隧道内整体道床的破裂原因分析及整治

无砟轨道具有轨道稳定性高､刚度均匀性好､结构耐久性强､维修工作量小等优点｡隧道工程具有基础沉降小､底部整体性好､有效节约隧道断面积､养护维修环境差等特点,更适宜､更需要采用无砟轨道｡

我国隧道内无砟轨道的研究始于20世纪60年代,与国外的研究几乎同步｡初期曾尝试过支承块式､短枕式､整体灌注式等整体道床及沥青道床等几种形式,但正式推广应用的仅有支承块式整体道床｡前期主要在成昆线､京原线､京通线､南疆线等长度超过1km的隧道内铺设,总长度超过300km｡1995年以后结合秦岭特长隧道的建设,开始对弹性支承块式无砟轨道进行研究,并于1995和1997年先后在陇海线白清隧道和安康线大瓢沟隧道铺设试验段,后在秦岭Ⅰ､Ⅱ隧道正式推广应用,目前铺设总长度已接近200km｡为进一步加大对隧道内采用无砟轨道的试验研究,2003年在渝怀线鱼嘴2号隧道(719m)内进行了长枕埋入式无砟轨道的试验,2004年应用于渝怀线圆梁山隧道(11070m),在赣龙线枫树排隧道(709m)内进行了板式无砟轨道的试验｡目前,这些隧道均已通车运营,效果很好｡

为适应中国客运专线建设的需要,特别是满足无绝缘轨道电路运输长度要求,近几年铁道部又组织科研､设计､施工等多家单位,在已铺设的无砟轨道和遂渝线无砟轨道综合试验段(总长度6.98km)上,进行了多种结构形式､多种钢筋绝缘方案的试验,取得了阶段性成果,创新了无砟轨道技术,已注册为CRTS系列,形成了自主知识产权的无砟轨道技术标准体系和质量保证体系｡

我局管辖范围内,从20世纪60年代开始,在修建京原线铁路上,开始应用支承块式整体道床施工,其中最长的是驿马岭隧道约6939m｡总延长米约50km｡

1 隧道内整体道床破裂病害的产生与发展特征

随着运量增长和年限的延长,隧道内整体道床由于排水不畅,长期受地下水浸泡,加上列车通过时的反复振动,造成了整体道床和基岩分离,道床出现翻浆冒泥,列车通过时晃动较大,病害不断发展,严重影响行车安全,尤其是六七十年代早期修建的隧道｡如今隧道整体道床的破裂已成为洞内一种常见的病害｡隧道内整体道床的破裂是洞内一种常见的病害形式,经调查分析,病害的发生与发展有如下特性:

(1)隐蔽性:由于洞内光线不足和长期行车所造成的脏污,维修人员难以及时发现裂纹,加以道床混凝土本身具有较高的强度与刚度,所以病害的“潜伏期”较长｡在石灰岩及砂岩类地质条件下为10年左右;在遇水易变软的泥灰岩及页岩类地质条件下约为6~7年左右｡

(2)急剧性:一旦道床出现裂纹,道床混凝土破坏的进程就明显加快,几天甚至几小时就会使道床断裂而危及行车安全｡

(3)连续性:整体道床的破裂处所通常不是单一的,而是多处连续发生,使道床破裂形成边整治边出现的恶劣情况｡由于上述特性及洞内困难的施工条件,不但病害地段随时有可能颠覆列车,而且也必然会降低病害区段的通过能力｡以京原线驿马岭隧道为例,连续若干年进行道床裂损整治,但至今仍有病害｡

2 整体道床产生裂损的原因及分析

正确分析病害产生的原因是制定整治方案和指导维修保养的前提,多年实践证明病害产生的原因主要有以下几点｡

2.1 水文地质与工程地质方面

2.1.1隧道内地下水的径路

多年的经验教训告诉我们,地下水是道床破坏的主要原因｡但在整治实践中发现,不同的工程地质条件,道床裂损的程度明显不同,因而仅仅认识到地下水是道床破坏的内因还远远不够,必须弄清地下水在不同地质条件下的破坏机理｡

对道床起破坏作用的地下水的径路如图1所示｡

图1隧道内地下水径路示意图

其中①为拱顶淋水,②为边墙渗水｡这两种水通过既有中心水沟排出洞外｡③与④为通过岩层裂隙渗流到道床底部的地下水或平导积水｡对于地下水不丰富的地段,对道床的破坏主要是中心水沟的水经施工缝或其它裂纹渗于道床底部所致｡

2.1.2 地下水对道床的破坏形式

水对道床的破坏作用主要以下几种形式:

2.1.2.1 溶蚀

当基岩为石灰岩时,由于碳酸盐微溶于水的特性及水中各种游离酸的作用,使与道床混凝土胶结面处的基岩呈化学破坏而出现溶孔,进而被蚀空而使基岩与道床间产生缝隙,从而改变了道床的受力状态｡

2.1.2.2 浸蚀

当基岩为泥灰岩及页岩类时,基岩遇水浸泡而变软,力学强度显著降低,甚至形成浆状物而使基岩基本失去承载的能力｡

2.1.2.3携带作用

当溶蚀与浸蚀严重而使道床出现裂纹后,被蚀空处的积水在列车的活载作用下会受到较大的压力而加速在缝隙中流动,并逐渐能从道床裂纹处喷出｡这不但加速了基岩的溶(浸)蚀,而且基岩微粒或泥状物将被压力水带到道床表面,从而使基岩与道床间的空隙加大,加剧道床的破坏｡

2.2 结构设计方面

过去基本采用中心水沟式整体道床,其中心水沟处不但是横截面的薄弱部分,而且其沟角处也是应力集中的部位｡在列车偏载或因道床基础处理不当而会使两根钢轨下的道床产生不均匀下沉变形,从而在水沟处产生纵向裂纹｡沿中心水沟的流水长期经裂纹渗到道床底部,从而引起或加剧道床的破坏｡

2.3 工程施工方面

施工方法不当及质量低劣,是病害整治实践所证明了的共性问题｡

2.3.1 回填方法不当

对超挖部分未采用彻底清除浮砟后回填混凝土的方法,而采用弃砟回填｡

2.3.2 灌筑方法不当

道床混凝土未整体灌筑,有的采用先灌筑轨下部分,然后再灌筑中心水沟,使线路形成“三块板”｡

2.3.3 平导处理不当

未进行必要的支护及疏通水沟,有的只是简单地封闭,造成平导坍塌,堵塞水路｡

2.3.4 施工质量方面

混凝土搅拌不均,捣固不实,降低了混凝土的强度;整体道床的灌筑段过长,易使混凝土产生横向构造裂纹;混凝土结构尺寸不符合设计要求等｡如太焦线某隧道中心水沟欠挖部分甚至未按规定厚度灌筑混凝土,而是只用薄层砂浆压平｡

2.4 养护维修方面

优良的养护维修质量必然能防止或延缓病害的发生与发展,但从施工过的隧道情况看,普遍地存在着中心水沟堵塞､侧沟被污物淤满､平导坍方落石未予清理和未进行必要的支护等,从而使既有的排水系统不能正常地发挥作用｡

3 整体道床的破坏阶段

根据多年的观察,道床的破坏一般分为4个阶段:

3.1 病灶阶段

道床下基岩面明显潮湿｡在石灰岩及砂岩地段,沿基岩裂隙或节理撬开碎石或掏出弃砟,可见石面上有水膜或水珠｡在泥灰岩及页岩地段,可见岩面光亮,手感光滑,用指甲可刮下薄泥屑｡此时,基岩与道床混凝土间虽无明显空隙,但病灶已形成｡

3.2 初始阶段

基岩与道床混凝土已间断产生缝隙,在泥灰岩及页岩地段,岩面已明显松软,剥落的泥屑粘手并可用手团成泥团｡折断岩片,可明显地看到周边湿软中间硬的现象｡此时道床已开始轻度破坏,但一般情况下,道床表面除个别地段有细微裂纹外,尚未见明显横向贯通裂纹,道床也未明显下沉｡

3.3 开裂阶段

在石灰岩地段,基岩与道床间的缝隙加长加大,局部地段手掌皆可伸入,水沟中的积水可从线路一侧流到另一侧｡在泥灰岩及页岩类地段,表层岩块多被泡软,严重的已近黏稠状｡此时道床与人行道脱离并下沉,其表面及中心水沟产生明显裂纹,列车通过时道床起伏“喘气”,局部严重地段有水溢出或喷出,但此时尚未被分割破碎｡

3.4 急剧破坏阶段

在石灰岩地段,道床与基岩的空隙逐渐地连通,局部地段小臂皆可伸入,相当长的道床段落处于悬空状态｡此时道床裂纹增宽加长,严重的宽度可达Iem以上,支承块松动,道床被分割破碎并严重下沉,轨距水平难以保持｡

4 整体道床裂损的整治原则及措施

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对于整体道床必须进行综合整治才能达到预防和消除病害的目的｡综合整治的原则首先是设计､施工和维修部门都要在本专业范围内采取有效措施,层层把关并从严要求;其次是在整治项目方面,要针对病害的成因以治水为主,采取疏(水)､调(坡)､压(浆)､翻(修)､填(中心水沟)的综合整治措旅;最后在施工时,要依据病害的发展规律和阶段,讲究各工程项目的施工顺序,以确保施工项目的工程质量｡

4.1 疏导地下水

彻底改变以中心水沟为主要排水渠道的隧道排水体系,一般采取疏截结合,先洞外后洞内,先平导后正洞的方法｡

4.1.1 疏导平导积水,防止因平导堵塞而使积水水头加高,进而回灌正洞,其要点:第一是对围岩破碎段进行锚杆加固或局部衬砌,为减少围岩开挖数量和投资,衬砌断面可沿围岩随高就低,随宽就窄｡衬砌混凝土多采用C13｡第二是清除塌方落石,疏通平导水沟｡

一般沟底标高以低于道床底面0.5m为宜｡当平导高于道床较多时,为减少石方开挖数量,沟底可适当抬高,但沟周围应以混凝土衬砌｡

图2 密井暗管排水沟结构示意图

4.1.2 沿道床两侧设置密井暗管排水沟,目前采用的结构如图2所示｡水沟一般每隔5m左右设置集水井或沉淀井｡道床下及山体内的水流到水管上C13混凝土表面,然后沿线路方向流到井中由导水管排走｡密井水沟起疏截图1中第③､④种水的作用,其结构要点是:

(1)水是道床破坏的主要原因,而水量的多少只是影响破坏的速度,因而凡有水浸蚀现象的地段均应设双侧水沟,而其它地段可设单侧,此时水沟的作用只是导水｡水沟的长度对于地下水丰富的隧道,应以贯通全洞为宜,对于只是局部地下水较丰富,可以从该处沿线路的下坡方向延长到洞外｡

(2)导水管目前多采用混凝土管,其内径应以水力计算决定｡由于隧道断面的限制,水管直径多由结构控制,一般为25~30cm｡

(3)水沟的造价随其深度的增加而加大｡

(4)水沟表面的集水槽主要是为了疏截图1中的第②种水,该槽要确保与集水井连通｡

4.2 局部调整线路坡度

确定道床翻修地段的主要依据是道床的破碎和下沉的程度,而道床的破碎和下沉必然导致线路坡度的改变,因而局部调整线路坡度是整治设计的一项重要内容,一般要考虑以下两点:

(1)根据经验,一般在水沟贯通､道床积水疏干后约15~20天,裂损地段道床的下沉即基本完成而处于暂时稳定状态｡因而,为确保坡度设计准确,线路的水平测量必须在此时进行｡

(2)道床翻修的造价很高,因而除了处于急剧破坏阶段的道床必须翻修外,根据经验,处于开裂阶段的道床未破碎部分,一般在压浆后能保证行车安全｡因而调坡设计应充分考虑这一点,以减少工程投资｡

4.3 整体道床的压浆

压浆是填塞整体道床与基岩间的空隙,治理处于破坏初始阶段和开裂阶段病害的重要手段,其作业程序与混凝土裂纹的整治方法基本相同｡通过压浆,强化围岩固结,增强围岩稳定性,减轻围岩对衬砌的荷载作用｡破碎围岩并采用压水泥浆使其固结;强度较低的围岩如松散砂粘土类,可沿断面对围岩压灌化学浆液,使砂粘土固结形成拱体与衬砌共同承受荷载｡但施工中以下几点应特别注意｡

4.3.1 压浆地段的确定在水沟开挖后,通过直接观察道床与基岩间缝隙的实际情况,结合坡度设计来选择,压浆应在坡度局部调整后立刻进行,以使爆破翻修地段的道床及时避免或减轻对相邻地段造成进一步的破坏｡

4.3.2 压浆质量的控制水沟开挖后,要认真观察和测量道床的厚度､弃砟回填厚度､空隙大小和基岩工程地质状况来合理地确定钻孑L深度,并宏视控制压浆的数量｡

图3 整体道床压浆时孔眼布置示意图

4.3.3 为了避免或减少浆液压入无砂混凝土中,对于基岩与道床空隙较大的地段,在灌筑无砂混凝土时可选用土工纤维布作隔离层｡为确保压浆的有效范围相互连接,建议采用如图3所示的孔眼布置｡

4.4 翻修整体道床

彻底翻修是整治处于急剧破坏阶段道床的唯一方法｡考虑到运营线的施工条件,在施工中应注意以下几点:

4.4.1 灌筑段长度的确定

在工程实践中多次发现,灌筑段落过长,会使灌筑段中部产生横向裂纹｡因而灌筑段落不宜过长,考虑到施工的方便,一般以5m为宜｡

4.4.2 超挖部分的回填

有些资料提出采用C13~C20混凝土,这在新建隧道是适用的｡在运营线上为使道床尽快承受列车活载,从而减少线路慢行及封锁时间,道床混凝土一般使用早强､高标号水泥或掺加早强剂｡如采用C13混凝土回填,不但增加施工难度,而且会使两种混凝土因强度发展速度相差过大而使翻修道床下部产生软弱层,在放行列车时将不利于新灌道床的成品保护和行车安全,所以回填混凝土与道床混凝土(目前一般为C30)的标号以相同为宜｡

4.4.3 道床混凝土的质量控制

图4 整体道床施工支护示意图

道床灌筑通常借助横抬钢枕进行,由于洞内施工条件困难,使灌筑工作产生两种质量上的缺陷,其一是支承块在放行列车的振动下会产生横向及纵向位移;其二是道床灌筑水平分层过多,会使道床的整体性质量不高｡这类问题可以通过“加强施工组织和控制灌筑时间来解决”,即混凝土第一次就要灌筑到横抬梁底(见图4),其作业时间瓦由下式控制:

T₀=T-t(min)

式中

T——线路封锁时间；

t——通过试验确定的混凝土初凝时间｡

然后解开支承块,使钢枕受力并放行列车｡待混凝土强度达到设计要求后再拆除钢枕,使支承块承受列车活载,最后进行第二次灌筑,使道床达到设计位置｡

4.5 回填中心水沟

本项工作是为了防止图1中第①种水对道床的破坏,并使之就近通过集水槽排到集水井内,工程量虽小,但实践证明极有利于防治病害,而且还能加固道床的薄弱部分和便利维修作业｡

5 提高病害整治效果的改进意见

以上各项整治措施在实践中都取得了较好的效果,为了更好地服务于运输,保证安全,便利施工和节约投资,建议作如下改进:

(1)纵梁的设置:主要作用是作为横扣钢枕的支座,但其位置正好截断道床下积水流向无砂混凝土的通道｡目前的做法通常是采用预制混凝土支墩支撑钢枕,但是极易发生个别支墩破裂失去作用｡解决的办法是将支墩改为截面为(20~30cm)×b的现浇混凝土墩(b为钢枕间距),上面放置工字钢梁(尺寸依现场实际而定,可单根也可并置或更多),从而提高线路的稳定性｡

(2)导水管的选用:目前基本使用的是管壁为5mm无砂水泥管,笨重且易碎,运输费用高,损耗大｡为改变这种状况建议采用特质塑料PVC硬管,管壁设有细小孔,利用塑料制品具有寿命长､易保存､重量轻的优点,可极大地方便施工和提高施工质量｡

(3)线路加固措施:为了灌筑混凝土的需要,从70一90年代直到2001年以前,我们一直采用低抬道横扣轨束梁的方法,需限速15km/h慢行｡目前我们采用低抬道横扣钢枕(仿D型施工便梁的横梁)的方法,间距1.12m,每次需封闭线路180min,架空线路法施工,提高行车速度到25km/h,扩大了运输能力｡

(4)道床压浆方式:可采用锚杆､压浆组合手段,强化浅层基岩,提高基岩的承载力,或在轨底下加设桩基,减少列车荷载和水害对浅层基岩的作用｡

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文章来源：

摘录《隧道内整体道床的破裂原因分析及整治》程学武、董敬(北京铁路局，北京100038)