高铁隧道水压致灾型轨道隆起模型试验与处置对策

2022-05-12李林毅阳军生王树英吴剑王子建相懋龙

中南大学学报（自然科学版） 2022年4期

李林毅，阳军生，王树英，吴剑，王子建，相懋龙

(1. 中南大学土木工程学院，湖南长沙，410075；2. 中铁西南科学研究院有限公司，四川成都，611731)

铁路隧道运营情况表明，隧底结构易受外部因素影响，使得隆起变形、结构失稳等问题常有发生[1-2]。隧底隆起变形一旦出现，将导致其上覆轨道形位失格，致使线路限速甚至停运，造成社会不良影响[3-4]。尤其对于高铁隧道，由于运营时速快、对轨道形位控制要求高[5-6]，此类病害更易发生且更具危害性[7-8]。隧道底部隆起原因多样，根据主导因素可划分为软岩蠕变型、地层高水压型、围岩膨胀型、层状围岩挤压型、地层错动型(地震、滑坡)等[9]。其中，地层高水压型隆起变形因其涉及因素多，演变规律复杂且难预测，许多研究者通过实例调研、数值仿真、模型试验等方法对此类病害的原因及治理进行了研究，如：代鸿明[4]通过归纳西南山区的数个案例，分析了仰拱隆起及衬砌开裂原因，并提出了相应的防治方法；何昌国等[10]总结了贵广铁路数个隧道病害特征，从地形地质条件、排水堵塞等方面探讨了病害原因，并对整治措施进行了归纳；李铁钟[11]依托某高铁隧道隆起案例，探讨了病害原因及整治措施，并基于数值软件模拟了现场病害位移特征；李洪涛[12]基于数值仿真方法与模型试验方法，探究了不同排水模式下高铁隧道底部隆起变形特征与结构受力特征。上述研究成果经实践验证，为同类病害案例治理提供了较好指导。然而，值得注意的是，一方面，现有研究多基于少量案例的原因分析与处置总结，而未对此类病害的系统特征进行统计归纳；另一方面，受现有分析手段所限，当前研究难以考虑隧道内部精细化构件(如轨道结构等)与排水系统导流特征，致使隧道外水压力分布特征及高水压下轨道隆起(称“轨隆”)演变规律仍不明确。基于此，本文对因地层高水压引发的高铁隧道轨隆案例进行统计分析，并结合典型案例，采用3D 打印技术构建其精细化高铁隧道模型，开展轨隆病害可视化模拟试验，以获取隧道渗流场与位移场规律特征。同时，对此类病害的处置方法进行系统归纳，并介绍其工程应用效果，以期为富水地区高铁隧道运营与整治设计提供借鉴与参考。

1 水压致灾型轨隆案例分析

经调研，近年来在运营铁路隧道中因地层高水压导致的轨隆案例统计结果如表1[4,10-11,13-17]所示。需要说明的是，考虑致灾模式的差异性，对于结构存在明显缺陷(如厚度不够)而导致轨隆问题发生的部分案例未纳入统计。根据表1 中相关信息，从隆起位移、病害特征、降雨强度、地质因素4 个方面绘制对应统计图，见图1。其中，图中百分数为该类案例数相对于总案例数的占比。

由图1和表1可知：

表1 运营铁路隧道轨隆案例统计Table 1 Statistics of track uplift in operating railway tunnels

1)轨隆位移处于[20，30)mm区间最多，案例占比达37.5%，[10，20)mm区间与≥30 mm区间案例占比次之，而[0，10)mm 区间案例占比最少。可见，虽然地层高水压型轨隆位移并不大，主要集中于30 mm 以内，但该位移无法匹配高铁轨道的毫米级运营需求，最终导致病害发生，进而严重干扰线路行车。

2)轨隆病害往往伴随着其他病害，而排水管堵塞、填充层开裂、轨道板脱离是较常见的并发病害(见图1(b))。其中，在统计案例中，有6 个隧道(占比75.0%)的排水系统出现了失效情况，有5个隧道(占比62.5%)的隧道存在填充层开裂，还有少数隧道(占比25.0%)出现了轨道板脱离。

3)地表强降雨是轨隆病害的主要诱因。本文统计的全部轨隆案例中，在病害发生前，隧址区均出现了一定强度的地表降雨，且季节雨量存在差异，病害均集中于雨季(4—10月份)出现。同时，据雨量统计结果和等级划分标准[18]，致灾降雨强度多在暴雨等级(24 h 雨量大于100 mm)以上，且不乏雨量突破历史极值的相关案例(如广西胡山隧道、贵州省麻拉寨隧道)。

4)隧道与地表之间的水力联系是轨隆病害的主要原因之一。在文中统计案例中(图1(d))，有较大比例(占比62.5%)的隧道处于灰岩地层中或岩溶发育，地层中存在的溶洞、岩溶管道可为地下水提供竖向径流通道，进而引发雨后地下水压突增。此外，还有部分隧道位于断层破碎带或节理裂隙发育区，破碎化岩体具有良好竖向渗透性，也会导致地表降雨与隧道之间存在较强的水力联系。

从上述统计可知：此类病害主要发生于雨季地表强降雨之后，由于大量雨水通过地层岩体裂隙下渗或竖向通道径流，引发地下水位迅速上升，并在隧道堵管问题的共同作用下，地层水压力进一步增大，导致轨隆病害出现；同时，随着轨隆位移增大，现场结构还伴随着填充层开裂、轨道板脱离等相关病害。

2 典型案例模型试验

2.1 背景案例病害简述

麻拉寨隧道位于贵州省麻江县，为高铁双线隧道，全长2 640 m。2015-06-17(运营后)，隧址区突降大雨，10 h 雨量达165 mm，仰拱与填充层出现隆起，导致轨道形位失格，途径列车晃车现象明显。经轨道检测，轨隆病害段长约100 m，最大轨隆位移达28 mm，线路运营限速至80 km/h。同时，现场还发现该隧道病害段存在较严重的排水系统堵塞问题。地勘资料显示该病害段处于V级围岩段，位于渚拉窝当断层带核部，岩质以强风化灰岩为主，岩体破碎，节理发育。

2.2 试验相似原理

本试验模拟的主要内容是实现地层高水压作用下轨隆病害可视化过程，此过程具体涉及围岩渗流、隧道排水与结构形变等方面，因此，地层材料、隧道排水系统与支护结构材料均应满足特定相似比例。基于相似第二定理，本试验结合可行性、经济性等因素，确定几何相似比CL、容重相似比Cγ、渗透系数相似比Ck为基础相似比，并通过量纲分析法获得试验相关参数相似比，具体量值见表2。

表2 试验参数相似关系Table 2 Similar relationship of parameter in model test

2.3 相似材料及隧道模型制作

2.3.1 地层相似材料

本试验对地层材料的相似性控制以渗透系数为核心指标，并尽可能满足其他材料参数的相似性。经渗透性测试，选取细砂(渗透系数测试均值1.05×10-3cm/s)作为地层相似材料，且确保与现场围岩渗透系数(地勘值为1.0×10-3cm/s)一致。

2.3.2 隧道支护结构材料选取

对于初支结构，参考同类试验模拟方法[19]，选用土工布进行模拟，不考虑其支护性能，模拟其减渗、透水、阻砂三方面的功能。土工布具体厚度为5.9 mm，层数为8 层。对于二衬及底部结构，本试验参考既有研究[20]，以弹性模量相似为原则选取适宜3D打印材料，并根据弹性模量相似比(CE=1∶40)，选取尼龙11 作为结构模型的打印材料(弹性模量为1.06 GPa，原型C35 钢筋混凝土等效弹性模量为34.1 GPa)。对于隧道排水系统，在试验过程中仅需发挥其排泄水功能，而无须遵循弹模相似性。因此，对比常用打印材料的经济性、极限强度等因素，最终选择光敏树脂作为排水系统的打印材料。

2.3.3 隧道模型3D打印

考虑打印机成型尺寸(长×宽×高为40 cm×40 cm×45 cm)限制，本次试验所制作隧道模型的原型纵向长度定为14 m，即经缩尺后模型长×宽×高为35.0 cm×37.4 cm×31.6 cm。隧道现场结构与排水系统设计参数如图2 所示。首先建立隧道结构3D模型、排水系统3D模型，然后，采用尼龙11打印隧道结构模型，并采用光敏树脂打印排水系统模型。经模型组装，最终获得包含排水系统与隧底结构的高铁隧道精细化模型。

2.4 试验工况与流程

2.4.1 试验系统与工况设置

本试验自行设计隧道渗流试验系统，见图3。该系统具体包括模型试验箱、渗流控制系统、测试系统和数据采集系统，模型试验箱长×宽×高为2.40 m×1.90 m×0.35 m。渗流控制系统用于控制地层渗流场，由进水管、输水管、顶部水箱、控制阀门等构成。测试系统与数据采集系统主要用于测试试验数据，并予以集中记录、存储。

本试验主要探究雨后地下水位变动与排水管网堵塞这2个主导因素的影响，在隧道埋深为65 m(原型高度)时，以10 m为梯度设置7组地下水位工况(0～60 m)，同时，在每组地下水位下还考虑排水通畅与排水不通畅共2 种情况，共计14 组试验工况。需要说明的是，地下水位的0 m基础面以隧道中心水平面为基准。此外，本试验中通过在横向排水管设置堵塞头使排水管堵塞，如图4所示。

2.4.2 测试内容及布设

根据测试内容，需测试的参数包括结构外水压力、典型部位结构位移、隧道排水量。选取1个测试断面(见图5(a))获得上述参数：1)将孔压传感器布置于隧道外表面的8 个典型位置(图5(c))获得结构外水压力；2)将千分计布置于隧道内的3个典型部位(图5(d))，以获得隧底、内轨、外轨的位移发展规律；3)通过量杯收集侧沟、中心沟在单位时间段内的排水量(图5(d))，累加即得到总排水量。

2.4.3 试验流程

根据试验内容及工况设置，试验步骤如下。

1)安装隧道模型并组装排水系统，布置测试元件，将土工布包裹在隧道结构外部并保证其密贴。

2)逐层填入并压实地层材料，填至所需高度后，使用玻璃胶封间隙以保证其密封性；布置数据采集系统，检验元件运行状态，并记录初值。

3)通过调控渗流控制系统，提升水位至初始试验水位(0 m)。试验时，待渗流稳定后依次测试排水量、外水压力、结构位移等。据试验工况，提升地下水位并稳定至下一水位，再测试该水位，直至全部水位测试完毕。

4)若考虑堵管，则重复步骤3)中水位逐步提升过程，并在各地下水位工况下，将堵塞头依次塞入左右边沟共计6 处的排水口，待渗流稳定后，再对步骤3)中相关参数进行测试与采集。

2.5 试验结果分析与探讨

为便于分析，本文试验结果均已转为原型尺度下的数值。根据试验工况，当地层水位从0 m升至60 m 时，典型水头下隧道排水口出流情况如图6(a)所示。从图6(a)可知：地下水经侧沟与中心沟联合排导后排出隧道，且随水位升高，水流流量明显增大。本试验中排水系统工作状态良好，流水顺畅，故认为本文建立的精细化高铁隧道模型能够满足模型试验中对于隧道排水设施的模拟需求。

经统计，0～60 m 水头下隧道排水量增长曲线如图6(b)所示。从图6(b)可知：随水位增大，未堵管隧道每延米排水量从2.97 m3/d 增至26.04 m3/d，而全堵隧道排水量基本为0 m3/d；此外，未堵管隧道的排水量增长存在一定阶段性，即水位为0～30 m 时隧道排水量基本呈线性增大，而30 m 后呈放缓型增大。

图6(c)所示为水位升高后不同部位结构水压力的变化曲线，其中“隧底”对应测点WP-4，WP-5和WP-6，“边墙”对应测点WP-3和WP-7，“拱部”对应测点WP-1，WP-2和WP-8。图6(d)所示为30～60 m水位下未堵管隧道的外水压力分布情况。由图6(d)可知：1)对于全排隧道，随水位升高各部位水压均出现了先慢速后快速增大，其中，隧底水压增幅最大，拱部增幅次之，边墙增幅最小，这应与排水系统的降压特点有关；2)对于堵管隧道，各部位水压基本呈由位势水头控制的线性增长态势，当部位水下埋深不同时，呈现“隧底水压最大、边墙水压次之、拱部水压最小”的水压力分布；3)无论堵管与否或在任意水位下，隧底外水压力在隧道全环中最高，故可认为现有排水系统中难以消除的隧底高水压风险应是轨隆病害的直接原因。

图6(e)所示为随水位升高隧底结构隆起位移的变化曲线。其中，DT-1为隧底测点，DT-2为内轨测点，DT-3为外轨测点。从图6(e)可知：1)底部结构隆起位移呈阶段性增大，在0～20 m水位结构隆起位移较小，而20 m后隆起位移逐步增大，同时呈“隧底隆起位移最大、内轨隆起位移次之、外轨隆起位移最小”的分布形式；2)在全排隧道至50 m 水位、堵管隧道至40 m 水位时，内轨隆起位移分别为27.13 mm 和26.98 mm，均与现场位移较吻合，可认为隧道排水通畅且地下水位达到50 m 或排水堵塞且地下水位达到40 m 时，现场可能出现背景案例轨隆病害；3)即使排水通畅，在工程常有的地下水位下轨隆病害仍会出现，该情况表明现有排水系统无法消除隧底高水压，难以有效防控轨隆病害的发生。

总体来看，现有排水体系对于隧底水压力控制不佳是病害频发的根本原因，而隧道排水管网堵塞引发的隧底水压力增大会进一步加重病害程度。

3 运营隧道轨隆病害处置对策

3.1 整治原则与治理措施

3.1.1 处置阶段划分

结合试验结果，应采取相关整治措施控制隧底水压力。考虑轨隆病害的突发性与难根治特点，病害处置通常需分为紧急性处理阶段与永久性处理阶段。这2个阶段均以控制或消除隧道高水压力为目标，但在整治时间、处置手段等方面有所不同。紧急性处置通常针对病害出现而需快速恢复线路限速通行的整治阶段，其阶段性目标更侧重于抑制病害加重、快速恢复行车，且处置对象多为洞内工程。永久性处置通常针对恢复线路限速通行后的整治阶段，其阶段性目标更侧重于如何确保类似水害不再复发，而处置手段多元化，处置对象为洞内外工程。

3.1.2 处置流程

病害处置流程如图7所示。

从图7可见，轨隆病害整治流程包括紧急性处置与永久性处置。紧急性处置流程为：当轨隆病害出现后首先需通过轨检、表观检查等方式确定病害段落，再针对病害段进行隧道泄压及结构补强处理，并经位移监测与轨检测试确认恢复线路限速运营的可行性。为预防类似水害再次发生，永久性处置流程包括以下4个方面。

1)隧底稳固。通过长锚杆连接底部结构与深部围岩，以限制底部位移隆起变形，同时采用隧底注浆加强底部围岩参数，降低岩体渗透性以及隧底高水压的风险。

2)永久性降压措施。保留紧急处置阶段的部分泄压措施以永久泄压，同时视病害严重程度可新建泄水洞、运用井点降水法以控制地层水头。

3)地表处理。汇聚于地表进而下渗至地层的雨水是病害的源头，故应改变地表水汇聚及入渗条件，地表封堵防渗、地表汇水引流处理均是可行措施。

4)定期巡检。通过结构位移监测、轨检，可判定在同等甚至更高等级的暴雨下处置后隧底结构是否稳定性良好，经多次暴雨、多个季度检验后，可确认线路是否具备恢复常速运营的条件。试验结果显示，运营期堵管问题会加剧轨隆病害程度，因此，应高度重视病害段排水畅通。

3.2 处置实例——贵州省麻拉寨隧道

3.2.1 整治方案及实施流程

麻拉寨隧道病害发生后，现场人员通过轨检紧急确定病害段范围，在病害段边墙、隧底部位布置了一系列泄水孔(见图8(b))，迅速降低隧底高水压力，并对开裂部位进行补强。在线路停运7 d后，紧急处置完成，位移监测显示已无隆起迹象，线路恢复至80 km/h限速运营。根据现场地表调查(图8(a))，隧道病害段上覆岩溶洼地，地表分布多处落水洞且仍存有大量积水。基于此，整治人员以“堵源头、截路径、疏隧身”为治水原则，提出了“隧底注浆锚固+洞内泄压孔+新建泄水洞+地表处理”的永久性处置措施。限速运营4 d后，地表封堵与地表引流工程(图8(b)和图8(c))全部完成；8 d 后，隧底注浆锚固工程(图8(d))全部完成；2 a后(2017年11月)，新建泄水洞工程(图8(e))全部完成。

3.2.2 结构稳定性评价

经永久性处置工程完成后，对结构位移进行了近1 a监测，其中最大位移断面监测结果(正值表示隆起、负值表示沉降)如图9 所示。由图9 可知：1)在2018年雨季期间，尤其是6月份下旬经历的历史级特大暴雨后(24 h雨量超250 mm，突破历史极值)，虽然隧底结构普遍轻微上抬，但受整治工程降压作用影响，抬升量很小，处于合理范围；2)多季节、多次暴雨的位移监测结果显示，历雨后结构隆起位移不大，即使降雨强度突破历史极值，最大隆起位移仅为0.76 mm，表明经处置后麻拉寨隧道雨后轨隆不再出现，证明了整治工程的有效性。基于此监测结果，经轨道形位调整且复检合格后，隧道已恢复常速运营。