重载无砟轨道铁路隧道基底加固技术研究

李 力

(中铁工程设计咨询集团有限公司城市轨道交通设计研究院,北京 100055)

重载无砟轨道铁路隧道基底加固技术研究

李 力

(中铁工程设计咨询集团有限公司城市轨道交通设计研究院,北京 100055)

以国内第一条30t轴重的重载万吨煤运通道——山西中南部铁路通道工程为依托,在分析既有重载铁路隧道基底病害产生机理的基础上,结合本工程的工程地质特征,制定了隧道基底处理的原则,提出土质地层和石质地层的加固方案、工艺控制及效果检测标准,为重载铁路的运营,尤其是无砟轨道线路提供稳固的运行基础,减少隧道基底病害的发生。

重载铁路；无砟轨道；隧道基底；加固

随着我国经济的不断发展以及能源战略的部署，对铁路货运提出了更高的要求[1]，在建的山西中南部铁路通道由当初的轴重22 t提高至30 t，体现了对未来铁路货运大能力需求的不断攀升，以及即将建设的蒙西至华中铁路通道工程，都将成为重载铁路运输的代表性工程，大轴重重载运输技术必将成为铁路货运发展的一个主要方向。国内外在重载技术研究方面，主要集中在对轨道、路基及桥梁结构上，对隧道结构的研究较少[2，3]。以山西中南部重载铁路工程为依托，对隧道基底进行系统、深入的研究，提出隧底加固处理原则及方案。

在建的山西中南部铁路通道，由22 t轴重变为30 t后，隧道主体工程已基本施工完成，为了保证重载无砟轨道线路基础的稳定，故对已施工隧道基底进行加固研究。

1 工程概况

山西中南部铁路通道起点自山西省吕梁市兴县的瓦塘，经临县、柳林、蒲县，折向东经洪洞、长治，跨京广线后引入汤阴东站，利用汤台线增建二线至台前，跨京九线后折向南跨越黄河，经梁山、莱芜至日照南，线路全长约1 311 km，是我国修建的第一条30 t轴重的重载万吨煤运大通道。全线隧道共196座，总长378 km，除南吕梁山隧道和太行山隧道为双洞单线隧道外，其余均为单洞双线隧道。目前项目正在建设，预计2014年开通运行[4]。

2 重载铁路隧道基底病害分析

2.1 病害情况

根据对大秦线、朔黄线等既有重载铁路隧道进行调查，在列车反复荷载的作用下，受地下水以及当时施工工艺、施工质量的影响，部分隧道出现了铺底开裂、损坏、翻浆、冒泥等病害。如大秦线的大团尖隧道，在重车线一侧底板出现了长1 m，宽0.16 m，深0.7 m的陷槽，铺底裂损，在列车通过时伴有泥浆从裂隙中射出[5]。朔黄线的水泉湾隧道在里程K144+450～K144+480段出现了翻浆冒泥现象，线路局部出现下沉，沉降达到56 mm[6]。尤其在大秦线这样的煤运通道，隧道内煤灰污染严重，加剧了隧道病害的发展。

根据对既有铁路病害的调研及归纳整理发现，诸多隧道病害以隧道底部发生率为最高[7]，这也是对无砟轨道结构影响最大的病害类型。

2.2 病害原因分析

(1)列车的反复动力作用

作用于隧道基底及基岩上的动应力值具有周期性，它和机车车辆的轴重、运行速度、轨道结构形式等有关[8，9]。

(2)地下水侵蚀作用

根据对既有线隧道病害的调查，隧道基底翻浆冒泥病害多数情况下发生在处于富水地层或地下水位较高的地段，地下水对隧道基底病害的产生主要有两方面的作用。一是地下水对隧道基底围岩有侵蚀软化作用，在列车荷载作用下，表层基岩逐渐磨损形成小颗粒或逐渐浆化，这些微小颗粒被水带走，从而加剧了隧道基底结构局部的掏空状态；另外在列车反复冲击荷载作用下，对地下水产生反复抽吸作用，也会加速其破坏。特别是在大轴重、大运量下，在列车动载及水的共同作用下，若隧道基底软弱，或者遇水软化，基底结构与基岩之间容易产生空洞，此时，隧道铺底结构的受力状态有所改变，其所承受的弯矩和剪力将大增，并最终导致铺底结构的开裂破坏，从而产生基底翻浆冒泥等病害[8，9]。

与此同时，在重载条件下基底岩土的动力学效应对隧道底部结构受力状态影响显著。软弱围岩(尤其是土质围岩)，在列车动载作用下，其物理力学性质将发生变化，加之排水不畅，岩土的物理指标和承载力将明显降低，这是引起隧道基底结构开裂、下沉以及翻浆冒泥的主要原因[8，9]。

3 重载铁路隧道基底加固原则确定

3.1 施工揭示的地质条件及存在的问题

(1)黄土隧道

隧道洞身穿越的主要地层为黏质黄土，砂质黄土，粉土。局部含水率高，部分段落含水率20%以上，局部可达25%，掌子面、各台阶底部及边墙和仰拱底部受水浸泡，泥化非常严重。

土质隧道围岩强度低、变形大、自稳能力差，且随着粉质黏土、粉土含水量增加，土受到水的侵蚀、软化，围岩自稳能力越来越差，开挖后自稳时间短，易出现掉块、坍塌。局部含水量很高的段落，施工中为保证施工安全，在下台阶设积水井坑，并及时用水泵将水抽出，地下水在一定程度上降低了基底承载能力。

(2)含砂层隧道

洞身穿越地层为砂层夹圆砾石层，一般含水量较高，加之上下黏质黄土、粉质黏土、黏土易形成隔水层，黏性土的交界带易形成软塑带或流塑带，砂层、圆砾石层含水易形成上层滞水，工程地质条件差。

局部粉、细砂潮湿，手捏成团。砂粒微细纯净，黏粒含量少，自然条件下密实，但扰动后承载力急剧降低。在车辆荷载作用下，易产生液化现象，长期重载运营易产生板底脱空及轨道板断裂。

(3)膨胀岩隧道

膨胀性围岩以泥岩、膏溶角砾岩、铝土质页岩、鹤壁组的砂砾岩为主。膨胀岩一般岩质较软，岩体完整性差，岩体受干湿影响崩解明显，具弱～中膨胀性。在地下水作用下，膨胀岩迅速崩解软化，部分呈泥状。

隧道开挖后，膨胀岩在地下水的浸泡下，经过多次水循环作用，发生膨胀内鼓变形，变形较大处甚至侵限。拱顶局部泥岩因应力大于屈服强度产生塑性变形，断面内缩，支护系统变形破坏。同时膨胀岩隧道基底在地下水作用的影响下，强度及承载力迅速降低，长期重载运营易产生病害。

(4)土石分界隧道

隧道洞身穿越土石分界地层，上台阶为粉质黏土、黄土，多为硬塑，土质较均匀，下台阶为强风化～弱风化的砂岩或泥岩，软硬不均，稳定性差。受土石分界面的影响，岩层界面均有较丰富的地下水，上部土体大多呈可塑状态，下部岩层较破碎，受层间滞水影响，基底易软化。

(5)砂泥岩互层隧道

砂岩泥岩互层，产状平缓，岩体较完整～较破碎，局部存在裂隙带，围岩破碎，地下水较发育。局部层间夹有薄层状泥岩、页岩，层间及节理裂隙间结合差。其中砂岩地段，岩质坚硬，受水影响软化不明显。泥岩地段，在地下水作用下，软化明显，涌水段落，泥岩多呈泥状，在人工干扰地下水径流作用下，加之受施工车辆反复碾压，含水泥岩基底段落地质条件有所恶化。

(6)球状风化隧道

花岗岩球状风化隧道，当风化球体暴露于洞室周边及基底时，临空面的球体风化层易发生层裂开和鳞片状剥落，并陆续从围岩中脱离开来，在形成新的受力平衡体系的过程中，风化球包裹物不足以支撑围岩及其他荷载所施加的荷载，产生不均匀沉降。如遇地下水作用，条件更为恶化。

(7)硬质岩隧道

硬质岩隧道主要包括：弱风化灰岩、花岗岩、部分段落的砂岩隧道。硬质岩在大多数段落，岩质坚硬，基底状况良好。

(8)灰岩隧道

隧道穿过地层以强风化灰岩为主时，一般地段围岩稳定性好，基底承载力高。局部段落溶洞、溶腔发育，地下水富集。如这些现象存在于隧道基底时，易产生不均匀沉降和翻浆冒泥现象[10]。

3.2 处理原则的确定

根据隧道基底围岩特点，综合和分析重载条件下隧道基底病害机理及特征以及产生病害的地质条件，确定如下处理原则。

(1)具有湿陷性的黄土段落。

(2)第三系(N2)粉质黏土含水率高(近饱和状态、软塑带)，施工过程中有泥化现象的段落。

(3)第三系(N2)粉细砂(含圆砾)含水率高(近饱和)或有渗水，在施工过程中受人工干扰产生松散，振动作用下易产生液化现象的段落。

(4)围岩中存在膨胀岩，含水率较高或涌水量较大段落(太岳山低山区、太行山低山区与长治盆地交界地带、临汾区域凝灰岩段落、河南鹤壁组砂砾岩段落)。

(5)构造破碎带，宽张裂隙涌水带、溶蚀作用明显且富水段落(断层破碎带、褶皱破碎带，宽张裂隙(太行山隧道)发育的涌水段落)。

(6)土石分界线，且基底岩性受层间滞水影响软化段落。

(7)硬质岩的球状风化、全风化松散层段落。

(8)具有软弱夹层，渗水量较大或股状涌水，软弱层易软化段落(太岳山低山区泥岩夹层、太行山地山区，鲁中南构造侵蚀低山丘陵区域页岩泥灰岩夹层，鲁东构造侵蚀丘陵页岩泥灰岩夹层)[10]。

4 重载铁路隧道基底加固技术方案

4.1 土质地层基底加固方案

对于土质地层，采用劈裂注浆的机理，对仰拱下方一定范围内的土体进行加固，注浆孔按梅花形布置，注浆孔与仰拱面垂直，环、纵向间距150 cm×150 cm。注浆孔采用风钻开孔，孔径50 mm。注浆管采用φ42 mm，壁厚3.5 mm的焊管，钢管长5 m，注浆管采用钢花管，注浆管应埋设牢固，并有良好的止浆措施。注浆完毕后，用干稠水泥浆将注浆孔填满捣实。注浆浆液材料采用(0.6～0.8)∶1水泥浆液。注浆压力0.5～1 MPa。注浆孔布置如图1所示[10]。

4.2 石质地层基底加固方案

对于富水软弱不均、遇水变软的石质地层，采用渗透充填注浆的机理，能够对仰拱下方一定范围内的岩体进行加固，封堵水流通路。注浆孔按梅花形布置，注浆孔与仰拱面垂直，环、纵向间距200 cm×200 cm。注浆孔采用风钻开孔，孔径50 mm。注浆管采用φ42 mm，壁厚3.5 mm的焊管，钢管长3.5 m，注浆管采用钢花管，注浆管应埋设牢固，并有良好的止浆措施。注浆完毕后，用干稠水泥浆将注浆孔填满捣实。注浆采用(0.6～0.8)∶1水泥浆液。注浆压力0.5～1 MPa。注浆孔布置如图2所示[10]。

5 施工工艺及质量控制标准

(1)在注浆施工前，应严格进行资料审查，认真进行注浆施工前的技术交底，并严格进行注浆关键工序过程控制及注浆材料检验[11]。

(2)加强施工人员的岗前培训，遇到复杂技术问题时，应进行专门研究提出解决方案[11]。

(3)施工前应进行现场注浆试验，针对不同地层及衬砌类型，选取最优的注浆参数[11]。

(4)采用先进设备，并定期进行维护保养，确保设备机器工作状态良好[10]。

(5)严格控制材料的采购、验收和保管，凡购买的材料必须有出厂合格证明及质量证明，必要时抽样进行严查，杜绝不合格产品的使用[11]。

(6)在注浆施工中，应建立完善的技术管理体系，明确各岗位人员职责，制定详细的技术实施方案[11]。

(7)在注浆施工中，应严格按照国家颁布的有关规程、规范和技术标准，认真按照设计要求及经批准的技术工艺标准和技术方案执行[11]。

(8)注浆采用先两边、后中间的施工顺序，在同一排，为防止相临施工孔之间窜浆，采用间隔施工法。对于注浆效果较差地段应进行补充注浆[10]。

(9)注浆压力一般控制在0.5～1 MPa，最大压力1 MPa，施工时根据实际情况调整。注浆压力达到0.5～1 MPa时，并持续30 min，单孔注浆量达到平均注浆量1.5～2.0倍以上，且注浆量明显减少时应结束注浆。

(10)注浆结束后，用干稠水泥浆或水泥砂浆进行回填封孔，为了确保注浆孔封填密实，可采用压力注浆封孔法或机械压浆封孔法进行回填封孔[11]。

6 注浆效果检测

可采用钻孔法和注水试验两种方法结合，对隧道基底注浆效果进行检测。

(1)钻孔法

施工结束后，在注浆孔间布置2%～3%质量自检孔，且每个注浆段落不得少于2个孔，钻孔取芯具体标准可参照《工程地质钻探标准》[12]，检查孔岩芯见水泥结实体，基本填满可注裂隙，水泥结实体单轴抗压强度不小于0.3 MPa，视注浆施工合格。

(2)注水试验

注浆施工前后，在注浆孔间布置质量检测钻孔，孔数为注浆孔总数的2%，且每个注浆段落不得少于2个孔，压水试验具体方法可参照《水利水电工程钻孔压水试验规程》[13]，测定的渗透系数小于注浆施工前的1/10，视注浆施工合格。

除以上两种方法外，还可采用现场取芯观察，查看浆脉的填充程度、土体与水泥体的结合程度，对注浆效果进行综合辅助评价。

7 配套综合技术

除了对隧道基底以下围岩进行改良处理，消除病害源头外，还应从以下几方面着手，降低病害的发生。

(1)隧道内轨道采用弹性支撑块式无砟轨道，采用与重载铁路相适应的扣件、轨枕及道床板，降低列车振动荷载对隧道结构的影响。

(2)在隧道仰拱填充掺钢纤维，或铺设钢筋网片等措施，提高仰拱填充的抗裂性，避免列车荷载作用下，仰拱面受力不均导致的开裂。

(3)对Ⅳ～Ⅵ软弱围岩地段，衬砌结构应适当加强，对仰拱进行配筋，提高仰拱结构承载能力。

8 结论

(1)鉴于既有重载铁路出现的基底翻浆冒泥、下沉等问题，当轴重提高后，更易于出现病害，尤其是无砟轨道结构开裂破损后难以养护修复，为保证重载铁路线路运行能够有稳固的基础，基底加固处理是必要的。

(2)根据围岩地质条件，结合地下水等因素，对工程地质条件较差的土质地层，土石分界地层，富水软岩、软弱不均地层的隧道仰拱下可采取注浆处理措施进行加固。

(3)施工中应控制好注浆参数，针对不同的地层，通过注浆试验，选择适宜的注浆工艺。

(4)除了采取隧底加固措施外，还应选择适宜重载的弹性支撑块式无砟轨道类型，对隧道仰拱填充层掺入钢纤维或钢筋网片进行补强，对软弱围岩地段的仰拱结构进行配筋等措施，有助于降低病害的发生几率。

[1] 牛亚彬.重载铁路隧道病害产生机理及治理措施[J].铁道建筑，2012(7)：34-38．

[2] 王秀英.30 t轴重条件下隧道技术标准研究[J].铁道工程学报，2009(5)：54-58．

[3] 林森斌.重载铁路对隧道结构及基底条件影响研究[J].山西建筑，2011(32)：169-171．

[4] 中铁工程设计咨询集团有限公司.山西中南部铁路通道洪洞北至日照南段初步设计[Z].北京：中铁工程设计咨询集团有限公司，2009．

[5] 张大伟.大秦线重点隧道病害调查情况及建议[J].铁道标准设计，2002(4)：32-34.

[6] 黄先国.水泉湾隧道道床病害整治技术[J].铁道建筑技术，2008(6)：65-67．

[7] 李德武，高峰，韩文峰.列车振动下隧道基底合理结构形式的研究[J].岩石力学与工程学报，2004(7):2292-2297．

[8] 施成华，彭立敏，黄娟.铁路隧道基底病害产生机理及整治措施[J].中国铁道科学，2005，26(4)：62-66．

[9] 朱万听，李兰勤.隧道基底病害现状及成因分析[J].现代隧道技术，2001，38(5)：42-44．

[10]中铁工程设计咨询集团有限公司.山西中南部铁路通道洪洞北至日照南段I类变更设计[Z].北京：中铁工程设计咨询集团有限公司，2013．

[11]杨晓东.锚固与注浆技术手册[M].北京.中国电力出版社，2010．

[12]CECS 240:2008，工程地质钻探标准[S]．

[13]DL/T 5331—2005水利水电工程钻孔压水试验规程[S]．

StudyonStrengtheningTechnologyUsedinTunnelFoundationBaseofBallasstless-trackHeavy-haulRailway

LI Li

(Urban Rail Transit Design and Research Institute, China Railway Engineering Consulting Group Co., Ltd., Beijing 100055, China)

This paper was based on the project of Middle and Southern Shanxi Railway, which is the first heavy-haul coal transport channel of ten thousand tons with 30-t axle load in China. After analysis on the disease mechanism of tunnel foundation bases of existing heavy-haul railways, this paper developed the treatment principle of tunnel foundation base in combination with geological features of this project, and then proposed strengthening schemes, process control and inspection standards for both soil strata and rock strata, in the hope of providing stable operating foundation for heavy-haul railways, especially for ballastless-track railways, so as to reduce diseases on tunnel foundation base.

heavy-haul railway; ballastless track; foundation base of tunnel; strengthening

2013-11-01；

：2013-12-06

李 力(1979—)，男，工程师，2007年毕业于北京交通大学，工学硕士。

1004-2954(2014)05-0095-04

U457+.3

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.05.022