化马隧道无砟轨道异常整治方案

刘成杰

(兰新铁路甘青有限公司，甘肃 兰州 730099)

1 工程概况

化马隧道位于甘肃省宕昌县境内，起讫里程为DK301+282～DK313+862，全长12 580 m，为一特长双线隧道，共设2座斜井辅助施工。最大埋深1 300 m，最小埋深200 m。隧道位于西秦岭高中山区，沿线山高沟深、岸坡陡峻，经过化马沟、石家院沟、红水沟，多为V字形沟谷。年平均降雨量583.9 mm，地震动峰值加速度为0.2 g，地震动反应谱特征周期为0.45 s。

2 地质及病害情况

2.1 地质情况

1)地层岩性。异常段落共4段，其中第1段、第2段位于f36断层内，地层主要为压碎岩、断层角砾，原岩为石炭系中上统的炭质板岩、板岩，岩体破碎-极破碎。第3段地层主要为石炭系中上统灰岩，青灰色，薄-中厚层状，岩质坚硬，节理发育，岩体破碎。第4段位于f38断层内，地层主要为断层角砾、炭质板岩。炭质板岩，灰黑、黑色，板状构造，岩质软，节理发育，岩体破碎-极破碎。

2)地质构造。整个异常段通过f36、f37、f38断裂带。勘察以及施工期间，本隧道所在地貌单元内的天池坪隧道、两隧道进行了多处地应力测试，经过统计分析，化马隧道所在地貌单元地应力高～极高，最大水平主应力上限值在10～25 MPa。隧道洞身多处于高～极高应力状态。

3)水文地质。异常段地下水为构造、岩溶裂隙水，储水构造主要为断层带、延伸长大的构造节理裂隙、岩层接触带及岩溶裂隙，主要接受大气降水、地表沟水、洼地积水的补给，浅表以垂直入渗为主，深层以径流为主，动态变化较大，最终以泉水或区域径流方式排泄。异常段属构造、岩溶裂隙水中等富水区，预测单位正常涌水量1 950 m3/(d·km)。

2.2 轨道上拱情况

4段异常段中，只有第2段和第3段出现了多条明显的裂缝，大多数仰拱垫层的裂缝都会延伸至道床板，引起道床板轻微的闭合裂缝。

2019年8月28日轨道精调后，通过叠加8月/9月/10月/11月安博格小车数据，上行313+610.88上拱最高点上拱量分别为65.6 mm/69.7 mm/70.1 mm/71.8 mm，一直处于上拱趋势，11月份较10月份增大1.7 mm，评价每月上拱2.1 mm。

2019年8月28日轨道精调后，通过叠加8月/9月/10月/11月安博格小车数据，上行314+019上拱最高点上拱量分别为76.1 mm/78.6 mm/80.7 mm/82.9 mm，一直处于上拱趋势，11月份较10月份增大2.2 mm，评价每月上拱2.3 mm。

2019年8月28日轨道精调后，通过叠加8月/9月/10月/11月安博格小车数据，下行314+022上拱最高点上拱量分别为68.9 mm/71.44 mm/73.3 mm/73.8 mm，一直处于上拱趋势，11月份较10月份增大0.5 mm，评价每月上拱1.6 mm。

2019年8月28日轨道精调后，通过叠加8月/9月/10月/11月安博格小车数据，下行313+621上拱最高点上拱量分别为70.3 mm/75 mm/76.5 mm/79.13 mm，一直处于上拱趋势，11月份较10月份增大2.6 mm，评价每月上拱2.1 mm。

3 变形机理及原因

3.1 高地应力

经过统计分析，化马隧道所在区域地应力高～极高，最大水平主应力上限值在10～25 MPa。由于此段隧道埋深400～1 000 m，且受到构造应力的作用，隧道开挖后应力调整、集中，断层带的压碎岩、断层角砾及其他软质岩处于高～极高应力状态。

3.2 地下水

隧道施工时，第3段掌子面多处有股状和线状出水，其余3段掌子面基本无水。隧道开挖后基岩裂隙水径流条件改变，形成仰拱基底积水，仰拱长期浸泡，形成稳定地下水位，水位位于仰拱基底以上约1 m，具一定的静水压力。地下水浸泡基底围岩，软化断层带的压碎岩、断层角砾以及碳质板岩，造成基底局部软化。

综上，化马隧道轨道异常段整个洞身均处于断层带或断层影响带，岩性软弱、强度低，围岩破碎～极破碎，开挖后隧道周边应力状态发生变化，洞身周边塑性区范围极大，在场区高地应力作用下，挤压周边破坏岩体向隧道临空面挤入，极易导致仰拱开裂上鼓。且隧道开挖扰动后围岩裂隙张开，渗水通道贯通，地下水向底部汇集，使得底部围岩长期浸泡在地下水中，围岩强度进一步降低，在高地应力作用下加剧了两侧墙脚应力集中区发生和围岩的塑性流动，从而进一步发展仰拱隆起现象；同时与软岩流变效应叠加，仰拱发生持续上鼓。

4 整治方案

根据补充勘探情况，结合专家意见，化马隧道轨道异常段处理采取降压泄水、疏干地下水，注浆加固改良围岩，消除应力集中区等措施进行综合整治，施工时应严格按照泄水、注浆加固等顺序进行施作，待基底加固完成后方可实施切割落道。

4.1 泄水方案

1)洞内泄水。于边墙脚设置φ50排水降压孔，纵向间距12 m(每板衬砌至少施做一处)，超出隧道边界200 cm，拦截周边地下水使其提前汇入侧沟内。施工时应错开环、纵向盲管，钻孔完毕后，水沟与围岩侧钻孔填塞无纺布进行过滤，侧沟往隧道中线方向的钻孔采用C20细石膨胀混凝土回填密实。

为引排仰拱下方地下水，降低水压，在整治范围内隧道中线左、右侧70 cm处钻设竖向泄水孔，泄水孔穿透仰拱底部以下≥1.0 m，单侧纵向间距6 m，两侧交错布置，并应错开环向施工缝≥1 m。排水降压孔内设φ100PVC管，有出水的泄水孔在仰拱填面凿横向排水槽(11 cm×11 cm)将水引入中心沟回填面的纵向排水沟，再排入检查井。基底泄水孔孔位结合注浆孔设置，注浆时先注周边孔，待泄水孔无水流出时方可注浆封堵泄水孔。

2)洞外泄水。隧道洞身右侧设有泄水平导，现场施工测量数据显示，化马泄水平导与正洞垫层顶面高程差为1.95～2.18 m。

结合正洞无砟轨道异常情况，在下行线变形最严重的K314+023处设置横洞进行泄水。泄水平导距正洞约27 m，为降低泄水横洞施工对正洞的仰拱，横洞长约20 m，与正洞净距为7 m，泄水横洞纵坡为8%、2%的单面下坡，见图1。

图1 泄水横洞立面设计图(单位：cm)

泄水平导施工到位后，及时在端头设50 cm厚C35钢筋混凝土堵头墙，堵头墙预埋泄水孔φ114 mm导向刚管，间距为0.5 m。导向管为φ110不锈钢花管，距离泄水横洞底部30 cm，预埋导向钢管时应进行高程及位置测量，准确定位钻孔的角度。

降压泄水管距离隧道底部50 cm，管身包裹无纺布,泄水孔端部超出隧道2.0 m，2号、3号泄水孔施做角度与水平方向为6°，4号、5号泄水孔施做角度与水平方向为13°，在端部距离为3.0 m，孔深分别为22.23、22.37、22.79 m。泄水管平面布设示意见图2。

图2 泄水管平面布设示意图(单位：cm)

3)中心水沟清淤。结合中心水沟检查井布设情况，对轨道变形严重段K313+500～K314+100中心水沟进行清淤，确保水流畅通，避免中心水沟淤积下渗。

4.2 隧底加固方案

1)注浆孔布置。根据变形资料，拟对病害段基底采用φ76钢管袖阀管注浆加固，以改善基础地层物理力学参数，提高强度。纵向间距1 m，横向布置：4～6根，间隔设置；注浆孔深度伸入基底以下3～5 m，根据轨道异常情况进行控制。

2)墙角管桩加固。两侧墙脚分别设φ108不锈钢钢管桩，并压注水泥浆加固，管长6 m，纵向间距2.0 m，与水平夹角45°，见图3。

图3 管桩加固示意图

3)注浆方案。钻孔采用φ110 mm钻头开孔钻进，每一节钻杆钻进结束后，将地质情况描述清楚、详细做好钻孔记录。钻孔应定位准确，钻孔完成后下设φ76 mm钢性袖阀管，并在溢浆孔处开槽，开槽处安置特制橡胶套；每根钢管采用套接并焊接。扩散半径1.5 m，注浆压力≤1 MPa，具体根据现场试验进行调整。采用后退式分段注浆加固，分段长度0.5～1.0 m，施工中可以根据地质条件和注浆压力情况适当调整。施工时应首先对最外侧袖阀管双液浆孔，再对其余袖阀管注浆，注浆顺序按发散-约束型注浆原则进行，合理安排奇、偶数跳孔注浆，使整个加固范围内浆液扩散均匀、有效[1]。注浆效果评价采用P-Q-T曲线分析法、雷达扫描法、瞬态面波法进行综合分析，确保注浆效果。

4.3 切割落道

考虑到仰拱上拱病害发展尚未稳定的实际情况，应首先对隧道仰拱上拱病害进行整治，再采取仰拱锯切落道方案一次将轨面恢复至设计高程[2]。采用限速行车的运输组织方案，建议施工期间限速45 km/h，天窗点内施工，用绳锯将道床板与仰拱回填层混凝土切割分离，对道床板进行落道。道床板落道后，采用灌浆料恢复轨道结构。

特别说明：①轨道彻底整治方案的实施必须在仰拱稳定性评估满足铺设无砟轨道要求后方可实施，在隧道仰拱上拱病害完全整治前，应首先采用扣件进行顺坡调整[3]；②隧道仰拱整治完成且稳定后，应对轨道几何形位、高程等进行复测，并再次检查扣件调整量，根据仰拱最终上拱情况对轨道彻底整治范围、落道量等进行调整。

4.4 监控量测

整治段及两侧各5 m范围内，每5 m布置一个观测断面，测点设置在两侧边墙、侧沟底部、线路中线和隧道中线等位置。测量项目主要是水平位移及竖向沉降。量测频次一般情况按照1次/天，特殊情况加密频次。须及时分析测量数据并报送各方[4]。

5 结束语

该隧道异常段整个洞身均处于断层带或断层影响带，开挖后隧道周边应力状态发生变化，围岩裂隙张开，渗水通道贯通，长期浸泡造成围岩强度进一步降低，同时与软岩流变效应叠加，是造成仰拱开裂和发生持续上鼓的主要原因。本文结合补勘、病害情况及实际情况，提出了采取降压泄水、疏干地下水、注浆加固改良围岩、消除应力集中区等措施进行综合整治。

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