膨脹性地層鐵路隧道襯砌結構及防排水措施優化建議

符亞鵬

(1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043； 2.陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室(中鐵一院),西安 710043)

我國境內廣泛分布有膨脹性地層，屬一種不良巖體，水敏感性強，暴露于空氣中會迅速崩解剝落，含水量變化對其強度及體積會產生較大影響[1-2]，故在膨脹性地層修建隧道工程，需確保排水通暢，若排水不暢，膨脹性地層吸水膨脹產生的膨脹荷載將直接作用于隧道襯砌結構，產生較大的內應力，常常會給工程帶來嚴重的破壞。而鐵路隧道洞內大多采用無砟軌道，對變形的適應性較差，變形控制要求高。近年來，國內膨脹性地層鐵路隧道在建設及運營中遇到的病害愈來愈多，主要呈現出襯砌結構開裂、軌道結構異常、仰拱填充開裂、仰拱結構隆起、底部上鼓[3]等病害。

膨脹性地層隧道建設實例較多，文獻[4-9]依托膨脹性地層盾構隧道工程，采用現場測試和數值模擬方式，研究獲得了膨脹性地層盾構隧道管片受荷特征、不同膨脹形式下管片襯砌荷載分布特征；文獻[10]依托膨脹性地層鐵路隧道工程，提出了初期支護設計優化措施；文獻[11]結合膨脹性圍巖隧道襯砌結構病害的分布特征，對典型膨脹性圍巖隧道襯砌結構進行了質量檢測和承載力分析，從質量缺陷、結構承載力、變形穩定性3個方面進行深入分析，最后對隧道結構安全進行了綜合性評價；文獻[12]依托弱膨脹性泥巖地層引水隧洞工程病害，通過試驗和地質雷達等手段對圍巖變形特征進行分析，明確了隧道圍巖長期遭水浸泡，膨脹性圍巖遇水膨脹是引發隧洞病害的主要誘因，并提出了病害整治的工程修復方案；文獻[13]針對膨脹性石膏巖隧道工程，提出了在初期支護和二次襯砌之間增設EPS緩沖層的優化方案。基于膨脹性地層的工程特性，分析鐵路隧道襯砌結構和防排水措施設計現狀，提出膨脹性地層鐵路隧道襯砌結構和防排水措施的優化建議。

1 鐵路隧道結構及防排水措施設計現狀

新奧法施工鐵路隧道襯砌多采用復合式襯砌，由噴射混凝土初期支護、模筑二次襯砌和敷設在噴射混凝土初期支護與模筑二次襯砌間的防排水設施構成。膨脹性地層隧道一般設計為曲墻式帶仰拱復合式襯砌，根據TB10003—2016《鐵路隧道設計規范》[14]，為保證仰拱的作用，設計中仰拱矢跨比要求為：單線隧道一般取1/6～1/8，雙線隧道一般取1/10～1/12。部發通用圖中隧道襯砌斷面仰拱矢跨比詳見表1。

表1 部發通用圖隧道仰拱矢跨比

鐵路隧道設計中，隧道軌面以上的內凈空面積主要由鐵路設計速度目標值確定，軌面以下的開挖面積主要取決于仰拱結構的矢跨比。同時，根據隧道洞周圍巖巖性確定隧道用噴錨初期支護結構中是否架設鋼架、模筑二次襯砌中是否架設鋼筋，仰拱填充一般由C20素混凝土填充完成，并在其內設中心排水溝。鐵路隧道防排水措施主要由排水盲管、無紡布、防水板、排水側溝、中心水溝等構成，且襯砌混凝土需滿足一定的抗滲等級，拱墻襯砌背后地下水通過排水盲管匯集到排水側溝或中心水溝排出洞外，而仰拱下方地下水無通暢的排出通道。隧道襯砌斷面及防排水措施詳見圖1。

圖1 隧道襯砌結構及防排水系統設計

2 膨脹性地層隧道襯砌結構優化

根據已建、在建膨脹性地層隧道病害情況[15]及單、雙線鐵路隧道襯砌斷面特征，建議的主要優化措施[16-17]如下。

(1)調整襯砌斷面形狀，適當加強結構的強度和剛度

①單線隧道

單線隧道斷面呈“瘦高”形，邊墻曲率小于仰拱曲率，增大單線隧道的邊墻曲率、仰拱矢跨比，以便提高邊墻與仰拱連接的圓順度；適當加強邊墻、仰拱的強度和剛度。

②雙線隧道

適當增大雙線隧道的仰拱矢跨比，提高邊墻與仰拱連接的圓順度；適當加強仰拱的強度和剛度。

優化隧道襯砌斷面形狀，適當加強結構的強度和剛度，均能提高隧道襯砌結構的安全性能，改善隧道結構的力學特性[18]，但會增大隧道工程量，增加工程投資，故在設計中應根據隧址區膨脹力大小，計算分析得到最優調整幅度。

(2)仰拱填充中增設格柵鋼架

仰拱填充出現的病害主要表現為素混凝土受拉開裂破壞，在仰拱填充中增設格柵鋼架，可提高混凝土結構的抗拉性能。

(3)仰拱填充頂部布設鋼筋

在仰拱填充頂部布設鋼筋，可提高仰拱填充頂部抗拉性能，較仰拱填充中增設格柵鋼架方案鋼筋的消耗量小，工程投資低。

(4)仰拱處二次襯砌內設鋼筋

此措施主要是針對圍巖巖性好，二次襯砌內沒有設鋼筋的工況。采用此優化措施，可提高仰拱部位二次襯砌結構的受力性能。同時，相較于二次襯砌內全斷面布設受力鋼筋，此措施可有效降低工程投資。

3 膨脹性地層隧道防排水措施優化

水是膨脹性圍巖隧道產生病害的主要根源，對膨脹性圍巖強度和體積有較大影響。圍巖含水量的變化直接影響其強度和體積，若膨脹性地層隧道襯砌背后長期受積水浸泡，使圍巖浸泡軟化，襯砌背后圍巖吸水膨脹產生的膨脹荷載直接作用于襯砌結構，將對隧道基底結構產生較大的影響。主要優化方案[19-20]如下。

(1)取消隧道仰拱填充內的中心水溝，在隧道仰拱下方增設排水滲溝。此方案中隧道拱墻背后積水通過排水管引入排水側溝排出洞外，仰拱下方積水滲入排水滲溝排出洞外，詳見圖2，圖中箭頭示意地下水滲流方向，滲溝內回填有級配碎石。

圖2 隧道中心滲溝示意

(2)取消隧道仰拱填充內的中心水溝，在隧道仰拱下方增設中心水溝。此方案中隧道拱墻背后及仰拱下方積水均通過排水管引入中心水溝排出洞外，襯砌背后積水均不再進入隧道內，排水側溝主要用于排出道床水，詳見圖3，在仰拱下方埋設排水管，排水管上半部布設有進水孔，并在排水管頂部填充級配碎石。

圖3 隧道中心水溝示意

防排水措施優缺點分析詳見表2。

表2 隧道下部結構防排水措施優缺點分析

4 結論及建議

(1)適當增大單線隧道的邊墻曲率、仰拱矢跨比，提高邊墻、仰拱的強度和剛度；適當增大雙線隧道的仰拱矢跨比，提高仰拱的強度和剛度。具體的調整幅度需根據隧址區膨脹巖(土)的膨脹荷載大小計算確定，可有效避免因過度調整而引起的工程投資增加。

(2)在仰拱填充內布設格柵鋼架或在仰拱填充面頂部增設鋼筋，均可提高仰拱填充的抗拉性能，有效避免仰拱填充受拉破壞。

(3)針對圍巖巖性較好，二次襯砌設計為素混凝土的工況，在仰拱處二次襯砌內布設鋼筋，改善其受力性能。

(4)取消隧道仰拱填充中的中心水溝，在仰拱下方增設排水滲溝，主要排出仰拱下方積水，有效避免仰拱下方膨脹巖(土)常年受積水浸泡而產生膨脹變形。

(5)取消隧道仰拱填充中的中心水溝，在仰拱下方增設中心水溝，將拱墻背后與仰拱下方積水均引至中心水溝排出洞外，有效避免仰拱下方膨脹巖(土)常年受積水浸泡而產生膨脹變形。