貴廣客專隧道無砟軌道上拱病害成因分析及整治

李建輝

（南寧局集團(tuán)有限公司桂林高鐵工務(wù)段，高級工程師，廣西 桂林）

南寧局集團(tuán)有限公司管轄貴廣客專正線410.627 km，軌道采用雙塊式無砟軌道，其中隧道101座，隧道累計(jì)長度209.403 km，占正線總長51%。隧道地質(zhì)條件主要為喀斯特地貌，圍巖大部分為Ⅲ、Ⅳ級。2016年以來，發(fā)生6次因軌道上拱病害導(dǎo)致列車限速運(yùn)行，對行車秩序造成較大干擾。為此，通過對隧道內(nèi)軌道板上拱病害的成因分析和準(zhǔn)確研判，及時(shí)采取預(yù)防性整治措施，減少上拱病害發(fā)生，是確保高鐵運(yùn)輸安全一個(gè)重要攻關(guān)課題。

1 上拱病害分類

全國運(yùn)營鐵路發(fā)生過多起無砟軌道上拱病害，根據(jù)分析，隧道內(nèi)無砟軌道上拱表現(xiàn)方式的主要有凍脹上拱、溫度應(yīng)力變化上拱、水壓力上拱等三類。

1.1 凍脹變化 凍土基礎(chǔ)在嚴(yán)寒氣候條件下發(fā)生凍脹，引起軌道上拱，主要發(fā)生在東北、西北等嚴(yán)寒凍土地區(qū)。

1.2 應(yīng)力變化 受氣溫影響，軌道板內(nèi)部應(yīng)力出現(xiàn)變化，造成軌道上拱，主要發(fā)生在CRTSⅡ型板無砟軌道，我國京滬客專、滬昆客專都出現(xiàn)過溫度應(yīng)力變化上拱病害。

1.3 水壓力變化 受強(qiáng)降雨、地下水等影響，在隧道襯砌后形成水壓，對仰拱及填充層產(chǎn)生向上擠壓力導(dǎo)致軌道上拱，主要發(fā)生在巖溶發(fā)育地段；貴廣客專多數(shù)地段屬于典型的喀斯特地貌巖溶發(fā)育地區(qū)。

2 上拱成因分析

貴廣客專隧道出現(xiàn)的6次軌道板上拱病害都發(fā)生在強(qiáng)降雨期間或強(qiáng)降雨之后，24小時(shí)雨量最大達(dá)232 mm，最小為97 mm，且病害都處于巖溶地段。通過分析，貴廣客專隧道軌道上拱主要是水壓力造成。

2.1 地表水滲漏形成壓力 受持續(xù)強(qiáng)降雨影響，隧道上方山體表層水量急劇增加，通過巖溶縫隙不斷往下滲漏，在隧道襯砌周邊形成積水囊，部分地下水從薄弱地段進(jìn)入仰拱與填充層間，持續(xù)強(qiáng)降雨使地表水不斷下滲補(bǔ)給，水位增高對底部仰拱填充層產(chǎn)生的向上壓力不斷加大，突破臨界值后導(dǎo)致軌道板上拱，同時(shí)軌道板表面會出現(xiàn)裂縫、滲水等問題。在對隧道軌道板上拱地段進(jìn)行鉆孔泄壓施工中，中心溝及邊墻溝底部打穿孔后，圍巖水以噴涌形式噴出，也驗(yàn)證了水壓較大。隧道水壓力示意如圖1所示。

圖1 隧道水壓力示意圖

2.2 隧道仰拱及襯砌承載力不足 建設(shè)期間施工單位沒有嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、工藝施工，通過對隧道上拱病害地段進(jìn)行鉆孔取樣驗(yàn)證，不同程度地存在仰拱厚度不足、碎石層不平整、仰拱與填充層間有雜質(zhì)等問題，導(dǎo)致隧道仰拱及襯砌承載力不足，強(qiáng)水壓不斷的擠壓，出現(xiàn)軌道板上拱。

2.3 排水設(shè)施堵塞加大壓力 病害發(fā)生前降雨量普遍較大，現(xiàn)場檢查隧道內(nèi)橫向泄水孔、縱向排水溝都不同程度地存在堵塞問題，山體內(nèi)部滲水不能及時(shí)排出，增加了水壓強(qiáng)度。

3 病害發(fā)展研判

隧道軌道板上拱病害發(fā)展是一個(gè)徐變過程，前期變化緩慢，隱蔽性強(qiáng)；在外部強(qiáng)水壓力作用下，軌道結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生突變上拱，危害性極大。為此，我們成立課題攻關(guān)組，對貴廣客隧道軌道上拱病害發(fā)展過程各類檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，通過研究規(guī)律，能提前研判出軌道上拱病害，及時(shí)采預(yù)防性整治措施。

3.1 檢測數(shù)據(jù)應(yīng)用及特性 軌道板上拱病害發(fā)展過程中，動(dòng)態(tài)、靜態(tài)檢測數(shù)據(jù)都會出現(xiàn)變化。

3.1.1 動(dòng)態(tài)檢測 高速鐵路工務(wù)設(shè)備檢修理念是“以動(dòng)態(tài)為主，動(dòng)態(tài)指導(dǎo)靜態(tài)”，目前軌道不平順動(dòng)態(tài)檢測有動(dòng)檢車、車載式線路檢查儀、便攜式線路檢查儀、人工感覺等四種方式，動(dòng)檢車、車載式線路檢查儀檢測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性相對較高，上拱病害發(fā)展過程分析主要依據(jù)這兩種類型的檢測數(shù)據(jù)。病害發(fā)展前期動(dòng)檢車檢測波形圖會產(chǎn)生徐變，進(jìn)一步發(fā)展會出現(xiàn)動(dòng)檢車、車載式線路檢查儀檢查峰值Ⅰ、Ⅱ級及以上偏差。

3.1.2 靜態(tài)檢測 主要有相對測量、絕對測量、人工檢查三種方式：

1）相對測量。利用0級軌道檢查小車檢查軌道幾何尺寸，該測量方式主要是短波相對數(shù)據(jù)，檢測的高低波長只有20 m，上拱前期軌道幾何尺寸變化不大，難以判別軌道板是否上拱。

2）絕對測量。利用軌道測量小車采集線路兩側(cè)布設(shè)的CPⅢ精密控制網(wǎng)數(shù)據(jù)，測量出軌道高程、平面坐標(biāo)與設(shè)計(jì)線位之間的絕對偏差量，直觀顯示軌道位移變量，能準(zhǔn)確判別軌道板是否上拱。如：2017年5月我們對貴廣客專胡山隧道下行線K 436+200至K 436+700軌道板疑似上拱地段的高程坐標(biāo)進(jìn)行絕對測量，比較直觀地顯示高程變化，K 436+361至K 436+568范圍內(nèi)高程坐標(biāo)最大遞增至8.3 mm，出現(xiàn)明顯變化。如圖2所示。

圖2 貴廣客專K436+200至K436+700高程坐標(biāo)示意圖

3）人工檢查。主要檢查鋼軌、扣件、軌道板以及隧道襯砌等設(shè)備狀況，上拱發(fā)展前期都會出現(xiàn)隧道襯砌、軌道板開裂等病害。

3.2上拱發(fā)展研判 軌道板上拱病害發(fā)展過程主要經(jīng)歷動(dòng)檢波形微變化、峰值Ⅰ或Ⅱ級偏差、峰值Ⅲ級及以上偏差三個(gè)階段，出現(xiàn)峰值Ⅲ級及以上偏差時(shí)，已經(jīng)影響行車安全；我們重點(diǎn)是加強(qiáng)第一、二階段數(shù)據(jù)分析，提前研判，及時(shí)采取措施，即：對大量動(dòng)態(tài)檢測數(shù)據(jù)綜合分析，梳理出疑似地點(diǎn)，通過現(xiàn)場靜態(tài)檢測，確定軌道板上拱地段，提前采取整治措施。

3.2.1 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)分析篩選 動(dòng)檢車檢測波形圖是分析軌道上拱的基礎(chǔ)，同時(shí)結(jié)合其他動(dòng)態(tài)檢測數(shù)據(jù)，分析梳理出疑似上拱地點(diǎn)。

1）動(dòng)檢波形變化篩選。隧道軌道板上拱在形成病害前，變化比較緩慢，單次動(dòng)檢波形圖很難判別軌道變化，但通過與半年及以上歷史波形圖對比分析，能準(zhǔn)確地分析波形變化狀況，確定疑似上拱地段。

2）綜合數(shù)據(jù)變化篩選。針對動(dòng)檢車、車載式線路檢查儀檢查出現(xiàn)的重復(fù)Ⅰ或Ⅱ級偏差以及人工添乘檢查不良病害，結(jié)合最近一次動(dòng)檢車檢查波形圖，判別屬于單點(diǎn)峰值病害或成段波形變化。單點(diǎn)峰值病害不是軌道板上拱原因造成，整治簡單；隧道內(nèi)出現(xiàn)峰值病害且波形圖出現(xiàn)成段變化的，可確定為疑似上拱地段。

3.2.2現(xiàn)場靜態(tài)復(fù)核檢測 根據(jù)動(dòng)態(tài)檢測數(shù)據(jù)分析篩選出的疑似上拱地段，現(xiàn)場對軌道絕對坐標(biāo)進(jìn)行靜態(tài)精測，同時(shí)對軌道結(jié)構(gòu)、隧道襯砌等設(shè)備進(jìn)行全面檢查，確定軌道板上拱地段；并根據(jù)絕對偏差量、隧道襯砌及軌道板出現(xiàn)的裂縫等病害情況，制定綜合整治方案。

4 預(yù)防性整治措施

水壓力引發(fā)的軌道板上拱，整治有效的方式是提前減壓、疏通引排，并對軌道板與填充層分層離縫采取錨桿注漿進(jìn)行固定，同時(shí)對軌道板裂紋采取封堵，保持軌道整體性。

4.1 鉆孔泄水減壓 主要適用于可溶巖、富水構(gòu)造和防排水設(shè)施未按設(shè)計(jì)施工地段。

4.1.1 泄壓鉆孔深度

1）豎向泄壓孔。硬質(zhì)巖地段：應(yīng)鉆穿仰拱初支噴砼并伸入基巖200 m。軟質(zhì)巖地段：原則上不鉆穿仰拱初支噴砼，若未鉆穿仰拱初支噴砼前泄壓孔已出現(xiàn)大量排水，則停止鉆進(jìn)；若泄壓孔未出現(xiàn)大量排水，但根據(jù)襯砌滲漏水等情況判斷水壓明顯較大時(shí)，泄壓孔應(yīng)繼續(xù)鉆穿仰拱初支噴砼并伸入基巖200 mm。

2）橫向泄壓孔。深度為鉆穿襯砌及噴砼并入巖1.0 m。

4.1.2 鉆孔減壓具體措施

1）中心水溝豎向泄壓孔。可溶巖地段每隔20 m鉆設(shè)一個(gè)豎向Ф80泄壓孔；富水構(gòu)造段或防排水設(shè)施未按設(shè)計(jì)施工地段，每隔10 m鉆設(shè)一個(gè)豎向Ф80泄壓孔。泄壓孔內(nèi)插入Ф75排水鋼管，排水鋼管與孔壁采用錨固劑填充密實(shí)，鋼管頂部設(shè)擋水板，并固定在中心水溝壁。

2）邊墻橫向泄壓孔。在邊墻施工縫兩側(cè)增設(shè)橫向Ф50泄壓孔，通過橫向鉆孔將地下水引入側(cè)溝內(nèi)，溝壁孔應(yīng)采用楔形，靠近側(cè)溝孔口為Ф80，靠近軌道側(cè)孔口為Ф50，并采用環(huán)氧水泥砂漿封堵，孔口段插入Ф50PVC排水管。橫向泄壓孔可根據(jù)現(xiàn)場排水量加密設(shè)置。

3）側(cè)溝豎向泄壓孔。與中心溝泄壓孔對應(yīng)的側(cè)溝鉆設(shè)豎向Ф80泄壓孔，泄壓孔內(nèi)插入Ф75排水鋼管，排水鋼管與孔壁采用錨固劑填充密實(shí)，鋼管頂部設(shè)擋水板，并固定在側(cè)溝壁。泄壓孔橫斷面布置見圖3。

圖3 泄壓孔橫斷面布置示意圖

4.2 軌道板加固 軌道板與填充層出現(xiàn)離縫時(shí)，采取植筋錨固注漿方式整治，確保軌道板整體穩(wěn)定，具體如下：

1）植筋錨固。對離縫區(qū)外5 m范圍內(nèi)的軌道板進(jìn)行錨固，錨固區(qū)每隔一根軌枕鉆設(shè)4根HRB400φ 25鋼筋，植筋鉆孔為φ32、深度760 mm；植筋長度700 mm，其中錨入仰拱填充層500 mm，軌道板內(nèi)200 mm；完成后采用植筋膠對植入銷釘?shù)你@孔進(jìn)行回填。每根植筋孔位置應(yīng)根據(jù)軌道板配筋設(shè)計(jì)圖及現(xiàn)場鋼筋探測儀探測情況確認(rèn)，原則上植筋距軌道板邊緣、裂縫位置凈間距不應(yīng)小于250 mm。

2）灌漿加固。在注漿灌縫前，清理離縫內(nèi)雜物并用高壓風(fēng)吹干縫內(nèi)水份，同時(shí)清除表面已破損的混凝土；完成后采用環(huán)氧堵漏灌漿材料對離縫灌漿修補(bǔ)加固。

4.3 軌道板裂紋修補(bǔ) 修補(bǔ)方法可分為表面封閉法、無壓注漿法、低壓注漿法三類；貴廣客專軌道板經(jīng)植筋錨固注漿加固后，表面裂紋主要采用的是表面封閉法，涂層材料采用高聚合物乳液含量的聚合物水泥基材料，該方法具有工藝簡單、施工效率高等特點(diǎn)。

4.4 軌道精調(diào)精整 軌道測量小車采集線路兩側(cè)布設(shè)的CPⅢ精密控制網(wǎng)數(shù)據(jù)，測量出軌道高程、平面坐標(biāo)與設(shè)計(jì)線位之間的絕對偏差量。通過對測量資料進(jìn)行整理、分析，制定軌道精調(diào)精整方案，安排軌道精調(diào)。調(diào)整原則：先整體、后局部，先軌向、后軌距，調(diào)整后軌道靜態(tài)幾何尺寸滿足相關(guān)精度要求。

5 結(jié)束語

隧道內(nèi)無砟軌道上拱病害預(yù)防及整治是一項(xiàng)長期的工作，受地質(zhì)因素和運(yùn)行條件影響，整治效果具有一定的局限性和時(shí)限性。隨著高鐵運(yùn)營時(shí)間的不斷增加，各類病害還會不斷發(fā)展，必須加強(qiáng)動(dòng)靜態(tài)檢查、分析，摸索規(guī)律，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并整治；同時(shí)要保持排水系統(tǒng)暢通，定期對排水系統(tǒng)進(jìn)行檢查、維護(hù)，減緩隧道襯砌背后水壓力強(qiáng)度，防止排水不暢造成隧道滲漏水和軌道上拱病害的發(fā)生。