整體道床鐵路隧道隧底病害成因分析及整治方案設計

馬超鋒

(中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所,北京 100081)

截至2018年底，中國大陸鐵路運營里程已達13.1萬km，其中投入運營的鐵路隧道 15 117 座，總長 16 331 km[1]?？梢?，隧道是鐵路基礎設施的重要組成部分。

我國現(xiàn)行TB 10003—2016《鐵路隧道設計規(guī)范》規(guī)定長度不小于 1 000 m 隧道和隧道群地段宜采用無砟軌道[2-3]。例如，瓦日線南呂梁山隧道、太中銀線呂梁山隧道和唐呼線集寧隧道等長大客貨共線鐵路隧道均采用整體道床。隨著投入運營的整體道床鐵路隧道越來越多、運營時間越來越長，其病害逐漸產(chǎn)生并日益發(fā)展，部分病害已嚴重影響行車安全。區(qū)別于碎石道床鐵路隧道，整體道床鐵路隧道在運營標準、病害類型、整治措施等方面均有典型特征。

部分學者針對整體道床鐵路隧道的病害特征及其成因機理開展了一些研究。郭飛等[4]以焦柳線銀匠界隧道整體道床為例，建立了彈塑性有限元法計算模型，研究了在列車作用下道床沉降與基底狀況的關系，計算得到的沉降值與實測數(shù)據(jù)吻合。研究結(jié)果表明:道床的沉降與道床下軟基被淘空的情況有關，以道床下軟基兩端逐步向中間被淘空為最不利情況;在基巖、側(cè)溝、邊墻、人行道和圍巖對整體道床的作用中，圍巖的作用有限。劉慶潭等[5]采用傳遞矩陣法(TMM)對隧道整體道床典型橫斷面作了力學分析，所得分析成果可為整體道床的設計和維護提供一些合理的科學參數(shù)。楊躍強[6]研究了某特長鐵路隧道承壓水對整體道床病害的影響和處理技術。張俊儉等[7]以太嵐線柏崖頭隧道整體道床局部下沉與翻漿冒泥病害整治為工程背景，提出了解除邊界約束、修補裂縫以及“上挑下頂”的隧道內(nèi)整體道床快速抬升技術，同時采用陣列式位移自動化監(jiān)測技術，實現(xiàn)了對各點抬升高度的精確控制。趙欣等[8]分析了烏鞘嶺隧道整體道床裂紋病害的主要影響因素，提出：對0.5 mm及以下的裂紋采取建立臺賬，定期檢查監(jiān)控；對不伴有整體道床下沉的0.5 mm以上的裂紋，采用環(huán)氧樹脂封閉法進行修補；對于裂紋密集、寬度較大并伴有整體道床下沉的裂紋，采用壓注水泥砂漿法進行整治。整治后隧道整體道床裂紋數(shù)量減少，線路設備質(zhì)量得到顯著提高，列車運行平穩(wěn)性和舒適性得到改善。王許鋒[9]介紹了蘭渝鐵路某隧道整體道床基礎下沉病害情況，提出了選用快硬硫鋁酸鹽水泥作為注漿材料，采用袖閥管注漿加固整體道床基底結(jié)構(gòu)的整治方案。孟令寶[10]結(jié)合瓦日線南呂梁山隧道病害整治工程，對整體道床隧道底鼓變形展開了理論及數(shù)值模擬分析，在此基礎上提出了較為合理的底鼓整治措施，并對其相關參數(shù)進行了模擬優(yōu)化。黃彥彬[11]以蘭渝鐵路木寨嶺隧道嶺脊段為背景，針對隧道施工中存在圍巖大變形并產(chǎn)生了仰拱隆起、二次襯砌開裂等病害，對隧道軌道結(jié)構(gòu)形式進行了優(yōu)化設計研究。根據(jù)施工中發(fā)生的病害現(xiàn)象，對應的變形特征，分析了病害產(chǎn)生的原因，從結(jié)構(gòu)安全可靠性、軌道結(jié)構(gòu)可維修性等方面綜合分析，提出了該段線路改為有砟軌道的建議。

綜上所述，針對整體道床鐵路隧道隧底病害的研究雖然取得了部分成果，但對整體道床鐵路隧道隧底病害的發(fā)育特征總結(jié)不夠，病害產(chǎn)生原因探討不深，病害整治措施缺乏系統(tǒng)性、針對性和有效性。因此，開展整體道床鐵路隧道病害特征分析，病害原因探討以及病害整治方案試驗是確保隧道結(jié)構(gòu)健康服役和列車運行安全的關鍵。

1 整體道床鐵路隧道隧底病害特點

1.1 主要病害類型

整體道床鐵路隧道隧底主要病害表現(xiàn)為：整體道床開裂、整體道床與仰拱填充層間離縫(溢水或細顆粒物被帶出)；隧底脫空、隧底不密實、整體道床下沉；仰拱裂損、仰拱厚度不足；隧底高水壓；整體道床上拱。

1.2 病害主要特征

整體道床鐵路隧道隧底病害的主要特征為：各類病害均對軌道平順性影響敏感;易形成高壓地下水而造成軌道上拱;多種病害同時產(chǎn)生，整治難度較大。

2 整體道床鐵路隧道隧底病害成因

2.1 整體道床與仰拱填充層或鋪底間離縫

從離縫溢出物來源、運移通道、運移介質(zhì)等方面分析：①病害區(qū)段周邊存在不良地質(zhì)體(如斷層破碎帶)，為細顆粒溢出物來源之一；病害區(qū)段仰拱填充層與整體道床底部接觸面之間不密實，在列車動荷載作用下發(fā)生研磨，產(chǎn)生細顆粒，為細顆粒溢出物來源之二；②病害區(qū)段仰拱填充層與整體道床底部接觸面之間不密實，為細顆粒物溢出通道之一；病害區(qū)段仰拱填充層澆筑質(zhì)量不達標，后期發(fā)生開裂，為細顆粒物溢出通道之二；③病害區(qū)段隧底圍巖富含地下水且無合理疏排通道，為各種細顆粒物的運移和溢出提供了介質(zhì)；聚集或封閉在整體道床與仰拱填充層之間的地下水在列車動荷載作用下形成動水壓力，進一步惡化病害區(qū)段的受荷條件，加劇了病害的擴展和演化。

2.2 整體道床下沉

整體道床下沉主要有3方面原因：①整體道床底部與隧道仰拱填充層或鋪底間存在離縫病害。②在列車荷載作用下整體道床與仰拱填充層或鋪底間產(chǎn)生接觸應力，接觸面發(fā)生研磨從而產(chǎn)生細顆粒物，細顆粒物被離縫間的水體抽吸、沖刷帶走，最終形成離縫并進一步擴大成腔狀空間。③隧底存在施工期未徹底清理的虛渣等不密實層。

2.3 整體道床上拱

整體道床上拱病害主要有3方面原因：①隧底存在豐富地下水且無合理疏排通道，在列車動載作用下形成動水壓力;②隧底存在膨脹巖等不良地質(zhì)體;③隧道穿越區(qū)存在復雜地質(zhì)構(gòu)造。

3 整體道床鐵路隧道隧底病害整治方案設計

3.1 整治方案設計原則

整治方案應對共發(fā)病害予以綜合治理，須在天窗內(nèi)實施完畢，且實施過程中不對隧底結(jié)構(gòu)和線路平順性造成影響。

3.2 綜合整治方案設計

基于整體道床鐵路隧道隧底病害特征、病害發(fā)生原因和致災機制以及整治方案設計和實施原則，提出“道床錨固+離縫充填+細顆粒固結(jié)+合理排水”的綜合整治方案。方案設計如圖1—圖4所示。

圖1 整體道床錨固錨樁孔位布置(單位：cm)

圖2 整體道床錨固用特制漲殼式錨樁結(jié)構(gòu)示意

圖3 整體道床與支承層間離縫填充示意(單位：cm)

圖4 整體道床加固排水方案橫斷面(單位：cm)

3.3 主要實施步驟

1)采用漲殼式中空錨樁將整體道床、隧底結(jié)構(gòu)和底部圍巖錨固在一起。

2)通過中空錨樁注入速凝、早強、高流動性的雙組分高分子材料，充填隧底不密實層，補強隧底結(jié)構(gòu)，填充隧底各類已有離縫，固結(jié)離縫內(nèi)細顆粒物，擠出離縫內(nèi)滯留水體。

3)采用流動性強、滲透性好、黏接性能優(yōu)的高分子化學材料對道床裂縫和離縫進行封閉和黏合。

4)在道床與側(cè)溝之間的溝槽內(nèi)斜向道床一側(cè)鉆取溢水孔，疏排隧底圍巖中富集的地下水。

4 病害整治方案現(xiàn)場應用與效果評價

唐呼線集寧隧道位于內(nèi)蒙古集寧市，為2座單線隧道，下行隧道長 5 875 m，上行隧道長 6 070 m，隧道縱坡為人字坡。隧道采用整體道床，軌道結(jié)構(gòu)為雙塊式無砟軌道。

2017年10月31日15：30，呼和浩特局集團公司集寧工務段在集寧隧道下行線進行日常檢查時發(fā)現(xiàn)，K700+560—K700+567長度7 m范圍內(nèi)無砟軌道整體道床底部溢水，列車通過時整體道床上下顫動。經(jīng)檢查，該范圍內(nèi)整體道床底部與仰拱填充層間存在1～5 mm 的離縫，整體道床側(cè)面排水槽內(nèi)局部有被擠出10 cm 厚的泥沙狀細顆粒物(見圖5)。自10月31日19：18分唐呼線K700+500—K700+600下行限速60 km/h 運行。2017年11月1—2日對上下行隧道進行全面檢查發(fā)現(xiàn)上行線存在同樣病害，自11月3日10：49 分唐呼線K700+400—K700+500上行限速60 km/h 運行。

圖5 整體道床底部與仰拱填充層間離縫及含水細顆粒溢出物

采用“道床錨固+離縫充填+細顆粒固結(jié)+合理排水”的綜合整治方案。其中高分子早強加固材料灌注如圖6所示。

圖6 高分子早強加固材料灌注

采用地質(zhì)雷達分別于病害發(fā)生后的2017年11月21日和病害整治完成后的2018年6月5日，對集寧隧道下行K700+480—K700+630段隧底狀態(tài)進行了檢測，結(jié)果對比見圖7—圖9?？梢姡『^(qū)段內(nèi)隧底所有不密實部位均得到充填和加固，未發(fā)現(xiàn)加固盲區(qū)。

圖8 集寧隧道下行線K700+577—K700+583病害整治前后隧底狀態(tài)對比

圖9 集寧隧道下行線K700+590—K700+598病害整治前后隧底狀態(tài)對比

5 結(jié)論

1)整體道床鐵路隧道隧底病害的主要特征為：各類病害對軌道平順性影響敏感，易形成高壓地下水而造成軌道上拱，多種病害類型復雜共生，病害整治技術儲備少，病害整治難度較大。

2)整體道床與仰拱填充層間存在離縫、離縫接觸面發(fā)生研磨、滯留水體沖刷抽吸形成腔體，隧底存在施工期未清理虛渣等不密實層是整體道床下沉的主要原因。

3)整體道床與仰拱填充層或鋪底間產(chǎn)生離縫及溢出細顆粒物的主要原因是列車動荷載的作用。

4)隧底存在豐富地下水且無合理疏排通道，在列車動荷載作用下形成動水壓力，隧底存在膨脹巖等不良地質(zhì)體，隧道穿越區(qū)存在復雜地質(zhì)構(gòu)造，是整體道床鐵路隧道隧底上拱的主要原因。

5)基于整體道床鐵路隧道隧底病害特征、病害發(fā)生原因和致災機制以及整治方案設計和實施原則，提出“道床錨固+離縫充填+細顆粒固結(jié)+合理排水”的綜合整治方案。

6)唐呼線集寧隧道整體道床病害的整治過程及整治效果顯示，該綜合整治方案將空腔填筑、結(jié)構(gòu)補強、離縫黏合、細顆粒物固結(jié)、滯留水體疏排等完美結(jié)合，可行且有效。