某铁路隧道隆起病害整治及自动监测成果分析

刘 勇,伏 坤,王 珣,李 刚,徐 鑫,王建捷

(中铁二院工程集团有限责任公司,成都 610031)

近年来，随着我国高速铁路运营里程不断增加，相关的线下工程异常变形病害日益凸显。尤其是西南艰险山区隧道在地应力、地层构造、水文地质条件、施工质量等因素影响下，常常会引起沉降或隆起病害。不均匀变形将导致线路不平顺，进而导致道床及仰拱开裂，严重威胁列车运营安全。

国内在隧道异常变形病害整治及机理分析方面开展了相关研究。李奎[1]通过分析某客专隧道洞口道床隆起病害原因，提出道床隆起整治采用明洞耳墙底注浆、洞外锚固桩、道床锚杆等加固措施，并对整治后的变形测量成果进行了分析；王立川[2]对某铁路隧道底部结构隆起病害成因进行了分析，提出了采用低预应力锚杆进行加固的整治方案；赵鹏[3]对狮子岭隧道基底隆起、衬砌开裂等病害开展了有限元分析，提出了结构性破坏区段采用仰拱拆换方案，对尚未发生结构性破坏区段采取“锚注一体化”并施加预应力的加固方案；牛亚彬[4]对铁路隧道病害现象进行了归纳分类，结合隧道设计、施工、运营等方面资料，分析了各种病害产生的机理，初步提出对应的综合整治建议及措施；肖广智[5]针对向莆铁路雪峰山等4座隧道底部出现的道床积水、轨道隆起等病害情况，分析了病害产生的原因，通过对病害的探查，提出了“泄水降压、底部加固、水流归槽”为原则的整治技术方案。除此之外，也有一些学者[6-11]对施工工法、地层结构等因素导致的隧道变形案例进行了总结分析。

上述研究成果主要集中在分析隧道隆起病害成因并提出整治方案，尚未见对整治措施开展监测的相关报道。调研发现，肖俊[12]、张晖[13]通过分析锚杆、锚索在滑坡体内的应力变化来获取岩体变形特征和滑移信息。因此，可以借鉴该思路对隧道隆起加固整治措施开展应力监测，以获取岩层力学特征，为分析评价整治效果提供数据支撑。

1 工程概况

1.1 设计概况

某高铁设计时速250 km，正线全长710 km，于2016年12月28日开通运营。全长8 075 m的LSS隧道(K684+029.4～K692+104.4)为双线隧道，全隧最大埋深590 m，线间距4.6 m，采用双块式无砟轨道。

1.2 病害概况

2017年9月，运营部门轨检车探测到该隧道K690+755～K690+835区段动态不良，上行线最大上拱10.7 mm，下行线最大上拱12.6 mm。

K690+755～K690+835段隧道处于小江活动断裂西支陡马箐断层和龙泉寺断层之间。陡马箐断层和龙泉寺断层属小江活动断裂西支次级断层，西支断层全新世以来左旋走滑速率为2.5～12.0 mm/a，段内地质构造及应力场复杂，新构造活动强烈，地震活动频繁。本段地下水主要为岩溶水、基岩裂隙水，少许孔隙潜水。K690+755～K690+799段围岩级别为Ⅳ级，K690+799～K690+835段围岩级别为Ⅲ级。

病害发生后对上拱段开展了人工测量工作，最大变形点位于K690+755断面，上拱速率0.6 mm/月，并呈现持续上拱趋势。结构裂纹调绘成果表明，裂纹分布在隧底无砟道床板上及边墙衬砌上，主要集中在K690+788～K690+815段。裂纹长度范围为3 075～5 800 cm，宽度范围为0.2～0.5 mm，深度范围为2～5 cm。

2 病害原因分析及整治方案

2.1 病害原因分析

病害发生后对该段进行钻探取样，钻探揭示隧底为泥盆系中上统(D[2-3])白云岩、泥质砂岩夹石膏。根据10组岩样室内试验，岩体天然抗压强度7.9～16.1 MPa(平均值为10.4 MPa)，自由膨胀率为0～23.5%，膨胀力为0～7.9 kPa，饱和吸水率为2.27%～6.38%，根据TB10038—2012《铁路工程特殊岩土勘察规程》判定为非膨胀岩。地下水位为0.67～1.7 m，隧道右侧半圆沟及填充面有水。根据水样化验，地下水在环境作用类别为化学侵蚀环境及氯盐环境时，硫酸盐侵蚀等级为H2。

另外，根据隧道中心水沟两侧钻孔及成像成果显示，本段隧道中线处仰拱+仰拱填充总厚度满足设计要求。根据K690+797断面钻孔揭示隧底结构情况看：仰拱曲率与设计不符，仰拱呈近底板结构。根据钻孔取芯混凝土试验，仰拱结构强度满足设计要求。

通过地质勘探及现场调查工作，总结本段轨道上拱的原因主要有以下几个方面。

(1)本段地应力受小江活动断裂次级构造的影响，局部地应力集中且应力集中带分布不均匀，大变形是地壳运动在隧道开挖后的惯性延伸。根据病害段地质条件及其他铁路类似病害工点工程经验判断，高地应力条件下的软岩蠕变(大变形)是段内仰拱上拱、边墙开裂的主要原因[14]。

(2)本段内仰拱与基岩面残留虚砟，使得该接触面不密贴，地下水易沿该接触面活动而得不到有效排泄，在列车动荷载挤压作用下，地下水压力增大，反复作用于仰拱及仰拱填充，导致隧底缓慢隆起，严重者还可把泥沙带进填充层间的各种缝隙内。

(3)隧道施工的仰拱曲率不足，降低了隧道结构抵抗围岩压力的能力。

2.2 整治方案

结合监测、地质补勘及初步原因分析情况，确定如下整治原则。

(1)对隧底结构采取锚固措施，增强隧底结构抵抗变形能力。

(2)对结构病害及缺陷采取注浆补强措施，增加结构的整体性及刚度。

(3)对隧底地下水采取综合引排措施，降低地下水对结构的不利影响。

(4)对隧底结构及锚固结构采取持续监测的措施，确保运营安全并为后续工作积累数据。

基于上述隧底变形特征及病害情况，于隧底增设锚索和锚杆，增强隧底结构抵抗变形能力，抑制轨道过快变形。

(1)锚索加固

于LSS隧道K690+755～K690+835段轨道板两侧增设锚索加固，锚索钻孔位于左线中线左侧1.60 m及右侧1.55 m处、右线中线左侧1.55 m及右侧1.60 m处，锚索纵向间距4 m，锚索长21.5 m，其中锚固段长8 m，自由段长12 m，外露张拉段长1.5 m，共布置72孔，钻孔直径为130 mm。锚索采用6束φ15.2 mm高强度低松弛无黏结钢绞线制作，钢绞线抗拉强度不小于1 860 MPa，每孔6束锚索锚固段钢绞线分成3个单元。单孔锚固力设计值为800 kN，单孔锚索初始预应力设计值取400 kN。

(2)锚杆加固

于LSS隧道K690+755～K690+835段轨道板两侧增设全长黏结型锚杆加固，锚杆钻孔位于左线中线左侧1.60 m及右侧1.55 m处、右线中线左侧1.55 m及右侧1.60 m处，锚杆纵向间距4 m，隧道中线内侧两根锚杆长15 m，隧道中线外侧两根锚杆长10 m，共布置72孔。锚杆采用φ32 mm PSB830精轧螺纹钢筋制作锚杆，需要接长时应采用专用连接器。锚杆钻孔直径为110 mm。锚杆采用Ⅰ级防护构造。注浆建议采用M35水泥砂浆。

(3)注浆补强

根据隧底补勘情况，本段隧道轨道板及隧底结构表面分布大量裂纹，多段隧底仰拱填充层混凝土破碎，仰拱与围岩之间、填充层与仰拱之间存在破碎层。基于上述隧底现状及病害情况，本次对隧底混凝土与围岩界面及结构本体采用注浆加固处理，并对结构表面裂缝采取注浆封缝处理。为保证仰拱与仰拱填充层密实性，增强隧底结构整体性，对隧底混凝土与围岩界面及结构本体采取填充注浆，注浆孔设置于轨道板两侧，横向共布置4排，纵向间距2.0 m。填充本体注浆和隧底混凝土与围岩界面注浆共用注浆钻孔，先进行隧底结构本体注浆，本体注浆孔深度按嵌入仰拱厚度的1/2控制。

(4)疏通排水降压孔

根据隧底补勘情况，地下水易沿仰拱与基岩面缝隙活动而得不到有效排泄，在列车动荷载挤压作用下，地下水压力增大。基于上述隧底现状及病害情况，本次对前期设置的排水降压孔全部进行疏通，并加强观测，必要时酌情增设排水降压孔，减小地下水压力对隧底的作用。

(5)轨道变形监测

为确保运营安全，评价整治效果，整治措施实施后，对K690+735～K690+855段开展轨道变形监测。共布设25个监测断面共74个测点，断面间隔5 m。监测频率暂按1次/周，实施过程中可根据监测数据适当调整。

(6)锚杆锚索自动监测

为对锚杆和锚索的工作状态及工程整治的安全状态作出正确的分析判断，需对锚杆和锚索拉力进行监测，以便能及时掌握锚杆和锚索受力情况，确保行车安全。

3 轨道变形人工测量

3.1 监测方案设计

2018年4月28日起对K690+735～K690+855段轨道变形开展人工测量工作，断面布设间隔为5 m，每个断面布设8个监测点，观测频率1次/周。其中G01、G08布设于隧道边墙底部，G02、G07布设于电缆槽与轨道板之间，G03、G06布设于线路中心，G04、G05布设于中心水沟与轨道板之间，具体断面示意如图1所示。

图1 人工测量测点布设断面

3.2 监测成果分析

2019年5月17日人工监测观测至第50期，通过与第1期(2018年4月28日)监测数据进行对比分析发现，K690+800及K690+810两个断面发生较大隆起变形。累积上拱变形量如图2、图3所示。

图2 K690+800断面各测点隆起变形量

图3 K690+810断面各测点隆起变形量

从图2、图3可以看出，该段最大隆起变形点位于K690+800断面G03测点，变形量7.9 mm，且该断面变形主要发生在隧道仰拱范围内，隧道边墙基本无变形。

4 锚杆锚索自动监测

4.1 监测方案设计

基于物联网技术，采用钢筋计、锚索测力计对隧道道床隆起K690+755～K690+835段锚杆应力和锚索预应力随时间变化情况开展实时监测及安全评估[16-20]，并及时推送评估结果及预警信息。采集频率1次/h，并可根据当前安全状态动态调整采样频率。监测预警系统架构如图4所示。

图4 监测预警系统架构

病害段自动化监测共计布设监测断面8个，锚杆监测断面里程分别为：K690+755、K690+791、K690+795、K690+835。K690+755和K690+835断面各布设钢筋计6个，K690+791和K690+795断面各布设钢筋计10个，共计布设钢筋计32个。锚索监测断面里程分为：K690+757、K690+793、K690+797、K690+833。K690+757和K690+833断面各布设锚索测力计2个，K690+793和K690+797断面各布设锚索测力计4个，共计布设锚索测力计12个。锚杆有两种型号，分别对应长度为10 m和15 m。10 m长锚杆布设2个锚杆钢筋应力计，距顶部分别为3 m和6.5 m；15 m长锚杆布设3个锚杆钢筋计，依次距顶部为3.0，9.0，12.0 m；锚索测力计布置在锚头位置。监测设备布置典型断面及平面如图5～图7所示。

图5 病害段锚杆监测布置断面(单位：cm)

图6 病害段锚索监测布置断面(单位：cm)

图7 病害段锚杆锚索监测布置平面

4.2 系统安装及功能介绍

2019年5月20日，病害段锚杆钢筋计及锚索计全部安装完毕，如图8所示。

图8 钢筋计及锚索计现场安装

客户端软件界面如图9所示，自动监测系统具有如下功能。

图9 客户端软件界面

(1)登录及版本升级

客户端软件启动时，按不同用户类别权限进行登录控制，并具有自动识别软件版本编号和更新升级功能。

(2)地理信息与模型三维可视化

采用多维一体图形化信息显示技术，可联动显示平面图、地图、监测点信息标注、三维模型、无人机雷达影像等。

(3)整体监测信息综合展示

包含所有监测工点的基础信息、监测信息总览功能。

(4)安全状况与状态统计

采用图形展示所有工点的安全状况统计与设备状态统计结果。

(5)工点监控信息综合展示

展示具体监测工点的所有设备状态、监测数据、安全状况、近期数据变化趋势等信息。

(6)历史数据查询及报表

采用双缓存技术实现同时查看单个或多台设备历史数据曲线的功能，并支持历史数据导出报表。

(7)文档、影像资料查询

具备文档资料(如施工图)、影像资料(航拍)的查询和访问等功能。

4.3 监测数据分析

现选取K690+797代表监测断面对锚索测力计监测数据进行分析，近2个月监测数据如图10所示，可以看出该断面4台锚索测力计数值随时间均匀增长，增幅为4.6%～5.4%。由此可知，该隆起段仍处于变形增长阶段，地应力仍未完全释放，仍需继续关注该病害段后续整治效果。

图10 K690+797断面锚索测力计监测数据

5 结论

通过对某病害段隧道仰拱隆起原因进行分析及整治处理，得到以下结论。

(1)高地应力为该隧道隆起的主要原因，仰拱曲率未严格执行设计标准也是诱发因素之一。

(2)采用“锚杆锚索加固、注浆加固、引导排水、加强监测”的综合方案对隧道隆起病害段开展整治，可为类似工程提供参考。

(3)采用自动监测手段可有效获取隧道底部岩层力学特性，对整治效果评价起到重要作用，可在既有线隧道监测中推广应用。