某高速铁路隧道无砟轨道上拱原因分析及整治措施研究

罗旭阳

（中铁建云南投资有限公司，云南 昆明 650200）

1 引言

高速铁路具有行车速度快、安全、平稳、舒适等优点，除列车本身制造工艺外，主要取决于轨道平顺性。业界一般用轨道TQI 指标轨道的不平顺性指数进行评判，TQI 越大说明轨道的平顺性越差，乘坐感受越差。有砟轨道将轨枕直接置于碎石道床上，靠碎石与轨枕间的挤压力来固定轨道，但随着列车的震动、气温的变化、轨道平顺性越来越差[1]。无砟轨道将轨枕浇筑在混凝土道床板中，道床板与下部结构可靠连接，用扣件扣压力抵消钢轨的温度应力，整个轨道结构类似一种刚性结构，如下部结构无变化轨道结构将不可能发生变化，这也是高速铁路采用无砟轨道的主要原因。无砟轨道上拱多数由于下部结构产生一种向上的作用力，导致轨道结构抬升，钢轨的平面位置及标高产生变化[2]。

无砟轨道上拱一般很难通过肉眼观察发现，但会对高速行车的列车造成很大的危害，直接危害乘客的生命安全。有的上拱类似岩体的蠕变特性，持续时间很长，虽上拱速度缓慢，但日积月累上拱终值很大，此时线路往往已开通运营数年，彻底整治需要停运，给国民经济造成很大的损失。

2 工程概况

2.1 工程水文地质条件

该高速铁路隧道围岩为泥岩夹砂岩，以泥岩为主，岩性为软岩。该类岩石主要由黏性矿物组成，在遇水情况下，易发生软化，导致其岩体自身工程性质降低。特别是在砂岩与泥岩的接触部位，有可能出现泥化现象，随着隧道的开挖，造成岩体直接临空，沿泥化膜发生滑移。浅部岩层地下水主要赋存于基岩强风化裂隙带、构造裂隙带及砂岩孔隙裂隙内；深部岩层裂隙逐渐闭合，地下水主要赋存于砂岩孔隙裂隙中。由于受透水性能极弱泥岩的挟持，隧区岩层相互间的水力联系差，而无统一的地下水水面，且地下水具一定的承压性[3]。

2.2 隧道设计施工情况

该段隧道设计以Ⅲ级围岩为主，支护参数图如图1所示。拱部180°采用格栅钢架及φ22 超前锚杆加强支护，钢架间距1.5m。拱墙采用锚喷网支护，拱部采用中空锚杆，边墙采用砂浆锚杆，锚杆间距1.2m×1.5m（环×纵），锚杆长度3.0m，钢筋网采用φ6 盘条，网格大小25cm×25cm，湿喷混凝土标号C25，厚度拱部23cm、边墙12cm，仰拱10cm，二衬采用C30 素混凝土，拱墙厚度40cm、仰拱厚度45cm。

图1 Ⅲ级围岩支护参数图

3 病害情况

2017 年6 月，对隧道内无砟轨道采用GEDO CE轨道检测仪进行精测时，发现测量数据异常，更换安博格GRP1000 轨道检测仪复核后确认测量结果无误。异常段落为隧道内K88+120～K88+834、K89+521～K89+677 段。

分析发现该段无砟轨道存在不同程度上拱，其中K88+496～K88+600 段上拱最严重，右线左轨上拱最大值为24.1mm，左线右轨上拱最大值25.1mm，如图2、图3 所示。比对测量数据发现，无砟轨道左右线上拱段基本相互对称，且左线右轨明显高于左轨，右线左轨明显高于右轨，呈隧中高两侧低的形态[5]。

图2 无砟轨道上拱横断面示意图

图3 无砟轨道左右线上拱统计分析图

4 上拱原因分析

无砟轨道上拱的原因复杂多样，而且存在一定的隐蔽性，对此采取了现场调查法、钻探、物探和沉降观测等多种方法来查找该段无砟轨道上拱的原因[6]。

4.1 现场调查情况

该段无砟轨道上拱呈隧中高、两侧低，左右线呈对称分布的情况，推断是由于仰拱结构上拱导致的，仰拱底部受到较大的负弯矩，负弯矩产生的拉应力已超过仰拱混凝土的抗拉强度，导致仰拱混凝土产生纵向裂缝，如图4 所示。通过现场调查，在K88+550 中心水沟沟底处发现一处纵向裂缝，裂缝长度约13m，缝宽3～13mm，经钻探发现裂缝贯穿仰拱结构。这说明该段无砟轨道的上拱主要是由于仰拱结构上拱导致的，并且仰拱结构已破坏，失去承载能力。

图4 K88+550 仰拱纵向贯通裂缝

4.2 仰拱及仰拱填充施工质量检查情况

仰拱结构破坏的原因一方面可能是仰拱的施工质量不符合设计要求，另一方面可能是设计参数不符合要求，仰拱本身设计承载能力不足。于是对仰拱及填充混凝土厚度、强度、曲率是否满足设计要求，隧底是否存在承压水、是否有虚渣等情况进行了详细的调查。通过钻探取芯、孔内电视成像技术实测仰拱及填充混凝土的厚度、曲率和隧底虚渣、积水情况，对芯样做单轴抗压强度来实测混凝土强度，同时通过钻孔也可观察隧底是否存在承压水，如图5、图6 所示。本段共取芯验证10 个断面，每个断面3 个钻孔，结果表明仰拱施工质量符合设计及验标要求，隧底无承压水。

图5 孔内电视成像

图6 芯样强度试验

4.3 隧底地质补勘情况

通过在隧中钻设10～15m 深孔，获取芯样后进行了岩石的岩石膨胀性、单轴饱和抗压强度等物理力学试验，如图7、图8 所示。试验结果表明岩石自由膨胀率Fa=8%～13%，蒙脱石含量M=3.7%～7.6%，阳离子交换量CEC（NH4+）=98～169mmol/kg，具有弱膨胀性[7]。岩石单轴饱和抗压强度20MPa 左右，属软岩。芯样揭示隧底围岩主要以泥岩为主，岩层呈近水平状，层厚为薄层，部分为饼状结构，围岩破碎，隧底无地下水。该类岩石的膨胀力不足以导致仰拱结构上拱。

图7 钻探现场

图8 芯样照片

4.4 地应力测试情况

委托中国科学院武汉岩土力学研究所对该段地应力进行了测试，测试位置为隧道辅助导坑K88+550 处，该段埋深约为330m，分别在隧道右边墙和底板布设了一个水平钻孔、一个垂直钻孔，孔深40m，采用水压致裂法进行了地应力测试。两个钻孔的实测数据综合分析表明，隧道测试段部位的原地应力场以构造应力为主导（最大值13.61MPa），且明显高于上覆岩体的自重应力。经过分析计算，隧道测试段的围岩开挖后的初始应力状态属于极高应力状态。上述处于极高应力状态的隧道围岩，在支护不足时可能会发生围岩及支护结构的变形破坏情况。

4.5 沉降观测情况

为准确观测该段仰拱的上拱趋势，除道床板边缘（靠电缆槽侧）2 个观测点外，在隧道中心水沟处新增1 个观测点，按照个/3d 频率进行观测，通过K88+550 典型断面仰拱上拱的时间位移曲线可以看出，仰拱上拱的速度没有减小，速率也没有减少，累计上拱值依然在增加，没有收敛的趋势，如图9 所示。

图9 K88+550 仰拱上拱时间位移曲线图

基于上述现场调查和试验检测情况，结合相关资料经综合研判，无砟轨道上拱原因为极高地应力导致。该段围岩被定性为Ⅲ级围岩，初期支护格栅钢架未全环封闭，二次衬砌无钢筋，隧道支护结构刚度偏弱，极高地应力导致仰拱结构中部产生负弯矩，仰拱混凝土受拉破坏，应力产生应变，从而引起隧底结构的抬升。此变形机理表现为隧中仰拱结构存在纵向裂缝，隧中上拱值最大，向隧道两侧逐步变小，左右线基本对称。依据时间位移变形曲线，上拱趋势还未收敛，且仰拱结构已完全破坏[8]。

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5 整治措施探讨

5.1 整治原则

考虑到仰拱结构受力体系已破坏，仰拱上拱在观测期内还未明显收敛，防止仰拱发生二次上拱或者长期蠕变变形。采用重新建立仰拱受力体系的整治原则，经组织行业内专家经充分论证后，决定对上拱段的仰拱进行拆换，重新施做无砟轨道道床结构[9]。

5.2 整治组织方案和流程

考虑到本隧道衬砌结构已封闭成环，为保证拆换过程的安全性，将整个拆换段落划分为30～50m 的拆换单位，每个拆换单元一次拆换3m，各单位间平行流水作业，要求在拆换前对拱墙部衬砌进行锚固，确保上部结构的稳定性和安全性，防止由于拆换仰拱造成上部结构失稳。具体拆换流程如图10 所示。

5.3 具体整治措施

（1）施做边墙锁脚锚杆。为保证上部结构的安全，仰拱拆换前在边墙两侧分别打设2 排锁脚锚杆，锁脚锚杆纵向间距1m，呈梅花形布置；锁脚锚杆的材质为φ32PSB930 精轧螺纹钢，锁脚锚杆的支撑作用可减弱上部结构对仰拱造成的竖向挤压力。

（2）增加仰拱厚度，增大仰拱曲率。通过增加仰拱厚度、深度，仰拱混凝土改为C35 钢筋混凝土，极大提高了仰拱结构的强度和刚度，增大仰拱抵抗破坏的能力[10]。仰拱和隧底锚杆施做示意图如图11 所示。

图10 无砟轨道上拱整治流程图

图11 仰拱和隧底锚杆施做示意图

（3）设置接茬钢筋。为保证仰拱结构与上部结构可靠连接，在边墙纵向施工缝设置接茬钢筋，接茬钢筋间距、大小与仰拱环向主筋一直，植入深度不小于40cm，采用高性能植筋胶植筋。

（4）增设隧底锚杆。如图11，采用隧底锚杆将仰拱结构锚入隧底围岩，锚杆长度10m，锚杆入岩深度8m 左右，锚杆材质为φ32PSB930 精轧螺纹钢，采用全黏结性锚杆，这样可以仰拱结构抵抗上拱的能力。

仰拱拆换必然造成围岩的二次扰动，围岩应力需要二次分布，所以在仰拱拆换完成后需要进行不少于3 个月的沉降观测，然后根据沉降观测结果施做无砟轨道[11]。

5.4 安全质量控制要点

（1）严格控制仰拱一次拆换进尺，进尺过大会造成上部结构沉降、开裂甚至坍塌。

（2）加强围岩监控量测，防止上部结构产生过大变形。

（3）严禁产生垂直于仰拱面的纵向施工缝，人为造成垂直向上的滑动面。另外，仰拱浇筑完成后，需要对纵向施工缝进行注浆回填。

（4）仰拱拆换完成后，必须完成主体结构沉降评估后方可施工无砟轨道。

（5）锁脚锚杆和隧底锚杆必须进行二次注浆，原因为水泥浆存在收缩，会损失部分锚固力。

6 结论

6.1 整治效果

通过深入调查研究，现场采取了包括钻探、物探、沉降观测等多种手段，组织行业内具体丰富经验的专家进行充分论证，准确查明了造成本次无砟轨道上拱的原因，同时结合仰拱上拱的时间位移曲线，在上拱趋势无明显收敛、仰拱结构失去承载力的情况下，果断采用彻底拆换仰拱，重新施做无砟道床的方案。该条线路至今已开通运营2 年，经长期观测，该段无砟轨道已处于稳定状态，轨道的TQI 指标满足要求，轨道平顺性良好。

6.2 建议

（1）准确研判无砟轨道上拱的原因是进行无砟轨道上拱病害整治的关键所在，无砟轨道上拱的原因复杂多样，上拱呈长期的蠕动变化，如不通过长期观测，很难发现。通常在发现上拱问题时，线路一般即将建成通车或者已运营，这时处理难度都很大，时间很紧迫。所以在发生类似问题时，应通过各种科学手段准确研判上拱的原因，采取切实可行的整治手段，避免过度整治或者整治后仍然继续上拱[12]。

（2）加强工程质量控制，包括勘察设计和施工质量，勘察深度决定了设计方案的合理性，特别是我国西南地区广泛分布的红层地区，由于地形起伏大，围岩承载力弱，隧道开挖很容易发生大变形，进而造成仰拱衬砌产生过大的负弯矩，如仰拱结构设计承载力不足，很容易造成仰拱上拱，从而引起无砟轨道上拱。

（3）对于从事隧道设计与施工的技术人员，特别是大断面隧道，必须时刻保持警惕，对有可能上拱的类似地层，在设计之处应该采取有效的手段予以杜绝；在施工过程中，加强与勘察设计文件的地质核对工作，对存在与设计不符的地质应及时反馈，必要时修改设计参数。

（4）高速铁路对轨道的平顺性要求很高，而无砟轨道对结构变形适应性非常差，所以需要加强仰拱的施工质量，特别是隧底不能有虚渣或者基底长期浸泡于地下水中，特别在膨胀岩地区应谨慎采用无砟轨道结构形式[13]。