重載鐵路隧道基底適應性及強化技術研究

牛亞彬

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.北京鐵科特種工程技術有限公司，北京 100081）

重載鐵路行車密度大，軸重大，運量特別大，在集中、大宗、長距離的貨物運輸方面具有明顯的經濟性優勢。通過增大車輛軸重和擴大列車編組數量提高運輸能力和運輸效率，是我國貨物運輸發展的重要方向。但隨著列車軸重提高，大幅增加了線路結構的動力沖擊和作用頻次，致使基底病害發生概率提高，線路基礎設施狀態、破壞特性發生明顯變化，隧道基底的既有病害隨著軸重增加而呈加劇劣化趨勢［1]。

近年來，國內外眾多學者對該問題開展了廣泛的研究。牛亞彬［1]通過現場調研朔黃鐵路77 座隧道，對隧道病害進行統計分析并歸類，采用數值計算、現場試驗等方法分析隧道病害的形成機理和發展規律，給出了相應的整治方案。付兵先、鄒文浩、尹成斐等［2-4]對重載列車運營時隧道應力分布和應力響應的研究表明，重載列車荷載對隧道基底結構以及基底結構連接薄弱部位的影響最為顯著，在大軸重長期循環振動荷載作用下基底結構易出現開裂、破損、下陷、向兩側外擠等病害，因而直接承受列車荷載的既有線隧道基底結構以及結構連接薄弱部位是強化的控制要點。鄒文浩、李堯等［5-6]在對隧道基底結構進行病害成因分析、結構評估的基礎上，提出適用于既有鐵路隧道基底病害整治的技術。

重載鐵路行車密度大，運營條件要求高，天窗時間短，隧道凈空小，空間相對封閉，隧道病害整治作業應快速有效，能及時滿足線路正常運營的要求；施工設備應滿足隧道凈空要求；作業量不應太大，盡量少干擾列車運行；還應改善施工環境，給作業人員創造良好的工作條件。針對上述情況，本文研發具有施工工藝簡單、可操作性強、整治效果明顯、成本可控等優點的錨注一體化技術，強化重載列車作用下隧道基底，為其他隧道類似病害整治提供參考。

1 工程概況

御棗口1 號隧道為雙線隧道，全長980 m，地質除Ⅰ類圍巖是新黃土夾有卵石土和細砂外，其余為黑云變粒巖，花崗變晶結構，風化嚴重-輕微，呈碎石鑲嵌結構或塊狀構造；隧道洞身Ⅵ級圍巖100 m，Ⅳ級圍巖140 m，Ⅲ級圍巖160 m，Ⅱ級圍巖580 m。洞內有基巖裂隙水，個別地段水量較大。列車運營期間基底多處出現各種病害，K171+330—K171+360 和K171+500—K171+530區段出現基底下沉，翻漿冒泥嚴重。

2 適應性評估

通過現場調研，結合勘察情況以及既有設計、施工等有關資料，根據隧道基底狀態檢測結果，針對隧道基底、拱腳的狀態特征，考慮地質條件、工程質量等可能存在有促使隧道病害進一步發展的潛在不利因素進行綜合分析，對隧道基底狀態進行工程類比綜合評定［7]，見表1。可知隧道基底病害較嚴重，不滿足重載列車運行的需求，須進行強化處理。

表1 隧道基底綜合評定結果

3 原因分析

結合隧道病害類型，從五大方面分析基底結構病害成因。

1）施工與設計。受修建時期設計標準和施工技術條件的限制，隧道底部存在缺陷，如基底結構厚度不足，基底虛碴未清理干凈，施工時基底結構整體性差。

2）隧道圍巖。基底圍巖狀況差，結構層狀剝離，會造成基底承載能力不足［8]。病害區段圍巖多為泥巖夾層，節理發育，結構松散，受斷層影響較大，易產生侵蝕破壞。

3）地下水。地下水是產生基底下沉及翻漿冒泥病害的主要因素［9]，其長期作用使隧道軟弱夾層軟化侵蝕，圍巖承載能力降低；列車通過時和通過后的正負水壓對結構產生的反復抽吸，加劇基底結構裂損，甚至出現吊空現象。

4）循環荷載。在列車動荷載長期頻繁反復沖擊下，加之地下水的長期侵蝕，形成基底分層拍打及水力沖刷效應，基底圍巖在受壓、退壓、振動、沖擊下破碎、粉化甚至漿化，結構受力狀態惡化，基底軟弱夾層中的細顆粒被地下水沖走，出現空洞，導致隧道基底結構脫空，形成簡支結構。列車循環荷載長期作用，加速了素混凝土底板結構裂損與擴展，產生疲勞破壞，導致基底下沉與翻漿冒泥。

5）養護維修。受經費、天窗、施工條件等限制，隧道未進行徹底檢修，致使排水溝長期堵塞，地下水無法排出隧道，沿混凝土薄弱部位、裂縫、泄水孔等進入道床，加劇了隧道基底仰拱破損。另外，基底出現病害時也只進行了注漿等臨時補救措施，遺留問題較多，病害處理治標不治本。

4 強化設計方案

錨注一體化綜合整治技術使用高分子聚合物加固材料起到基底擠水、填充空洞、固結虛砟的作用，可將鋪底結構、填充層及圍巖連成一體，增強隧道基底整體性，提高隧道基底承載能力。與其他整治措施相比，具有施工工藝簡單、高分子聚合物加固材料較普通水泥漿液強度高等優點，在既有線鐵路隧道基底病害整治中具有較強的可實施性。灌注高分子聚合物材料的注漿孔直徑為20 mm，中空錨桿長1.2 m，孔位與地面成90°，孔位按照間距1.2 m梅花形布置，如圖1所示。作業順序為先灌注軌枕兩側后灌注線路中心。基底錨固施工步驟主要為：①布孔；②扒道砟；③安裝護筒；④鉆孔；⑤錨固；⑥灌注高分子聚合物加固材料。

5 理論分析

采用有限元軟件建立模型（圖2），計算范圍：縱向（z方向）長度取50 m；橫向（x方向）寬度自隧道軸線起兩側各取5 倍洞徑，為35 m；豎向（y方向）高度取離隧道中心5倍洞徑，為30 m。

圖2 有限元模型

強化前，模擬基底圍巖存在一不密實地段，長度為6.0 m，橫向分布為填充層一半寬度3.5 m，即6.0 m×3.5 m。該范圍內采用錨注一體化綜合整治技術進行強化處理。強化前后填充層底面最大主應力見表2，線路中心填充層頂面振動加速度時程曲線見圖3。

表2 填充層底面不同位置處最大主應力

圖3 線路中心填充層頂面振動加速度時程曲線

由表2和圖3可知：

1）強化前重載列車通過該段時基底填充層底面產生1.05 MPa 的拉應力超過0.5ft（ft為混凝土軸心抗拉強度設計值）；強化后，基底應力水平約為0.13ft，滿足疲勞強度的要求。

2）強化前重載列車通過該段時基底填充層底面最大振動加速度為0.80 m/s2，強化后為0.26 m/s2，減弱67%，強化后基底的振動效應明顯降低了。

6 現場試驗

6.1 布置傳感器

為了驗證加固效果，在隧道基底病害強化區段布置動變形和振動傳感器，主要布置在重車線的鋼軌和枕木交叉點的正下方以及線路中心處，如圖4所示。

圖4 傳感器布置

6.2 結果分析

6.2.1 動變形

通過數據采集，統計不同軸重列車通過隧道時基底強化前后填充層頂面動變形結果，見表3。重載列車C80通過時基底動變形平均值比強化前降低了77.2%。該病害地段強化后重載列車通過該測點時平均動變形不大于0.45 mm，根據相關評價標準，可知強化后動變形能夠滿足重載列車的運行要求。

表3 測點動變形結果統計

6.2.2 振動加速度

通過數據采集，統計不同軸重列車通過隧道時基底強化前后填充層頂面振動加速度，見表4。可知：重載列車C80通過時振動加速度平均值比強化前降低了59.5%；隧道病害段強化前后基底加速度隨著軸重增加的變化不明顯，說明軸重對加速度的影響相對較小，強化后重載列車通過隧道時，基底振動加速度平均為1.5 m/s2，振動加速度基本在2.0 m/s2以內，根據相關評價標準，可知強化后振動加速度能夠滿足重載列車的運行要求。

表4 測點振動加速度結果統計

7 結論

1）重載鐵路隧道基底下沉、翻漿冒泥等病害主要由基底結構層狀剝離、地下水、列車動載循環、設計施工標準低、養護維修不到位等造成。

2）數值模擬結果表明，采用錨注一體化強化后，基底應力水平約為0.13ft，滿足疲勞強度的要求；基底填充層底面最大振動加速度為0.26 m/s2，減弱67%，基底的振動效應降低明顯。

3）現場實測表明，隧道基底病害經過綜合整治處理后，重載列車C80通過時基底動變形和振動加速度平均值較強化前明顯降低，由1.97 mm，3.7 m/s2下降至0.45 mm，1.5 m/s2，分別降低77.2%，59.5%。整治效果明顯，加固地段基底填充層的動變形、振動加速度能夠滿足重載列車運營要求。

4）錨注一體化綜合整治技術具有驅水、填充、固結的作用，有效地填充基底空隙，調整基底的沉降，增強基底結構和圍巖的整體性，提高隧道基底承載能力。施工工藝簡單，可操作性強，整治效果明顯，適用于重載列車作用下隧道基底強化技術，為其他類似隧道病害整治提供參考。