運(yùn)營(yíng)鐵路隧道洞身破壞應(yīng)急搶修技術(shù)探討

劉均紅

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600)

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運(yùn)營(yíng)鐵路隧道洞身破壞應(yīng)急搶修技術(shù)探討

劉均紅

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600)

摘要：根據(jù)災(zāi)害情況下的破壞程度，將運(yùn)營(yíng)鐵路隧道洞身破壞分為局部破損和洞內(nèi)坍塌兩種形式。針對(duì)局部破損情況，提出拱圈補(bǔ)強(qiáng)和邊墻加固的應(yīng)急搶修對(duì)策；針對(duì)洞內(nèi)坍塌情況，分別針對(duì)以隧道形式和以路塹、明洞或棚洞形式通過(guò)的快速搶通方案，提出了相應(yīng)的保障措施，以期為鐵路隧道應(yīng)急搶修技術(shù)研究提供參考。

關(guān)鍵詞：鐵路隧道；局部破損；洞內(nèi)坍塌；應(yīng)急搶修

作為控制性節(jié)點(diǎn)工程，鐵路隧道的破壞將直接影響到整條鐵路乃至整個(gè)鐵路網(wǎng)的運(yùn)營(yíng)安全。洞身破壞尤其坍塌是鐵路隧道應(yīng)急搶修的重點(diǎn)，也是難點(diǎn)。造成運(yùn)營(yíng)鐵路隧道洞身破壞的原因很多，如恐怖襲擊、地震、泥石流、山體變形、涌水突泥等等。不管破壞范圍如何，都將意味著隧道喪失使用功能，阻礙正常交通運(yùn)營(yíng)，給人民生命安全和國(guó)家經(jīng)濟(jì)帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)和損失[1]。當(dāng)前，我國(guó)關(guān)于鐵路隧道應(yīng)急搶修技術(shù)的研究尚處空白，依托相關(guān)科研計(jì)劃項(xiàng)目，對(duì)運(yùn)營(yíng)鐵路隧道洞身局部坍塌應(yīng)急搶修技術(shù)予以分析探討。

1 洞身破壞分類

一般情況下，鐵路隧道洞身埋深大，遭受襲擊可能性小，即便遇到攻擊，破壞程度也不會(huì)太嚴(yán)重。相關(guān)研究表明，洞身埋深H>50 m時(shí)，由于圍巖土體約束作用的顯著增強(qiáng)，自然災(zāi)害對(duì)隧道的破壞程度明顯偏小[2-3]。因此，文中認(rèn)為，災(zāi)害發(fā)生時(shí)，若H>50 m，隧道洞身破壞通常表現(xiàn)為拱頂或邊墻的局部破損；若H≤50 m，則往往表現(xiàn)為洞內(nèi)坍塌。

1.1 局部破損

隧道洞身襯砌錯(cuò)臺(tái)、脫落、掉塊，致使結(jié)構(gòu)承載能力明顯減弱，或變形過(guò)大直至侵限，影響行車安全甚至阻礙行車；或隧道雖未坍塌，但若不及時(shí)處理，隨時(shí)都有發(fā)生坍塌的可能，此種情況認(rèn)定為隧道洞身局部破損。

1.2 洞內(nèi)坍塌

洞內(nèi)坍塌是隧道所遭受的最為嚴(yán)重的一種破壞，也是應(yīng)急搶修的重難點(diǎn)。洞內(nèi)坍塌一般分為拱形塌方和塌穿型塌方兩種[4]，分別如圖1和圖2所示。其中，當(dāng)塌方高度Hc≤10 m時(shí)，視為拱形塌方，該種塌方情況下，隧道襯砌結(jié)構(gòu)尚未完全破壞，僅拱部坍塌，邊墻局部完好；當(dāng)Hc>10 m時(shí)，一般可認(rèn)為洞身大面積塌陷或坍塌直至地表，襯砌結(jié)構(gòu)完全破壞，該段隧道完全喪失使用功能，視為塌穿型塌方，該種塌方情況無(wú)疑是致命的。

圖1 拱形塌方示意

圖2 塌穿型塌方示意

2 洞身局部破損搶修技術(shù)

2.1 噴錨支護(hù)

2.1.1 適用條件

噴錨支護(hù)在隧道洞內(nèi)局部破損且破壞程度相對(duì)較輕的應(yīng)急搶修中具有較強(qiáng)的可行性。該方法主要適用于Ⅱ級(jí)圍巖、Ⅲ級(jí)圍巖及Ⅳ級(jí)圍巖普通地段。

2.1.2 加固措施

(1)針對(duì)拱部局部破損情況，在對(duì)舊拱進(jìn)行表面鑿毛處理的基礎(chǔ)上，破壞拱圈周圍打設(shè)錨桿，噴錨支護(hù)參數(shù)如表1所示。其中，Ⅲ級(jí)圍巖、Ⅳ級(jí)普通地段需在二襯錯(cuò)臺(tái)或脫落部位鑿槽(鑿毛時(shí)順便將寬大的裂縫和錯(cuò)臺(tái)擴(kuò)成“V”形槽道)，槽道內(nèi)布設(shè)?6 mm(或?8 mm)的拉結(jié)鋼筋網(wǎng)之后噴射混凝土作為初期支護(hù)。

表1 噴錨支護(hù)參數(shù)表

(2)針對(duì)邊墻局部破損情況，首先鑿除邊墻破損處部分襯砌混凝土，并對(duì)襯砌混凝土表面進(jìn)行清洗；按照間距1.0～1.5 m打設(shè)錨桿，梅花形布置(危險(xiǎn)地方可增加1根)；錨桿端頭掛雙層鋼筋網(wǎng)，第1層采用?6 mm@20 cm，第2層采用?8 mm@25 cm，噴射混凝土15 cm進(jìn)行加固。

2.2 鋼拱架加固

2.2.1 適用條件

鋼拱架通常采用型鋼或鋼軌現(xiàn)場(chǎng)加工而成，多用于Ⅳ級(jí)圍巖加強(qiáng)及以上地段。該方法實(shí)質(zhì)上相當(dāng)于在原隧道形成了套拱，減少了原隧道凈空，因此，鋼拱架加固方法必須保證在隧道凈空容許的情況下進(jìn)行，且不影響應(yīng)急運(yùn)輸車輛的正常行駛。

2.2.2 加固措施

鋼拱架加固間距通常視地層情況而定，一般Ⅳ級(jí)圍巖加強(qiáng)地段間距1.0 m，Ⅴ級(jí)圍巖普通地段間距0.8 m，Ⅴ級(jí)圍巖加強(qiáng)地段間距0.6 m。

3 洞內(nèi)坍塌搶修技術(shù)

隧道洞內(nèi)坍塌的應(yīng)急搶修按照“穩(wěn)固塌體、填充空洞、注漿加固、謹(jǐn)慎通過(guò)”的思路[5]，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況考慮以隧道形式或以路塹、明洞或棚洞形式通過(guò)。

3.1 處理原則[6]

(1)在塌方范圍內(nèi)頂部與側(cè)壁的危石及大裂縫，應(yīng)先行清除或錨固。

(2)加強(qiáng)原有支護(hù)襯砌，對(duì)塌方范圍前后原有的支護(hù)進(jìn)行加固，防止塌方擴(kuò)大。

(3)在塌方范圍內(nèi)架設(shè)支撐或者噴射混凝土，必要時(shí)加設(shè)錨桿支護(hù)。

(4)加快襯砌，對(duì)塌方兩端應(yīng)盡快做好局部襯砌，以保證隧道臨時(shí)通車。

3.2 以隧道形式通過(guò)

3.2.1 適用條件

隧道洞身埋深較大或塌方直至地表且坍落的土石方數(shù)量巨大致使隧道嚴(yán)重堵塞，坍體很不穩(wěn)定，或即使隧道埋深較淺但卻不具備以路塹、明洞及棚洞通過(guò)的條件時(shí)，考慮以隧道形式通過(guò)。

3.2.2 搶修方案

首先考慮對(duì)臨近塌方地段(塌方后方)懸而未塌襯砌結(jié)構(gòu)的注漿加固，對(duì)于阻擋施工的懸掛已破壞襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行切割清理。拱形塌方情況下，根據(jù)Hc不同，針對(duì)塌穴采用不同的臨時(shí)支護(hù)措施，保障坍渣清理后應(yīng)急通車；塌穿型塌方情況下，要做好超前預(yù)支護(hù)，以初期支護(hù)作為主要承載結(jié)構(gòu)[7]。

(1)當(dāng)塌方高度Hc<5 m時(shí)，采取從地表自上而下清理坍渣，在露出拱頂缺口后，進(jìn)行臨時(shí)蓋頂：①當(dāng)B′≤2 m時(shí)，采用普通枕木密鋪直接蓋頂。②當(dāng)2 m≤B′

(2)當(dāng)5 m≤Hc<10 m時(shí)：①由地面向下逐步清除坍渣，隨即架設(shè)箍架支撐。箍架的形式可為多邊形、矩形或方形，視坍穴的形狀而定，架距不大于1 m，如圖3所示。②若坍穴成斜孔，處理方法根據(jù)斜度而定，傾角≤30°時(shí)，可按斜井的施工方法進(jìn)行出渣及支撐；傾角≥35°時(shí)，運(yùn)用井箍支撐及由上而下清渣。

(3)當(dāng)Hc≥10 m時(shí)，針對(duì)該種嚴(yán)重坍塌情況，應(yīng)急搶修施工步序?yàn)椋簱屝逌?zhǔn)備→坍塌后方襯砌結(jié)構(gòu)臨時(shí)支撐、加固→坍塌掌子面噴混封閉→坍塌體超前支護(hù)→坍腔回填→監(jiān)控量測(cè)→坍體開(kāi)挖、運(yùn)輸→開(kāi)挖掌子面噴混找平→架設(shè)鋼架、施作初期支護(hù)→臨時(shí)通車。具體工序如下：①結(jié)合塌方現(xiàn)狀及工程地質(zhì)環(huán)境，做好塌方后方支護(hù)加固工作。②坍塌掌子面設(shè)置止?jié){墻，通常與軌面形成45～60°斜坡，噴射20 cm厚C25混凝土封閉，封閉掌子面之前，預(yù)埋2根輸送泵管，1根作為泵送管，1根作為觀察管，管口高于隧道拱頂2～3 m。③坍渣周圍巖土體預(yù)加固。④注漿固結(jié)完成后，泵送C20砼回填做保護(hù)殼，泵送至觀察管流漿為止，保證砼厚度不小于1 m。⑤加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)。⑥采用短臺(tái)階法開(kāi)挖，通過(guò)搶修機(jī)械進(jìn)行破碎、扒渣和運(yùn)輸。⑦施作初期支護(hù)，架設(shè)臨時(shí)鋼拱架。鋼拱架采用HW150×150型鋼，間距0.5 m/榀，根據(jù)鐵路隧道搶修建筑限界預(yù)制，做好與未破壞墻體襯砌結(jié)構(gòu)的搭接。

圖3 井箍支撐示意圖

3.3 以路塹、明洞或棚洞形式通過(guò)

3.3.1 適用條件

隧道洞身淺埋、局部傍山、地面自然橫坡較陡以及原設(shè)計(jì)明洞或棚洞的塌方地段，在拱部施作臨時(shí)蓋板不能滿足應(yīng)急通行的情況下，選擇以路塹、明洞或棚洞形式通過(guò)。

3.3.2 搶修方案

采用明挖法清方，將洞內(nèi)坍塌地段改成路塹或者棚洞、明洞形式，做好邊仰坡防護(hù)。邊仰坡防護(hù)可采用噴射混凝土、打設(shè)錨桿、掛鋼筋網(wǎng)及支擋等措施。另外，為提高搶通效率，確保應(yīng)急通車，棚洞結(jié)構(gòu)可根據(jù)搶修建筑限界預(yù)制加工。

4 保障措施

(1)洞身坍塌范圍較廣、搶修困難時(shí)，需要調(diào)整線路平面或雙線改單線運(yùn)行。

(2)洞內(nèi)軌道破壞嚴(yán)重時(shí)，調(diào)整線路縱斷面，局部降低軌面或隧底。

(3)緊急情況下應(yīng)急通車采用電力牽引改用內(nèi)燃、蒸汽牽引過(guò)渡。

(4)做好塌陷范圍內(nèi)的地表截、排水工作，若遇雨天，可用塑料布將塌陷范圍全面覆蓋，避免雨水侵入隧道。

5 結(jié)論與建議

(1)由于地下工程的復(fù)雜性和不可預(yù)見(jiàn)性，鐵路隧道應(yīng)急搶修方法不能千篇一律，必須結(jié)合破壞情況和工程地質(zhì)環(huán)境，采用快速合理的搶修手段。

(2)勘察、設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中，做好隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和風(fēng)險(xiǎn)事件處理工作，規(guī)避殘余風(fēng)險(xiǎn)，減少自然災(zāi)害發(fā)生概率。

參考文獻(xiàn)

[1]劉均紅.戰(zhàn)時(shí)鐵路隧道快速搶修技術(shù)初探[J].國(guó)防交通工程與技術(shù)，2014(6):21-24

[2]Sunil Sharma,willian R Judd.地震對(duì)地下工程的破壞[J].雷謙榮，譯.地下空間,1992(4):335-344

[3]皇民,劉馬群,王安華，等.隧道地震破壞的主要形式及影響分析[J].交通科技與經(jīng)濟(jì)，2010(1):60-62

[4]汪成兵.軟弱破碎隧道圍巖漸進(jìn)性破壞機(jī)理研究[D].上海:同濟(jì)大學(xué),2007：23-34

[5]陳仁東,吳金剛.某隧道塌方原因分析及處理方案[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2010,47(6)：101-106

[6]鐵道部第二工程局.鐵路工程施工技術(shù)手冊(cè)：隧道(下)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,2010：338-343

[7]羅章波.以初期支護(hù)為主要承載結(jié)構(gòu)的復(fù)合式襯砌設(shè)計(jì)研究[J].隧道建設(shè),2012,32(5):658-664

An Exploration into the Rush-Repairing Techniques for the Damaged Tunnel Body of a Railway Tunnel in Operation

Liu Junhong

(China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co., Ltd.，Beijing 102600，China)

Abstract:The damage to the body of a railway tunnel in operation may be divided into two types according to the degree of the damage caused by disasters:local damage and serious collapse.For the local damage,the countermeasures of reinforcing the arch ring and consolidating the side wall are put forward as rush-repairing measures.For the damage of severe collapse,suggestedinthepaperarethecorrespondingrush-repairschemesofbuildingatemporarytunnel,formingacutorbuildinganopen-cuttunnelorashedholetoensurethequickpassageoftrains.Thepapermayserveasausefulreferencefortheresearchintotherush-repairtechniquesforrailwaytunnels.

Key words:railway tunnel；local damage；severe collapse；rush-repair

中圖分類號(hào)：U457

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-3953(2016)02-0023-04

DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.02.006

作者簡(jiǎn)介：劉均紅(1981—)，男，工程師，主要從事隧道與地下工程研究設(shè)計(jì)工作765082073@qq.com

基金項(xiàng)目：中國(guó)鐵路總公司科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2013G012)

收稿日期：2015-12-08