某鐵路隧道隆起病害整治及自動監(jiān)測成果分析

劉 勇,伏 坤,王 珣,李 剛,徐 鑫,王建捷

(中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司,成都 610031)

近年來，隨著我國高速鐵路運營里程不斷增加，相關(guān)的線下工程異常變形病害日益凸顯。尤其是西南艱險山區(qū)隧道在地應(yīng)力、地層構(gòu)造、水文地質(zhì)條件、施工質(zhì)量等因素影響下，常常會引起沉降或隆起病害。不均勻變形將導(dǎo)致線路不平順，進而導(dǎo)致道床及仰拱開裂，嚴重威脅列車運營安全。

國內(nèi)在隧道異常變形病害整治及機理分析方面開展了相關(guān)研究。李奎[1]通過分析某客專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墻底注漿、洞外錨固樁、道床錨桿等加固措施，并對整治后的變形測量成果進行了分析；王立川[2]對某鐵路隧道底部結(jié)構(gòu)隆起病害成因進行了分析，提出了采用低預(yù)應(yīng)力錨桿進行加固的整治方案；趙鵬[3]對獅子嶺隧道基底隆起、襯砌開裂等病害開展了有限元分析，提出了結(jié)構(gòu)性破壞區(qū)段采用仰拱拆換方案，對尚未發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞區(qū)段采取“錨注一體化”并施加預(yù)應(yīng)力的加固方案；牛亞彬[4]對鐵路隧道病害現(xiàn)象進行了歸納分類，結(jié)合隧道設(shè)計、施工、運營等方面資料，分析了各種病害產(chǎn)生的機理，初步提出對應(yīng)的綜合整治建議及措施；肖廣智[5]針對向莆鐵路雪峰山等4座隧道底部出現(xiàn)的道床積水、軌道隆起等病害情況，分析了病害產(chǎn)生的原因，通過對病害的探查，提出了“泄水降壓、底部加固、水流歸槽”為原則的整治技術(shù)方案。除此之外，也有一些學(xué)者[6-11]對施工工法、地層結(jié)構(gòu)等因素導(dǎo)致的隧道變形案例進行了總結(jié)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，尚未見對整治措施開展監(jiān)測的相關(guān)報道。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，肖俊[12]、張暉[13]通過分析錨桿、錨索在滑坡體內(nèi)的應(yīng)力變化來獲取巖體變形特征和滑移信息。因此，可以借鑒該思路對隧道隆起加固整治措施開展應(yīng)力監(jiān)測，以獲取巖層力學(xué)特征，為分析評價整治效果提供數(shù)據(jù)支撐。

1 工程概況

1.1 設(shè)計概況

某高鐵設(shè)計時速250 km，正線全長710 km，于2016年12月28日開通運營。全長8 075 m的LSS隧道(K684+029.4～K692+104.4)為雙線隧道，全隧最大埋深590 m，線間距4.6 m，采用雙塊式無砟軌道。

1.2 病害概況

2017年9月，運營部門軌檢車探測到該隧道K690+755～K690+835區(qū)段動態(tài)不良，上行線最大上拱10.7 mm，下行線最大上拱12.6 mm。

K690+755～K690+835段隧道處于小江活動斷裂西支陡馬箐斷層和龍泉寺斷層之間。陡馬箐斷層和龍泉寺斷層屬小江活動斷裂西支次級斷層，西支斷層全新世以來左旋走滑速率為2.5～12.0 mm/a，段內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造及應(yīng)力場復(fù)雜，新構(gòu)造活動強烈，地震活動頻繁。本段地下水主要為巖溶水、基巖裂隙水，少許孔隙潛水。K690+755～K690+799段圍巖級別為Ⅳ級，K690+799～K690+835段圍巖級別為Ⅲ級。

病害發(fā)生后對上拱段開展了人工測量工作，最大變形點位于K690+755斷面，上拱速率0.6 mm/月，并呈現(xiàn)持續(xù)上拱趨勢。結(jié)構(gòu)裂紋調(diào)繪成果表明，裂紋分布在隧底無砟道床板上及邊墻襯砌上，主要集中在K690+788～K690+815段。裂紋長度范圍為3 075～5 800 cm，寬度范圍為0.2～0.5 mm，深度范圍為2～5 cm。

2 病害原因分析及整治方案

2.1 病害原因分析

病害發(fā)生后對該段進行鉆探取樣，鉆探揭示隧底為泥盆系中上統(tǒng)(D[2-3])白云巖、泥質(zhì)砂巖夾石膏。根據(jù)10組巖樣室內(nèi)試驗，巖體天然抗壓強度7.9～16.1 MPa(平均值為10.4 MPa)，自由膨脹率為0～23.5%，膨脹力為0～7.9 kPa，飽和吸水率為2.27%～6.38%，根據(jù)TB10038—2012《鐵路工程特殊巖土勘察規(guī)程》判定為非膨脹巖。地下水位為0.67～1.7 m，隧道右側(cè)半圓溝及填充面有水。根據(jù)水樣化驗，地下水在環(huán)境作用類別為化學(xué)侵蝕環(huán)境及氯鹽環(huán)境時，硫酸鹽侵蝕等級為H2。

另外，根據(jù)隧道中心水溝兩側(cè)鉆孔及成像成果顯示，本段隧道中線處仰拱+仰拱填充總厚度滿足設(shè)計要求。根據(jù)K690+797斷面鉆孔揭示隧底結(jié)構(gòu)情況看：仰拱曲率與設(shè)計不符，仰拱呈近底板結(jié)構(gòu)。根據(jù)鉆孔取芯混凝土試驗，仰拱結(jié)構(gòu)強度滿足設(shè)計要求。

通過地質(zhì)勘探及現(xiàn)場調(diào)查工作，總結(jié)本段軌道上拱的原因主要有以下幾個方面。

(1)本段地應(yīng)力受小江活動斷裂次級構(gòu)造的影響，局部地應(yīng)力集中且應(yīng)力集中帶分布不均勻，大變形是地殼運動在隧道開挖后的慣性延伸。根據(jù)病害段地質(zhì)條件及其他鐵路類似病害工點工程經(jīng)驗判斷，高地應(yīng)力條件下的軟巖蠕變(大變形)是段內(nèi)仰拱上拱、邊墻開裂的主要原因[14]。

(2)本段內(nèi)仰拱與基巖面殘留虛砟，使得該接觸面不密貼，地下水易沿該接觸面活動而得不到有效排泄，在列車動荷載擠壓作用下，地下水壓力增大，反復(fù)作用于仰拱及仰拱填充，導(dǎo)致隧底緩慢隆起，嚴重者還可把泥沙帶進填充層間的各種縫隙內(nèi)。

(3)隧道施工的仰拱曲率不足，降低了隧道結(jié)構(gòu)抵抗圍巖壓力的能力。

2.2 整治方案

結(jié)合監(jiān)測、地質(zhì)補勘及初步原因分析情況，確定如下整治原則。

(1)對隧底結(jié)構(gòu)采取錨固措施，增強隧底結(jié)構(gòu)抵抗變形能力。

(2)對結(jié)構(gòu)病害及缺陷采取注漿補強措施，增加結(jié)構(gòu)的整體性及剛度。

(3)對隧底地下水采取綜合引排措施，降低地下水對結(jié)構(gòu)的不利影響。

(4)對隧底結(jié)構(gòu)及錨固結(jié)構(gòu)采取持續(xù)監(jiān)測的措施，確保運營安全并為后續(xù)工作積累數(shù)據(jù)。

基于上述隧底變形特征及病害情況，于隧底增設(shè)錨索和錨桿，增強隧底結(jié)構(gòu)抵抗變形能力，抑制軌道過快變形。

(1)錨索加固

于LSS隧道K690+755～K690+835段軌道板兩側(cè)增設(shè)錨索加固，錨索鉆孔位于左線中線左側(cè)1.60 m及右側(cè)1.55 m處、右線中線左側(cè)1.55 m及右側(cè)1.60 m處，錨索縱向間距4 m，錨索長21.5 m，其中錨固段長8 m，自由段長12 m，外露張拉段長1.5 m，共布置72孔，鉆孔直徑為130 mm。錨索采用6束φ15.2 mm高強度低松弛無黏結(jié)鋼絞線制作，鋼絞線抗拉強度不小于1 860 MPa，每孔6束錨索錨固段鋼絞線分成3個單元。單孔錨固力設(shè)計值為800 kN，單孔錨索初始預(yù)應(yīng)力設(shè)計值取400 kN。

(2)錨桿加固

于LSS隧道K690+755～K690+835段軌道板兩側(cè)增設(shè)全長黏結(jié)型錨桿加固，錨桿鉆孔位于左線中線左側(cè)1.60 m及右側(cè)1.55 m處、右線中線左側(cè)1.55 m及右側(cè)1.60 m處，錨桿縱向間距4 m，隧道中線內(nèi)側(cè)兩根錨桿長15 m，隧道中線外側(cè)兩根錨桿長10 m，共布置72孔。錨桿采用φ32 mm PSB830精軋螺紋鋼筋制作錨桿，需要接長時應(yīng)采用專用連接器。錨桿鉆孔直徑為110 mm。錨桿采用Ⅰ級防護構(gòu)造。注漿建議采用M35水泥砂漿。

(3)注漿補強

根據(jù)隧底補勘情況，本段隧道軌道板及隧底結(jié)構(gòu)表面分布大量裂紋，多段隧底仰拱填充層混凝土破碎，仰拱與圍巖之間、填充層與仰拱之間存在破碎層?；谏鲜鏊淼赚F(xiàn)狀及病害情況，本次對隧底混凝土與圍巖界面及結(jié)構(gòu)本體采用注漿加固處理，并對結(jié)構(gòu)表面裂縫采取注漿封縫處理。為保證仰拱與仰拱填充層密實性，增強隧底結(jié)構(gòu)整體性，對隧底混凝土與圍巖界面及結(jié)構(gòu)本體采取填充注漿，注漿孔設(shè)置于軌道板兩側(cè)，橫向共布置4排，縱向間距2.0 m。填充本體注漿和隧底混凝土與圍巖界面注漿共用注漿鉆孔，先進行隧底結(jié)構(gòu)本體注漿，本體注漿孔深度按嵌入仰拱厚度的1/2控制。

(4)疏通排水降壓孔

根據(jù)隧底補勘情況，地下水易沿仰拱與基巖面縫隙活動而得不到有效排泄，在列車動荷載擠壓作用下，地下水壓力增大?；谏鲜鏊淼赚F(xiàn)狀及病害情況，本次對前期設(shè)置的排水降壓孔全部進行疏通，并加強觀測，必要時酌情增設(shè)排水降壓孔，減小地下水壓力對隧底的作用。

(5)軌道變形監(jiān)測

為確保運營安全，評價整治效果，整治措施實施后，對K690+735～K690+855段開展軌道變形監(jiān)測。共布設(shè)25個監(jiān)測斷面共74個測點，斷面間隔5 m。監(jiān)測頻率暫按1次/周，實施過程中可根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)適當調(diào)整。

(6)錨桿錨索自動監(jiān)測

為對錨桿和錨索的工作狀態(tài)及工程整治的安全狀態(tài)作出正確的分析判斷，需對錨桿和錨索拉力進行監(jiān)測，以便能及時掌握錨桿和錨索受力情況，確保行車安全。

3 軌道變形人工測量

3.1 監(jiān)測方案設(shè)計

2018年4月28日起對K690+735～K690+855段軌道變形開展人工測量工作，斷面布設(shè)間隔為5 m，每個斷面布設(shè)8個監(jiān)測點，觀測頻率1次/周。其中G01、G08布設(shè)于隧道邊墻底部，G02、G07布設(shè)于電纜槽與軌道板之間，G03、G06布設(shè)于線路中心，G04、G05布設(shè)于中心水溝與軌道板之間，具體斷面示意如圖1所示。

圖1 人工測量測點布設(shè)斷面

3.2 監(jiān)測成果分析

2019年5月17日人工監(jiān)測觀測至第50期，通過與第1期(2018年4月28日)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析發(fā)現(xiàn)，K690+800及K690+810兩個斷面發(fā)生較大隆起變形。累積上拱變形量如圖2、圖3所示。

圖2 K690+800斷面各測點隆起變形量

圖3 K690+810斷面各測點隆起變形量

從圖2、圖3可以看出，該段最大隆起變形點位于K690+800斷面G03測點，變形量7.9 mm，且該斷面變形主要發(fā)生在隧道仰拱范圍內(nèi)，隧道邊墻基本無變形。

4 錨桿錨索自動監(jiān)測

4.1 監(jiān)測方案設(shè)計

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，采用鋼筋計、錨索測力計對隧道道床隆起K690+755～K690+835段錨桿應(yīng)力和錨索預(yù)應(yīng)力隨時間變化情況開展實時監(jiān)測及安全評估[16-20]，并及時推送評估結(jié)果及預(yù)警信息。采集頻率1次/h，并可根據(jù)當前安全狀態(tài)動態(tài)調(diào)整采樣頻率。監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)架構(gòu)

病害段自動化監(jiān)測共計布設(shè)監(jiān)測斷面8個，錨桿監(jiān)測斷面里程分別為：K690+755、K690+791、K690+795、K690+835。K690+755和K690+835斷面各布設(shè)鋼筋計6個，K690+791和K690+795斷面各布設(shè)鋼筋計10個，共計布設(shè)鋼筋計32個。錨索監(jiān)測斷面里程分為：K690+757、K690+793、K690+797、K690+833。K690+757和K690+833斷面各布設(shè)錨索測力計2個，K690+793和K690+797斷面各布設(shè)錨索測力計4個，共計布設(shè)錨索測力計12個。錨桿有兩種型號，分別對應(yīng)長度為10 m和15 m。10 m長錨桿布設(shè)2個錨桿鋼筋應(yīng)力計，距頂部分別為3 m和6.5 m；15 m長錨桿布設(shè)3個錨桿鋼筋計，依次距頂部為3.0，9.0，12.0 m；錨索測力計布置在錨頭位置。監(jiān)測設(shè)備布置典型斷面及平面如圖5～圖7所示。

圖5 病害段錨桿監(jiān)測布置斷面(單位：cm)

圖6 病害段錨索監(jiān)測布置斷面(單位：cm)

圖7 病害段錨桿錨索監(jiān)測布置平面

4.2 系統(tǒng)安裝及功能介紹

2019年5月20日，病害段錨桿鋼筋計及錨索計全部安裝完畢，如圖8所示。

圖8 鋼筋計及錨索計現(xiàn)場安裝

客戶端軟件界面如圖9所示，自動監(jiān)測系統(tǒng)具有如下功能。

圖9 客戶端軟件界面

(1)登錄及版本升級

客戶端軟件啟動時，按不同用戶類別權(quán)限進行登錄控制，并具有自動識別軟件版本編號和更新升級功能。

(2)地理信息與模型三維可視化

采用多維一體圖形化信息顯示技術(shù)，可聯(lián)動顯示平面圖、地圖、監(jiān)測點信息標注、三維模型、無人機雷達影像等。

(3)整體監(jiān)測信息綜合展示

包含所有監(jiān)測工點的基礎(chǔ)信息、監(jiān)測信息總覽功能。

(4)安全狀況與狀態(tài)統(tǒng)計

采用圖形展示所有工點的安全狀況統(tǒng)計與設(shè)備狀態(tài)統(tǒng)計結(jié)果。

(5)工點監(jiān)控信息綜合展示

展示具體監(jiān)測工點的所有設(shè)備狀態(tài)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、安全狀況、近期數(shù)據(jù)變化趨勢等信息。

(6)歷史數(shù)據(jù)查詢及報表

采用雙緩存技術(shù)實現(xiàn)同時查看單個或多臺設(shè)備歷史數(shù)據(jù)曲線的功能，并支持歷史數(shù)據(jù)導(dǎo)出報表。

(7)文檔、影像資料查詢

具備文檔資料(如施工圖)、影像資料(航拍)的查詢和訪問等功能。

4.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

現(xiàn)選取K690+797代表監(jiān)測斷面對錨索測力計監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，近2個月監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖10所示，可以看出該斷面4臺錨索測力計數(shù)值隨時間均勻增長，增幅為4.6%～5.4%。由此可知，該隆起段仍處于變形增長階段，地應(yīng)力仍未完全釋放，仍需繼續(xù)關(guān)注該病害段后續(xù)整治效果。

圖10 K690+797斷面錨索測力計監(jiān)測數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

通過對某病害段隧道仰拱隆起原因進行分析及整治處理，得到以下結(jié)論。

(1)高地應(yīng)力為該隧道隆起的主要原因，仰拱曲率未嚴格執(zhí)行設(shè)計標準也是誘發(fā)因素之一。

(2)采用“錨桿錨索加固、注漿加固、引導(dǎo)排水、加強監(jiān)測”的綜合方案對隧道隆起病害段開展整治，可為類似工程提供參考。

(3)采用自動監(jiān)測手段可有效獲取隧道底部巖層力學(xué)特性，對整治效果評價起到重要作用，可在既有線隧道監(jiān)測中推廣應(yīng)用。