某高速鐵路隧道無砟軌道上拱處治技術

李鐵鐘

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300251)

目前，我國已是世界上隧道工程規模最大、數量最多、地質條件和結構形式最復雜、修建技術發展速度最快的國家[1-3]。近些年來，由于基底水壓高，營運的鐵路隧道在斷層、巖溶發育等富水地段屢屢產生無砟軌道上拱的現象；另外，隧道施工工藝、施工質量等問題，導致隧道仰拱底部不密實、仰拱填充分層施做以及仰拱施工縫防水效果不理想等情況發生。倘若隧道周邊地下水發育、水量豐富，這些防排水的薄弱位置將會產生積水，在水壓作用下，容易引起軌道板的上拱，對鐵路安全運營造成極大影響[4-6]。

以某既有高速鐵路隧道運營期內出現的隧道無砟軌道上拱為例，分析問題產生的原因，對整治措施進行探討，為類似工程病害處置提供參考。

1 工程背景

某高速鐵路隧道穿越低山區，全長4 675 m，為單洞雙線隧道。隧道內最大縱坡為20‰，設計時速250 km，軌面以上凈空面積92 m2，采用CRTSⅢ型板式無砟軌道結構。2016年5月8日，列車在隧道內運行時，感覺明顯晃車，立即上報并停車。經現場排查，發現K206+835～K206+876范圍內軌道上拱，上行37 mm，下行38 mm，長度41 m。隧道排水系統不暢，無砟軌道道床積水，積水深度達4～6 cm，對應地表發現有市政道路施工形成的積水坑。

2 原因分析

2.1 隧道底部存在承壓水

事件段隧道區域為混合巖，強風化～弱風化，巖體破碎，呈碎石角礫狀，圍巖級別為Ⅴ級，巖體節理裂隙較發育，基巖裂隙水能夠沿節理面下滲。隧道處于溝谷低洼地段，覆土厚度為4.8 m，屬超淺埋。

2016年5月7日，隧道穿越區域集中強降雨，最大值147.76 mm。經計算，區內匯水面積達到93 131 m2，兩側山體及溝谷上游地表水在洞頂積水坑冗滯并集中滲入地下隧道周邊。隧道通過復合式防水板、環向盲管、縱向盲管將地下水引排至仰拱填充內的中心排水管進行地下水限排。由于排水系統不暢，地下水補給遠大于隧道排水能力，使隧道存在大量地下水，并形成一定水壓。根據該段結構設計情況，上述水壓不會造成隧道結構性破壞，但可導致隧道內仰拱填充層上鼓，引起軌道上拱。

2.2 仰拱防水效果不理想

隨著隧道開挖和臨空面的形成，地下水向隧道區域匯集、滲出，造成地下水的重新分配，從而形成新的含水層和地下水轉移通道[7-9]。在隧道修建完成后，積聚的地下水需要新的通道，水從結構薄弱的施工縫、變形縫、襯砌裂縫等發生滲漏，致使隧底承壓水進入仰拱填充層。

2.3 仰拱填充層留有水平施工縫

通過鉆芯孔，清晰可見距離仰拱填充層表面下約30 cm處，存在離縫，如圖1所示。該離縫為仰拱填充層施工中分兩次澆筑產生的水平施工縫，如圖2所示，上部30 cm厚為仰拱填充找平層。找平層為無砟軌道施工前鋪設，與仰拱填充層施工間距時間較長，由于施工車輛在仰拱填充表面通行未采取成品保護措施，經車輛長期碾壓，仰拱填充層混凝土遭受破壞，表層酥碎，與找平層不密貼，隧底地下水沿著施工縫進入隧底填充層與找平層間空隙，使地下水產生的水頭壓力作用在仰拱填充找平層上，施工縫以上的部分在水壓作用上浮，從而使軌道上拱。

圖1 仰拱填充找平層厚度30 cm

圖2 仰拱填充層水平施工縫

3 模擬計算

綜合以上影響因素，按照對應的邊界條件，利用地下結構計算軟件進行模擬計算。

(1)計算模型

本次計算按照平面應變假設，采用了結構-荷載模式：將結構水壓力換算成均布荷載，施加在結構上進行結構內力計算。

計算假定仰拱填充層承受水壓荷載。

(2)約束條件

采用徑向彈簧模擬初支對結構的水平位移和垂直位移的約束作用。

(3)計算參數

①參考《鐵路隧道設計規范》(TB10003—2016)第4.3.3條，Ⅴ級圍巖級物理力學指標，并參考其他相關文獻[10-13]，最終確定計算參數如表1所示。

表1 圍巖物理力學指標表

②根據現場情況確定水壓力取值

地表距離拱頂高度為4.8 m，拱頂距仰拱填充層高度為10.3 m，故計算水頭高度為4.8 m+10.3 m=15.1 m，作用在仰拱填充層上的水壓力為151 kPa。

(4)計算結果(圖3)

圖3 隧道整體豎向位移(單位：m)

通過圖3可以看出，在該狀態下，線路中心線位置，豎直方向位移39.1 mm，與無砟軌道上拱高度基本相符。

4 治理技術

4.1 應急措施

(1)排水系統疏通：疏通隧道內中心水溝、側溝以及道床面排水槽內積水，確保水流通暢，對地表積水及時引排，設置臨時截排水措施，避免隧道洞頂積水。

(2)設置泄水孔，每斷面內布設4個泄水孔。

(3)建立沉降監測網，對結構、軌道進行實時監測。

(4)根據監測結果，及時對軌道進行應急性精調，為鐵路安全運營創造條件。

4.2 永久措施

(1)軌道板加固處理措施

隧道基底穩定后，采用鉆孔植筋的方式加強底座板與隧道仰拱回填層的連接。

軌道上拱段每塊軌道兩側的底座頂面各植5根剪力筋，每個軌道板縫間各植4根剪力筋，底座伸縮縫處除外。軌道上拱段兩側各擴展15 m范圍，每塊軌道兩側的底座頂面各植3根剪力筋，每個軌道板縫間各植4根剪力筋，底座伸縮縫處除外。

植筋的鉆孔直徑為25 mm，深度840 mm，采用植筋膠將φ20 mm、長800 mm的HRB400級剪力筋植入鉆孔中，鉆孔頂面30 mm、底部10 mm范圍采用植筋膠密封。

(2)隧底加固

將隧道事件段兩側各延長15 m范圍內，隧底結構采用抗拔錨桿進行注漿錨固。錨桿按沿上下行道床底座板外兩側矩形布置，錨固每斷面4孔。事件段縱向間距為2.5 m。錨固斷面里程應避開仰拱施工縫位置設置。其余段落斷面縱向間距為5 m。

錨桿采用φ32 mm自進式注漿錨桿，長3 m，通過錨桿對隧底及仰拱填充層水平施工縫進行回填注漿，注漿材料采用硫鋁酸鹽水泥(水灰比0.4∶1～0.6∶1)。隧底回填注漿，壓力控制在0.3 MPa；仰拱填充層水平施工縫回填注漿，壓力控制在0.1 MPa；終孔壓力一般穩壓2 min可停止注漿。

(3)地表注漿

采用袖閥管注漿工藝，進行地表注漿，使隧道結構周邊5 m范圍內，形成止水帷幕圈。

①橫向注漿范圍：隧道結構外邊緣兩側各5 m范圍內。豎向注漿范圍：按隧道結構底以下2 m至地表控制。

②注漿方式：采用后退式注漿，袖閥管注漿工藝。

③注漿孔布置：注漿范圍內，注漿孔按梅花形布置，間距1.5 m×1.5 m。因既有線施工的嚴格要求，為避免鉆孔對隧道結構產生影響，鉆孔邊界、鉆孔端頭，隧道結構外邊緣兩側及結構頂部留設的安全距離均按1 m控制。

④注漿參數：具體注漿參數如表2所示。

表2 注漿參數表

注：注漿材料實際采用以硫鋁酸鹽水泥為主，局部輔以“水泥-水玻璃”雙液漿(水灰比0.8∶1～1∶1)，以達到迅速凝結，避免對隧道結構及排水系統造成不利影響。

經過以上處理措施，目前該隧道恢復正常運營達1年以上，運營狀態良好。

5 預防建議

(1)加強隧底防排水設計

對鋪設無砟軌道的隧道，盡量避免將地下水引入仰拱內，應在隧道結構外將水引排，可設計為深埋式中心水溝。確實不適宜設置深埋式中心水溝的，可考慮在隧底埋設環縱向溢水盲管，將水及時引排至檢查井或側溝中，避免隧道產生較大水壓。

(2)優化隧道仰拱填充施工工藝

隧道仰拱填充宜一次成型施做，避免填充層內積水。當確需分層施做時，應采取舊混凝土鑿毛、植筋錨固、增設鋼筋網片等加強措施，確保填充層施工質量。

(3)加強施工縫、變形縫防水施工質量

隧道底部環向施工縫、變形縫采取止水帶、界面劑等防水措施，并通過定位鋼筋卡，確保止水帶平整、居中，將混凝土面清洗、鑿毛。

(4)做好軌下隧道結構施工質量評定

在無砟軌道鋪設前，通過地質雷達探測，鉆孔取芯，注水試驗等方式，評定隧底施工質量，根據質量缺陷嚴重程度，采取注漿，錨桿補強，拆除重做等措施，確保軌下隧道結構滿足要求。

6 結語

目前，高速鐵路一般采用無砟軌道，因水害引起的無砟軌道上拱病害，永久處理可采用洞內“泄、錨、疏”及洞外“封、注、排”相結合的原則[14-15]。采用隧底抗拔錨桿注漿錨固+軌道板鉆孔植筋加固處理方法是可行的，對改善圍巖及仰拱的受力狀態是必要的。隧道水害整治和預防在工程建設整個周期都應予以重視，做好隧道水害的預防和治理是一項重要而艱巨的任務。

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