富水巖溶區(qū)地鐵道床異常隆起變形分析與防治

楊秀才YANG Xiu-cai

（貴陽市城市軌道交通有限公司，貴陽 550000）

1 概述

在軌道交通中，軌道結(jié)構(gòu)主要起著列車運行的導(dǎo)向作用，并提供承載力，其結(jié)構(gòu)狀態(tài)的優(yōu)劣直接影響行車安全和舒適度；下部結(jié)構(gòu)作為軌道結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，其強度、剛度、穩(wěn)定性是保證土建壽命及軌道結(jié)構(gòu)性能發(fā)揮的重要基石。貴陽市軌道交通1 號線和2 號線區(qū)間隧道采用礦山法施工，沿線穿越巖溶、斷層及破碎帶等可溶巖；孔隙水、基巖裂隙水及巖溶水等地下水發(fā)育；在試運行階段進行軌道狀態(tài)檢查時發(fā)現(xiàn)軌面標高出現(xiàn)不同程度偏差，軌道道床出現(xiàn)異常隆起，后召開專題會議和專家咨詢會，分析軌道異常隆起原因和制定相應(yīng)處置措施。

2 道床異常隆起基本情況

軌道鋪設(shè)完成在空載試運行一段時間后，根據(jù)軌檢數(shù)據(jù)顯示局部地段軌面標高偏差大于2mm，經(jīng)調(diào)查情況如下：

2.1 異常隆起段一

出段線：CDK0+170～CDK+230，長度為60m，標高最大偏差達到了11.21mm，橫向最大偏差達到了5.88mm；入段線：RDK0+185～RDK0+230，長度為45m，標高最大偏差達到了18.72mm，橫向最大偏差達到了6.36mm。兩線共計105m 均位于曲線地段。

2.2 異常隆起段二

區(qū)間左線：ZDK15+117～ZDK15+240，長度為123m，標高最大偏差為33mm（大斷面）；左輔助線：ZFDK15+119～ZFDK15+260，長度為141m，標高最大偏差28mm。兩線共計264m。

2.3 異常隆起段三

左線：ZDK15+535～ZDK15+550，長度15m，標高超限最大值為16mm；右線：YDK15+535～YDK15+550，長度15m，線路標高連續(xù)嚴重超限，超限值最大達到46mm；兩線共計30m。

2.4 異常隆起段四

左線：ZDK18+450～ZDK18+500，長度為50m。軌道標高數(shù)據(jù)異常，數(shù)據(jù)顯示道床上拱，軌面標高超限，最大偏差31mm。

3 道床異常段工程水文地質(zhì)概況

第一段基巖為三疊系下統(tǒng)大冶組（T1d）灰?guī)r、三疊系下統(tǒng)安順組（T1a）白云巖、泥晶白云巖及泥質(zhì)灰?guī)r夾層。巖層產(chǎn)狀變化較大斷層南翼巖層產(chǎn)狀為N30°～40°E，SE∠8°～12°左右。場地地下水徑流方向主要為由南向北通過裂隙密集帶、地下洞穴向北側(cè)麥架河排泄。

第二段下伏基巖為三疊系下統(tǒng)大冶組（T1d）淺灰色、灰色薄至中厚層灰?guī)r。

場地內(nèi)地層連續(xù)，無斷裂構(gòu)造發(fā)育，巖層產(chǎn)狀為SN，E∠15°左右。場區(qū)地下水位埋深7～8m，地下靜水位標高1285m 左右、高于軌道結(jié)構(gòu)頂板，區(qū)間地下水徑流方向主要通過裂隙密集帶、地下洞穴分別往南湖及十二灘水庫排泄。

第三段基巖為三疊系下統(tǒng)大冶組（T1d）灰?guī)r。場地內(nèi)地層連續(xù)，無斷裂構(gòu)造發(fā)育，巖層產(chǎn)狀為N0～15°E，SE∠10°～15°左右。場區(qū)地下水位埋深6.9～9.8m，標高1281.1～1286.1m，場區(qū)位于地下分水嶺附近，區(qū)間地下水徑流方向主要通過裂隙密集帶、地下洞穴分別往觀山湖及十二灘水庫排泄。

第四段基巖為三疊系下統(tǒng)大冶組（T1d）灰?guī)r。場地內(nèi)地層連續(xù)，無斷裂構(gòu)造發(fā)育，巖層產(chǎn)狀為N0～10°W/NE 或N0～15°E/SE，傾角10°～16°。場區(qū)地下水位埋深5.5～13.4m，場區(qū)位于地下分水嶺附近，區(qū)間地下水徑流方向主要通過裂隙密集帶、地下溶洞分別往觀山湖水庫及十二灘水庫排泄。

4 線路及軌道設(shè)計情況

第一段位于曲線地段，出段線曲線半徑為204m，入段線曲線半徑200m，線路縱坡2‰；位于一般減振地段，道床采用普通鋼筋混凝土長軌枕整體道床，軌道結(jié)構(gòu)高度580mm。軌距：標準軌距1435mm。鋼軌：采用60kg/m 鋼軌U75V 熱軋鋼軌，設(shè)置1/40 的軌底坡。

第二段出入段線道床異常段均位于直線地段，線路縱坡2‰。該段位于直線段，不設(shè)超高，扣件間距為0.625m。其余軌道設(shè)計同第一段。

第三段道床異常段均位于直線地段，線路縱坡2‰。不設(shè)超高，扣件間距為0.625m。軌道結(jié)構(gòu)斷面如圖1 所示。

圖1 軌道結(jié)構(gòu)代表斷面二

第四段異常地段均位于R-550m，l-70m 的曲線上；線路縱坡為6.215‰和2‰。

道床形式為浮置板地段，下坡方向相鄰的普通整體道床設(shè)計，軌道結(jié)構(gòu)高度為810mm。軌道結(jié)構(gòu)斷面圖如圖2所示。

圖2 軌道結(jié)構(gòu)代表斷面三

5 道床異常原因分析

5.1 鉆孔分析 現(xiàn)場采用了對異常地段水溝進行鉆孔泄水，取芯觀察樣品、測量芯樣長度、孔深，摸探等措施。

5.2 軌檢數(shù)據(jù)分析

對發(fā)生軌道異常隆起的四個區(qū)間的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了相關(guān)整理、分析，尋找規(guī)律并得出了相關(guān)結(jié)論。根據(jù)對出段線CDK0+170～CDK0+230 范圍軌檢數(shù)據(jù)舉例分析。

左右鋼軌高程偏差如圖3 所示。道床異常隆起段范圍內(nèi)有5 塊道床板，從小里程往大里程方向分別編號為1#、2#、3#、4#、5#。

圖3 出段線鋼軌高程偏差

從圖3 可以看出：

①在道床橫向方面，左右鋼軌高程偏差不同，說明板下所受浮力不均勻，道床板右側(cè)所受浮力較大；

②在道床縱向方面，道床板隆起從2#板范圍內(nèi)開始顯著增加，在3#和4#板范圍達到峰值，然后在5#板范圍顯著減小，說明板下浮力也沒有作用在整個縱向范圍，而是作用在以3#、4#板為中心的某個區(qū)間；

③右軌和左軌的最大高程偏差均在3#板范圍內(nèi)，分別為11.21mm 和3.7mm。

從圖4 中可以看出：

圖4 出段線鋼軌橫向偏差

①左右軌橫向變形方向基本一致，僅同一方向的變化量略有不同，說明橫向偏差是由道床上浮引起，無外部橫向集中力，道床板受到的橫向力整體均勻。

②左右軌橫向偏差峰值基本在伸縮縫附近。

5.3 模擬數(shù)值分析

本次仿真計算模擬了引起道床隆起的外部荷載工況，及其受力狀態(tài)，出入段線線型既處于平面曲線段（出段線曲線半徑為204m，入段線曲線半徑200m），又位于縱坡處（2‰），道床抬高量也具有一定的典型，故選取出入段線作為本次理論仿真段。參數(shù)選?、黉撥壊捎?0kg/m 鋼軌，鋼軌截面面積7745mm2，截面慣性矩3.217×10-5m4，彈性模量210GPa；道床和下部回填層采用C35 混凝土，彈性模量31.5GPa；②軌距1435mm，扣件間距595mm；③單塊道床板尺寸為12.5m×2.4m×0.33m。

以鋼軌采用梁單元、道床板采用實體單元、扣件系統(tǒng)對鋼軌的約束簡化為點支承線性彈簧建立模型，其中回填層對道床板的支承簡化為非線性桿單元，僅能受壓，壓縮時的彈性模量同C35 混凝土。明確荷載作用范圍及取值，通過對板下壓強計算及道床最大主應(yīng)力、道床剪切應(yīng)力、道床彎曲應(yīng)力三項結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析，經(jīng)查找，浮力作用范圍內(nèi)共有1577 個節(jié)點，板下浮力的合力大小為：

浮力作用面積為：S=12.5×2.4=30m2，故板下壓強（減去一個大氣壓）為：

根據(jù)設(shè)計提供相關(guān)資料，軌道系統(tǒng)在12.5m 范圍內(nèi)的重量約為34 噸也就是340kN，計算得出板下浮力的限值是346.9kN。通過理論值對比，可見板下浮力略大于道床重量時就會發(fā)生高程超限。

6 處置方法和效果

采用道床面泄水泄壓加錨桿對道床錨固的總體整改措施。首先進行道床下的泄水泄壓，以防道床在水壓力作用下進一步擴展，其次采用錨桿對道床進行錨固，增加道床抗上浮能力。泄水泄壓可采用鉆孔、切割邊溝等方式，鉆孔視情況應(yīng)慎重選擇鉆穿二襯；錨桿可用精軋螺紋鋼，延鋼軌兩側(cè)布置，錨桿縱向間距及鉆孔深度結(jié)合具體水文地質(zhì)情況布置，封錨不能與道床相關(guān)構(gòu)件沖突。

7 結(jié)論和建議

①通過對四個區(qū)間的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，道床的異常隆起變形主要是由向上的水浮力引起，與堵漏施工有關(guān)，根本原因都是隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生滲漏水。

②結(jié)構(gòu)變形縫附近是滲漏水的易發(fā)地帶，暗挖區(qū)間和明挖車站（或明挖區(qū)間）分界處尤其是變形縫位置發(fā)生滲漏水的可能性較大，是道床隆起會出現(xiàn)問題的地方。

③大斷面隧道區(qū)域隧道的周長較大，防水板的搭接區(qū)域較多，二襯尺寸較大，在大體積混凝土澆筑時容易產(chǎn)生裂縫，存在較多的防水薄弱環(huán)節(jié)。

④仰拱與道床間不密實或是經(jīng)過高頻列車荷載長期的振動沖擊，外加溫度變化等復(fù)雜的環(huán)境因素，致使道床板與支承層粘結(jié)面塑性變形累積增加，產(chǎn)生微小裂縫。孔隙水壓力加速混凝土裂紋的擴展效應(yīng)，使整體道床和仰拱之間的界面在水壓力作用下脫離導(dǎo)致道床隆起。

通過以上分析，施工現(xiàn)場受進度、作業(yè)條件、施工工藝、商混供應(yīng)條件、地下水變化等因素影響，某些特殊位置仍有可能出現(xiàn)地下水通過薄弱環(huán)節(jié)滲透穿過二襯，聚集于后澆的道床底部與仰拱填充面間引發(fā)道床異常隆起的情況，需在道床設(shè)計階段考慮預(yù)防措施。