某高速鐵路隧道無砟軌道上拱原因分析及整治措施研究

羅旭陽

（中鐵建云南投資有限公司，云南 昆明 650200）

1 引言

高速鐵路具有行車速度快、安全、平穩(wěn)、舒適等優(yōu)點(diǎn)，除列車本身制造工藝外，主要取決于軌道平順性。業(yè)界一般用軌道TQI 指標(biāo)軌道的不平順性指數(shù)進(jìn)行評判，TQI 越大說明軌道的平順性越差，乘坐感受越差。有砟軌道將軌枕直接置于碎石道床上，靠碎石與軌枕間的擠壓力來固定軌道，但隨著列車的震動、氣溫的變化、軌道平順性越來越差[1]。無砟軌道將軌枕澆筑在混凝土道床板中，道床板與下部結(jié)構(gòu)可靠連接，用扣件扣壓力抵消鋼軌的溫度應(yīng)力，整個軌道結(jié)構(gòu)類似一種剛性結(jié)構(gòu)，如下部結(jié)構(gòu)無變化軌道結(jié)構(gòu)將不可能發(fā)生變化，這也是高速鐵路采用無砟軌道的主要原因。無砟軌道上拱多數(shù)由于下部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一種向上的作用力，導(dǎo)致軌道結(jié)構(gòu)抬升，鋼軌的平面位置及標(biāo)高產(chǎn)生變化[2]。

無砟軌道上拱一般很難通過肉眼觀察發(fā)現(xiàn)，但會對高速行車的列車造成很大的危害，直接危害乘客的生命安全。有的上拱類似巖體的蠕變特性，持續(xù)時間很長，雖上拱速度緩慢，但日積月累上拱終值很大，此時線路往往已開通運(yùn)營數(shù)年，徹底整治需要停運(yùn)，給國民經(jīng)濟(jì)造成很大的損失。

2 工程概況

2.1 工程水文地質(zhì)條件

該高速鐵路隧道圍巖為泥巖夾砂巖，以泥巖為主，巖性為軟巖。該類巖石主要由黏性礦物組成，在遇水情況下，易發(fā)生軟化，導(dǎo)致其巖體自身工程性質(zhì)降低。特別是在砂巖與泥巖的接觸部位，有可能出現(xiàn)泥化現(xiàn)象，隨著隧道的開挖，造成巖體直接臨空，沿泥化膜發(fā)生滑移。淺部巖層地下水主要賦存于基巖強(qiáng)風(fēng)化裂隙帶、構(gòu)造裂隙帶及砂巖孔隙裂隙內(nèi)；深部巖層裂隙逐漸閉合，地下水主要賦存于砂巖孔隙裂隙中。由于受透水性能極弱泥巖的挾持，隧區(qū)巖層相互間的水力聯(lián)系差，而無統(tǒng)一的地下水水面，且地下水具一定的承壓性[3]。

2.2 隧道設(shè)計(jì)施工情況

該段隧道設(shè)計(jì)以Ⅲ級圍巖為主，支護(hù)參數(shù)圖如圖1所示。拱部180°采用格柵鋼架及φ22 超前錨桿加強(qiáng)支護(hù)，鋼架間距1.5m。拱墻采用錨噴網(wǎng)支護(hù)，拱部采用中空錨桿，邊墻采用砂漿錨桿，錨桿間距1.2m×1.5m（環(huán)×縱），錨桿長度3.0m，鋼筋網(wǎng)采用φ6 盤條，網(wǎng)格大小25cm×25cm，濕噴混凝土標(biāo)號C25，厚度拱部23cm、邊墻12cm，仰拱10cm，二襯采用C30 素混凝土，拱墻厚度40cm、仰拱厚度45cm。

圖1 Ⅲ級圍巖支護(hù)參數(shù)圖

3 病害情況

2017 年6 月，對隧道內(nèi)無砟軌道采用GEDO CE軌道檢測儀進(jìn)行精測時，發(fā)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)異常，更換安博格GRP1000 軌道檢測儀復(fù)核后確認(rèn)測量結(jié)果無誤。異常段落為隧道內(nèi)K88+120～K88+834、K89+521～K89+677 段。

分析發(fā)現(xiàn)該段無砟軌道存在不同程度上拱，其中K88+496～K88+600 段上拱最嚴(yán)重，右線左軌上拱最大值為24.1mm，左線右軌上拱最大值25.1mm，如圖2、圖3 所示。比對測量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，無砟軌道左右線上拱段基本相互對稱，且左線右軌明顯高于左軌，右線左軌明顯高于右軌，呈隧中高兩側(cè)低的形態(tài)[5]。

圖2 無砟軌道上拱橫斷面示意圖

圖3 無砟軌道左右線上拱統(tǒng)計(jì)分析圖

4 上拱原因分析

無砟軌道上拱的原因復(fù)雜多樣，而且存在一定的隱蔽性，對此采取了現(xiàn)場調(diào)查法、鉆探、物探和沉降觀測等多種方法來查找該段無砟軌道上拱的原因[6]。

4.1 現(xiàn)場調(diào)查情況

該段無砟軌道上拱呈隧中高、兩側(cè)低，左右線呈對稱分布的情況，推斷是由于仰拱結(jié)構(gòu)上拱導(dǎo)致的，仰拱底部受到較大的負(fù)彎矩，負(fù)彎矩產(chǎn)生的拉應(yīng)力已超過仰拱混凝土的抗拉強(qiáng)度，導(dǎo)致仰拱混凝土產(chǎn)生縱向裂縫，如圖4 所示。通過現(xiàn)場調(diào)查，在K88+550 中心水溝溝底處發(fā)現(xiàn)一處縱向裂縫，裂縫長度約13m，縫寬3～13mm，經(jīng)鉆探發(fā)現(xiàn)裂縫貫穿仰拱結(jié)構(gòu)。這說明該段無砟軌道的上拱主要是由于仰拱結(jié)構(gòu)上拱導(dǎo)致的，并且仰拱結(jié)構(gòu)已破壞，失去承載能力。

圖4 K88+550 仰拱縱向貫通裂縫

4.2 仰拱及仰拱填充施工質(zhì)量檢查情況

仰拱結(jié)構(gòu)破壞的原因一方面可能是仰拱的施工質(zhì)量不符合設(shè)計(jì)要求，另一方面可能是設(shè)計(jì)參數(shù)不符合要求，仰拱本身設(shè)計(jì)承載能力不足。于是對仰拱及填充混凝土厚度、強(qiáng)度、曲率是否滿足設(shè)計(jì)要求，隧底是否存在承壓水、是否有虛渣等情況進(jìn)行了詳細(xì)的調(diào)查。通過鉆探取芯、孔內(nèi)電視成像技術(shù)實(shí)測仰拱及填充混凝土的厚度、曲率和隧底虛渣、積水情況，對芯樣做單軸抗壓強(qiáng)度來實(shí)測混凝土強(qiáng)度，同時通過鉆孔也可觀察隧底是否存在承壓水，如圖5、圖6 所示。本段共取芯驗(yàn)證10 個斷面，每個斷面3 個鉆孔，結(jié)果表明仰拱施工質(zhì)量符合設(shè)計(jì)及驗(yàn)標(biāo)要求，隧底無承壓水。

圖5 孔內(nèi)電視成像

圖6 芯樣強(qiáng)度試驗(yàn)

4.3 隧底地質(zhì)補(bǔ)勘情況

通過在隧中鉆設(shè)10～15m 深孔，獲取芯樣后進(jìn)行了巖石的巖石膨脹性、單軸飽和抗壓強(qiáng)度等物理力學(xué)試驗(yàn)，如圖7、圖8 所示。試驗(yàn)結(jié)果表明巖石自由膨脹率Fa=8%～13%，蒙脫石含量M=3.7%～7.6%，陽離子交換量CEC（NH4+）=98～169mmol/kg，具有弱膨脹性[7]。巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度20MPa 左右，屬軟巖。芯樣揭示隧底圍巖主要以泥巖為主，巖層呈近水平狀，層厚為薄層，部分為餅狀結(jié)構(gòu)，圍巖破碎，隧底無地下水。該類巖石的膨脹力不足以導(dǎo)致仰拱結(jié)構(gòu)上拱。

圖7 鉆探現(xiàn)場

圖8 芯樣照片

4.4 地應(yīng)力測試情況

委托中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所對該段地應(yīng)力進(jìn)行了測試，測試位置為隧道輔助導(dǎo)坑K88+550 處，該段埋深約為330m，分別在隧道右邊墻和底板布設(shè)了一個水平鉆孔、一個垂直鉆孔，孔深40m，采用水壓致裂法進(jìn)行了地應(yīng)力測試。兩個鉆孔的實(shí)測數(shù)據(jù)綜合分析表明，隧道測試段部位的原地應(yīng)力場以構(gòu)造應(yīng)力為主導(dǎo)（最大值13.61MPa），且明顯高于上覆巖體的自重應(yīng)力。經(jīng)過分析計(jì)算，隧道測試段的圍巖開挖后的初始應(yīng)力狀態(tài)屬于極高應(yīng)力狀態(tài)。上述處于極高應(yīng)力狀態(tài)的隧道圍巖，在支護(hù)不足時可能會發(fā)生圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形破壞情況。

4.5 沉降觀測情況

為準(zhǔn)確觀測該段仰拱的上拱趨勢，除道床板邊緣（靠電纜槽側(cè)）2 個觀測點(diǎn)外，在隧道中心水溝處新增1 個觀測點(diǎn)，按照個/3d 頻率進(jìn)行觀測，通過K88+550 典型斷面仰拱上拱的時間位移曲線可以看出，仰拱上拱的速度沒有減小，速率也沒有減少，累計(jì)上拱值依然在增加，沒有收斂的趨勢，如圖9 所示。

圖9 K88+550 仰拱上拱時間位移曲線圖

基于上述現(xiàn)場調(diào)查和試驗(yàn)檢測情況，結(jié)合相關(guān)資料經(jīng)綜合研判，無砟軌道上拱原因?yàn)闃O高地應(yīng)力導(dǎo)致。該段圍巖被定性為Ⅲ級圍巖，初期支護(hù)格柵鋼架未全環(huán)封閉，二次襯砌無鋼筋，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度偏弱，極高地應(yīng)力導(dǎo)致仰拱結(jié)構(gòu)中部產(chǎn)生負(fù)彎矩，仰拱混凝土受拉破壞，應(yīng)力產(chǎn)生應(yīng)變，從而引起隧底結(jié)構(gòu)的抬升。此變形機(jī)理表現(xiàn)為隧中仰拱結(jié)構(gòu)存在縱向裂縫，隧中上拱值最大，向隧道兩側(cè)逐步變小，左右線基本對稱。依據(jù)時間位移變形曲線，上拱趨勢還未收斂，且仰拱結(jié)構(gòu)已完全破壞[8]。

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5 整治措施探討

5.1 整治原則

考慮到仰拱結(jié)構(gòu)受力體系已破壞，仰拱上拱在觀測期內(nèi)還未明顯收斂，防止仰拱發(fā)生二次上拱或者長期蠕變變形。采用重新建立仰拱受力體系的整治原則，經(jīng)組織行業(yè)內(nèi)專家經(jīng)充分論證后，決定對上拱段的仰拱進(jìn)行拆換，重新施做無砟軌道道床結(jié)構(gòu)[9]。

5.2 整治組織方案和流程

考慮到本隧道襯砌結(jié)構(gòu)已封閉成環(huán)，為保證拆換過程的安全性，將整個拆換段落劃分為30～50m 的拆換單位，每個拆換單元一次拆換3m，各單位間平行流水作業(yè)，要求在拆換前對拱墻部襯砌進(jìn)行錨固，確保上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性，防止由于拆換仰拱造成上部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。具體拆換流程如圖10 所示。

5.3 具體整治措施

（1）施做邊墻鎖腳錨桿。為保證上部結(jié)構(gòu)的安全，仰拱拆換前在邊墻兩側(cè)分別打設(shè)2 排鎖腳錨桿，鎖腳錨桿縱向間距1m，呈梅花形布置；鎖腳錨桿的材質(zhì)為φ32PSB930 精軋螺紋鋼，鎖腳錨桿的支撐作用可減弱上部結(jié)構(gòu)對仰拱造成的豎向擠壓力。

（2）增加仰拱厚度，增大仰拱曲率。通過增加仰拱厚度、深度，仰拱混凝土改為C35 鋼筋混凝土，極大提高了仰拱結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，增大仰拱抵抗破壞的能力[10]。仰拱和隧底錨桿施做示意圖如圖11 所示。

圖10 無砟軌道上拱整治流程圖

圖11 仰拱和隧底錨桿施做示意圖

（3）設(shè)置接茬鋼筋。為保證仰拱結(jié)構(gòu)與上部結(jié)構(gòu)可靠連接，在邊墻縱向施工縫設(shè)置接茬鋼筋，接茬鋼筋間距、大小與仰拱環(huán)向主筋一直，植入深度不小于40cm，采用高性能植筋膠植筋。

（4）增設(shè)隧底錨桿。如圖11，采用隧底錨桿將仰拱結(jié)構(gòu)錨入隧底圍巖，錨桿長度10m，錨桿入巖深度8m 左右，錨桿材質(zhì)為φ32PSB930 精軋螺紋鋼，采用全黏結(jié)性錨桿，這樣可以仰拱結(jié)構(gòu)抵抗上拱的能力。

仰拱拆換必然造成圍巖的二次擾動，圍巖應(yīng)力需要二次分布，所以在仰拱拆換完成后需要進(jìn)行不少于3 個月的沉降觀測，然后根據(jù)沉降觀測結(jié)果施做無砟軌道[11]。

5.4 安全質(zhì)量控制要點(diǎn)

（1）嚴(yán)格控制仰拱一次拆換進(jìn)尺，進(jìn)尺過大會造成上部結(jié)構(gòu)沉降、開裂甚至坍塌。

（2）加強(qiáng)圍巖監(jiān)控量測，防止上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大變形。

（3）嚴(yán)禁產(chǎn)生垂直于仰拱面的縱向施工縫，人為造成垂直向上的滑動面。另外，仰拱澆筑完成后，需要對縱向施工縫進(jìn)行注漿回填。

（4）仰拱拆換完成后，必須完成主體結(jié)構(gòu)沉降評估后方可施工無砟軌道。

（5）鎖腳錨桿和隧底錨桿必須進(jìn)行二次注漿，原因?yàn)樗酀{存在收縮，會損失部分錨固力。

6 結(jié)論

6.1 整治效果

通過深入調(diào)查研究，現(xiàn)場采取了包括鉆探、物探、沉降觀測等多種手段，組織行業(yè)內(nèi)具體豐富經(jīng)驗(yàn)的專家進(jìn)行充分論證，準(zhǔn)確查明了造成本次無砟軌道上拱的原因，同時結(jié)合仰拱上拱的時間位移曲線，在上拱趨勢無明顯收斂、仰拱結(jié)構(gòu)失去承載力的情況下，果斷采用徹底拆換仰拱，重新施做無砟道床的方案。該條線路至今已開通運(yùn)營2 年，經(jīng)長期觀測，該段無砟軌道已處于穩(wěn)定狀態(tài)，軌道的TQI 指標(biāo)滿足要求，軌道平順性良好。

6.2 建議

（1）準(zhǔn)確研判無砟軌道上拱的原因是進(jìn)行無砟軌道上拱病害整治的關(guān)鍵所在，無砟軌道上拱的原因復(fù)雜多樣，上拱呈長期的蠕動變化，如不通過長期觀測，很難發(fā)現(xiàn)。通常在發(fā)現(xiàn)上拱問題時，線路一般即將建成通車或者已運(yùn)營，這時處理難度都很大，時間很緊迫。所以在發(fā)生類似問題時，應(yīng)通過各種科學(xué)手段準(zhǔn)確研判上拱的原因，采取切實(shí)可行的整治手段，避免過度整治或者整治后仍然繼續(xù)上拱[12]。

（2）加強(qiáng)工程質(zhì)量控制，包括勘察設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量，勘察深度決定了設(shè)計(jì)方案的合理性，特別是我國西南地區(qū)廣泛分布的紅層地區(qū)，由于地形起伏大，圍巖承載力弱，隧道開挖很容易發(fā)生大變形，進(jìn)而造成仰拱襯砌產(chǎn)生過大的負(fù)彎矩，如仰拱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)承載力不足，很容易造成仰拱上拱，從而引起無砟軌道上拱。

（3）對于從事隧道設(shè)計(jì)與施工的技術(shù)人員，特別是大斷面隧道，必須時刻保持警惕，對有可能上拱的類似地層，在設(shè)計(jì)之處應(yīng)該采取有效的手段予以杜絕；在施工過程中，加強(qiáng)與勘察設(shè)計(jì)文件的地質(zhì)核對工作，對存在與設(shè)計(jì)不符的地質(zhì)應(yīng)及時反饋，必要時修改設(shè)計(jì)參數(shù)。

（4）高速鐵路對軌道的平順性要求很高，而無砟軌道對結(jié)構(gòu)變形適應(yīng)性非常差，所以需要加強(qiáng)仰拱的施工質(zhì)量，特別是隧底不能有虛渣或者基底長期浸泡于地下水中，特別在膨脹巖地區(qū)應(yīng)謹(jǐn)慎采用無砟軌道結(jié)構(gòu)形式[13]。