既有重載鐵路隧道底鼓原因及處置措施

李堯，付兵先，張千里，馬偉斌

(1．中國鐵道科學(xué)研究院，北京100081;2．中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

既有重載鐵路隧道底鼓原因及處置措施

李堯1，付兵先2，張千里2，馬偉斌2

(1．中國鐵道科學(xué)研究院，北京100081;2．中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

針對一既有重載鐵路單線隧道運(yùn)營期內(nèi)出現(xiàn)的底鼓問題，通過現(xiàn)場探測并結(jié)合隧道底鼓監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析隧道產(chǎn)生底鼓的原因。借助有限元軟件Ansys建立了荷載-結(jié)構(gòu)模型，對隧道底鼓開裂進(jìn)行了數(shù)值分析，在此基礎(chǔ)上，提出了該隧道基底的整治方案——基底換底方案，并對換底方案中的線路架空以及隧底翻修進(jìn)行了有關(guān)檢算。

重載鐵路;隧道底鼓;成因分析;架空線路;換底方案

隨著我國鐵路隧道的大量修建，一些隧道不可避免地處于膨脹巖的復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境中，加上運(yùn)營期內(nèi)地下環(huán)境的變化，從而導(dǎo)致隧道底鼓病害的發(fā)生。隧道產(chǎn)生底鼓不但對弓網(wǎng)受流產(chǎn)生影響，而且危及行車安全［1-2］。

本文針對一隧道洞身底鼓開裂的情況，在分析病害成因的基礎(chǔ)上，對整治措施進(jìn)行探討，為類似工程病害處置提供參考。

1 工程背景

一單線隧道，全長3 579 m，隧道穿越地段為低山丘陵溝壑區(qū)，具典型干旱地區(qū)高原剝蝕丘陵地貌，隧道洞身橫穿山嶺，地形起伏，相對高差＞100 m;洞身通過地段沖溝發(fā)育、深切，一般下切深度50～100 m，溝底一般有少量沿巖層面滲流出的基巖裂隙水;隧道進(jìn)口端山體陡立，基巖出露，出口端表層覆蓋厚度2～20 m的人工棄土，隧道范圍內(nèi)大部分基巖裸露;隧道最大埋深120 m。

設(shè)計(jì)圖顯示，病害區(qū)段位于Ⅳ級圍巖加強(qiáng)地段，洞身通過地段主要為泥巖，拱墻設(shè)置1榀/m的H125型鋼鋼架，系統(tǒng)錨桿采用φ22砂漿錨桿;為保證隧道施工安全，曾在拱部設(shè)置φ42超前小導(dǎo)管進(jìn)行預(yù)支護(hù)，小導(dǎo)管環(huán)向間距0.3m，長度3.5m。二次襯砌采用C25混凝土。

運(yùn)營部門在2015年初對隧道的例行檢查過程中，發(fā)現(xiàn)該段基底結(jié)構(gòu)發(fā)生上鼓，挖開道砟后發(fā)現(xiàn)隧道仰拱填充混凝土開裂、破碎(見圖1)，水溝壁破損開裂，水溝蓋板傾斜，線路抬高，幾何尺寸難以保持，從而影響行車安全。

圖1 仰拱填充混凝土層開裂、破碎

此后運(yùn)營部門對病害區(qū)段采取順坡、限速等臨時(shí)措施，并對病害段進(jìn)行監(jiān)測。監(jiān)測表明病害仍在發(fā)展，2015年監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖2所示。

2 現(xiàn)場檢測結(jié)果

針對以上病害情況，對該隧道病害區(qū)段采取了現(xiàn)場調(diào)研、地質(zhì)雷達(dá)檢查、混凝土強(qiáng)度(回彈)、鉆孔等檢測。檢測結(jié)果表明:

1)該段檢測范圍內(nèi)左右邊墻均有2條較長縱向裂縫，左邊墻縱向裂縫長度約120 m，最大裂縫寬度3 mm，右邊墻縱向裂縫長度約160 m，最大裂縫寬度3 mm;道心基底隆起，底板混凝土破碎，2015年期間內(nèi)基底最大隆起量為66 mm。可見基底上鼓較大且裂損嚴(yán)重。

2)地質(zhì)雷達(dá)掃描聯(lián)合鉆孔探測檢測表明該檢測范圍內(nèi)病害主要為基底破碎，共12處，占測線長度的平均百分比為10.0%，基底混凝土厚度普遍不足。

地質(zhì)雷達(dá)檢測展示如圖3所示。

圖3 基底病害地質(zhì)雷達(dá)檢測展示

3)回彈檢測結(jié)果表明，該檢測范圍內(nèi)襯砌上部混凝土強(qiáng)度值分布在21.5～39.0 MPa，基底強(qiáng)度在23.0～30.2 MPa，測點(diǎn)位置混凝土局部存在輕微程度的強(qiáng)度弱化現(xiàn)象。

3 病害成因分析

通過現(xiàn)場調(diào)研并結(jié)合檢測結(jié)果，初步認(rèn)為該隧道底鼓病害的發(fā)生主要與圍巖地質(zhì)條件、設(shè)計(jì)及施工缺陷等因素有關(guān)［3-6］。

3.1 圍巖地質(zhì)條件

底鼓病害發(fā)生地段圍巖為砂巖與泥巖互層，裂隙發(fā)育，強(qiáng)風(fēng)化;泥巖具膨脹性，其特征是遇水易膨脹、軟化，失水收縮易開裂。隧道開挖后圍巖發(fā)生卸荷和應(yīng)力重分布導(dǎo)致圍巖切向應(yīng)力增加，塑性圈半徑擴(kuò)大，變形破壞由隧道淺部向深部擴(kuò)展，變形累積從而產(chǎn)生底鼓破壞。

工程區(qū)范圍內(nèi)地下水主要為砂巖層中賦存的基巖裂隙水，隧道洞身通過區(qū)出露地層主要為三疊系砂巖、泥巖。由于該區(qū)受構(gòu)造影響輕微，巖層產(chǎn)狀呈平緩波狀起伏，層理發(fā)育，為地下水的賦存提供了必要的條件，加之該處砂巖層節(jié)理裂隙發(fā)育，使整個(gè)砂巖層形成了具有水力聯(lián)系的統(tǒng)一體，進(jìn)而形成基巖裂隙含水層。地下水的長期作用使隧道軟弱夾層軟化侵蝕，圍巖承載力降低，列車通過時(shí)和通過后的正負(fù)水壓對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的反復(fù)抽吸作用導(dǎo)致并加劇了基底結(jié)構(gòu)裂損，甚至出現(xiàn)吊空。

3.2 設(shè)計(jì)缺陷

病害段仰拱設(shè)計(jì)為30 cm厚C25素混凝土結(jié)構(gòu)，未設(shè)計(jì)噴射混凝土、仰拱鋼架等初期支護(hù)，整體支護(hù)偏弱;設(shè)計(jì)中未考慮該段泥巖遇水膨脹、軟化且強(qiáng)度低等不良地質(zhì)條件，也沒有采取應(yīng)對措施。

3.3 施工缺陷

地質(zhì)雷達(dá)掃描及鉆孔檢測結(jié)果顯示，病害段基底混凝土普遍不足，實(shí)際厚度與設(shè)計(jì)厚度之比為60%～70%，且由雷達(dá)成像結(jié)果未見成型仰拱結(jié)構(gòu)。由于仰拱未按要求施工，在圍巖壓力及軟巖膨脹壓力作用下不能提供相應(yīng)抗力，導(dǎo)致基底結(jié)構(gòu)開裂。

4 襯砌裂損受力分析

4.1檢算模型及參數(shù)選擇

依據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10003—2005)，采用“荷載-結(jié)構(gòu)”法進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢算，為了明確襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀況，襯砌采用Beam3梁單元模擬，而圍巖與襯砌的相互作用采用“無拉鏈桿”Link10單元模擬。

根據(jù)隧道施工設(shè)計(jì)圖、鉆孔及強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，隧道病害地段拱墻為30 cm厚的C25混凝土，基底未上鼓區(qū)段隧底混凝土厚度存在不足的情況，而隧底上鼓區(qū)段為Ⅳ級圍巖，基底為厚度35 cm左右的混凝土板。因此，重點(diǎn)對基底上鼓區(qū)段進(jìn)行檢算。

按照相關(guān)規(guī)范及檢測結(jié)果，Ⅳ級圍巖力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 Ⅳ級圍巖力學(xué)參數(shù)

4.2 檢算荷載

1)襯砌結(jié)構(gòu)自重

襯砌混凝土重度為25 kN/m3，襯砌結(jié)構(gòu)自重由Ansys程序自動計(jì)算。

2)軌道結(jié)構(gòu)荷載

有砟軌道結(jié)構(gòu)荷載按照換算土柱法進(jìn)行計(jì)算。

3)圍巖壓力

根據(jù)TB 10003—2005，垂直均布土壓力q按下式計(jì)算確定

式中:S為圍巖級別;ω寬度影響系數(shù)，ω=1+i(B－5);B為坑道寬度，m;i為B每增減1 m時(shí)的圍巖增減率。

水平均布土壓力按TB 10003—2005表8-7確定。

依據(jù)TB 10003—2005，Ⅳ級圍巖二襯作為承載結(jié)構(gòu)，按照承受圍巖松弛荷載50%計(jì)算。

4)基底膨脹壓力

隧道地勘資料表明，基底圍巖存在泥巖，依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)泥巖膨脹應(yīng)力研究成果，本次檢算膨脹應(yīng)力暫定為0.1 MPa。

5)列車荷載

列車荷載按照25 t軸重荷載計(jì)算。

6)荷載組合

荷載組合:50%圍巖壓力+軌道結(jié)構(gòu)自重+25 t軸重列車荷載+0.1 MPa膨脹壓力。

襯砌荷載作用模式主要考慮圍巖壓力、軌道結(jié)構(gòu)及列車荷載、基底泥巖膨脹力，其作用模式如圖4所示。

圖4 荷載作用模式

4.3 檢算結(jié)果

1)襯砌結(jié)構(gòu)受力及變形

計(jì)算顯示:軸力在墻腳底部最大(最大值為449.7 kN)，由墻腳到拱頂軸力逐漸減小，拱頂處軸力最小，為212.2 kN;最大正彎矩出現(xiàn)在拱頂內(nèi)側(cè)(最大值為40.8 kN·m);襯砌最大剪力發(fā)生在墻腳(最大剪力為278.5 kN);拱頂內(nèi)側(cè)受拉，最大拉應(yīng)力為2.06 MPa;基底混凝土板中間內(nèi)側(cè)受拉，最大彎矩為64.8 kN·m，最大拉應(yīng)力達(dá)到2.3 MPa;超過C25混凝土的抗拉極限強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞，這也與現(xiàn)場勘查結(jié)果一致。另外，節(jié)點(diǎn)最大位移發(fā)生在拱頂處，位移最大值為2.4 mm，墻腳發(fā)生下沉，下沉量最大為2.2 mm。

2)襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)

按照TB 10003—2005中破損階段設(shè)計(jì)法，需滿足安全系數(shù)要求，即抗壓安全系數(shù)＞2.4，抗拉安全系數(shù)＞3.6。

檢算結(jié)果表明:拱部受拉控制，襯砌最小安全系數(shù)為1.82，襯砌兩側(cè)拱腰內(nèi)側(cè)受拉控制，最小安全系數(shù)為2.72;隧底墻腳受拉控制，最小安全系數(shù)為0.47，隧底混凝土板中心主要是外側(cè)受拉，最小安全系數(shù)為1.06。隧道混凝土板安全系數(shù)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值，結(jié)構(gòu)接近破壞，這與現(xiàn)場勘查結(jié)果一致。

基于上述勘察、檢測及計(jì)算分析，確定對隧道底鼓區(qū)段進(jìn)行換底大修。

5 隧底換底方案

5．1線路架空方案

我國運(yùn)營隧道進(jìn)行換底大修時(shí)，線路架空強(qiáng)化基本形式有:縱扣軌、橫扣軌、吊軌及組合軌束梁(現(xiàn)在軌束梁已大多用型鋼或D型便梁的橫梁代替)［7-8］，而在隧道內(nèi)進(jìn)行較大范圍的大修施工時(shí)，考慮到隧道空間的限制，線路換底必須采用分段強(qiáng)化并進(jìn)行逐次倒移，方可保證線路的安全。

本次換底施工通過方案比選初步擬定采用下沉式架空方案，主要受力結(jié)構(gòu)為主梁(縱向主受力結(jié)構(gòu))及橫梁(兼作鋼枕)。其整體傳力途徑為:鋼軌→橫梁→主梁→枕木墩(見圖5)。為保證線路架空后軌道幾何尺寸、線路剛度和穩(wěn)定性，兼顧現(xiàn)場作業(yè)時(shí)空間狹窄，長大物件搬運(yùn)困難的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)中盡可能地控制施工便梁單件構(gòu)件重量和長度，同時(shí)對確定的構(gòu)件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)檢算。

圖5 架空線路檢算模型

檢算結(jié)果表明，當(dāng)采用HXD3+C80以及中-活荷載加載時(shí)，經(jīng)試算主梁可采用工字鋼梁，尺寸為450× 152×13.5×10(mm)，橫梁可采用H型鋼，尺寸為290×200×8×12(mm)，其強(qiáng)度、穩(wěn)定性滿足要求。縱橫梁采用φ25圓鋼制成的U形卡進(jìn)行連接。

5.2 隧底翻修方案

根據(jù)現(xiàn)場仰拱填充變形開裂上鼓情況，為保證拆換時(shí)拱墻二次襯砌的穩(wěn)定以及拆換后隧底結(jié)構(gòu)受力的整體性，結(jié)合原設(shè)計(jì)的斷面情況確定了基底翻修方案，如圖6所示。

圖6 隧底翻修方案

在仰拱拆換前，首先在兩側(cè)邊墻腳施作φ89鎖腳鋼管，每根長6 m，縱向間距1.5 m?；组_挖至填充頂面以下40 cm處設(shè)置臨時(shí)支撐，以防止仰拱拆換時(shí)二襯邊墻內(nèi)斂過大，臨時(shí)支撐系統(tǒng)由1根H125型鋼組成，縱向間距1.0 m設(shè)置一道。開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，施作仰拱初期支護(hù)，按初噴混凝土、架立鋼架、施作鋼架間連接槽鋼、施作φ32自進(jìn)式錨桿、復(fù)噴混凝土的順序進(jìn)行。分段進(jìn)行拆除，間隔6 m，每段拆除長度1 m。

6 結(jié)論

1)膨脹巖地區(qū)既有線隧道運(yùn)營期內(nèi)由于地下水環(huán)境的變化，容易導(dǎo)致隧道底板出現(xiàn)底鼓病害，因此，降低水對膨脹巖的影響尤為必要。

2)采用換底方案架空線路時(shí)，除應(yīng)考慮單線隧道限界要求外，架空線路所用縱橫梁的承載力，尤其是各個(gè)連接件的承載力以及支墩的穩(wěn)定性是整個(gè)縱橫梁系統(tǒng)里的重要控制點(diǎn)。

3)采用換底方案翻修基底時(shí)，需設(shè)置臨時(shí)支護(hù)系統(tǒng)以便強(qiáng)化隧底的穩(wěn)定性。

［1］趙海軍，付兵先，馬偉斌，等．既有重載鐵路隧道基底病害置換整治技術(shù)研究［J］．鐵道建筑技術(shù)，2013(8):23-26．

［2］中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，太原鐵路局．30噸軸重貨車重載線路技術(shù)研究［R］．北京:中國鐵道科學(xué)研究院，2008．

［3］胡勝強(qiáng)．某高速公路隧道仰拱底鼓原因分析及處治方案數(shù)值模擬［J］．路基工程，2015(3):238-242．

［4］周森．高速公路隧道仰拱底鼓破壞機(jī)理分析及處治措施［J］．交通科技，2013(5):97-99．

［5］李東，趙平，崔建宏．三聯(lián)隧道圍巖大變形原因分析及處治措施［J］．路基工程，2013(6):182-186．

［6］鐘祖良，劉新榮，王道良，等．桃樹埡隧道底鼓發(fā)生機(jī)理與防治技術(shù)研究［J］．巖土工程學(xué)報(bào)，2012，34(3):471-476．

［7］楊春枝．鐵路隧道維修管理手冊［M］．北京:中國鐵道出版社，2006．

［8］汪旵生．向蒲鐵路雪峰山隧道基礎(chǔ)沉降及底鼓處治技術(shù)［J］．鐵道建筑，2015(8):55-57．

Base Heaving Cause and Its Treatment Measures for Existing Heavy Haul Railway Tunnel

LI Yao1，F(xiàn)U Bingxian2，ZHANG Qianli2，MA Weibin2
(1．China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China;2．Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

According to the base heaving of one existing single-line tunnel in heavy haul railway during the operation period，the paper analyzed the causes of tunnel base heaving by using the field tests and monitoring data of tunnel base heaving．A load-structure model was established with finite element software Ansys，the numerical analysis of base heaving crack in tunnel was conducted，the treatment scheme of tunnel basement，which was base replacement scheme，was proposed on this basis，and the overhead line and tunnel base renovation in base replacement schemes were checked and calculated．

Heavy haul railway;T unnel base heaving;Cause analysis;Overhead line;Base replacement scheme

U457+．2

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．12．15

1003-1995(2016)12-0053-04

(責(zé)任審編孟慶伶)

2016-05-20;

2016-08-20

國家自然科學(xué)基金高鐵聯(lián)合基金(U1434211);中國鐵道科學(xué)研究院科研基金(2015YJ039);鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心科研項(xiàng)目(J2014G004)

李堯(1992—)，男，碩士研究生。