高速铁路隧道段无砟轨道上拱处治技术

目前,我国已是世界上隧道工程规模最大､数量最多､地质条件和结构形式最复杂､修建技术发展速度最快的国家｡近些年来,由于基底水压高,营运的铁路隧道在断层､岩溶发育等富水地段屡屡产生无砟轨道上拱的现象;另外,隧道施工工艺､施工质量等问题,导致隧道仰拱底部不密实､仰拱填充分层施做以及仰拱施工缝防水效果不理想等情况发生｡倘若隧道周边地下水发育､水量丰富,这些防排水的薄弱位置将会产生积水,在水压作用下,容易引起轨道板的上拱,对铁路安全运营造成极大影响｡

以某既有高速铁路隧道运营期内出现的隧道无砟轨道上拱为例,分析问题产生的原因,对整治措施进行探讨,为类似工程病害处置提供参考｡

1 工程背景

某高速铁路隧道穿越低山区,全长4675m,为单洞双线隧道｡隧道内最大纵坡为20‰,设计时速250km,轨面以上净空面积92㎡,采用CRTSⅢ型板式无砟轨道结构｡2016年5月8日,列车在隧道内运行时,感觉明显晃车,立即上报并停车｡经现场排查,发现K206+835~K206+876范围内轨道上拱,上行37mm,下行38mm,长度41m｡隧道排水系统不畅,无砟轨道道床积水,积水深度达4~6cm,对应地表发现有市政道路施工形成的积水坑｡

2 原因分析

2.1 隧道底部存在承压水

事件段隧道区域为混合岩,强风化~弱风化,岩体破碎,呈碎石角砾状,围岩级别为Ⅴ级,岩体节理裂隙较发育,基岩裂隙水能够沿节理面下渗｡隧道处于沟谷低洼地段,覆土厚度为4.8m,属超浅埋｡

2016年5月7日,隧道穿越区域集中强降雨,最大值147.76mm｡经计算,区内汇水面积达到93131㎡,两侧山体及沟谷上游地表水在洞顶积水坑冗滞并集中渗入地下隧道周边｡隧道通过复合式防水板､环向盲管､纵向盲管将地下水引排至仰拱填充内的中心排水管进行地下水限排｡由于排水系统不畅,地下水补给远大于隧道排水能力,使隧道存在大量地下水,并形成一定水压｡根据该段结构设计情况,上述水压不会造成隧道结构性破坏,但可导致隧道内仰拱填充层上鼓,引起轨道上拱｡

2.2 仰拱防水效果不理想

随着隧道开挖和临空面的形成,地下水向隧道区域汇集､渗出,造成地下水的重新分配,从而形成新的含水层和地下水转移通道｡在隧道修建完成后,积聚的地下水需要新的通道,水从结构薄弱的施工缝､变形缝､衬砌裂缝等发生渗漏,致使隧底承压水进入仰拱填充层｡

2.3 仰拱填充层留有水平施工缝

通过钻芯孔,清晰可见距离仰拱填充层表面下约30cm处,存在离缝,如图1所示｡该离缝为仰拱填充层施工中分两次浇筑产生的水平施工缝,如图2所示,上部30cm厚为仰拱填充找平层｡找平层为无砟轨道施工前铺设,与仰拱填充层施工间距时间较长,由于施工车辆在仰拱填充表面通行未采取成品保护措施,经车辆长期碾压,仰拱填充层混凝土遭受破坏,表层酥碎,与找平层不密贴,隧底地下水沿着施工缝进入隧底填充层与找平层间空隙,使地下水产生的水头压力作用在仰拱填充找平层上,施工缝以上的部分在水压作用上浮,从而使轨道上拱｡

3 模拟计算

综合以上影响因素,按照对应的边界条件,利用地下结构计算软件进行模拟计算｡

(1)计算模型

本次计算按照平面应变假设,采用了结构-荷载模式:将结构水压力换算成均布荷载,施加在结构上进行结构内力计算｡

计算假定仰拱填充层承受水压荷载｡

(2)约束条件

采用径向弹簧模拟初支对结构的水平位移和垂直位移的约束作用｡

(3)计算参数

①参考《铁路隧道设计规范》(TB10003—2016)第4.3.3条,Ⅴ级围岩级物理力学指标,并参考其他相关文献,最终确定计算参数如表1所示｡

②根据现场情况确定水压力取值

地表距离拱顶高度为4.8m,拱顶距仰拱填充层高度为10.3m,故计算水头高度为4.8m+10.3m=15.1m,作用在仰拱填充层上的水压力为151kPa｡

(4)计算结果(图3)

图3 隧道整体竖向位移(单位m)

通过图3可以看出,在该状态下,线路中心线位置,竖直方向位移39.1mm,与无砟轨道上拱高度基本相符｡

4 治理技术

4.1 应急措施

(1)排水系统疏通:疏通隧道内中心水沟､侧沟以及道床面排水槽内积水,确保水流通畅,对地表积水及时引排,设置临时截排水措施,避免隧道洞顶积水｡

(2)设置泄水孔,每断面内布设4个泄水孔｡

(3)建立沉降监测网,对结构､轨道进行实时监测｡

(4)根据监测结果,及时对轨道进行应急性精调,为铁路安全运营创造条件｡

4.2 永久措施

(1)轨道板加固处理措施

隧道基底稳定后,采用钻孔植筋的方式加强底座板与隧道仰拱回填层的连接｡

轨道上拱段每块轨道两侧的底座顶面各植5根剪力筋,每个轨道板缝间各植4根剪力筋,底座伸缩缝处除外｡轨道上拱段两侧各扩展15m范围,每块轨道两侧的底座顶面各植3根剪力筋,每个轨道板缝间各植4根剪力筋,底座伸缩缝处除外｡

植筋的钻孔直径为25mm,深度840mm,采用植筋胶将Φ20mm､长800mm的HRB400级剪力筋植入钻孔中,钻孔顶面30mm､底部10mm范围采用植筋胶密封｡

(2)隧底加固

将隧道事件段两侧各延长15m范围内,隧底结构采用抗拔锚杆进行注浆锚固｡锚杆按沿上下行道床底座板外两侧矩形布置,锚固每断面4孔｡事件段纵向间距为2.5m｡锚固断面里程应避开仰拱施工缝位置设置｡其余段落断面纵向间距为5m｡

锚杆采用Φ32mm自进式注浆锚杆,长3m,通过锚杆对隧底及仰拱填充层水平施工缝进行回填注浆,注浆材料采用硫铝酸盐水泥(水灰比0.4∶1~0.6∶1)｡隧底回填注浆,压力控制在0.3MPa;仰拱填充层水平施工缝回填注浆,压力控制在0.1MPa;终孔压力一般稳压2min可停止注浆｡

(3)地表注浆

采用袖阀管注浆工艺,进行地表注浆,使隧道结构周边5m范围内,形成止水帷幕圈｡

①横向注浆范围:隧道结构外边缘两侧各5m范围内｡竖向注浆范围:按隧道结构底以下2m至地表控制｡

②注浆方式:采用后退式注浆,袖阀管注浆工艺｡

③注浆孔布置:注浆范围内,注浆孔按梅花形布置,间距1.5m×1.5m｡因既有线施工的严格要求,为避免钻孔对隧道结构产生影响,钻孔边界､钻孔端头,隧道结构外边缘两侧及结构顶部留设的安全距离均按1m控制｡

④注浆参数:具体注浆参数如表2所示｡

注:注浆材料实际采用以硫铝酸盐水泥为主,局部辅以“水泥-水玻璃”双液浆(水灰比0.8∶1~1∶1),以达到迅速凝结,避免对隧道结构及排水系统造成不利影响｡

经过以上处理措施,目前该隧道恢复正常运营达1年以上,运营状态良好｡

表2 注浆参数表

5 预防建议

(1)加强隧底防排水设计

对铺设无砟轨道的隧道,尽量避免将地下水引入仰拱内,应在隧道结构外将水引排,可设计为深埋式中心水沟｡确实不适宜设置深埋式中心水沟的,可考虑在隧底埋设环纵向溢水盲管,将水及时引排至检查井或侧沟中,避免隧道产生较大水压｡

(2)优化隧道仰拱填充施工工艺

隧道仰拱填充宜一次成型施做,避免填充层内积水｡当确需分层施做时,应采取旧混凝土凿毛､植筋锚固､增设钢筋网片等加强措施,确保填充层施工质量｡

(3)加强施工缝､变形缝防水施工质量

隧道底部环向施工缝､变形缝采取止水带､界面剂等防水措施,并通过定位钢筋卡,确保止水带平整､居中,将混凝土面清洗､凿毛｡

(4)做好轨下隧道结构施工质量评定

在无砟轨道铺设前,通过地质雷达探测,钻孔取芯,注水试验等方式,评定隧底施工质量,根据质量缺陷严重程度,采取注浆,锚杆补强,拆除重做等措施,确保轨下隧道结构满足要求｡

6 结语

目前,高速铁路一般采用无砟轨道,因水害引起的无砟轨道上拱病害,永久处理可采用洞内“泄､锚､疏”及洞外“封､注､排”相结合的原则｡采用隧底抗拔锚杆注浆锚固+轨道板钻孔植筋加固处理方法是可行的,对改善围岩及仰拱的受力状态是必要的｡隧道水害整治和预防在工程建设整个周期都应予以重视,做好隧道水害的预防和治理是一项重要而艰巨的任务｡

文章来源：

原文名称：某高速铁路隧道无砟轨道上拱处治技术

作者信息：李铁钟( 中国铁路设计集团有限公司，天津300251)

期刊信息：铁道标准设计 2018 年5 月