鐵路隧道底部上拱病害機(jī)理及整治技術(shù)探討

牛瑞強(qiáng)

中交一航局第三工程有限公司，遼寧 大連 116000

鐵路隧道底部結(jié)構(gòu)的承載能力影響著隧道中車輛的行駛安全性，隧道底部路基施工方案不佳會導(dǎo)致隧道底部出現(xiàn)上拱、裂縫等病害，進(jìn)而導(dǎo)致隧道底部路面破碎，隧道仰拱等結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況也會因此發(fā)生變化，造成隧道整體穩(wěn)固性下降等問題，因此必須采取措施進(jìn)行整治。

1 鐵路隧道底部上拱類型

不同的鐵路隧道所處的環(huán)境不一樣，對應(yīng)的圍巖性質(zhì)、地質(zhì)條件、應(yīng)力狀態(tài)天差地別，因而施工單位一定要在展開施工之前了解隧道環(huán)境，以及底部結(jié)構(gòu)上拱的類別和機(jī)理。一般隧道底部結(jié)構(gòu)隆起變形主要是因?yàn)樗苄约羟信蛎?，?dāng)?shù)撞繛榕蛎浶苑恋V物時，含水量會顯著增加，底部也會膨脹變形，并出現(xiàn)底部結(jié)構(gòu)上拱病害。從破壞力學(xué)特征角度進(jìn)行分類，一般有四種類型，分別是擠壓流動性隧底上拱、遇水膨脹性隧底上拱、剪切錯動性隧底上拱和撓曲褶皺性隧底上拱。（1）擠壓流動性隧底上拱。當(dāng)隧道底部是軟弱破碎巖體時，底部就容易出現(xiàn)擠壓流動。隧道兩幫和頂板強(qiáng)度都比底板巖體強(qiáng)度大，以至于兩幫巖柱擠壓到了底部的軟弱破碎巖體，從而引起上拱。（2）遇水膨脹性隧底上拱。一些膨脹嚴(yán)重、有很多親水性成分的礦石在遇水之后會膨脹軟化，然后體積迅速增大，這就讓圍巖出現(xiàn)了很大程度的變形。隧底膨脹巖會三向受壓，膨脹率越大的膨脹巖受到的極限膨脹壓力越大。一旦極限膨脹壓力大于隧底結(jié)構(gòu)抗力，就會出現(xiàn)隧底上拱的情況，讓鐵路、水利、礦山等各種工程都受到災(zāi)害性破壞。（3）剪切錯動性隧底上拱。一些比較厚的整體性巖層容易出現(xiàn)剪切錯動性隧底上拱，它們會在應(yīng)力作用下形成楔塊巖體，然后在水平應(yīng)力擠壓中上拱。（4）撓曲褶皺性隧底上拱。當(dāng)隧道底板是層狀巖體時，容易出現(xiàn)撓曲褶皺性隧底上拱，這主要是因?yàn)槠叫袑永矸较虼嬖谥鴳?yīng)力，長期作用下，隧底巖層受壓失穩(wěn)，從而產(chǎn)生撓曲褶皺。

2 鐵路隧道底部上拱的影響因素

鐵路隧道基底承載力不夠，非常容易受到地下水的侵蝕。長期的浸泡下，底部圍巖逐漸劣化，承載力越來越低。基底存在膨脹巖則是受到高水壓的長期作用，核載超過結(jié)構(gòu)抗力，隧道底部出現(xiàn)上拱。工程上是因?yàn)樵O(shè)計(jì)不合理或者施工質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，結(jié)構(gòu)抗力不足，然后出現(xiàn)相關(guān)質(zhì)量問題。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，一定要重視施工質(zhì)量和結(jié)構(gòu)匹配性，觀察是否存在地下水和膨脹巖，從實(shí)際情況出發(fā)開展工作，觀察是否有基底承載不足的情況，并采取有效的措施來提高底部圍巖承載能力，讓整體的承載能力和結(jié)構(gòu)可以得到最大程度上的強(qiáng)化。

3 鐵路隧道底部上拱整治技術(shù)

3.1 錨注一體化

在治理隧道病害時，業(yè)內(nèi)常用的整治方法是注漿。從實(shí)際應(yīng)用來看，注漿的施工工藝簡單，造價比較低，隧底圍巖整體性可以得到持續(xù)的提高，基底的承載能力也會一定程度上得到提高。在治理隧道基底上拱時可以從實(shí)際情況出發(fā)，結(jié)合隧道天窗，在有時間限制和空間限制的前提下做好施工處理，將錨固和注膠結(jié)合在一起，做好新型加固型錨桿，用高分子凝膠材料來展開施工，讓鐵路運(yùn)營能夠更加快速高效。

3.2 輕型井點(diǎn)降水+注漿

對于一些因?yàn)榈叵滤霈F(xiàn)的上拱情況，可以通過輕型井點(diǎn)降水來有效降低地下水位，讓基層基底可以保持干燥，更快地抽走地下水，固結(jié)碎石，使基底具有更高的完整性，提高基底的承載能力。相關(guān)單位要有針對性地做好降水工作和注漿整治，從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)控制病害發(fā)展。在進(jìn)行輕型井點(diǎn)降水時，要做好井管上部和總管的連接工作，使用抽水設(shè)備把地下水抽出來，降低水位，確保地基證干燥。在確定方案之前，要先調(diào)查涌水量，科學(xué)計(jì)算降水量。

3.3 基底換填

整體來說，隧道基底換填操作比較簡單，應(yīng)用比較快速，是一種比較實(shí)用的隧道基底處理辦法，在實(shí)際應(yīng)用中可以廣泛地應(yīng)用在洞口以及洞身的淺埋段。在進(jìn)行施工時，可以用C20片石混凝土來更換膨脹巖之類的不良地層。要注意的是，整個換填需要深入基巖，并且保證深度大于0.5m。在做基底換填時，要控制隧道基底厚度，從實(shí)際情況出發(fā)確定換填深度，并采取合適的防護(hù)措施。

3.4 隧道換底強(qiáng)化技術(shù)

有的鐵路隧底上拱時已經(jīng)出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)性破壞，整體的修復(fù)難度非常大，修復(fù)時需要從實(shí)際情況出發(fā)做好整治工作，更好地架空軌道結(jié)構(gòu)，然后開展換底處理工作。對于隧道基底翻修的施工一定要重視與實(shí)際情況的結(jié)合程度，要做好換底方案，注意可以采用施工便梁架空技術(shù)來開展工作，并結(jié)合隧道特點(diǎn)，選擇不同的病害處理技術(shù)類型。隧道的結(jié)構(gòu)主要包括縱梁、橫梁、連接件及支墩，在進(jìn)行分析時，要注意主要受力結(jié)構(gòu)，即縱梁和橫梁，分析傳力路徑，并制訂好施工方案。

4 鐵路隧道底部上拱整治技術(shù)的應(yīng)用案例

4.1 工程案例概述

文章以某隧道為例展開討論，該隧道長度為3579m，是全線最長隧道，涉及的隧道地形起伏大，并且高度落差大，最大埋深120m，整個隧道橫穿了山嶺。運(yùn)營部門在2015年年初做了隧道檢查，發(fā)現(xiàn)某一個范圍內(nèi)出現(xiàn)了襯砌開裂及基底上拱病害，隧道基底上拱及開裂情況如圖1所示。

圖1 隧道基底上拱及開裂情況

4.2 隧底上拱成因

工作人員在實(shí)際調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)隧底上拱的主要原因在于基底膨脹巖。由于隧底膨脹巖的存在，遇水會出現(xiàn)大變形，隨之使隧道底部缺失了一部分仰拱，并且出現(xiàn)了填充厚度不足的情況，以至于結(jié)構(gòu)抗力低下，穩(wěn)定性和安全性都不夠高。出現(xiàn)病害的地段對應(yīng)的地層有很多的親水礦物，有顯著膨脹性，這讓地下水活動更加活躍和頻繁。親水礦物和水接觸，底部圍巖逐漸軟化膨脹，最終出現(xiàn)崩解，讓圍巖在膨脹壓力和塑性變形條件下徹底破損開裂，最后出現(xiàn)了嚴(yán)重的病害。

4.3 隧道底部上拱整治方案

要做好整治工作，施工人員就需要用到施工便梁架空技術(shù)，在傳統(tǒng)模式下先用上承式架空方案展開工作?；炷两Y(jié)構(gòu)用上承架空方案時，整體的施工難度比較大，而且重量穩(wěn)定性也比較差。在進(jìn)行檢修時，要根據(jù)實(shí)際情況合理設(shè)計(jì)下沉式架空方案，提升縱橫梁體系穩(wěn)定性。對于隧道基底采用注漿加固的技術(shù)方案調(diào)整路面結(jié)構(gòu)的平整性與應(yīng)力協(xié)調(diào)性，加固前在路面上鑿除或切割長20cm、寬20cm、深10cm的矩形槽，在矩形槽中插入小導(dǎo)管進(jìn)行注漿，注漿后恢復(fù)原路面。多技術(shù)方案共同作用下可見隧道底部變形問題得到了解決，但具體應(yīng)力分布情況還需進(jìn)一步論證。

4.4 整治結(jié)果分析

由于仰拱形狀對承載力非常敏感，對仰拱結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力分布及安全系數(shù)進(jìn)行分析可以提升隧道底部上拱問題的控制效果，該施工后的仰拱及邊墻底等結(jié)構(gòu)應(yīng)力情況如表1所示。在進(jìn)行仰拱加深后，整體結(jié)構(gòu)性能得到了優(yōu)化，混凝土抗壓性能也得到了顯著的提升，結(jié)構(gòu)承載能力得到了保障，工程效果達(dá)到了預(yù)期要求，隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性符合運(yùn)行要求。仰拱整體應(yīng)力協(xié)調(diào)效果較好，且安全系數(shù)較高，拱頂拱腳的受力狀態(tài)相對較好，因此采用這一整治技術(shù)方案能夠提升隧道整體截面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力平衡效果，防止因巖層擠壓造成結(jié)構(gòu)變形病害。

表1 加固處理后仰拱及底部應(yīng)力及安全系數(shù)分析表

4.5 隧道底部上拱病害整治技術(shù)管控

在隧道底部變形病害整治操作中，底部上拱及裂縫問題是整治難度較大的兩種，底部上拱病害處理操作中必須強(qiáng)化巖體結(jié)構(gòu)應(yīng)力平衡效果，應(yīng)選擇科學(xué)的支撐技術(shù)，并積極做好技術(shù)交底，施工人員先做好上拱部位的應(yīng)力處理施工后,還要對隧道底部面層結(jié)構(gòu)進(jìn)行平整處理，以防變形結(jié)構(gòu)影響隧道運(yùn)行安全性。

5 結(jié)束語

總之，鐵路運(yùn)行中隧道底部上拱問題的發(fā)生會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不佳，在具體隧道項(xiàng)目中運(yùn)行應(yīng)積極做好上拱整治操作，這樣才能夠提升隧道整體應(yīng)力協(xié)調(diào)效果，降低隧道底部基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中問題的影響。在該隧道整治施工項(xiàng)目中，由于采取了科學(xué)的底部上拱整治技術(shù)方案，隧道仰拱、基底結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布效果及安全系數(shù)均達(dá)到了隧道運(yùn)行要求。