杜家山隧道基床翻浆冒泥病害成因及治理方案研究

荆韦庄

(中国铁路西安局集团有限公司，陕西西安 710054)

在铁路运营过程中，路基直接承载着轨道重力及列车运行过程中的动静荷载,由于路基所处的地质环境条件和施工工艺等差别，在长期工程荷载作用下，会出现多种路基病害，严重影响列车的安全运营。其中翻浆冒泥病害是路基在路基下伏岩土的地质条件、施工工艺、铁路沿线下伏的地质条件差别较大，诸多区段都存在冻土、膨胀土等不良土，路基填料也难以保持均匀一致，再加上由于技术标准、经济差异以及施工等方方面面的原因，导致许多运营线路出现了不同类型不同程度的路基病害，严重影响着列车的安全运行，危害人民群众的财产和生命安全[1-2]。除此以外，在过去修建既有线时基床填料的选择大部分都是压实系数和弹性模量较小的土质填料，设计厚度也相对偏小，造成路基病害时常发生。国内很多学者针对路基翻浆冒泥病害的成因[3-6]、检测方法[7-9]和处理措施[10-12]的研究已有很多。

1 杜家山隧道概况

杜家山特长隧道位于改建铁路阳平关至安康线增建二线扩能改造安康枢纽配套工程的南秦岭越岭段，隧址区位于南秦岭旬阳县甘溪乡与安康市早阳乡交界的分水岭地带，隧道横穿南秦岭山脉。隧道呈NE-SW向穿越南秦岭低中山区，地形崎岖，地势险要，山高沟深，植被茂密，地质构造复杂，地层岩性多变，工程难度大。

2 地质环境分析

2.1 地形地貌

杜家山隧道进口位于旬河支流麻坪河河谷区，出口位于汉江支流丁家河河谷区，洞身穿越南秦岭低中山区。隧址区主峰为界岭高程1 150 m，麻坪河河床高程303 m，丁家河床高程314 m，沟谷发育，多呈垂直山脊树枝状分布的“V”形谷，山体相对高差500～800 m，属中-深切割山区，松散土层少量，以浅变质石质山地为主，山坡植被茂密，树木较多；隧址区为北亚热带秦巴湿润山地气候，气候温和，雨量充沛。

2.2 地层岩性

隧道工程涉及地层主要有第四系全新统坡残积粉质黏土，冲、洪积细圆砾土，卵石土；泥盆系中统大枫沟组、公馆组灰岩，千枚岩，千枚岩夹灰岩，灰岩夹千枚岩；志留系下统梅子垭组千枚岩，含泥炭质片岩夹云母片岩，片岩，此外局部有长英质岩脉及岩株侵入。本区经历了多次构造变动，岩层不同程度发生变质。

2.2.1 第四系全新统(Q4)

全新统洪积层(Q4pl),细圆砾土,主要分布于洞身浅埋段冲沟表层，青灰色为主，砾石成份主要为千枚岩、片岩、灰岩等，一般厚2～8 m；卵石土主要分布于洞身浅埋段冲沟表层，浅灰色、浅黄色，砾石成份主要为千枚岩、片岩、灰岩等，一般厚2～5 m.

滑坍、错落堆积层(Q4sl)，主要是含碎石土的粉质黏土，以灰岩、千枚岩为主块石土、碎石土，分布于滑坡堆积体内。

坡、残积层是含碎石土粉质黏土，主要分布在支沟坡麓、沟脑及地形平缓的山坡地带，成分以粉质黏土为主。

2.2.2 泥盆系中统(D2)

公馆组(D2g)，一套青灰色、浅灰色白云质、硅质、泥质细晶灰岩，中厚层-厚层状，底部为厚层状千枚岩(千枚岩附近灰岩呈薄-中厚层状)，灰岩具轻微溶蚀现象，弱风化，节理较发育，岩体较完整，产状主要为N58°～74°W/46°～62°N。千枚岩呈浅灰色，鳞片变晶结构，千枚状构造。本岩组与志留系呈断层接触，与下伏泥盆系大枫沟组呈平行假整合接触。

2.2.3 大枫沟组(D2d)

出露于隧道越岭地段是一套灰绿色、灰黄色粉砂质千枚岩、钙质千枚岩、灰色薄层状-中厚层状泥质细晶灰岩交互地层，局部夹杂石英质、长英质岩脉及岩株贯穿，本段为长大断裂构造、褶皱构造集中发育区，地质构造复杂多变。

(1)千枚岩(D2dPh)、千枚岩夹灰岩(D2dPh+Ls)：千枚岩呈灰色、灰绿色，鳞片变晶结构，千枚状构造，具丝绢光泽，灰岩呈灰色、深灰色，细晶结构，极薄层-薄层状构造，层间结合较弱，易沿片理面劈裂，节理、裂隙较发育，揉皱发育，岩体较破碎-较完整。

(2)灰岩夹千枚岩(D2dLs+Ph)、灰岩((D2dLs)：灰岩呈浅灰色-深灰色，泥质、钙质细晶结构，薄-中厚层状构造，局部节理、裂隙面可见微弱溶蚀现象，千枚岩呈灰色、灰绿色，鳞片变晶结构，千枚状构造，具丝绢光泽，节理、裂隙较发育-发育，岩体较破碎-较完整。

2.2.4 志留系下统(S1)

隧道区志留系下统出露梅子垭组(S1m)，分千枚岩、含泥炭质片岩夹石英云母片岩、云母石英片岩等3个岩性段。千枚岩(S1mPh)为一套灰色粉砂质绢云母千枚岩，层间偶含石英脉透镜体及硅质板岩，与志留系中统公馆组呈断层接触，产状变化较大，褶皱发育；含泥炭质石英片岩夹云母片岩(S1mcSc+mSc)，主要由石英、炭质、绢云母组成，层间夹少量薄层状灰岩，岩体破碎，断裂构造、层间揉皱发育；分布于隧道出口端的云母石英片岩(S1mSc)为一套云母、绿泥石石英片岩层，含石英云母片岩，层间夹少量泥炭质石英(片)岩，矿物成分主要由石英、绢云母、绿泥石及少量炭质组成，岩体较破碎-较完整，层间挤压破碎带较发育。

顺断裂带或断层破碎带发育岩性为：压碎岩、挤压千枚岩、挤压片岩、断层角砾、断层泥砾，原岩为硬质石英片岩、灰岩，千枚岩，云母片岩等。隧道段还有岩脉及岩株状分布，岩性为长英岩，灰白色，成分以石英、长石为主，含少量暗色矿物，细-中砾结构，块状构造。

3 探地雷达和钻探测试

该隧道自运营以来，部分地段整体道床顶面局部渗水，部分地段整体道床底与垫层混凝土结合部冒水、翻浆，且病害呈不断发展趋势。对此，整体道床病害地段采用现状调绘、地质雷达测试普查、重点地段钻芯验证的综合手段。

3.1 现状调绘

隧道侧沟沟帮混凝土部分开裂，侧沟部分横向盲管堵塞、局部破损或渗漏水，水从缝隙中渗出，通过混凝土胶结面流向整体道床底部形成积水，积水从混凝土质量缺陷处渗入混凝土垫层与填充层，在列车动载的反复作用下，水带着破损的混凝土细骨料从整体道床底部与混凝土垫层结合部缝隙中冒出，随着时间累积使垫层混凝土与填充层混凝土局部产生空隙，由于水的存在，在列车震动载荷的作用下出现抽吸，进而出现结合部翻浆冒水现象。

3.2 探地雷达

在隧道病害范围内的线路下行左侧侧沟、下行道心、下行右侧轨枕头、下行右侧侧沟、上行左侧侧沟、上行左侧轨枕头、上行道心、上行右侧侧沟位置，沿线路方向从左到右依次布设测线1～测线8共8条测线(面向大里程方向区分左右)，具体探地雷达测试测线布置见图1。探测深度约0～2.0 m。测试仪器采用美国地球物理公司的SIR-3000 探地雷达及配套400 MHz天线进行测试，对发现异常部位进行加密测试，对明显异常部位进行重点测试。

雷达测试结果表明：整体道床下垫层与填充层混凝土内部含水、胶结面存在间隙、多处存在严重不密实区，仰拱与基岩结合部存在不密实区。

3.3 钻探

选用SG-220 小型钢筋混凝土钻孔机，样芯直径选取φ83 mm。根据现场情况，本次探测在病害严重地段共钻孔4 个，钻孔标高以侧沟顶面为±0.00 m。钻探时测得实际混凝土厚度为1.50～1.55 m。

钻芯取样结果表明：侧沟钻芯取样位置混凝土厚度150～155 cm，芯样基本完整，钻孔位置基床混凝土胶结面存在缝隙、夹少量泥沙，仰拱与基岩胶结不良，部分地段基岩破碎(千枚岩)。

4 测试结果与产生病害的原因

4.1 测试结果分析

通过对隧道病害区段的地层岩性、地质构造和水文资料的基础上，经探地雷达测试及现场钻探，通过调阅资料和室内分析整理，大岭铺至安康东直通线杜家山隧道病害地段测试结果分析如下(图1)。

图1 测线布置

(1)病害区段的地层岩性为受构造应力作用的挤压千枚岩地层，岩体较破碎。

(2)现场小型钻探时实际量测得到混凝土厚度为1.50～1.55 m，基床混凝土状态基本完好。

(3)测试地段测线1、测线8未见明显规则布筋，个别处所见零散钢筋；测线2、测线3、测线6、测线7见规则布筋，钢筋保护层厚度5～12 cm；测线4 中K13+726～768、K14+276～300 段未见明显规则布筋，个别处所见零散钢筋，其余地段见规则布筋，钢筋位于侧沟下25～35 cm 位置；测线5见规则布筋，钢筋位于侧沟下25～35 cm位置。

(4)测试地段未发现明显地下洞穴。部分地段混凝土内部存在裂隙、离析、严重不密实及不密实区域；部分地段整体道床与垫层混凝土胶结面存在间隙，含水；部分地段仰拱与基岩结合部之间存在破碎带、不密实区域。

4.2 产生病害的原因

基于物探和钻探揭示的资料，分析产生病害的原因有以下几种可能。

(1)半圆水沟底部与找平层底部为同一高程，此段施工水沟及电缆槽时，因前方掌子面仍在施工，水沟及电缆槽底部可能未清理干净，水沟里的水与找平层底部结构面存在渗水贯通现象。

(2)找平层、整体道床施工时，底部未清理干净，底部可能存在积水，找平层与原填充层可能存在裂隙、不密贴情况。

(3)找平层纵向每约150 m留一横向施工缝，在找平层与原填充层可能存在裂隙、不密贴情况下，在荷载作用下，找平层有可能出现裂缝。

(4)半圆槽及排水沟堵塞致使道床底部积水，水通过找平层与体道床间裂隙渗入道床底部，部分地段水已从半圆形排水槽溢出至道床底部，在列车荷载反复作用下，水通过道床施工缝渗到道床顶面。

综上，水沟里的水通过水沟及电缆槽底部渗向找平层底部，因找平层底部可能出现的裂缝，在列车荷载反复作用下，找平层底部水与污泥及砂子被带上找平层与整体道床结构面，最终向道床两侧挤压。

5 治理方案研究

对整体道床底部与混凝土垫层结合部出现冒水翻浆地段，拟采用加固型TGRM水泥基特种灌浆料，对整体道床下混凝土不密实区域、胶结面间隙等病害进行注浆加固(图2)。

图2 注浆加固方案(单位:mm)

先疏通上下行侧沟横向排水盲管，再对两侧侧沟渗漏水地段检查横向盲管接头质量情况，对接头渗漏水处进行修补处理。

根据现场情况，针对本设计方案需要注意的施工事项有，所有施工项目必须在施工天窗点内进行，注浆钻孔前必须对既有光电缆设备做好有效防护措施。钻孔直径应控制在φ50 mm以内，应注意避开整体道床下横向排水管和整体道床钢筋网。

注浆时先注两侧沟孔，再注整体道床注浆孔。注浆孔位可根据现场加以调整，但孔中心位置误差不宜过大，钻孔深度可根据现场钻孔芯样状况适当调整，但不得小于设计深度。

注浆采用加固型TGRM水泥基灌浆料，水灰比控制在0.45～0.55之间，注浆压力0.2～0.6 MPa，施工时控制好注浆压力，线路抬高控制在2 mm以内。注浆时注意观察浆液的串孔和裂缝的跑浆情况，注意封堵，如遇到吃浆量过大时，可暂停注浆，重新设孔隔天再注。