整体道床铁路隧道隧底病害成因分析及整治方案设计

[drop]截至2018 年底，中国大陆铁路运营里程已达13. 1 万km，其中投入运营的铁路隧道15 117 座，总长16 331 km。可见，隧道是铁路基础设施的重要组成部分。[/drop]

我 国现行TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》规定长度不小于1 000 m隧道和隧道群地段宜采用无砟轨道。例如，瓦日线南吕梁山隧道、太中银线吕梁山隧道和唐呼线集宁隧道等长大客货共线铁路隧道均采用整体道床。随着投入运营的整体道床铁路隧道越来越多、运营时间越来越长，其病害逐渐产生并日益发展，部分病害已严重影响行车安全。区别于碎石道床铁路隧道，整体道床铁路隧道在运营标准、病害类型、整治措施等方面均有典型特征。

部分学者针对整体道床铁路隧道的病害特征及其成因机理开展了一些研究。郭飞等以焦柳线银匠界隧道整体道床为例，建立了弹塑性有限元法计算模型，研究了在列车作用下道床沉降与基底状况的关，计算得到的沉降值与实测数据吻合。研究结果表明:

道床的沉降与道床下软基被淘空的情况有关，以道床下软基两端逐步向中间被淘空为最不利情况; 在基岩、侧沟、边墙、人行道和围岩对整体道床的作用中，围岩的作用有限。刘庆潭等采用传递矩阵法( TMM) 对隧道整体道床典型横断面作了力学分析，所得分析成果可为整体道床的设计和维护提供一些合理的科学参数。杨跃强研究了某特长铁路隧道承压水对整体道床病害的影响和处理技术。张俊俭等以太岚线柏崖头隧道整体道床局部下沉与翻浆冒泥病害整治为工程背景，提出了解除边界约束、修补裂缝以及“上挑下顶”的隧道内整体道床快速抬升技术，同时采用阵列式位移自动化监测技术，实现了对各点抬升高度的精确控制。赵欣等分析了乌鞘岭隧道整体道床裂纹病害的主要影响因素，提出: 对0. 5 mm 及以下的裂纹采取建立台账，定期检查监控; 对不伴有整体道床下沉的0. 5 mm 以上的裂纹，采用环氧树脂封闭法进行修补; 对于裂纹密集、宽度较大并伴有整体道床下沉的裂纹，采用压注水泥砂浆法进行整治。整治后隧道整体道床裂纹数量减少，线路设备质量得到显著提高，列车运行平稳性和舒适性得到改善。王许锋介绍了兰渝铁路某隧道整体道床基础下沉病害情况，提出了选用快硬硫铝酸盐水泥作为注浆材料，采用袖阀管注浆加固整体道床基底结构的整治方案。孟令宝结合瓦日线南吕梁山隧道病害整治工程，对整体道床隧道底鼓变形展开了理论及数值模拟分析，在此基础上提出了较为合理的底鼓整治措施，并对其相关参数进行了模拟优化。黄彦彬以兰渝铁路木寨岭隧道岭脊段为背景，针对隧道施工中存在围岩大变形并产生了仰拱隆起、二次衬砌开裂等病害，对隧道轨道结构形式进行了优化设计研究。根据施工中发生的病害现象，对应的变形特征，分析了病害产生的原因，从结构安全可靠性、轨道结构可维修性等方面综合分析，提出了该段线路改为有砟轨道的建议。

综上所述，针对整体道床铁路隧道隧底病害的研究虽然取得了部分成果，但对整体道床铁路隧道隧底病害的发育特征总结不够，病害产生原因探讨不深，病害整治措施缺乏系统性、针对性和有效性。因此，开展整体道床铁路隧道病害特征分析，病害原因探讨以及病害整治方案试验是确保隧道结构健康服役和列车运行安全的关键。

1 整体道床铁路隧道隧底病害特点

1. 1 主要病害类型

整体道床铁路隧道隧底主要病害表现为: 整体道床开裂、整体道床与仰拱填充层间离缝( 溢水或细颗粒物被带出) ; 隧底脱空、隧底不密实、整体道床下沉;仰拱裂损、仰拱厚度不足; 隧底高水压; 整体道床上拱。

1. 2 病害主要特征

整体道床铁路隧道隧底病害的主要特征为: 各类病害均对轨道平顺性影响敏感; 易形成高压地下水而造成轨道上拱; 多种病害同时产生，整治难度较大。

2 整体道床铁路隧道隧底病害成因

2. 1 整体道床与仰拱填充层或铺底间离缝

从离缝溢出物来源、运移通道、运移介质等方面分析:

①病害区段周边存在不良地质体( 如断层破碎带) ，为细颗粒溢出物来源之一; 病害区段仰拱填充层与整体道床底部接触面之间不密实，在列车动荷载作用下发生研磨，产生细颗粒，为细颗粒溢出物来源之二;

②病害区段仰拱填充层与整体道床底部接触面之间不密实，为细颗粒物溢出通道之一; 病害区段仰拱填充层浇筑质量不达标，后期发生开裂，为细颗粒物溢出通道之二;

③病害区段隧底围岩富含地下水且无合理疏排通道，为各种细颗粒物的运移和溢出提供了介质;聚集或封闭在整体道床与仰拱填充层之间的地下水在列车动荷载作用下形成动水压力，进一步恶化病害区段的受荷条件，加剧了病害的扩展和演化。

2. 2 整体道床下沉

整体道床下沉主要有3 方面原因:

①整体道床底部与隧道仰拱填充层或铺底间存在离缝病害。

②在列车荷载作用下整体道床与仰拱填充层或铺底间产生接触应力，接触面发生研磨从而产生细颗粒物，细颗粒物被离缝间的水体抽吸、冲刷带走，最终形成离缝并进一步扩大成腔状空间。

③隧底存在施工期未彻底清理的虚渣等不密实层。

2. 3 整体道床上拱

整体道床上拱病害主要有3 方面原因:

①隧底存在丰富地下水且无合理疏排通道，在列车动载作用下形成动水压力;

②隧底存在膨胀岩等不良地质体;

③隧道穿越区存在复杂地质构造。

3 整体道床铁路隧道隧底病害整治方案设计

3. 1 整治方案设计原则

整治方案应对共发病害予以综合治理，须在天窗内实施完毕，且实施过程中不对隧底结构和线路平顺性造成影响。

3. 2 综合整治方案设计

基于整体道床铁路隧道隧底病害特征、病害发生原因和致灾机制以及整治方案设计和实施原则，提出“道床锚固+离缝充填+细颗粒固结+合理排水”的综合整治方案。方案设计如图1—图4 所示。

3. 3 主要实施步骤

1) 采用涨壳式中空锚桩将整体道床、隧底结构和底部围岩锚固在一起。

2) 通过中空锚桩注入速凝、早强、高流动性的双组分高分子材料，充填隧底不密实层，补强隧底结，
填充隧底各类已有离缝，固结离缝内细颗粒物，挤出离缝内滞留水体。

3) 采用流动性强、渗透性好、黏接性能优的高分子化学材料对道床裂缝和离缝进行封闭和黏合。

4) 在道床与侧沟之间的沟槽内斜向道床一侧钻取溢水孔，疏排隧底围岩中富集的地下水。

4 病害整治方案现场应用与效果评价

唐呼线集宁隧道位于内蒙古集宁市，为2 座单线隧道，下行隧道长5 875 m，上行隧道长6 070 m，隧道纵坡为人字坡。隧道采用整体道床，轨道结构为双块式无砟轨道。

2017 年10 月31 日15: 30，呼和浩特局集团公司集宁工务段在集宁隧道下行线进行日常检查时发现，K700+560—K700+567 长度7 m 范围内无砟轨道整体道床底部溢水，列车通过时整体道床上下颤动。经检查，该范围内整体道床底部与仰拱填充层间存在1～5 mm的离缝，整体道床侧面排水槽内局部有被挤出10 cm 厚的泥沙状细颗粒物( 见图5) 。自10 月31 日19: 18 分唐呼线K700 + 500—K700 + 600 下行限速60 km/h 运行。2017 年11 月1—2 日对上下行隧道进行全面检查发现上行线存在同样病害，自11 月3 日10: 49 分唐呼线K700 + 400—K700 + 500 上行限速60 km/h 运行。

采用“道床锚固+离缝充填+细颗粒固结+合理排水”的综合整治方案。其中高分子早强加固材料灌注如图6 所示。

采用地质雷达分别于病害发生后的2017 年11月21 日和病害整治完成后的2018 年6 月5 日，对集宁隧道下行K700+480—K700+630 段隧底状态进行了检测，结果对比见图7—图9。可见，病害区段内隧底所有不密实部位均得到充填和加固，未发现加固盲区。

5 结论

1) 整体道床铁路隧道隧底病害的主要特征为: 各类病害对轨道平顺性影响敏感，易形成高压地下水而造成轨道上拱，多种病害类型复杂共生，病害整治技术储备少，病害整治难度较大。

2) 整体道床与仰拱填充层间存在离缝、离缝接触面发生研磨、滞留水体冲刷抽吸形成腔体，隧底存在施工期未清理虚渣等不密实层是整体道床下沉的主要原因。

3) 整体道床与仰拱填充层或铺底间产生离缝及溢出细颗粒物的主要原因是列车动荷载的作用。

4) 隧底存在丰富地下水且无合理疏排通道，在列车动荷载作用下形成动水压力，隧底存在膨胀岩等不良地质体，隧道穿越区存在复杂地质构造，是整体道床铁路隧道隧底上拱的主要原因。

5) 基于整体道床铁路隧道隧底病害特征、病害发生原因和致灾机制以及整治方案设计和实施原则，提出“道床锚固+离缝充填+细颗粒固结+合理排水”的综合整治方案。

6) 唐呼线集宁隧道整体道床病害的整治过程及整治效果显示，该综合整治方案将空腔填筑、结构补强、离缝黏合、细颗粒物固结、滞留水体疏排等完美结合，可行且有效。

文章来源：

原文名称：整体道床铁路隧道隧底病害成因分析及整治方案设计

作者信息：马超锋( 中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京100081)

期刊信息：铁道建筑（2019年-第59 卷第6 期）