基于行車安全的ZJY高鐵隧道底隆致無碴軌道變形處置實(shí)踐與探討

周保安， 吳 劍， 王立川， 龔 倫， 馬相峰， 許召強(qiáng)， 趙 偉， 張 鵬

(1. 中國鐵路成都局集團(tuán)有限公司， 四川 成都 610082； 2. 中鐵西南科學(xué)研究院有限公司， 四川 成都 611731； 3. 中南大學(xué)， 湖南 長沙 410075； 4. 西南交通大學(xué)， 四川 成都 610031； 5. 中鐵十八局集團(tuán)有限公司， 天津 300222; 6. 中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 湖北 武漢 430063)

0 引言

截至2020年底，中國高鐵運(yùn)營里程已超過3.79×104km，地質(zhì)復(fù)雜多變和建設(shè)期設(shè)計(jì)施工缺陷及其演變導(dǎo)致無碴軌道基礎(chǔ)變形病害時有發(fā)生，以西南山區(qū)為代表的高鐵隧道，隧線比多在45%～85%，隧道內(nèi)多表現(xiàn)出滲漏水、隧底裂損、底隆、軟巖大變形等病害[1-3]。隧道內(nèi)軌道基礎(chǔ)有2種類型[4-5]： 一種是道床板布設(shè)于仰拱填充層上，另一種是道床板布設(shè)于隧道底板上。按高鐵設(shè)計(jì)一般原則，在速度≥250 km/h的線路中，基本采用無碴軌道結(jié)構(gòu)，其具有平順、穩(wěn)定、壽命長、避免飛碴、少維護(hù)等眾多優(yōu)點(diǎn)，但是-4～+26 mm的扣件調(diào)整能力制約了軌道高程調(diào)整幅度。在隧-軌變形關(guān)系不協(xié)調(diào)、隧道底隆缺陷尚無系統(tǒng)規(guī)制的建設(shè)技術(shù)條件下，鑒于軌道幾何尺寸與長短波的關(guān)系處理，不可能只調(diào)整底隆的個別具體斷面，而是在一定的縱向范圍內(nèi)系統(tǒng)調(diào)整，使軌道調(diào)整極易達(dá)到扣件能力極限，局部甚至長距離使用特種扣件成為必然選擇?；谛熊嚢踩吐每褪孢m度考量，降速運(yùn)行成為不二的運(yùn)營對策。

針對隧道內(nèi)無碴軌道基礎(chǔ)底隆變形的整治，已有不少專家學(xué)者進(jìn)行了研究。如： 汪洋等[6]基于十漫高速公路云嶺隧道，分析了隧道底隆的形式和發(fā)展過程，并推導(dǎo)了底隆的表達(dá)式，提出間隔置換仰拱、拱腳加固、提高仰拱拱度等措施；杜明慶等[7]從圍巖膨脹機(jī)制出發(fā)，分析了膨脹性圍巖遇水膨脹后引起的隧道仰拱底鼓破壞模式及過程，指出仰拱底隆的受彎破壞模式，最大彎矩出現(xiàn)在仰拱中心位置，拉裂縫首先在中心位置出現(xiàn)；王子江等[8]針對施工期的蘭渝鐵路玄真觀隧道，指出地層特性、地質(zhì)構(gòu)造、施工質(zhì)量等是影響隧道變形破壞的主要因素，分析建立了地應(yīng)力與隧道變形破壞的關(guān)系，并提出隧底設(shè)置長錨桿、設(shè)置W鋼帶、網(wǎng)噴混凝土、采用有碴軌道等思路；王武田[9]針對某高鐵隧道在運(yùn)營期出現(xiàn)的隧底開裂上拱變形等病害，從地層巖性、地下水及施工等方面進(jìn)行了成因分析，并提出了基底注漿、軌道板裂縫壁可法修復(fù)、縱向裂縫水泥漿高壓灌注處理等方案。

可以發(fā)現(xiàn)，目前隧道內(nèi)無碴軌道基礎(chǔ)底隆變形的整治方案主要有2大類： 一類是拆除軌道和隧底結(jié)構(gòu)后，重構(gòu)隧底結(jié)構(gòu)(仰拱參數(shù)調(diào)整)和無碴軌道(視變形穩(wěn)定與否適當(dāng)預(yù)留底隆量)的仰拱重構(gòu)方案，一般適用于新線階段或底隆病害已穩(wěn)定的工況，是一勞永逸的根治方案；另一類是將無碴軌道改為有碴軌道方案，受線路預(yù)期運(yùn)行速度標(biāo)準(zhǔn)及后期維養(yǎng)成本控制，并不能根治病害，只是有碴軌道便于調(diào)軌，但對行車影響較大，速度≥250 km/h的高鐵線路極少采用。

可以看出，現(xiàn)有研究主要集中在隧道底隆變形原因分析和洞身工程整治措施上，而在變形原因的原則認(rèn)識上并未獲得較為一致的意見，且很少有針對隧道運(yùn)營期底隆保障運(yùn)營安全的工務(wù)措施的研究。本文以西南地區(qū)XC高鐵ZJY隧道的工程實(shí)際為例，考慮該隧道底隆缺陷具有長段落、大尺度、邊整治邊發(fā)展的特點(diǎn)，針對由此導(dǎo)致的軌道基礎(chǔ)變形和線路病害，簡要介紹了運(yùn)營前整治的情況后，對運(yùn)營期間底隆發(fā)展趨勢和工務(wù)整治過程進(jìn)行梳理分析，開展運(yùn)營高鐵隧道“帶病服役”期間短期內(nèi)保障列車運(yùn)營安全控制措施的研究與實(shí)踐，指出錨固在高地應(yīng)力型隧道底隆整治中的無效性，介紹了整治措施有效程度的排序，提出徹底整治ZJY隧道底隆致軌道病害的方向性方案，以利于高鐵線路行車安全、旅客舒適度和恢復(fù)運(yùn)營秩序的確保。需要說明的是，隧道底隆與軌面高程是不同但卻是呈正相關(guān)的概念，基于工務(wù)專業(yè)習(xí)慣以軌面高程表達(dá)，且軌面高程抬升相對底隆更為保守和安全，為了表達(dá)便利，文中并未刻意區(qū)分軌面高程抬升與底隆的差異。

1 隧道底隆及其開通前整治簡介

1.1 隧道概況

1.1.1 地質(zhì)簡述

ZJY隧道全長8 315 m，穿越構(gòu)造侵蝕低中山區(qū)大巴山向盆地過渡的陡降地段，最大埋深約590 m，沿隧道洞身為Ⅲ～Ⅴ級圍巖交替分布。隧址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，巖體受強(qiáng)烈擠壓，構(gòu)造應(yīng)力大。底隆段K367+000～K368+700段(約1 700 m)穿越虎口埡向斜(見圖1)和大塘村背斜，向斜核軸部與洞身呈45°交角，巖性為灰?guī)r、泥巖、白云巖，因背斜與洞身長距離“伴行”卻不相交(近平行)，故在地質(zhì)縱斷面圖中未標(biāo)注。施工揭示該段落地下水貧瘠，且該段施工中僅有少量同級圍巖支護(hù)參數(shù)變更。

補(bǔ)勘表明，該段水平主應(yīng)力最大值和均值分別為13.405 MPa和9.25 MPa，垂直應(yīng)力均值為10.475 MPa，側(cè)壓力系數(shù)均值為1.52；最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹34～55W，與路線大角度相交。

圖1 隧道走向與地層交角示意圖

1.1.2 設(shè)計(jì)概況

隧道內(nèi)設(shè)人字坡，南向坡度為3‰，北向坡度為10.5‰，洞內(nèi)設(shè)置1條R=7 000 m曲線。底隆段施工圖設(shè)計(jì)為Ⅲ級復(fù)合式襯砌，拱墻部為噴錨初期支護(hù)(局部拱部設(shè)格柵剛架)，拱墻襯砌C35混凝土厚40 cm；仰拱C35混凝土厚50 cm，仰拱半徑R3≈1 500 cm，曲率(矢跨比)為1∶12。全隧采用CRTS雙塊式無碴軌道，為雙塊式軌枕預(yù)制、道床整體現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)。

1.2 底隆(開通前)情況

2017年工務(wù)提前介入檢查和鋪軌精調(diào)中，于3月、5月和7月3批次發(fā)現(xiàn)K367+000～K368+700段內(nèi)共8個子段落(K367+065～+101、K367+202～+280、K367+355～+390、K367+422～+460、K367+622～+646、K367+727～+837、K367+870～+980、K368+574～+652)底隆致使無碴軌道上拱，K367+065～+101、K367+355～+390、K367+622～+646段尤為突出，主要表現(xiàn)為連續(xù)或不連續(xù)貫通無碴軌道板、中心水溝、側(cè)溝溝槽的橫向裂縫和軌面與設(shè)計(jì)數(shù)值不等，最大偏差值>20 mm。初步監(jiān)測表明軌道基礎(chǔ)“尚不穩(wěn)定”，即底隆處于持續(xù)發(fā)展階段。

1.3 底隆原因初步分析及分歧

2017年5月中旬相繼開展了地質(zhì)補(bǔ)勘和檢測以及多次原因分析，主要有如下觀點(diǎn)。

1)隧址區(qū)發(fā)生多次造山運(yùn)動，山體遭受強(qiáng)烈構(gòu)造擠壓，巖體中賦存較高的能量；底隆段巖性以頁泥巖、泥灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r為主，中厚層狀構(gòu)造，層產(chǎn)狀變化大，小撓曲發(fā)育；以水平構(gòu)造應(yīng)力為主導(dǎo)的高地應(yīng)力作用于隧底下伏的緩傾、軟弱夾層、平直結(jié)構(gòu)面的層狀圍巖體，相對薄弱的仰拱不足以抵抗基底圍巖蠕變和彎曲,產(chǎn)生向隧底中央臨空面的荷載(此底隆機(jī)制系作者最初的觀點(diǎn)，隨著研究的不斷深入，逐步證明了此觀點(diǎn))。

2)仰拱曲率與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的明顯偏離是誘發(fā)底隆的因素之一，至少使底隆提前發(fā)生和量值增大，但不能將仰拱施工與設(shè)計(jì)的偏差視為底隆的根本原因。

3)圍巖膨脹性、地下水等綜合作用是造成底隆的主要原因。

1.4 底隆整治方案的研究與分歧

作者研究團(tuán)隊(duì)的初步研究成果認(rèn)為抵抗隧道底隆的工程措施效能順序?yàn)椋?仰拱矢跨比(極限是圓形或仰拱半徑R3=750 cm)>仰拱幾何形態(tài)符合度?仰拱厚度>仰拱材料物性值?隧底錨固。

由于對底隆原因和整治工程措施效能認(rèn)知的不同及非技術(shù)因素的沖擊，在整治方案研究方面出現(xiàn)了仁智互見、莫衷一是的局面。隧道開通前分3期實(shí)施了底隆整治工程，主要方案分述如下。

1.4.1 嚴(yán)重段落仰拱重構(gòu)和一般段落軌道板重筑

分期對K367+730～+786、K367+786～+837段實(shí)施隧底拆換重構(gòu)仰拱整治，仰拱曲率由施工圖設(shè)計(jì)的1∶12調(diào)整為1∶10，仰拱材料由C35混凝土調(diào)整為C40鋼筋混凝土，厚度調(diào)整至60 cm，并在仰拱設(shè)置6～8 m長的系統(tǒng)錨桿。

1.4.2 無碴軌道改為有碴軌道

按1.7、2.1、3.7 km 3個依次包絡(luò)性子方案拆除無碴軌道，改為有碴軌道，包含8個嚴(yán)重段落的非重構(gòu)隧底加固整治。

1.4.3 K367+065～+101段仰拱拆除重構(gòu)+局部軌道板拆換+長段落隧底錨固加固

K367+065～+101段仰拱拆除重構(gòu)，除重構(gòu)仰拱按2層設(shè)置外，其余參數(shù)與1.4.1節(jié)相同；C40高配筋率混凝土內(nèi)層仰拱按厚度為60 cm、曲率為1∶10設(shè)置；初期支護(hù)(外層)仰拱為格構(gòu)結(jié)構(gòu)(@100 cmI20b+@100 cmφ25 mm縱向連接筋)，厚25 cm，自填充混凝土向下施作l=8 mφ32 mm預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)錨桿。K367+065～+101和K367+622～+653上下行 、 K367+356～+392上行和K367+912～+928下行共計(jì)6個單線段近190 m拆換重構(gòu)無碴軌道板；K367+000～K370+230段內(nèi)，根據(jù)工務(wù)部門提出的軌道狀態(tài)異常情況，按縱橫4根、@200/400 cm“井字形”布設(shè)l=8 mφ32 mm預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)錨桿，仰拱拆除重構(gòu)地段不重復(fù)。

1.4.4 部分段落仰拱重構(gòu)

拆除K367+065～+101、K367+355～+390、K367+730～+786共3段仰拱，調(diào)整基數(shù)參數(shù)后重構(gòu)，且預(yù)留6～10 mm的隆起余量。

1.4.5 意見分歧

除逐步趨同的底隆原因外的主要分歧： 1)對無碴軌道改為有碴軌道方案的爭議； 2)因不同的研判，如何確立具體的仰拱拆除重構(gòu)段，如K367+355～+390段和K367+730～+786段仰拱是否拆除重構(gòu)； 3)重構(gòu)仰拱曲率采用1∶10還是1∶7～1∶8，此乃最明確和根本的分歧； 4)是否對隧底實(shí)施錨固加固措施的爭議。最終采信和執(zhí)行了1.4.3節(jié)的方案。正是由于隧道底隆整治，致使XC高鐵延遲開通2個多月。

2 隧道底隆致無碴軌道病害對運(yùn)營的影響及開通前整治效果

ZJY隧道事實(shí)上屬于帶缺陷開通，目前成熟的工務(wù)技術(shù)可以及時發(fā)現(xiàn)非突發(fā)性的隧道底隆致無碴軌道病害，保障行車安全。但底隆致軌道幾何尺寸頻繁失格且時有超過Ⅱ級分，軌道長波異常多發(fā)和高頻的動態(tài)不良，顯著增加了無碴軌道非常規(guī)維修工作量。

2.1 運(yùn)營期軌道病害變化趨勢

1)開通時及運(yùn)營前期，截至2018年7月隧道底隆段軌面高程線形對比如圖2所示。運(yùn)營期隧道底隆致使軌面高程變化持續(xù)發(fā)展，且典型斷面的隧道邊墻下部及無碴軌道道床陸續(xù)出現(xiàn)了裂損且裂損持續(xù)發(fā)展，個別貫通裂縫寬度達(dá)2 mm，典型裂縫如圖3所示。

圖2 開通時及運(yùn)營前期隧道底隆段軌面高程線形對比

(a) 上行線 (b) 下行線

2)底隆段各特征截面變形趨勢如圖4所示。截至2019年第3季度末，就底隆累計(jì)量值和速率而言，K367+065～+101、K367+355～+390、K367+727～+837段最嚴(yán)重，累計(jì)隆起量值>30 mm，變形速率多在1.0 mm/月以上；K367+202～+280、K367+422～+460、K367+622～+646、K367+870～+980段為中度，累計(jì)隆起量值在10～30 mm，變形速率多在1.0 mm/月以下；K368+574～+652段為低度，累計(jì)隆起量值<10 mm，且已基本穩(wěn)定。

3)隧道底隆的8個近連續(xù)的子段落，除K368+574～+652初步判斷接近穩(wěn)定外，其余7個子段落的底隆持續(xù)發(fā)展而未收斂，且速率呈現(xiàn)顯著的離散性特征，致使無碴軌道軌面高程縱向呈現(xiàn)多波不平順。

2.2 運(yùn)營影響

2.2.1 軌道維修工作量劇增

開通前底隆段無碴軌道精調(diào)增加2次，基于該隧道于2017年12月6日帶缺陷開通，工務(wù)部門因應(yīng)對底隆加大了巡檢頻次。因隧道底隆持續(xù)發(fā)展，即軌道基礎(chǔ)持續(xù)上拱，不得不2次采取軌道順坡精調(diào)。

2.2.2 降速運(yùn)行及對運(yùn)輸秩序的影響

該高鐵(含ZJY隧道)的運(yùn)行速度為250 km/h，因無碴軌道檢測幾何尺寸超限，首次實(shí)行160 km/h限速運(yùn)行，導(dǎo)致對應(yīng)區(qū)間運(yùn)行時長增加約2 min；第2次實(shí)行60 km/h限速運(yùn)行，導(dǎo)致對應(yīng)區(qū)間運(yùn)行時長增加5～6 min，與設(shè)計(jì)速度相比，對應(yīng)區(qū)間運(yùn)行時長增加7～8 min。

2.2.3 運(yùn)營安全風(fēng)險

鑒于2019年4月9日發(fā)現(xiàn)的預(yù)應(yīng)力錨桿混凝土錨墩彈出(脫落、碎裂)在時間和形態(tài)上的雙重不確定性，對高速運(yùn)行列車的安全構(gòu)成極大威脅，決定再度降速至60 km/h，即便如此也只能降低風(fēng)險的程度和后果，仍不能消除隱患。

2.3 開通前整治效果初步評價

1)開通前的工程整治措施僅有限約束了底隆，即在初期較短時段內(nèi)使底隆量值減小和速率變緩。除K368+574～+652段基本穩(wěn)定外，運(yùn)營一定的時段后，這種變形緩解便進(jìn)入不明顯狀態(tài)。K367+355～+390、K367+727～+837段的軌道板累計(jì)隆起量值分別達(dá)到34.5 mm和52.6 mm，且無趨穩(wěn)跡象。K367+065～+101段在仰拱拆除重構(gòu)后，軌道板累計(jì)隆起量值仍達(dá)29.1 mm，且無趨穩(wěn)跡象。

2)隧道底隆致軌道變形造成的軌面高低不平順、動態(tài)不良反應(yīng)明顯。動態(tài)不良頻次隨時間的變化如圖5所示。

圖4 底隆段各特征截面變形趨勢

圖5 動態(tài)不良頻次隨時間的變化

結(jié)合上文可知，開通前的整治措施未達(dá)到徹底整治底隆的目的，僅暫緩了底隆引起軌道變形的程度，未達(dá)到國鐵集團(tuán)“開通后不限速”的要求。

3 底隆致軌道變形的運(yùn)營期處置

隧道開通運(yùn)營伊始，按高于常規(guī)頻次即2次/月對病害地段實(shí)施精測監(jiān)控，基于底隆致軌道變形病害的持續(xù)、非協(xié)調(diào)性發(fā)展，及其對旅客舒適度和運(yùn)營安全風(fēng)險的遞增，當(dāng)動靜態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)表明線路已達(dá)Ⅱ級分時，為保障高鐵運(yùn)營安全，工務(wù)部門根據(jù)病害的變化時程和劣化程度不得不臨時采取軌道順坡精調(diào)、限速運(yùn)行等臨時措施以緩解動態(tài)不良。

軌道順坡精調(diào)整治的實(shí)質(zhì)是在既有高程縱斷面設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，通過合理設(shè)置豎曲線來滿足高鐵行車條件的高平順要求，調(diào)整后的豎曲線半徑須滿足下式的要求[10]。

式中：Rsh為豎曲線半徑,m;vmax為列車最高運(yùn)行速度,km/h。

制定精調(diào)方案時，需考慮扣件的調(diào)整余量、病害繼續(xù)發(fā)展預(yù)測、精調(diào)時間成本等因素。在較大變形區(qū)段采取超前多調(diào)高，以便在底隆病害持續(xù)變化中對較大高點(diǎn)采取臨時調(diào)低，以免發(fā)生局部峰值，既能保證安全,又能節(jié)約長范圍精調(diào)的天窗時間和成本。

精調(diào)方案實(shí)施中，除嚴(yán)格遵守軌道靜態(tài)作業(yè)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)外，還要考慮精調(diào)后形成的軌道高低長波不平順滿足高速行車平順性要求，嚴(yán)格按3 mm/100 m的要求順坡。

3.1 第1次順坡精調(diào)

2018年4—6月動態(tài)不良進(jìn)入高頻狀態(tài)，TQI(軌道質(zhì)量指數(shù))全段落超過甚至遠(yuǎn)超2.5的管理限制，最高達(dá)4.7；70 m弦高低≥6 mm的值達(dá)50%，最大值達(dá)11.1 mm；工務(wù)段疲于頻繁的維修和臨時補(bǔ)修。經(jīng)研究和精心準(zhǔn)備，于2018年7月實(shí)施全面的軌道順坡精調(diào)整治，調(diào)整范圍為上下行線K367+354～K368+840。本次精調(diào)使用的特種扣件較少，但多地段大量標(biāo)準(zhǔn)扣件已達(dá)到或接近扣件調(diào)程極限。

按250 km/h速度計(jì)算,豎曲線半徑須≥25 000 m，實(shí)際順坡精調(diào)后的豎曲線半徑為25 000 m，曲線長度為2.3 km。圖6為第1次順坡精調(diào)前后軌面測量高程線形對比。順坡精調(diào)前后TQI及70 m弦高低對比見表1，TQI由最大的4.7降至2.3及以下，70 m弦高低最大值由11.1 mm降至4.1 mm及以下。動態(tài)不良由約110次/月下降到約50次/月(見圖5)。本次順坡精調(diào)后線路平順性大幅提高，軌面高程整體輪廓線由精調(diào)前的“心電圖”狀變?yōu)榫{(diào)后平滑的“拋物線”狀，基本滿足250 km/h的速度要求。

圖6 第1次順坡精調(diào)前后軌面測量高程線形對比

表1 順坡精調(diào)前后TQI及70 m弦高低對比

3.2 2次降速

第1次軌道順坡精調(diào)后僅約1個月，動態(tài)不良隨即飆升至120～140次/月，且春運(yùn)將至，為確保春運(yùn)秩序和安全，經(jīng)研究于2019年1月17日實(shí)行160 km/h限速運(yùn)行，限速區(qū)段為K367+000～K368+700，共計(jì)1.7 km；動態(tài)不良略降約2個月后再度攀升，正在商議再次降速時，于2019年4月9日發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力錨桿混凝土錨墩彈出(脫落、碎裂)，緊急排查發(fā)現(xiàn)共5處錨墩彈出，遂申請自2019年4月12日起對K366+530～K370+230區(qū)段共計(jì)3.7 km進(jìn)一步限速至60 km/h至今，動態(tài)不良也隨之驟降至約40次/月。

3.3 第2次順坡精調(diào)

在降速運(yùn)行的情況下，線路動態(tài)不良和軌道幾何尺寸持續(xù)惡化，全段落TQI超過和遠(yuǎn)超2.5的管理限制，最高達(dá)6.4；70 m弦高低超過6 mm的值達(dá)62.5%以上，最大值達(dá)13.8 mm。經(jīng)研究和全面準(zhǔn)備，于2019年10月10日—11月3日再次實(shí)施了更長段落的順坡精調(diào)，調(diào)整范圍為上行線K366+354～K368+588、下行線K366+726～K368+607，本次精調(diào)多處大量使用了W300-1型特殊扣件，部分調(diào)整量值超26 mm，最大達(dá)40 mm。

按250 km/h速度計(jì)算，豎曲線半徑應(yīng)≥25 000 m，實(shí)際順坡精調(diào)后的豎曲線半徑為25 600 m, 曲線長度為3.7 km。圖7為第2次順坡精調(diào)前后軌面測量高程線形對比。順坡精調(diào)前后TQI的對比見表1，TQI由最大的6.4降至2.5及以下，70 m弦高低最大值由13.8 mm降至2.8 mm及以下。低速運(yùn)行狀態(tài)下動態(tài)不良由約40次/月下降到5次/月以下(見圖5)，且趨于平穩(wěn)。本次順坡精調(diào)后線路平順性大幅提高，完全滿足60 km/h的速度要求。因大量使用大調(diào)程W300-1特種扣件，為確保運(yùn)營安全，即使軌道TQI良好、動態(tài)不良不高，也不能按照原設(shè)計(jì)速度運(yùn)行。

圖7 第2次順坡精調(diào)前后軌面測量高程線形對比

由上述分析可以看出，隧道底隆致無碴軌道變形病害不僅引起工務(wù)維修工作量的大幅攀升，且對運(yùn)營秩序和安全造成較大的沖擊，不得不實(shí)施的軌道順坡精調(diào)、限速運(yùn)行，也只能暫時緩解TQI和動態(tài)不良。

4 隧道底隆的預(yù)防與整治建議

4.1 勘察設(shè)計(jì)須預(yù)防

隧道建設(shè)者對新事物的認(rèn)識是呈螺旋式上升的，隧道建設(shè)技術(shù)的發(fā)展同樣具有歷史階段局限性，但在2012年前后諸如DC鐵路運(yùn)營的YD隧道、LY鐵路在建的XZG隧道、擬開通中南部通道WYH隧道等相繼發(fā)生底隆之后[11-15]，仍頻繁發(fā)生在建隧道底隆就不易理解了。

按“圖之于未萌，慮之于未有”的原則，勘察研判不遺漏和設(shè)計(jì)具有普適針對性，是防止隧道底隆的第1道防線；以“亡羊補(bǔ)牢”為原則，一旦線路開通前發(fā)生底隆，補(bǔ)勘和變更設(shè)計(jì)具備具體針對性是第2道防線。鑒于隧道工程極強(qiáng)的實(shí)踐性特征和問題導(dǎo)向推動技術(shù)進(jìn)步的規(guī)律，在特殊問題方面規(guī)范(程)總是落后于工程實(shí)踐，解決隧道工程的特殊問題須突破現(xiàn)行規(guī)范(程)，處處發(fā)掘和遵循規(guī)范(程)依據(jù)不可能完美地解決這些特殊問題。因此，應(yīng)加強(qiáng)對類似地質(zhì)和工程條件下的前期勘察、測試、試驗(yàn)和計(jì)算分析等工作的深度，評估圍巖加固和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的合理性、可靠性，預(yù)測并防控可能發(fā)生的病害，避免或減輕開通運(yùn)營后的次生病害。

4.2 開通前整治須徹底

不留缺陷于運(yùn)營階段應(yīng)作為一條不能逾越的職業(yè)底線，更是隧道建設(shè)者和建設(shè)管理機(jī)構(gòu)不容推卸的歷史責(zé)任。開通前整治，應(yīng)當(dāng)以科學(xué)和實(shí)際為基礎(chǔ)進(jìn)行原因分析，提出富有針對性的整治方案和優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，施工過程中要深刻領(lǐng)會設(shè)計(jì)(變更設(shè)計(jì))意圖，嚴(yán)格執(zhí)行有效的設(shè)計(jì)，力求從根本上解決問題，按照“科學(xué)認(rèn)識—正確方法—嚴(yán)格執(zhí)行”的邏輯應(yīng)對和處置隧道病害。

4.3 運(yùn)營期整治須監(jiān)控得當(dāng)保安全

4.3.1 構(gòu)建隧道底隆病害全方位檢控體系

除嚴(yán)格按照《高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)用狀態(tài)檢測管理辦法》(交通運(yùn)輸部令2018年第19號)精神要求建立相關(guān)監(jiān)控措施外，還應(yīng)根據(jù)具體工點(diǎn)的病害情況，開展全方位檢測與監(jiān)控。第1類為諸如高程的靜態(tài)檢測數(shù)據(jù)、自動變形觀測數(shù)據(jù)、綜合檢測列車的動態(tài)指標(biāo)、動態(tài)添乘不良反應(yīng)記錄、軌道結(jié)構(gòu)及隧道裂縫(紋)的觀測數(shù)據(jù)等與行車安全緊密相關(guān)的檢控指標(biāo)。第2類為諸如地應(yīng)力檢測數(shù)據(jù)、隧道襯砌及圍巖變形和應(yīng)力指標(biāo)、隧道周圍環(huán)境等病害致因的持續(xù)系統(tǒng)監(jiān)測。第3類為行車實(shí)時安全防護(hù)和底隆病害區(qū)段影像實(shí)時監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)等安全狀態(tài)監(jiān)控。

4.3.2 運(yùn)營期整治方案須奏效

依據(jù)已獲得的底隆變形形態(tài)、動因、階段、趨勢、規(guī)律，遵循魯棒性、定量與定性相結(jié)合的原則，編制有針對性、適宜的整治方案、工法、工藝，以達(dá)到徹底整治底隆病害的目的。YD隧道首輪整治失敗和ZJY隧道開通前整治無效的教訓(xùn)須深刻汲取。

5 討論

本節(jié)非本文的重點(diǎn)，在此僅做方向性建議，較深入的原因探討、整治及預(yù)防研究將另文陳述。

鑒于運(yùn)營條件下施工空間和天窗時間的雙重掣肘，整治技術(shù)路徑和施工機(jī)具選型必將受到嚴(yán)重制約。此前YD隧道和ZJY隧道以隧底錨固為主要工程措施的整治均無效，其根本原因在于，錨固工程所能支撐(提供)的kPa級承載(抗)力相對于MPa級的高地應(yīng)力而言可謂杯水車薪(兩者雖非完全的對應(yīng)關(guān)系，卻系強(qiáng)正相關(guān)關(guān)系)。

初步研判ZJY隧道底隆量值尚未達(dá)到峰值，而特種扣件的調(diào)程已高比例使用，為避免XC高鐵長期限速運(yùn)行甚至被迫停運(yùn)，盡快研究整治方案刻不容緩。2013年，在爭議中實(shí)施的YD隧道第1輪整治方案耗資近2 000萬元，工程整治實(shí)踐證明對MPa級的高地應(yīng)力型底隆而言，以隧底錨固為主要技術(shù)手段的整治方案是無效的；YD隧道第2輪整治方案具備繞行條件且恰逢疫情時期，因此采取了停運(yùn)整治，僅“拆除重構(gòu)仰拱90 m+現(xiàn)澆鋼筋混凝土套襯12 m+拆除重建無碴軌道板796 m/單線”，整治成本已達(dá)5 000余萬元。主觀上，XC高鐵不具備停運(yùn)整治條件，其底隆縱長、量值及整治施工條件與YD隧道相比不可同日而語，不可類比照搬。

若采取“不抽線+天窗”條件下拆除重構(gòu)仰拱方案，預(yù)計(jì)需耗時1.5年，總體整治成本或近2億元，相關(guān)人員長期處于安全高壓工作狀態(tài)，不僅會對其精神健康產(chǎn)生嚴(yán)重影響，且麻痹和長期高壓疲勞工作可能誘發(fā)嚴(yán)重的安全事故。因此，是可行但不宜草率采取的方案。

作者結(jié)合研究團(tuán)隊(duì)的初步研究成果，建議研究“以輔助導(dǎo)坑進(jìn)入正洞下方，在正洞正下方構(gòu)架柔性支護(hù)的中小斷面導(dǎo)洞，以阻斷高地應(yīng)力傳遞路徑”的方向性方案。

6 結(jié)論與建議

6.1 結(jié)論

1)軌道順坡精調(diào)只能在短時段內(nèi)緩解隧道底隆致軌道變形病害引起的軌道質(zhì)量不良，而不能根除病害。隧道運(yùn)營期整治不僅成本高昂，且天窗資源和整治窗口期有限，且須構(gòu)建監(jiān)控得當(dāng)?shù)陌脖ｓw系。

2)隧道底隆未根治而帶病害開通運(yùn)營，不僅會造成工務(wù)維修工作量大幅攀升，而且長期限速運(yùn)行對運(yùn)營秩序的沖擊也不可小虞，把底隆病害消除在開通前是隧道建設(shè)者和建設(shè)管理機(jī)構(gòu)義不容辭的職業(yè)責(zé)任。

3)正確勘察研判、針對性設(shè)計(jì)、嚴(yán)格科學(xué)施工是預(yù)防隧道底隆的前瞻性和根本性路徑。

6.2 建議

1)局部實(shí)踐證明，以隧底錨固為主要技術(shù)手段的整治方案對MPa級的高地應(yīng)力型底隆是無效的，同時會產(chǎn)生不確定的行車安全風(fēng)險，在高地應(yīng)力型底隆整治方案決策中應(yīng)慎重使用錨固，特別是預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)措施。

2)無碴軌道改為有碴軌道，未從根源上對隧道底隆實(shí)施約束和限制，僅可為軌道調(diào)整的靈活性提供條件，當(dāng)不能研判底隆的終值處于中度以下時，不宜采用。

3)以輔助導(dǎo)坑進(jìn)入正洞下方，在正洞正下方構(gòu)建柔性支護(hù)的中小斷面導(dǎo)洞，以阻斷高地應(yīng)力傳遞路徑，是值得深入研究的整治ZJY隧道底隆病害的方向性方案。

參考文獻(xiàn)(References)：

[1] 張羽軍, 丁浩江. 成貴高鐵高坡隧道軟巖大變形機(jī)理分析及病害整治[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程, 2020, 20(1): 327.

ZHANG Yujun, DING Haojiang. Large-deformation mechanism and countermeasures of soft rock in Gaopo tunnel on Chengdu-Guiyang high-speed railway[J]. Science Technology and Engineering, 2020, 20(1): 327.

[2] 高震, 馬偉斌, 吳旭, 等. 考慮圍巖強(qiáng)度劣化的隧道仰拱隆起變形分析[J]. 土木工程學(xué)報, 2020, 53(增刊1): 342.

GAO Zhen, MA Weibin, WU Xu, et al. Analysis of invert heaving considering strength degradation of surrounding rock[J]. China Civil Engineering Journal, 2020, 53(S1): 342.

[3] 姜子清. 路基區(qū)段雙塊式無砟軌道基礎(chǔ)上拱整治技術(shù)對策[J]. 鐵道建筑, 2020, 60(1): 95.

JIANG Ziqing. Remediation technology of foundation upwarping of double-block slab ballastless track on subgrade section[J]. Railway Engineering, 2020, 60(1): 95.

[4] 國家鐵路局. 鐵路軌道設(shè)計(jì)規(guī)范： TB 10082—2017[S]. 北京： 中國鐵道出版社， 2017.

National Railway Administration of the People′s Republic of China. Code for design of railway track: TB 10082-2017[S]. Beijing: China Railway Publishing House, 2017.

[5] 肖小文, 王立川, 陽軍生, 等. 高地應(yīng)力區(qū)緩傾互層巖體無砟軌道隧道底部隆起的成因分析及整治方案[J]. 中國鐵道科學(xué), 2016, 37(1): 78.

XIAO Xiaowen, WANG Lichuan, YANG Junsheng, et al. Cause analysis and treatment scheme for bottom heave of ballastless track tunnel in nearly horizontally interbedded rock mass with high geostress[J]. China Railway Science, 2016, 37(1): 78.

[6] 汪洋, 唐雄俊, 譚顯坤, 等. 云嶺隧道底鼓機(jī)理分析[J]. 巖土力學(xué), 2010, 31(8): 2530.

WANG Yang, TANG Xiongjun, TAN Xiankun, et al. Mechanism analysis of floor heave in Yunling tunnel[J]. Rock and Soil Mechanics, 2010, 31(8): 2530.

[7] 杜明慶, 董飛, 李奧, 等. 膨脹性圍巖時高速鐵路隧道仰拱的底鼓機(jī)理及破壞模式[J]. 中國鐵道科學(xué), 2019, 40(6): 78.

DU Mingqing, DONG Fei, LI Ao, et al. Mechanism and failure mode of floor heave in tunnel invert of high speed railway under expansive surrounding rock[J]. China Railway Science, 2019, 40(6): 78.

[8] 王子江, 王科, 王崇艮， 等. 蘭渝鐵路玄真觀隧道變形破壞原因分析及處理對策探討[J]. 高速鐵路技術(shù), 2014, 5(6): 26.

WANG Zijiang, WANG Ke, WANG Chonggen， et al. Treatment and countermeasures for tunnel deformation and failure mechanism in subhorizontal red bed under local high geostress[J]. High Speed Railway Technology, 2014, 5(6): 26.

[9] 王武田. 膨脹巖鐵路隧道運(yùn)營期基底病害綜合整治技術(shù)研究[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù), 2019, 56(4): 200.

WANG Wutian. Study on the comprehensive treatment techniques for the floor disease during operation of a railway tunnel in swelling rock mass[J]. Modern Tunnelling Technology, 2019, 56(4): 200.

[10] 劉學(xué)毅, 趙平銳, 楊榮山, 等. 客運(yùn)專線無砟軌道設(shè)計(jì)理論與方法[M]. 成都: 西南交通大學(xué)出版社, 2010.

LIU Xueyi, ZHAO Pingrui, YANG Rongshan, et al. Theory and method of ballastless track design for passenger dedicated line[M]. Chengdu: Southwest Jiaotong University Publishing House, 2010.

[11] 王立川, 肖小文, 林輝. 某鐵路隧道底部結(jié)構(gòu)隆起病害成因分析及治理對策探討[J]. 隧道建設(shè), 2014, 34(9): 823.

WANG Lichuan, XIAO Xiaowen, LIN Hui. Analysis on causes for and renovation of floor structure of a high-speed railway tunnel located in slightly-dipping interbedded rock mass[J]. Tunnel Construction, 2014, 34(9): 823.

[12] 肖廣智. 從當(dāng)前鐵路隧道襯砌典型病害談設(shè)計(jì)施工改進(jìn)措施[J]. 隧道建設(shè)(中英文), 2018, 38(9): 1416.

XIAO Guangzhi. Discussion on design and construction improvement measures based on current typical diseases of railway tunnel lining[J]. Tunnel Construction, 2018, 38(9): 1416.

[13] 李林毅, 陽軍生, 王立川， 等. 3D打印技術(shù)在高鐵隧道仰拱隆起病害模擬試驗(yàn)中的應(yīng)用與研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2020, 39(7): 1369.

LI Linyi, YANG Junsheng, WANG Lichuan, et al. Application and research of 3D printing technology in simulation test of invert heaving diseases of high-speed railway tunnels[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2020, 39(7): 1369.

[14] 溫建永. 層狀巖體隧道病害機(jī)理分析及整治措施研究[J]. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報, 2017, 14(5): 1024.

WEN Jianyong. Research on the damage of structure and its treatment for a tunnel constructed in interbedded rock mass[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2017, 14(5): 1024.

[15] 張學(xué)亮. 高速鐵路穿越軟巖隧道仰拱破壞機(jī)理研究[D]. 濟(jì)南： 山東大學(xué), 2019.

ZHANG Xueliang. Study on failure mechanism of invert of tunnel through soft rock of high-speed railway[D]. Jinan: Shandong University, 2019.