高地應(yīng)力軟巖大變形隧道內(nèi)軌道工程接口設(shè)計探討

劉喆豐 田春香 李糧余 黎 旭

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

山區(qū)隧道埋深大、區(qū)域構(gòu)造強(qiáng)烈、地質(zhì)條件復(fù)雜，在建設(shè)和運營期間，時常發(fā)生由不良地質(zhì)引起的隧底變形和無砟軌道上拱等問題[1]。本文以隧道軟巖大變形的機(jī)理為討論依據(jù)，著重分析軟巖大變形對隧道和軌道工程的影響，指出現(xiàn)行設(shè)計接口中存在的局限性，并提出相應(yīng)的解決措施和建議。

1 軟巖大變形的定義

軟巖大變形是指在高地應(yīng)力軟弱圍巖條件下，圍巖因緩慢釋放應(yīng)變能造成沉降破壞并最終失穩(wěn)的現(xiàn)象。它的破壞形式與巖爆現(xiàn)象形成的脆性破壞相反，是圍巖的柔性破壞。在高地應(yīng)力等同的條件下，若圍巖發(fā)生脆性破壞，則基本上會導(dǎo)致巖爆現(xiàn)象的發(fā)生；若圍巖發(fā)生柔性破壞，則很大可能產(chǎn)生隧道大變形。一般情況下，巖爆對隧道工后變形影響較小，而發(fā)生柔性破壞的地段則可能出現(xiàn)工后持續(xù)變形的情況。

目前，國內(nèi)外研究者對于軟巖和大變形的定義已有十余種，但尚未形成一套完整的體系，也未有一致和明確的定義[2]。何滿朝[3]教授認(rèn)為大變形可分為彈性和塑性大變形，軟巖大變形是塑性大變形，與過程緊密相關(guān)。卞國忠[4]則從圍巖變形量上定義大變形，若隧道的圍巖變形量超過通常規(guī)定的2倍(即≥40 cm)，則認(rèn)為變形為大變形，若圍巖變形量介于20～40 cm之間，可認(rèn)為是正常變形至大變形的過渡階段。姜云等人[5]根據(jù)圍巖大變形產(chǎn)生的地質(zhì)和環(huán)境條件變形的力學(xué)機(jī)制提出了圍巖大變形的全新定義:隧道及地下工程中，由軟弱巖體構(gòu)成的圍巖，在高地應(yīng)力(或相對高應(yīng)力)、地下水或自身膨脹性能的作用下，其自身承載能力喪失或部分喪失，產(chǎn)生具有累積性和明顯時間效應(yīng)的塑性變形且變形得不到有效約束的現(xiàn)象。它既區(qū)別于巖爆運動的脆性破壞，又區(qū)別于圍巖松動圈中受限于一定結(jié)構(gòu)面控制的坍塌、滑動等破壞。

2 軟巖大變形對隧道和軌道工程的影響分析

2.1 軟巖大變形對隧道工程的影響

(1)軟巖大變形地段隧道工后變形量難以量化

在大變形地質(zhì)環(huán)境中往往存在高地應(yīng)力、地下水、溫度等多場耦合作用，隧道圍巖不僅要承受自身的多場耦合作用，還要承受隧道開挖、支護(hù)過程中多次應(yīng)力重分布的影響。在多種大變形影響因素的共同作用下，隧道開挖會引起軟弱破碎圍巖錯動、滑移，形成松動圈，巖體塑性化或吸水膨脹，即產(chǎn)生軟巖大變形。

根據(jù)現(xiàn)有施工經(jīng)驗，施工中軟巖大變形地段局部具有地應(yīng)力持續(xù)釋放、巖體緩慢變形的“流變”特征，工程界對上述“流變”發(fā)生機(jī)理尚無明確說法，也較難準(zhǔn)確地判定“流變”發(fā)生段落及工后變形具體量值。因此，軟巖大變形的變形量在設(shè)計階段難以通過單一因素的影響來判斷和預(yù)測。

(2)軟巖大變形設(shè)計與施工揭示差異較大

設(shè)計階段軟巖大變形多采用地質(zhì)調(diào)查法結(jié)合物探、鉆探等綜合手段進(jìn)行預(yù)測，限于勘探手段和地質(zhì)條件的復(fù)雜性，同時受施工中應(yīng)力重分布的影響，設(shè)計階段難以十分準(zhǔn)確地預(yù)測大變形的具體分布位置和等級。從現(xiàn)有的工程經(jīng)驗分析，施工現(xiàn)場實際揭示的軟巖大變形發(fā)生段落、等級及特征與設(shè)計階段存在一定差異。

以某深埋鐵路隧道為例，該隧道在設(shè)計階段預(yù)測各級別軟巖大變形段落總長度為2.85 km，如表1所示；施工揭示軟巖大變形段落總長度為2.199 km，如表2所示。

表1 某鐵路隧道設(shè)計階段變形情況統(tǒng)計表

表2 某鐵路隧道施工階段變形情況統(tǒng)計表

從表1、表2中可以看出，輕微、中等和嚴(yán)重大變形的預(yù)測地段和施工揭示地段均存在一定差異。

2.2 軟巖大變形對軌道結(jié)構(gòu)選型的影響

與路基、橋梁、樁板等地面建筑基礎(chǔ)不同，在目前的技術(shù)條件下，隧道軟巖大變形的段落、等級、工后變形量都難以準(zhǔn)確預(yù)判，軌道結(jié)構(gòu)選型因此缺少了相應(yīng)的前置條件和設(shè)計依據(jù)。一般情況下，在變形不易控制的地段宜采用有砟軌道，但對于一些特殊地區(qū)(如高原、高寒地區(qū))的超長隧道，無砟軌道顯然更有利于養(yǎng)護(hù)維修工作，但其調(diào)整能力有限[6](一般為-4mm～+26mm)，很難適應(yīng)線下基礎(chǔ)較大或持續(xù)的變形。

3 現(xiàn)行隧道與軌道接口設(shè)計存在的局限性

由于軟巖大變形地段的不確定性因素較多，就目前實行的隧道、軌道接口設(shè)計方式而言，主要存在以下幾方面的局限性。

3.1 隧底變形監(jiān)測與沉降評估的局限性

(1)隧道斷面觀測點不足

現(xiàn)行Q/CR 9230-2016《鐵路工程沉降變形觀測與評估技術(shù)規(guī)程》(以下簡稱“《規(guī)程》”)規(guī)定，隧道變形監(jiān)測點設(shè)置于水溝中心和隧道仰拱(底板)兩側(cè)[7]，如圖1所示。

圖1 隧道觀測標(biāo)施工期間埋設(shè)示意圖

但通過對一些隧底變形病害的觀測數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，一些隧道變形突出發(fā)生在軌行區(qū)，而仰拱或底板兩側(cè)的變形量很小，如圖2所示。

由此可見，在施工觀測期有必要增加軌行區(qū)的觀測點，并納入沉降評估工作中。

(2)監(jiān)測點的布置密度不足

圖2 某隧道底鼓病害橫斷面監(jiān)測情況柱狀圖

《規(guī)程》規(guī)定，Ⅱ級圍巖的監(jiān)測點布置間距不大于600 m，Ⅲ級不大于400 m，Ⅳ級不大于300 m，Ⅴ級不大于200 m，不良地質(zhì)和復(fù)雜地質(zhì)地區(qū)(地應(yīng)力較大、斷裂破碎帶、膨脹土、濕陷性黃土等)應(yīng)當(dāng)加密。近年來的隧道病害情況表明，單段病害工點長度范圍一般在30～80 m不等[8](如圖3所示)，因此，即便是Ⅴ級圍巖的布設(shè)間距要求也無法滿足，雖然《規(guī)程》要求在不良地質(zhì)區(qū)域進(jìn)行加密監(jiān)測，但僅為定性要求，施工階段難以有效執(zhí)行。另外，根據(jù)一些在建項目的沉降評估情況，隧道監(jiān)測點過于稀疏還會導(dǎo)致評估數(shù)據(jù)擬合困難，無法準(zhǔn)確判斷其趨勢[9]。

圖3 某隧道隧底變形縱斷面示意圖(變形長度范圍70 m)

(3)沉降評估的時間不足

《規(guī)程》要求隧道仰拱(底板)在鋪軌前的沉降評估時間不少于3個月[10]，但從近年運營期間發(fā)生的隧底變形病害案例分析，病害發(fā)現(xiàn)時間多在開通后 0.5～1 a左右，大部分變形速率約為0.5～1.5 mm/月，其中還存在部分月份無變化的情況。由此可見，3個月的沉降評估觀測時間較難準(zhǔn)確判定隧道是否存在變形，因為月平均速率1 mm以內(nèi)的變形往往需要長時間的數(shù)據(jù)積累來判斷趨勢變化，否則會被誤認(rèn)為是測量誤差而被忽略。《規(guī)程》同時規(guī)定在無砟軌道鋪軌后應(yīng)進(jìn)行3個月的觀測，但在實際操作中，反映在軌道上的一些不平順問題常通過扣件調(diào)整、線路順坡的方式進(jìn)行改善，真實的原因易被忽視或掩蓋。

3.2 隧道襯砌斷面設(shè)計缺少兼容性

現(xiàn)行通用圖中，有砟與無砟隧道襯砌斷面存在一定差異，有砟襯砌斷面仰拱曲率更大，圬工量更大；對于軌道的結(jié)構(gòu)高度預(yù)留也有所不同，以有砟軌道與雙塊式無砟軌道為例，兩者結(jié)構(gòu)高度相差25 cm，有砟軌道預(yù)留的高度更大。

鑒于軟巖大變形的特殊性，現(xiàn)行的一些設(shè)計原則在隧道斷面缺少兼容性的條件下執(zhí)行較為困難。

以某高原鐵路項目中的一超長隧道情況為例，該隧道全長25 km，隧道洞口海拔高度約 3 500 m。根據(jù)地質(zhì)預(yù)測，該隧道內(nèi)大變形段落占比約41%，且分布較為零散，如圖4所示。單段長度100～1 720 m不等，各段之間間距100～1 900 m不等。若軌道結(jié)構(gòu)按變形不易控制的地段采用有砟軌道的原則，則會出現(xiàn)同一隧道內(nèi)有砟、無砟反復(fù)過渡的問題，不利于隧道排水和軌道養(yǎng)護(hù)維修；若按同一種軌道結(jié)構(gòu)型式成段集中鋪設(shè)的原則，該隧道勢必以有砟軌道為主，則無法滿足高原、高寒地區(qū)長大隧道宜減少養(yǎng)護(hù)維修工作的要求；若全隧采用無砟軌道，則存在潛在變形不可調(diào)的風(fēng)險。

圖4 某高原地區(qū)超長隧道內(nèi)預(yù)測大變形段落分布情況圖(填充段為大變形段落)

若隧道襯砌斷面具備兼容有砟、無砟兩種軌道結(jié)構(gòu)的功能，則類似工況下的軌道可通過隧道施工期間的實際揭示和沉降評估結(jié)果來綜合選取，以同一種軌道結(jié)構(gòu)形式成段集中鋪設(shè)的原則，有效避免隧道、軌道各自在有砟、無砟兩種形式下反復(fù)過渡的問題。

4 隧軌接口優(yōu)化設(shè)計的思路與建議

4.1 接口優(yōu)化設(shè)計的思路

由于目前技術(shù)上無法在設(shè)計階段準(zhǔn)確預(yù)判軟巖大變形段落的變形情況，因此建議隧道專業(yè)在設(shè)計階段可采用有砟襯砌斷面作為兼容性斷面，同時根據(jù)施工揭示情況和沉降評估結(jié)果動態(tài)設(shè)計，以綜合手段降低大變形工況下帶來的不確定風(fēng)險。

設(shè)計階段，在全線按無砟軌道要求設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)預(yù)測，對存在嚴(yán)重大變形風(fēng)險的隧道全隧采用有砟襯砌斷面。

施工階段，鋪軌前應(yīng)根據(jù)隧底軌行區(qū)變形評估結(jié)論確定軌道類型。在不滿足無砟軌道鋪設(shè)要求的地段，應(yīng)結(jié)合段落長度和養(yǎng)護(hù)維修需求確定有砟軌道鋪設(shè)范圍。接口設(shè)計思路如圖5所示。

圖5 接口設(shè)計思維導(dǎo)圖

4.2 隧道與軌道接口優(yōu)化設(shè)計的建議

針對上述隧道與軌道接口設(shè)計存在的問題，結(jié)合軟巖大變形的特點，對隧道與軌道接口優(yōu)化設(shè)計提出以下建議：

(1)加強(qiáng)和完善隧道內(nèi)沉降評估工作

近年來，一些鐵路在運營后短期內(nèi)即發(fā)現(xiàn)隧底變形病害，這與未加深沉降評估工作有著密切的關(guān)系，建議著重考慮以下幾個方面：

①增設(shè)隧道橫斷面上的觀測點，主要針對軌行區(qū)進(jìn)行布點，以便掌握軌行區(qū)的變形情況。

②增加同一隧道內(nèi)的觀測斷面，對于一些特殊隧道，布點距離宜加密至20～30 m。

③延長變形觀測的時間，有條件的線路可將觀測期延長至1 a，以便觀測變形受四季變化的影響。

(2)研究可兼容多種軌道結(jié)構(gòu)形式的襯砌斷面

采用兼容性的斷面有利于隧道統(tǒng)一排水設(shè)計，同時也便于隧道與軌道專業(yè)實施動態(tài)設(shè)計，施工期間可根據(jù)隧道實際揭示情況、沉降評估指標(biāo)等對應(yīng)選擇軌道結(jié)構(gòu)形式，而不引起斷面過渡和排水銜接等問題。

(3)加強(qiáng)特殊地質(zhì)條件下的隧道仰拱設(shè)計

結(jié)合山區(qū)鐵路病害工點的整治經(jīng)驗，建議在設(shè)計階段加強(qiáng)對軟巖大變形區(qū)段的隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計，選擇適合的支護(hù)參數(shù)，關(guān)鍵段落仰拱應(yīng)配結(jié)構(gòu)鋼筋，增加曲率，降低施工期間出現(xiàn)仰拱開裂等病害。

(4)研發(fā)不同調(diào)整量的新型軌道結(jié)構(gòu)型式

針對軟巖大變形地段，西南山區(qū)或高原、高寒地區(qū)等的超長隧道與軌道應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計，針對線下基礎(chǔ)不同的變形量，應(yīng)積極研發(fā)不同調(diào)整量的新型軌道結(jié)構(gòu)型式，以滿足鐵路建設(shè)的需求。

5 結(jié)束語

雖然目前的理論研究和預(yù)測手段暫時無法準(zhǔn)確預(yù)判軟巖大變形的具體量值，但通過設(shè)計中加強(qiáng)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計、合理優(yōu)化接口方式、提升隧道斷面的兼容性，施工中嚴(yán)格控制工程質(zhì)量、高度重視并加深對軟巖大變形地段的觀測工作，鋪軌前認(rèn)真做好對隧底基礎(chǔ)的變形評估工作，可有效降低和避免軟巖大變形對無砟軌道的影響，通過隧道和軌道系統(tǒng)、動態(tài)的設(shè)計滿足鐵路建設(shè)的需求。