化馬隧道無(wú)砟軌道異常整治方案

劉成杰

(蘭新鐵路甘青有限公司，甘肅 蘭州 730099)

1 工程概況

化馬隧道位于甘肅省宕昌縣境內(nèi)，起訖里程為DK301+282～DK313+862，全長(zhǎng)12 580 m，為一特長(zhǎng)雙線隧道，共設(shè)2座斜井輔助施工。最大埋深1 300 m，最小埋深200 m。隧道位于西秦嶺高中山區(qū)，沿線山高溝深、岸坡陡峻，經(jīng)過(guò)化馬溝、石家院溝、紅水溝，多為V字形溝谷。年平均降雨量583.9 mm，地震動(dòng)峰值加速度為0.2 g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.45 s。

2 地質(zhì)及病害情況

2.1 地質(zhì)情況

1)地層巖性。異常段落共4段，其中第1段、第2段位于f36斷層內(nèi)，地層主要為壓碎巖、斷層角礫，原巖為石炭系中上統(tǒng)的炭質(zhì)板巖、板巖，巖體破碎-極破碎。第3段地層主要為石炭系中上統(tǒng)灰?guī)r，青灰色，薄-中厚層狀，巖質(zhì)堅(jiān)硬，節(jié)理發(fā)育，巖體破碎。第4段位于f38斷層內(nèi)，地層主要為斷層角礫、炭質(zhì)板巖。炭質(zhì)板巖，灰黑、黑色，板狀構(gòu)造，巖質(zhì)軟，節(jié)理發(fā)育，巖體破碎-極破碎。

2)地質(zhì)構(gòu)造。整個(gè)異常段通過(guò)f36、f37、f38斷裂帶。勘察以及施工期間，本隧道所在地貌單元內(nèi)的天池坪隧道、兩隧道進(jìn)行了多處地應(yīng)力測(cè)試，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，化馬隧道所在地貌單元地應(yīng)力高～極高，最大水平主應(yīng)力上限值在10～25 MPa。隧道洞身多處于高～極高應(yīng)力狀態(tài)。

3)水文地質(zhì)。異常段地下水為構(gòu)造、巖溶裂隙水，儲(chǔ)水構(gòu)造主要為斷層帶、延伸長(zhǎng)大的構(gòu)造節(jié)理裂隙、巖層接觸帶及巖溶裂隙，主要接受大氣降水、地表溝水、洼地積水的補(bǔ)給，淺表以垂直入滲為主，深層以徑流為主，動(dòng)態(tài)變化較大，最終以泉水或區(qū)域徑流方式排泄。異常段屬構(gòu)造、巖溶裂隙水中等富水區(qū)，預(yù)測(cè)單位正常涌水量1 950 m3/(d·km)。

2.2 軌道上拱情況

4段異常段中，只有第2段和第3段出現(xiàn)了多條明顯的裂縫，大多數(shù)仰拱墊層的裂縫都會(huì)延伸至道床板，引起道床板輕微的閉合裂縫。

2019年8月28日軌道精調(diào)后，通過(guò)疊加8月/9月/10月/11月安博格小車數(shù)據(jù)，上行313+610.88上拱最高點(diǎn)上拱量分別為65.6 mm/69.7 mm/70.1 mm/71.8 mm，一直處于上拱趨勢(shì)，11月份較10月份增大1.7 mm，評(píng)價(jià)每月上拱2.1 mm。

2019年8月28日軌道精調(diào)后，通過(guò)疊加8月/9月/10月/11月安博格小車數(shù)據(jù)，上行314+019上拱最高點(diǎn)上拱量分別為76.1 mm/78.6 mm/80.7 mm/82.9 mm，一直處于上拱趨勢(shì)，11月份較10月份增大2.2 mm，評(píng)價(jià)每月上拱2.3 mm。

2019年8月28日軌道精調(diào)后，通過(guò)疊加8月/9月/10月/11月安博格小車數(shù)據(jù)，下行314+022上拱最高點(diǎn)上拱量分別為68.9 mm/71.44 mm/73.3 mm/73.8 mm，一直處于上拱趨勢(shì)，11月份較10月份增大0.5 mm，評(píng)價(jià)每月上拱1.6 mm。

2019年8月28日軌道精調(diào)后，通過(guò)疊加8月/9月/10月/11月安博格小車數(shù)據(jù)，下行313+621上拱最高點(diǎn)上拱量分別為70.3 mm/75 mm/76.5 mm/79.13 mm，一直處于上拱趨勢(shì)，11月份較10月份增大2.6 mm，評(píng)價(jià)每月上拱2.1 mm。

3 變形機(jī)理及原因

3.1 高地應(yīng)力

經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，化馬隧道所在區(qū)域地應(yīng)力高～極高，最大水平主應(yīng)力上限值在10～25 MPa。由于此段隧道埋深400～1 000 m，且受到構(gòu)造應(yīng)力的作用，隧道開(kāi)挖后應(yīng)力調(diào)整、集中，斷層帶的壓碎巖、斷層角礫及其他軟質(zhì)巖處于高～極高應(yīng)力狀態(tài)。

3.2 地下水

隧道施工時(shí)，第3段掌子面多處有股狀和線狀出水，其余3段掌子面基本無(wú)水。隧道開(kāi)挖后基巖裂隙水徑流條件改變，形成仰拱基底積水，仰拱長(zhǎng)期浸泡，形成穩(wěn)定地下水位，水位位于仰拱基底以上約1 m，具一定的靜水壓力。地下水浸泡基底圍巖，軟化斷層帶的壓碎巖、斷層角礫以及碳質(zhì)板巖，造成基底局部軟化。

綜上，化馬隧道軌道異常段整個(gè)洞身均處于斷層帶或斷層影響帶，巖性軟弱、強(qiáng)度低，圍巖破碎～極破碎，開(kāi)挖后隧道周邊應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，洞身周邊塑性區(qū)范圍極大，在場(chǎng)區(qū)高地應(yīng)力作用下，擠壓周邊破壞巖體向隧道臨空面擠入，極易導(dǎo)致仰拱開(kāi)裂上鼓。且隧道開(kāi)挖擾動(dòng)后圍巖裂隙張開(kāi)，滲水通道貫通，地下水向底部匯集，使得底部圍巖長(zhǎng)期浸泡在地下水中，圍巖強(qiáng)度進(jìn)一步降低，在高地應(yīng)力作用下加劇了兩側(cè)墻腳應(yīng)力集中區(qū)發(fā)生和圍巖的塑性流動(dòng)，從而進(jìn)一步發(fā)展仰拱隆起現(xiàn)象；同時(shí)與軟巖流變效應(yīng)疊加，仰拱發(fā)生持續(xù)上鼓。

4 整治方案

根據(jù)補(bǔ)充勘探情況，結(jié)合專家意見(jiàn)，化馬隧道軌道異常段處理采取降壓泄水、疏干地下水，注漿加固改良圍巖，消除應(yīng)力集中區(qū)等措施進(jìn)行綜合整治，施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照泄水、注漿加固等順序進(jìn)行施作，待基底加固完成后方可實(shí)施切割落道。

4.1 泄水方案

1)洞內(nèi)泄水。于邊墻腳設(shè)置φ50排水降壓孔，縱向間距12 m(每板襯砌至少施做一處)，超出隧道邊界200 cm，攔截周邊地下水使其提前匯入側(cè)溝內(nèi)。施工時(shí)應(yīng)錯(cuò)開(kāi)環(huán)、縱向盲管，鉆孔完畢后，水溝與圍巖側(cè)鉆孔填塞無(wú)紡布進(jìn)行過(guò)濾，側(cè)溝往隧道中線方向的鉆孔采用C20細(xì)石膨脹混凝土回填密實(shí)。

為引排仰拱下方地下水，降低水壓，在整治范圍內(nèi)隧道中線左、右側(cè)70 cm處鉆設(shè)豎向泄水孔，泄水孔穿透仰拱底部以下≥1.0 m，單側(cè)縱向間距6 m，兩側(cè)交錯(cuò)布置，并應(yīng)錯(cuò)開(kāi)環(huán)向施工縫≥1 m。排水降壓孔內(nèi)設(shè)φ100PVC管，有出水的泄水孔在仰拱填面鑿橫向排水槽(11 cm×11 cm)將水引入中心溝回填面的縱向排水溝，再排入檢查井。基底泄水孔孔位結(jié)合注漿孔設(shè)置，注漿時(shí)先注周邊孔，待泄水孔無(wú)水流出時(shí)方可注漿封堵泄水孔。

2)洞外泄水。隧道洞身右側(cè)設(shè)有泄水平導(dǎo)，現(xiàn)場(chǎng)施工測(cè)量數(shù)據(jù)顯示，化馬泄水平導(dǎo)與正洞墊層頂面高程差為1.95～2.18 m。

結(jié)合正洞無(wú)砟軌道異常情況，在下行線變形最嚴(yán)重的K314+023處設(shè)置橫洞進(jìn)行泄水。泄水平導(dǎo)距正洞約27 m，為降低泄水橫洞施工對(duì)正洞的仰拱，橫洞長(zhǎng)約20 m，與正洞凈距為7 m，泄水橫洞縱坡為8%、2%的單面下坡，見(jiàn)圖1。

圖1 泄水橫洞立面設(shè)計(jì)圖(單位：cm)

泄水平導(dǎo)施工到位后，及時(shí)在端頭設(shè)50 cm厚C35鋼筋混凝土堵頭墻，堵頭墻預(yù)埋泄水孔φ114 mm導(dǎo)向剛管，間距為0.5 m。導(dǎo)向管為φ110不銹鋼花管，距離泄水橫洞底部30 cm，預(yù)埋導(dǎo)向鋼管時(shí)應(yīng)進(jìn)行高程及位置測(cè)量，準(zhǔn)確定位鉆孔的角度。

降壓泄水管距離隧道底部50 cm，管身包裹無(wú)紡布,泄水孔端部超出隧道2.0 m，2號(hào)、3號(hào)泄水孔施做角度與水平方向?yàn)?°，4號(hào)、5號(hào)泄水孔施做角度與水平方向?yàn)?3°，在端部距離為3.0 m，孔深分別為22.23、22.37、22.79 m。泄水管平面布設(shè)示意見(jiàn)圖2。

圖2 泄水管平面布設(shè)示意圖(單位：cm)

3)中心水溝清淤。結(jié)合中心水溝檢查井布設(shè)情況，對(duì)軌道變形嚴(yán)重段K313+500～K314+100中心水溝進(jìn)行清淤，確保水流暢通，避免中心水溝淤積下滲。

4.2 隧底加固方案

1)注漿孔布置。根據(jù)變形資料，擬對(duì)病害段基底采用φ76鋼管袖閥管注漿加固，以改善基礎(chǔ)地層物理力學(xué)參數(shù)，提高強(qiáng)度。縱向間距1 m，橫向布置：4～6根，間隔設(shè)置；注漿孔深度伸入基底以下3～5 m，根據(jù)軌道異常情況進(jìn)行控制。

2)墻角管樁加固。兩側(cè)墻腳分別設(shè)φ108不銹鋼鋼管樁，并壓注水泥漿加固，管長(zhǎng)6 m，縱向間距2.0 m，與水平夾角45°，見(jiàn)圖3。

圖3 管樁加固示意圖

3)注漿方案。鉆孔采用φ110 mm鉆頭開(kāi)孔鉆進(jìn)，每一節(jié)鉆桿鉆進(jìn)結(jié)束后，將地質(zhì)情況描述清楚、詳細(xì)做好鉆孔記錄。鉆孔應(yīng)定位準(zhǔn)確，鉆孔完成后下設(shè)φ76 mm鋼性袖閥管，并在溢漿孔處開(kāi)槽，開(kāi)槽處安置特制橡膠套；每根鋼管采用套接并焊接。擴(kuò)散半徑1.5 m，注漿壓力≤1 MPa，具體根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整。采用后退式分段注漿加固，分段長(zhǎng)度0.5～1.0 m，施工中可以根據(jù)地質(zhì)條件和注漿壓力情況適當(dāng)調(diào)整。施工時(shí)應(yīng)首先對(duì)最外側(cè)袖閥管雙液漿孔，再對(duì)其余袖閥管注漿，注漿順序按發(fā)散-約束型注漿原則進(jìn)行，合理安排奇、偶數(shù)跳孔注漿，使整個(gè)加固范圍內(nèi)漿液擴(kuò)散均勻、有效[1]。注漿效果評(píng)價(jià)采用P-Q-T曲線分析法、雷達(dá)掃描法、瞬態(tài)面波法進(jìn)行綜合分析，確保注漿效果。

4.3 切割落道

考慮到仰拱上拱病害發(fā)展尚未穩(wěn)定的實(shí)際情況，應(yīng)首先對(duì)隧道仰拱上拱病害進(jìn)行整治，再采取仰拱鋸切落道方案一次將軌面恢復(fù)至設(shè)計(jì)高程[2]。采用限速行車的運(yùn)輸組織方案，建議施工期間限速45 km/h，天窗點(diǎn)內(nèi)施工，用繩鋸將道床板與仰拱回填層混凝土切割分離，對(duì)道床板進(jìn)行落道。道床板落道后，采用灌漿料恢復(fù)軌道結(jié)構(gòu)。

特別說(shuō)明：①軌道徹底整治方案的實(shí)施必須在仰拱穩(wěn)定性評(píng)估滿足鋪設(shè)無(wú)砟軌道要求后方可實(shí)施，在隧道仰拱上拱病害完全整治前，應(yīng)首先采用扣件進(jìn)行順坡調(diào)整[3]；②隧道仰拱整治完成且穩(wěn)定后，應(yīng)對(duì)軌道幾何形位、高程等進(jìn)行復(fù)測(cè)，并再次檢查扣件調(diào)整量，根據(jù)仰拱最終上拱情況對(duì)軌道徹底整治范圍、落道量等進(jìn)行調(diào)整。

4.4 監(jiān)控量測(cè)

整治段及兩側(cè)各5 m范圍內(nèi)，每5 m布置一個(gè)觀測(cè)斷面，測(cè)點(diǎn)設(shè)置在兩側(cè)邊墻、側(cè)溝底部、線路中線和隧道中線等位置。測(cè)量項(xiàng)目主要是水平位移及豎向沉降。量測(cè)頻次一般情況按照1次/天，特殊情況加密頻次。須及時(shí)分析測(cè)量數(shù)據(jù)并報(bào)送各方[4]。

5 結(jié)束語(yǔ)

該隧道異常段整個(gè)洞身均處于斷層帶或斷層影響帶，開(kāi)挖后隧道周邊應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，圍巖裂隙張開(kāi)，滲水通道貫通，長(zhǎng)期浸泡造成圍巖強(qiáng)度進(jìn)一步降低，同時(shí)與軟巖流變效應(yīng)疊加，是造成仰拱開(kāi)裂和發(fā)生持續(xù)上鼓的主要原因。本文結(jié)合補(bǔ)勘、病害情況及實(shí)際情況，提出了采取降壓泄水、疏干地下水、注漿加固改良圍巖、消除應(yīng)力集中區(qū)等措施進(jìn)行綜合整治。

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