòu)為底板，底板及邊墻下部主要受拉控制，為了提高底板的抗拉，底板應(yīng)采用鋼筋混凝土。

7.2當圍巖較差時，襯砌背后的圍巖壓力等作用較大，充分發(fā)揮混凝土的極限抗壓強度遠大于極限抗拉強度的特性，讓隧底受力結(jié)構(gòu)（仰拱）及邊墻處于受壓控制狀態(tài)，應(yīng)采取帶仰拱復(fù)合襯砌。

7.3當隧道襯砌出現(xiàn)較長或較寬的裂縫時，第三方檢測單位應(yīng)檢測裂縫深度，以有利于分析病害原因，以及有利于結(jié)合其他信息綜合判斷襯砌結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)。

7.4對于隧道施工，現(xiàn)場單位應(yīng)嚴格按圖紙施工；并應(yīng)掌握一定的工程地質(zhì)知識及鐵路隧道設(shè)計規(guī)范等一些主要內(nèi)容，例如：軟硬巖的識別、鐵路單線隧道Ⅲ級圍巖軟巖地段及Ⅳ至Ⅵ級圍巖地段均采用帶仰拱復(fù)合襯砌。

7.5運營鐵路的隧道，工務(wù)部門的監(jiān)測工作應(yīng)按相關(guān)規(guī)定規(guī)程施做，相應(yīng)的監(jiān)測設(shè)備應(yīng)配備齊全，監(jiān)測資料應(yīng)規(guī)范記錄；一旦發(fā)生病害時，準確詳實的資料有利于分析病害產(chǎn)生的原因。

當工務(wù)部門發(fā)現(xiàn)隧道襯砌出現(xiàn)裂縫或道床隆起等病害時，并根據(jù)病害不同持續(xù)一定時間的監(jiān)測；當病害持續(xù)發(fā)展或超限時應(yīng)及早上報有關(guān)部門，并由第三方機構(gòu)進行檢測以全面分析原因并及早加以整治，防止病害進一步發(fā)展（如襯砌出現(xiàn)貫通裂縫等）等，危機結(jié)構(gòu)及行車安全并引起整治費用增大。

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