既有重载铁路隧道底鼓原因及处置措施

李尧，付兵先，张千里，马伟斌

(1．中国铁道科学研究院，北京100081;2．中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081)

既有重载铁路隧道底鼓原因及处置措施

李尧1，付兵先2，张千里2，马伟斌2

(1．中国铁道科学研究院，北京100081;2．中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081)

针对一既有重载铁路单线隧道运营期内出现的底鼓问题，通过现场探测并结合隧道底鼓监测数据，分析隧道产生底鼓的原因。借助有限元软件Ansys建立了荷载-结构模型，对隧道底鼓开裂进行了数值分析，在此基础上，提出了该隧道基底的整治方案——基底换底方案，并对换底方案中的线路架空以及隧底翻修进行了有关检算。

重载铁路;隧道底鼓;成因分析;架空线路;换底方案

随着我国铁路隧道的大量修建，一些隧道不可避免地处于膨胀岩的复杂地质环境中，加上运营期内地下环境的变化，从而导致隧道底鼓病害的发生。隧道产生底鼓不但对弓网受流产生影响，而且危及行车安全［1-2］。

本文针对一隧道洞身底鼓开裂的情况，在分析病害成因的基础上，对整治措施进行探讨，为类似工程病害处置提供参考。

1 工程背景

一单线隧道，全长3 579 m，隧道穿越地段为低山丘陵沟壑区，具典型干旱地区高原剥蚀丘陵地貌，隧道洞身横穿山岭，地形起伏，相对高差＞100 m;洞身通过地段冲沟发育、深切，一般下切深度50～100 m，沟底一般有少量沿岩层面渗流出的基岩裂隙水;隧道进口端山体陡立，基岩出露，出口端表层覆盖厚度2～20 m的人工弃土，隧道范围内大部分基岩裸露;隧道最大埋深120 m。

设计图显示，病害区段位于Ⅳ级围岩加强地段，洞身通过地段主要为泥岩，拱墙设置1榀/m的H125型钢钢架，系统锚杆采用φ22砂浆锚杆;为保证隧道施工安全，曾在拱部设置φ42超前小导管进行预支护，小导管环向间距0.3m，长度3.5m。二次衬砌采用C25混凝土。

运营部门在2015年初对隧道的例行检查过程中，发现该段基底结构发生上鼓，挖开道砟后发现隧道仰拱填充混凝土开裂、破碎(见图1)，水沟壁破损开裂，水沟盖板倾斜，线路抬高，几何尺寸难以保持，从而影响行车安全。

图1 仰拱填充混凝土层开裂、破碎

此后运营部门对病害区段采取顺坡、限速等临时措施，并对病害段进行监测。监测表明病害仍在发展，2015年监测数据如图2所示。

2 现场检测结果

针对以上病害情况，对该隧道病害区段采取了现场调研、地质雷达检查、混凝土强度(回弹)、钻孔等检测。检测结果表明:

1)该段检测范围内左右边墙均有2条较长纵向裂缝，左边墙纵向裂缝长度约120 m，最大裂缝宽度3 mm，右边墙纵向裂缝长度约160 m，最大裂缝宽度3 mm;道心基底隆起，底板混凝土破碎，2015年期间内基底最大隆起量为66 mm。可见基底上鼓较大且裂损严重。

2)地质雷达扫描联合钻孔探测检测表明该检测范围内病害主要为基底破碎，共12处，占测线长度的平均百分比为10.0%，基底混凝土厚度普遍不足。

地质雷达检测展示如图3所示。

图3 基底病害地质雷达检测展示

3)回弹检测结果表明，该检测范围内衬砌上部混凝土强度值分布在21.5～39.0 MPa，基底强度在23.0～30.2 MPa，测点位置混凝土局部存在轻微程度的强度弱化现象。

3 病害成因分析

通过现场调研并结合检测结果，初步认为该隧道底鼓病害的发生主要与围岩地质条件、设计及施工缺陷等因素有关［3-6］。

3.1 围岩地质条件

底鼓病害发生地段围岩为砂岩与泥岩互层，裂隙发育，强风化;泥岩具膨胀性，其特征是遇水易膨胀、软化，失水收缩易开裂。隧道开挖后围岩发生卸荷和应力重分布导致围岩切向应力增加，塑性圈半径扩大，变形破坏由隧道浅部向深部扩展，变形累积从而产生底鼓破坏。

工程区范围内地下水主要为砂岩层中赋存的基岩裂隙水，隧道洞身通过区出露地层主要为三叠系砂岩、泥岩。由于该区受构造影响轻微，岩层产状呈平缓波状起伏，层理发育，为地下水的赋存提供了必要的条件，加之该处砂岩层节理裂隙发育，使整个砂岩层形成了具有水力联系的统一体，进而形成基岩裂隙含水层。地下水的长期作用使隧道软弱夹层软化侵蚀，围岩承载力降低，列车通过时和通过后的正负水压对结构产生的反复抽吸作用导致并加剧了基底结构裂损，甚至出现吊空。

3.2 设计缺陷

病害段仰拱设计为30 cm厚C25素混凝土结构，未设计喷射混凝土、仰拱钢架等初期支护，整体支护偏弱;设计中未考虑该段泥岩遇水膨胀、软化且强度低等不良地质条件，也没有采取应对措施。

3.3 施工缺陷

地质雷达扫描及钻孔检测结果显示，病害段基底混凝土普遍不足，实际厚度与设计厚度之比为60%～70%，且由雷达成像结果未见成型仰拱结构。由于仰拱未按要求施工，在围岩压力及软岩膨胀压力作用下不能提供相应抗力，导致基底结构开裂。

4 衬砌裂损受力分析

4.1检算模型及参数选择

依据《铁路隧道设计规范》(TB 10003—2005)，采用“荷载-结构”法进行结构检算，为了明确衬砌结构内力状况，衬砌采用Beam3梁单元模拟，而围岩与衬砌的相互作用采用“无拉链杆”Link10单元模拟。

根据隧道施工设计图、钻孔及强度试验结果，隧道病害地段拱墙为30 cm厚的C25混凝土，基底未上鼓区段隧底混凝土厚度存在不足的情况，而隧底上鼓区段为Ⅳ级围岩，基底为厚度35 cm左右的混凝土板。因此，重点对基底上鼓区段进行检算。

按照相关规范及检测结果，Ⅳ级围岩力学参数如表1所示。

表1 Ⅳ级围岩力学参数

4.2 检算荷载

1)衬砌结构自重

衬砌混凝土重度为25 kN/m3，衬砌结构自重由Ansys程序自动计算。

2)轨道结构荷载

有砟轨道结构荷载按照换算土柱法进行计算。

3)围岩压力

根据TB 10003—2005，垂直均布土压力q按下式计算确定

式中:S为围岩级别;ω宽度影响系数，ω=1+i(B－5);B为坑道宽度，m;i为B每增减1 m时的围岩增减率。

水平均布土压力按TB 10003—2005表8-7确定。

依据TB 10003—2005，Ⅳ级围岩二衬作为承载结构，按照承受围岩松弛荷载50%计算。

4)基底膨胀压力

隧道地勘资料表明，基底围岩存在泥岩，依据相关文献泥岩膨胀应力研究成果，本次检算膨胀应力暂定为0.1 MPa。

5)列车荷载

列车荷载按照25 t轴重荷载计算。

6)荷载组合

荷载组合:50%围岩压力+轨道结构自重+25 t轴重列车荷载+0.1 MPa膨胀压力。

衬砌荷载作用模式主要考虑围岩压力、轨道结构及列车荷载、基底泥岩膨胀力，其作用模式如图4所示。

图4 荷载作用模式

4.3 检算结果

1)衬砌结构受力及变形

计算显示:轴力在墙脚底部最大(最大值为449.7 kN)，由墙脚到拱顶轴力逐渐减小，拱顶处轴力最小，为212.2 kN;最大正弯矩出现在拱顶内侧(最大值为40.8 kN·m);衬砌最大剪力发生在墙脚(最大剪力为278.5 kN);拱顶内侧受拉，最大拉应力为2.06 MPa;基底混凝土板中间内侧受拉，最大弯矩为64.8 kN·m，最大拉应力达到2.3 MPa;超过C25混凝土的抗拉极限强度，结构出现破坏，这也与现场勘查结果一致。另外，节点最大位移发生在拱顶处，位移最大值为2.4 mm，墙脚发生下沉，下沉量最大为2.2 mm。

2)衬砌结构安全系数

按照TB 10003—2005中破损阶段设计法，需满足安全系数要求，即抗压安全系数＞2.4，抗拉安全系数＞3.6。

检算结果表明:拱部受拉控制，衬砌最小安全系数为1.82，衬砌两侧拱腰内侧受拉控制，最小安全系数为2.72;隧底墙脚受拉控制，最小安全系数为0.47，隧底混凝土板中心主要是外侧受拉，最小安全系数为1.06。隧道混凝土板安全系数远小于设计值，结构接近破坏，这与现场勘查结果一致。

基于上述勘察、检测及计算分析，确定对隧道底鼓区段进行换底大修。

5 隧底换底方案

5．1线路架空方案

我国运营隧道进行换底大修时，线路架空强化基本形式有:纵扣轨、横扣轨、吊轨及组合轨束梁(现在轨束梁已大多用型钢或D型便梁的横梁代替)［7-8］，而在隧道内进行较大范围的大修施工时，考虑到隧道空间的限制，线路换底必须采用分段强化并进行逐次倒移，方可保证线路的安全。

本次换底施工通过方案比选初步拟定采用下沉式架空方案，主要受力结构为主梁(纵向主受力结构)及横梁(兼作钢枕)。其整体传力途径为:钢轨→横梁→主梁→枕木墩(见图5)。为保证线路架空后轨道几何尺寸、线路刚度和稳定性，兼顾现场作业时空间狭窄，长大物件搬运困难的实际情况，设计中尽可能地控制施工便梁单件构件重量和长度，同时对确定的构件进行了结构检算。

图5 架空线路检算模型

检算结果表明，当采用HXD3+C80以及中-活荷载加载时，经试算主梁可采用工字钢梁，尺寸为450× 152×13.5×10(mm)，横梁可采用H型钢，尺寸为290×200×8×12(mm)，其强度、稳定性满足要求。纵横梁采用φ25圆钢制成的U形卡进行连接。

5.2 隧底翻修方案

根据现场仰拱填充变形开裂上鼓情况，为保证拆换时拱墙二次衬砌的稳定以及拆换后隧底结构受力的整体性，结合原设计的断面情况确定了基底翻修方案，如图6所示。

图6 隧底翻修方案

在仰拱拆换前，首先在两侧边墙脚施作φ89锁脚钢管，每根长6 m，纵向间距1.5 m。基底开挖至填充顶面以下40 cm处设置临时支撑，以防止仰拱拆换时二衬边墙内敛过大，临时支撑系统由1根H125型钢组成，纵向间距1.0 m设置一道。开挖至设计标高后，施作仰拱初期支护，按初喷混凝土、架立钢架、施作钢架间连接槽钢、施作φ32自进式锚杆、复喷混凝土的顺序进行。分段进行拆除，间隔6 m，每段拆除长度1 m。

6 结论

1)膨胀岩地区既有线隧道运营期内由于地下水环境的变化，容易导致隧道底板出现底鼓病害，因此，降低水对膨胀岩的影响尤为必要。

2)采用换底方案架空线路时，除应考虑单线隧道限界要求外，架空线路所用纵横梁的承载力，尤其是各个连接件的承载力以及支墩的稳定性是整个纵横梁系统里的重要控制点。

3)采用换底方案翻修基底时，需设置临时支护系统以便强化隧底的稳定性。

［1］赵海军，付兵先，马伟斌，等．既有重载铁路隧道基底病害置换整治技术研究［J］．铁道建筑技术，2013(8):23-26．

［2］中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，太原铁路局．30吨轴重货车重载线路技术研究［R］．北京:中国铁道科学研究院，2008．

［3］胡胜强．某高速公路隧道仰拱底鼓原因分析及处治方案数值模拟［J］．路基工程，2015(3):238-242．

［4］周森．高速公路隧道仰拱底鼓破坏机理分析及处治措施［J］．交通科技，2013(5):97-99．

［5］李东，赵平，崔建宏．三联隧道围岩大变形原因分析及处治措施［J］．路基工程，2013(6):182-186．

［6］钟祖良，刘新荣，王道良，等．桃树垭隧道底鼓发生机理与防治技术研究［J］．岩土工程学报，2012，34(3):471-476．

［7］杨春枝．铁路隧道维修管理手册［M］．北京:中国铁道出版社，2006．

［8］汪旵生．向蒲铁路雪峰山隧道基础沉降及底鼓处治技术［J］．铁道建筑，2015(8):55-57．

Base Heaving Cause and Its Treatment Measures for Existing Heavy Haul Railway Tunnel

LI Yao1，FU Bingxian2，ZHANG Qianli2，MA Weibin2
(1．China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China;2．Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

According to the base heaving of one existing single-line tunnel in heavy haul railway during the operation period，the paper analyzed the causes of tunnel base heaving by using the field tests and monitoring data of tunnel base heaving．A load-structure model was established with finite element software Ansys，the numerical analysis of base heaving crack in tunnel was conducted，the treatment scheme of tunnel basement，which was base replacement scheme，was proposed on this basis，and the overhead line and tunnel base renovation in base replacement schemes were checked and calculated．

Heavy haul railway;T unnel base heaving;Cause analysis;Overhead line;Base replacement scheme

U457+．2

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．12．15

1003-1995(2016)12-0053-04

(责任审编孟庆伶)

2016-05-20;

2016-08-20

国家自然科学基金高铁联合基金(U1434211);中国铁道科学研究院科研基金(2015YJ039);铁道科学技术研究发展中心科研项目(J2014G004)

李尧(1992—)，男，硕士研究生。