重載鐵路隧道基底適應(yīng)性及強(qiáng)化技術(shù)研究

牛亞彬

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.北京鐵科特種工程技術(shù)有限公司，北京 100081）

重載鐵路行車密度大，軸重大，運(yùn)量特別大，在集中、大宗、長距離的貨物運(yùn)輸方面具有明顯的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢。通過增大車輛軸重和擴(kuò)大列車編組數(shù)量提高運(yùn)輸能力和運(yùn)輸效率，是我國貨物運(yùn)輸發(fā)展的重要方向。但隨著列車軸重提高，大幅增加了線路結(jié)構(gòu)的動力沖擊和作用頻次，致使基底病害發(fā)生概率提高，線路基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)、破壞特性發(fā)生明顯變化，隧道基底的既有病害隨著軸重增加而呈加劇劣化趨勢［1]。

近年來，國內(nèi)外眾多學(xué)者對該問題開展了廣泛的研究。牛亞彬［1]通過現(xiàn)場調(diào)研朔黃鐵路77 座隧道，對隧道病害進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析并歸類，采用數(shù)值計(jì)算、現(xiàn)場試驗(yàn)等方法分析隧道病害的形成機(jī)理和發(fā)展規(guī)律，給出了相應(yīng)的整治方案。付兵先、鄒文浩、尹成斐等［2-4]對重載列車運(yùn)營時(shí)隧道應(yīng)力分布和應(yīng)力響應(yīng)的研究表明，重載列車荷載對隧道基底結(jié)構(gòu)以及基底結(jié)構(gòu)連接薄弱部位的影響最為顯著，在大軸重長期循環(huán)振動荷載作用下基底結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)開裂、破損、下陷、向兩側(cè)外擠等病害，因而直接承受列車荷載的既有線隧道基底結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)連接薄弱部位是強(qiáng)化的控制要點(diǎn)。鄒文浩、李堯等［5-6]在對隧道基底結(jié)構(gòu)進(jìn)行病害成因分析、結(jié)構(gòu)評估的基礎(chǔ)上，提出適用于既有鐵路隧道基底病害整治的技術(shù)。

重載鐵路行車密度大，運(yùn)營條件要求高，天窗時(shí)間短，隧道凈空小，空間相對封閉，隧道病害整治作業(yè)應(yīng)快速有效，能及時(shí)滿足線路正常運(yùn)營的要求；施工設(shè)備應(yīng)滿足隧道凈空要求；作業(yè)量不應(yīng)太大，盡量少干擾列車運(yùn)行；還應(yīng)改善施工環(huán)境，給作業(yè)人員創(chuàng)造良好的工作條件。針對上述情況，本文研發(fā)具有施工工藝簡單、可操作性強(qiáng)、整治效果明顯、成本可控等優(yōu)點(diǎn)的錨注一體化技術(shù)，強(qiáng)化重載列車作用下隧道基底，為其他隧道類似病害整治提供參考。

1 工程概況

御棗口1 號隧道為雙線隧道，全長980 m，地質(zhì)除Ⅰ類圍巖是新黃土夾有卵石土和細(xì)砂外，其余為黑云變粒巖，花崗變晶結(jié)構(gòu)，風(fēng)化嚴(yán)重-輕微，呈碎石鑲嵌結(jié)構(gòu)或塊狀構(gòu)造；隧道洞身Ⅵ級圍巖100 m，Ⅳ級圍巖140 m，Ⅲ級圍巖160 m，Ⅱ級圍巖580 m。洞內(nèi)有基巖裂隙水，個(gè)別地段水量較大。列車運(yùn)營期間基底多處出現(xiàn)各種病害，K171+330—K171+360 和K171+500—K171+530區(qū)段出現(xiàn)基底下沉，翻漿冒泥嚴(yán)重。

2 適應(yīng)性評估

通過現(xiàn)場調(diào)研，結(jié)合勘察情況以及既有設(shè)計(jì)、施工等有關(guān)資料，根據(jù)隧道基底狀態(tài)檢測結(jié)果，針對隧道基底、拱腳的狀態(tài)特征，考慮地質(zhì)條件、工程質(zhì)量等可能存在有促使隧道病害進(jìn)一步發(fā)展的潛在不利因素進(jìn)行綜合分析，對隧道基底狀態(tài)進(jìn)行工程類比綜合評定［7]，見表1?？芍淼阑撞『^嚴(yán)重，不滿足重載列車運(yùn)行的需求，須進(jìn)行強(qiáng)化處理。

表1 隧道基底綜合評定結(jié)果

3 原因分析

結(jié)合隧道病害類型，從五大方面分析基底結(jié)構(gòu)病害成因。

1）施工與設(shè)計(jì)。受修建時(shí)期設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和施工技術(shù)條件的限制，隧道底部存在缺陷，如基底結(jié)構(gòu)厚度不足，基底虛碴未清理干凈，施工時(shí)基底結(jié)構(gòu)整體性差。

2）隧道圍巖?；讎鷰r狀況差，結(jié)構(gòu)層狀剝離，會造成基底承載能力不足［8]。病害區(qū)段圍巖多為泥巖夾層，節(jié)理發(fā)育，結(jié)構(gòu)松散，受斷層影響較大，易產(chǎn)生侵蝕破壞。

3）地下水。地下水是產(chǎn)生基底下沉及翻漿冒泥病害的主要因素［9]，其長期作用使隧道軟弱夾層軟化侵蝕，圍巖承載能力降低；列車通過時(shí)和通過后的正負(fù)水壓對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的反復(fù)抽吸，加劇基底結(jié)構(gòu)裂損，甚至出現(xiàn)吊空現(xiàn)象。

4）循環(huán)荷載。在列車動荷載長期頻繁反復(fù)沖擊下，加之地下水的長期侵蝕，形成基底分層拍打及水力沖刷效應(yīng)，基底圍巖在受壓、退壓、振動、沖擊下破碎、粉化甚至漿化，結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)惡化，基底軟弱夾層中的細(xì)顆粒被地下水沖走，出現(xiàn)空洞，導(dǎo)致隧道基底結(jié)構(gòu)脫空，形成簡支結(jié)構(gòu)。列車循環(huán)荷載長期作用，加速了素混凝土底板結(jié)構(gòu)裂損與擴(kuò)展，產(chǎn)生疲勞破壞，導(dǎo)致基底下沉與翻漿冒泥。

5）養(yǎng)護(hù)維修。受經(jīng)費(fèi)、天窗、施工條件等限制，隧道未進(jìn)行徹底檢修，致使排水溝長期堵塞，地下水無法排出隧道，沿混凝土薄弱部位、裂縫、泄水孔等進(jìn)入道床，加劇了隧道基底仰拱破損。另外，基底出現(xiàn)病害時(shí)也只進(jìn)行了注漿等臨時(shí)補(bǔ)救措施，遺留問題較多，病害處理治標(biāo)不治本。

4 強(qiáng)化設(shè)計(jì)方案

錨注一體化綜合整治技術(shù)使用高分子聚合物加固材料起到基底擠水、填充空洞、固結(jié)虛砟的作用，可將鋪底結(jié)構(gòu)、填充層及圍巖連成一體，增強(qiáng)隧道基底整體性，提高隧道基底承載能力。與其他整治措施相比，具有施工工藝簡單、高分子聚合物加固材料較普通水泥漿液強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，在既有線鐵路隧道基底病害整治中具有較強(qiáng)的可實(shí)施性。灌注高分子聚合物材料的注漿孔直徑為20 mm，中空錨桿長1.2 m，孔位與地面成90°，孔位按照間距1.2 m梅花形布置，如圖1所示。作業(yè)順序?yàn)橄裙嘧④壵韮蓚?cè)后灌注線路中心?；族^固施工步驟主要為：①布孔；②扒道砟；③安裝護(hù)筒；④鉆孔；⑤錨固；⑥灌注高分子聚合物加固材料。

5 理論分析

采用有限元軟件建立模型（圖2），計(jì)算范圍：縱向（z方向）長度取50 m；橫向（x方向）寬度自隧道軸線起兩側(cè)各取5 倍洞徑，為35 m；豎向（y方向）高度取離隧道中心5倍洞徑，為30 m。

圖2 有限元模型

強(qiáng)化前，模擬基底圍巖存在一不密實(shí)地段，長度為6.0 m，橫向分布為填充層一半寬度3.5 m，即6.0 m×3.5 m。該范圍內(nèi)采用錨注一體化綜合整治技術(shù)進(jìn)行強(qiáng)化處理。強(qiáng)化前后填充層底面最大主應(yīng)力見表2，線路中心填充層頂面振動加速度時(shí)程曲線見圖3。

表2 填充層底面不同位置處最大主應(yīng)力

圖3 線路中心填充層頂面振動加速度時(shí)程曲線

由表2和圖3可知：

1）強(qiáng)化前重載列車通過該段時(shí)基底填充層底面產(chǎn)生1.05 MPa 的拉應(yīng)力超過0.5ft（ft為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值）；強(qiáng)化后，基底應(yīng)力水平約為0.13ft，滿足疲勞強(qiáng)度的要求。

2）強(qiáng)化前重載列車通過該段時(shí)基底填充層底面最大振動加速度為0.80 m/s2，強(qiáng)化后為0.26 m/s2，減弱67%，強(qiáng)化后基底的振動效應(yīng)明顯降低了。

6 現(xiàn)場試驗(yàn)

6.1 布置傳感器

為了驗(yàn)證加固效果，在隧道基底病害強(qiáng)化區(qū)段布置動變形和振動傳感器，主要布置在重車線的鋼軌和枕木交叉點(diǎn)的正下方以及線路中心處，如圖4所示。

圖4 傳感器布置

6.2 結(jié)果分析

6.2.1 動變形

通過數(shù)據(jù)采集，統(tǒng)計(jì)不同軸重列車通過隧道時(shí)基底強(qiáng)化前后填充層頂面動變形結(jié)果，見表3。重載列車C80通過時(shí)基底動變形平均值比強(qiáng)化前降低了77.2%。該病害地段強(qiáng)化后重載列車通過該測點(diǎn)時(shí)平均動變形不大于0.45 mm，根據(jù)相關(guān)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，可知強(qiáng)化后動變形能夠滿足重載列車的運(yùn)行要求。

表3 測點(diǎn)動變形結(jié)果統(tǒng)計(jì)

6.2.2 振動加速度

通過數(shù)據(jù)采集，統(tǒng)計(jì)不同軸重列車通過隧道時(shí)基底強(qiáng)化前后填充層頂面振動加速度，見表4?？芍褐剌d列車C80通過時(shí)振動加速度平均值比強(qiáng)化前降低了59.5%；隧道病害段強(qiáng)化前后基底加速度隨著軸重增加的變化不明顯，說明軸重對加速度的影響相對較小，強(qiáng)化后重載列車通過隧道時(shí)，基底振動加速度平均為1.5 m/s2，振動加速度基本在2.0 m/s2以內(nèi)，根據(jù)相關(guān)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，可知強(qiáng)化后振動加速度能夠滿足重載列車的運(yùn)行要求。

表4 測點(diǎn)振動加速度結(jié)果統(tǒng)計(jì)

7 結(jié)論

1）重載鐵路隧道基底下沉、翻漿冒泥等病害主要由基底結(jié)構(gòu)層狀剝離、地下水、列車動載循環(huán)、設(shè)計(jì)施工標(biāo)準(zhǔn)低、養(yǎng)護(hù)維修不到位等造成。

2）數(shù)值模擬結(jié)果表明，采用錨注一體化強(qiáng)化后，基底應(yīng)力水平約為0.13ft，滿足疲勞強(qiáng)度的要求；基底填充層底面最大振動加速度為0.26 m/s2，減弱67%，基底的振動效應(yīng)降低明顯。

3）現(xiàn)場實(shí)測表明，隧道基底病害經(jīng)過綜合整治處理后，重載列車C80通過時(shí)基底動變形和振動加速度平均值較強(qiáng)化前明顯降低，由1.97 mm，3.7 m/s2下降至0.45 mm，1.5 m/s2，分別降低77.2%，59.5%。整治效果明顯，加固地段基底填充層的動變形、振動加速度能夠滿足重載列車運(yùn)營要求。

4）錨注一體化綜合整治技術(shù)具有驅(qū)水、填充、固結(jié)的作用，有效地填充基底空隙，調(diào)整基底的沉降，增強(qiáng)基底結(jié)構(gòu)和圍巖的整體性，提高隧道基底承載能力。施工工藝簡單，可操作性強(qiáng)，整治效果明顯，適用于重載列車作用下隧道基底強(qiáng)化技術(shù)，為其他類似隧道病害整治提供參考。