重载铁路软弱基底黄土隧道仰拱开裂整治及隧底加固

2016-12-06田永铸

铁道勘察 2016年5期

关键词：钢花仰拱基底

田永铸

(中铁十二局集团第三工程有限公司，山西太原 030024)

重载铁路软弱基底黄土隧道仰拱开裂整治及隧底加固

田永铸

(中铁十二局集团第三工程有限公司，山西太原 030024)

为解决某重载铁路长大、有水黄土软弱基底隧道仰拱开裂病害，首先开展了裂缝分布、混凝土结构质量及围岩地质情况详勘。在此基础上分析隧道仰拱开裂的原因，有针对性地提出引排水、裂缝注浆堵裂、钢花管注浆加固隧底、仰拱表面敷设钢筋网加强的整治措施，有效解决了出现的问题，为同类问题的预防及处理提供了一定经验。

重载铁路软弱基底黄土隧道仰拱裂缝整治隧底加固

隧道支护结构是抵抗隧道变形，保证隧道稳定的重要保障。大部分隧道的结构设计基准为100年，对承载能力、使用安全的要求很高[1，2]。特别是对于重载铁路，运营期内往往很难及时发现问题，故建设期内及时发现隧道开裂变形问题，加强支护结构的承载能力和整体性就显得极为重要。

所述问题隧道位于整条重载铁路隧道的出口段，里程为DK56+570～+994，共计224 m。隧道支护施工即将完成时，发现隧底仰拱出现大量裂缝。为保障隧道使用后重载铁路的安全运营，对隧道开裂段进行了加固治理。

首先介绍隧道的设计和工程地质条件，随后给出隧道仰拱裂隙的分布和详细的隧道围岩及施工质量勘察成果。在此基础上提出了“钢花管桩注浆+裂缝处理+仰拱表层钢筋网加强”的方案。经过对隧道变形的监测，表明本次加固处理措施得当，隧道仰拱开裂得到有效控制，可为相关工程提供一定的借鉴。

1 工程概述

1.1 隧道设计

隧道为单洞双线隧道，围岩以Ⅳ、Ⅴ级为主，轨道采用无砟轨道。隧道地属黄土高原丘陵地貌，沟壑纵横，地形起伏较大，冲沟发育，海拔高程1 100～1 334 m。隧道地质十分复杂，集湿陷性黄土、土石分界、陷穴、浅埋偏压、富水等不良地质为一体，安全施工管理风险较大，为全线高风险隧道，属于全线的控制性工程。

隧道结构采用双线隧道无砟轨道Ⅳ级(黏土)复合衬砌，隧道断面设计如图1所示，设计隧道仰拱和填充层厚度如表1，病害发生时隧道仰拱和填充层厚度如表2。

图1 双线隧道设计

表1 隧道基底仰拱和填充层设计厚度 cm

表2 当前隧道基底仰拱和填充层要求厚度 cm

1.2 工程地质概况

(1)地质概况

施工过程中开挖揭示DK56+570～+638段围岩为粉质黏土，棕红色，硬塑，含水量大，沿节理处渗水，局部呈股状流水，初期支护渗水。粉质黏土具弱膨胀性。

施工过程中开挖揭示DK56+638～+823段围岩上导地层为老黄土，褐黄色，中、下导地层为粉质黏土，紫红色，坚硬-硬塑，局部夹半胶结碎石类土层，呈大块状压密结构。粉质黏土具弱膨胀性。

施工过程中开挖揭示DK56+823～+994段围岩为新黄土，浅黄色，硬塑；老黄土，褐黄色，硬塑；新老黄土界面自基底变化至隧道拱顶附近。

(2)地下水

勘察资料表明，地下水位位于路肩设计高程以下，隧道洞身局部可能含水。隧道施工开挖过程中，二衬排水孔大部未见出水，局部有少量渗水。拱开裂后大部裂缝处有析水(少量渗水)现象。仰拱开槽至基底对地下水情况进行观测，发现仰拱与土层分界面有股状水流，水流方向推测为顺坡向小里程方向。

(3)开裂段隧道围岩分级

开裂段隧道围岩分级如表3所示。

表3 开裂段落围岩分级统计

2 地质及施工详勘

2.1 裂缝分布状况

对隧道隧底裂缝调查发现，隧底裂缝开裂严重，裂缝分布广，偏离隧道中心线左右两侧幅度在65～90 cm之间，裂缝宽度在4～10 mm之间，部分段落裂缝处有轻微错台，整个变形段长424 m。

裂缝分布情况统计如表4。

表4 裂缝位置及宽度统计

2.2 隧道开裂段地质及施工质量详勘

为进行仰拱开裂原因分析，制定有针对性的整治措施，对开裂段隧道仰拱填充及隧底地质情况开展了详细调查，主要开展了以下勘察工作。

对隧道底部填充层、仰拱混凝土及围岩开展了钻孔取样；

对隧道仰拱和填充层和基底围岩进行纵向与横向的地质雷达检测；

隧道裂缝、隧底结构沉降变形以及基底水压检测。

(1)钻孔取样勘察成果

分别在DK56+646(距左边墙3.5 m)、DK56+744(距左边墙2.8 m)、DK56+890(距左边墙3.6 m)三处钻孔取样。

围岩地质勘察结果表明，钻孔内浅部约1.4～1.7 m范围内为支护结构混凝土，其后1.7～3.6 m为黄色粉黏土，3.6～4.9 m为棕红色黏土，4.9～7.4 m为黄色粉黏土。室内试验结果表明，隧道围岩土体属于粉质黏土，土体中密、饱和，具有弱膨胀性，且钻孔浅部土体密度较低，表明隧道围岩已发生松弛变形。

从3个钻孔取出的岩样看，混凝土仰拱和填充层没有明显界限，基本为一次浇筑。混凝土厚度为135～170 cm，大于基底厚度129.2 cm，施工厚度满足设计要求。混凝土强度试验结果表明，混凝土强度在30.5～53.7 MPa之间，强度满足设计要求。

(2)隧底混凝土雷达探测

对隧道开裂段布设了10条雷达探测线，以掌握全面的施工质量。隧道纵向沿中线、左侧轨道中线及右侧轨道中线布置3条测线。沿轨道横向布置7条横向测线。具体测线布置见图2。

图2 隧道测线布置

各测线不同位置处的仰拱与填充层厚度及其分布情况经统计分析如下：

①隧道纵向方向上，混凝土填充层和仰拱厚度最大值为230 cm，最小83 cm，平均143 cm，大于基底厚度129.2 cm的长度为311 m，小于基底厚度的长度有100 m。

②线路横向方向上混凝土仰拱与填充层厚度总体满足设计要求。

隧道检测区段内部分地段仰拱或仰拱下部围岩内存在不密实等病害异常情况，有314 m，占78.5%。另外，检测过程中仰拱上表面普遍存在积水现象，雷达检测结果显示其下部围岩内也普遍存在含水较大现象，加之此隧道内围岩大部分为黄色粉黏土，极易发生变形，从而导致仰拱开裂等病害。

在DK56+635，DK56+735，DK56+835，DK56+935设4处观测断面，在水沟边、隧道中线、拱顶设水准观测点，并设裂缝变形观测点。每日观测2次，观测周期直至不再变形为止。隧底变形观测结果如下：

①经对观测数据统计分析，4处裂缝宽度变化均在1 mm之内，变化不明显。

②隧底左、中、右侧相对高程变化有一定累积(以中点为基准点，观测左右两点高晨个变化)，隧道DK56+735和DK56+935处左侧观测点下沉，下沉量在1.209～3.378 cm，DK56+635和DK56+835处左侧观测点上升，上升量在0.247～2.780 cm；4处监测断面右侧观测点均上升，上升量为0.149～2.537 cm。

(4)隧道基底地下水分析

隧底顶面多处有集水，由裂缝渗出，地下水压较大。施工中为了减少隧底顶面集水，便于施工，在这段隧底挖了几个集水井，用水泵排出地下水。

3 隧底仰拱开裂原因分析

3.1 隧道受力分析

从病害调研情况来看，隧道仰拱裂缝基本为纵向发展，没有横向裂缝，裂缝口张开，部分段落有微小错台，主要为受拉裂缝，可以判定主要与支护结构承受弯矩有关。利用有限元分析软件ANSYS建立隧道力学模型，开展隧道支护结构受力计算分析。图3为隧道支护结构承受的弯矩分部图。

图3 断面弯矩示意

从图3可以看到，隧道顶部和底部承受了较大的临空方向弯矩，隧道底部中间的弯矩最大，达到了96.12 kN·m，是造成隧道仰拱开裂的一个重要原因。

3.2 地下水作用分析

AutoCAD导出的协作文件为stl格式，模型绘制完毕后，选取每个独立部件，选择发布->发送到三维打印服务，设置好相关参数后，即可将单个模型生成为stl格式文件。

地下水是引起隧底结构开裂的主要原因，主要体现在两方面。

(1)地下水对隧底围岩的作用

围岩勘察结果表明，隧底围岩具有膨胀性，遇水产生膨胀力直接作用于隧底仰拱，增加了仰拱的弯矩，加剧了隧底结构开裂。当隧道开挖后，隧底土体卸荷松弛，降低了隧底围岩抗力系数，也会增加支护结构上的荷载。

(2)地下水压力对隧底结构的作用

雷达检测结果表明，地下水压力较大，作用在仰拱上，对隧底结构产生了向上的弯矩，加速了隧底填充层开裂。

3.3 其他原因

由于隧底地下水发育，造成隧道开挖后围岩膨胀松弛，施工清挖过程中存在清理不到位的情况，而且隧底围岩粉质黏土层分布不均，引起隧底地基存在软硬不均现象。

此外，隧道仰拱和二次衬砌施做时机过早，隧道围岩围压释放不足也增加了隧底支护结构的弯矩，促进了支护结构开裂。

4 隧底病害加固方案

鉴于该线设计为重载铁路且为无砟轨道，本着一次根治、不留后患的原则，应采取有效工程措施进行处理。借鉴以往工程经验，并综合各方面意见，确定采用钢花管桩注浆方案，并做好裂缝处理及仰拱表层钢筋网加强措施。

4.1 钢花管桩注浆主要技术参数

(1)注浆钢花管桩长

考虑到仰拱层厚度较大，钻孔难度较大，加固方案应加大桩间距以减少桩的数量，因此，管桩长度必须够长，以提供足够的承载力，但单桩桩长也不应过长，避免浪费[3，4]。根据本次加固隧道基底地层情况，本次钢花管桩长度为8 m，进入基底长度为6.1 m，钻孔直径为15 cm。钢花管直径为108 mm，壁厚8 mm。沿横断面在4根钢轨下布置4根桩(如图4所示)。

图4 注浆钢花管加固断面(单位：cm)

(2)注浆钢花管间距确定

根据铁路中—活载图式标准，本客货共线铁路荷载(按照一般荷载分布)换算均布荷载为1.2×250 kN/1.6 m=187 kN/m。

考虑机车通过时会产生冲击力，其动力系数(μ)取机车通过的动力系数0.2。

P=(1+μ)P=(1+0.2)×187=224 kN/m

列车荷载全部由钢花管承担，则桩间距为

L=(2Ra)/Q

L=(2Ra)/Q=2×86.1/224=0.975m

取钢花管的间距为1.0 m。

(3)钢花管注浆的主要施工工艺

采用φ108 mm×8.0 mm钢管，在钢管顶端1.8 m以下部分沿钢管轴线间距5 cm、径向旋转45°钻φ8 mm的孔眼，注浆孔沿钢管四周呈螺旋式布置，注浆孔用特制胶带和凝胶密封。先定好孔位，再用台钻钻孔，防止偏斜。钢管外壁要用钢丝刷除锈，以增强钢管与水泥浆的粘结力，也有利于封孔胶带粘贴牢靠，钢管连接采用φ120×8 mm的无缝钢管套接。将φ108插入φ120 mm内，环缝处焊接，接头钢管长度120 mm。注浆钢花管构造见图5。

图5 注浆钢花管构造

第一次注浆管从钢花管中间下管安装，注浆管端头15 cm范围内钻φ8梅花孔眼，固定在U形托架上，端头距孔底约12 cm。注浆管在封端钢板出口处用胶带密封。

钢管底部用厚度5 mm 的钢板焊接密封，顶部对称焊接2个Φ14 mm的螺母，作多次注浆固定枪头用。注浆孔用专用胶带缠绕密封，缠绕4～5层。

为了保证钢管在孔中居中，同时保护密封胶带在钢管入孔时不被损坏，沿钢管轴线间隔2～3 m安装一个对中架，对中架按设计图中要求加工和焊接。用φ16 mm钢筋在钢管底部焊接V形托架，长度10 cm，避免钢管与孔底泥渣直接接触而锈蚀。

一次常压注浆:采用P.O 42.5水泥配制纯水泥浆，水泥浆配合比为水泥∶水=1∶0.5。用搅拌机搅拌，先倒入水，然后边搅拌边加入水泥，经过滤后倒入泥浆池，并不停地搅动，避免水泥浆沉淀离析。一次注浆塑料管绑安在钢花管中间，与钢管一同入孔，伸入孔底，从孔底向上反向压浆，将孔底的水或泥浆压出来，至孔口返出正常的水泥浆液。

注浆设备采用泥浆泵，从注浆泵到孔口用内径20 mm的高压液压软管输送浆液。应注意控制流量，防止堵塞管路。

一次注浆为0.4 MPa，当孔口返出正常浆液时即停止，如果出现浆液凝固收缩回落到孔口以下，要及时补浆，直到孔口注满为止。

二次注浆:二次注浆配合比为水泥∶水=1∶0.7。注浆量按500 kg/m或注浆压力不小于1 MPa(管口)单控。实际操作中，应随时注意现场情况，如果有地表冒浆或裂缝增大等异常情况要及时停止注浆，查明原因，可以采取减小注浆压力或间歇式注浆的办法处理。

4.2 其他补强措施

(1)裂缝修补

对于已经产生的仰拱开裂裂缝需要进行修补封闭，将裂缝凿40 cm深，宽20 cm，用微膨胀混凝土补强，混凝土强度等级为C35。

(2)增设横向排水管

在中线每间隔5 m设置孔径大于10 cm的减压排水孔，深3 m，孔中放排水管外包土工织物布反滤，间隔距离20 m，由横向排水管排入水沟内。填充层未完成施工时，将排水管浇筑在填充层内。

(3)仰拱填充层顶层内配筋加强

鉴于隧道填充层表层有0.5 m厚度尚未施工，因此在该层内配筋可提高仰拱的抗裂性能，配筋见图6。