巖溶地區(qū)涌水對地鐵隧道軌道結構的影響及防治

莫偉平

(貴陽市城市軌道交通集團有限公司， 550081， 貴陽∥高級工程師)

巖溶地區(qū)承壓水水位較高，水量較大，且多儲存在巖體裂縫中，具有一定的特殊性。巖溶地區(qū)地下水由地鐵隧道的仰拱施工縫等薄弱環(huán)節(jié)涌入軌道的道床與仰拱填充層之間，使道床抬起的現(xiàn)象時有發(fā)生。目前此種病害在廣東、貴州、江蘇等省的多個城市軌道交通中已有案例。

城市軌道交通的軌道結構主要起著列車運行的導向和承載作用，其結構狀態(tài)的優(yōu)劣直接影響行車的安全性和舒適度。道床隆起后，會極大地破壞軌道的平順性，當列車通過時只能采取限速運行；同時，道床與下部基礎結構混凝土脫開而存在較大裂縫,也會產(chǎn)生一定的安全隱患。

目前，對于巖溶地區(qū)涌水造成道床隆起的研究，均為原因分析以及整改方案研究。整改方案主要為注漿加固、設置錨桿、泄水降壓和加強監(jiān)測等措施[1-6]?？傮w上看，目前對道床隆起的認識還處于定性分析的階段，缺少定量的計算分析以及理論支撐。在目前的軌道設計中，一般也不考慮地下水滲入的浮力作用。

本文以貴陽某項目為例，討論在巖溶地區(qū)涌水浮力下的軌道結構受力變形規(guī)律，對結構防水提出指標要求；同時與實測數(shù)據(jù)相結合，計算出軌道結構所受浮力的分布及大小，指出軌道結構本身的風險和薄弱點，為實際工程方案的改進提供理論依據(jù)。

1 道床隆起地段實測數(shù)據(jù)分析

貴陽某項目的地鐵隧道多采用礦山法施工，沿線穿越多為可溶巖，不良地質主要有巖溶、斷層及破碎帶；沿線地下水為孔隙水、基巖裂隙水和巖溶水，地鐵所經(jīng)中心城區(qū)巖溶水較為發(fā)育。在全線軌道狀態(tài)檢查時發(fā)現(xiàn)某處道床隆起，如圖1所示。

圖1 貴陽某地鐵軌道道床隆起處實景圖

道床異常隆起范圍可分為4段，從小里程往大里程方向分別編號為1#、2#、3#、4#。圖2和圖3分別為道床隆起地段的鋼軌高程偏差和橫向偏差圖。

圖2 道床隆起地段的鋼軌高程偏差

圖3 道床隆起地段的鋼軌橫向偏差

從圖2可以看出：

1) 沿道床橫向，左、右鋼軌高程偏差不同，說明道床板下所受浮力不均勻，左側所受浮力較大。

2) 沿道床縱向，道床板隆起從1#段范圍內開始顯著增加，在2#和3#段范圍達到峰值，然后在4#段范圍內顯著減小;這說明板下浮力主要作用在以2#、3#段為中心的某個區(qū)間，且右側浮力的作用范圍小于左側。

3) 左軌和右軌的最大高程偏差均在2#段末端，分別為18.72 mm和8.6 mm。

從圖3可以看出：左右軌橫向變形方向基本一致，僅同一方向的變化量略有不同;這說明橫向偏差是由道床上浮引起，無外部橫向集中力，道床板受到的橫向力整體均勻,左右軌最大橫向偏差為6.36 mm。

為了使隆起道床復位，同時判斷道床下水壓的范圍及大小，對隆起道床進行了鉆孔泄水。同側水溝泄水孔的縱向間距為5 m，對側水溝泄水孔的縱向間距為2.5 m，均呈梅花形布置。泄水孔需打穿道床水溝底板至仰拱填充層。

2 道床隆起的數(shù)值仿真分析

鉆孔后通過水頭高度來判斷道床下涌水壓力。但其準確性較難保證，壓力作用范圍更是難以確定，因此需要仿真計算與實測數(shù)據(jù)相結合，用仿真模型模擬實際變形，從而計算確定軌道結構所受浮力的分布及大小 。

2.1 數(shù)值仿真模型的建立

傳統(tǒng)仿真模型中軌道結構一般處于受壓狀態(tài)，因此可以將其扣件和下部結構支承層簡化為線形彈簧-阻尼單元。其彈性模量可分為扣件(主要考慮彈條和彈性墊板)的彈性模量和下部結構混凝土的彈性模量。

在巖溶地區(qū)涌水環(huán)境下，軌道結構受到向上的浮力影響，隆起范圍的鋼軌會對扣件產(chǎn)生拉拔作用。此時線形彈簧-阻尼單元不再適用，需對既有模型進行優(yōu)化改進。

根據(jù)實際工況，采用60 kg/m鋼軌，其截面面積為7 745 mm2、截面慣性矩為3.217×10-5m4、彈性模量為210 GPa；道床和下部回填層采用C35混凝土，其彈性模量為31.5 GPa；軌距為1 435 mm，其扣件間距為595 mm；兩伸縮鏈之間的道床尺寸為12.5 m×2.4 m×0.33 m。

仿真模型的邊界條件：①由于鋼軌兩端位移為零，故采用固定約束；②由于道床底部脹錨螺栓的存在，故約束水平滑移，且由于螺栓松動后抗上浮的能力可以忽略，故向上的位移不做約束計算時不考慮豎直向上的約束力；③用于模擬回填層的桿單元底部受隧道結構約束，故采取固定約束。

由實測數(shù)據(jù)可知，道床異常隆起有4段。為保證計算結果，建立5段軌道結構模型，即在4#段后增加1段，從而減小邊界條件對計算區(qū)域的影響。

2.2 荷載作用范圍及取值

模型所受荷載考慮為軌道結構自重以及道床下水壓力。由檢測數(shù)據(jù)分析可知，水壓作用的縱向里程范圍為RDK0+190～RDK0+225,長度為35 m。經(jīng)計算，為了達到軌檢數(shù)據(jù)的左右軌高程偏差，需要板下水壓力的作用寬度為0.9 m,范圍如圖4所示。浮力作用面積S為道床板長度與寬度的乘積,經(jīng)計算可得,S為31.5 m2，作用范圍內每個節(jié)點上力的大小為435 N。

圖4 道床板下水壓力作用范圍(陰影部分)

2.3 計算結果驗證

據(jù)探測資料顯示，道床與回填層之間存在薄弱層，在列車荷載的作用下會轉變?yōu)榭p隙，同時導致脹錨螺栓在道床內的部分發(fā)生松動。裂隙的產(chǎn)生使得道床與回填層之間的粘結力可忽略不計。脹錨螺栓主要用于水平抗剪，松動后的豎向約束力也可忽略不計。

圖5為計算所得軌道結構豎向變形云圖。從圖5可以看出:軌道結構最大豎向變形位于2#和3#段處，與檢測結果相符;道床在不均勻浮力作用下發(fā)生了轉動，導致左、右鋼軌高程偏差不同。

圖5 軌道結構豎向變形云圖截圖

提取左、右鋼軌仿真變形，如圖6所示。通過對比圖6和圖2可知，仿真計算值與高程偏差實測值基本一致,其中的差別是因為模型中段與段之間無相互作用。但實際情況下伸縮縫處也有摩擦力等相互作用力，故實測的鋼軌變形更加平滑。

圖6 鋼軌高程偏差仿真計算值

當浮力取圖4所示作用范圍，且節(jié)點浮力值取435 N時，仿真計算值與實測數(shù)據(jù)相吻合。

2.4 道床板下壓強計算

經(jīng)查找，浮力作用范圍內共有1 666個節(jié)點，故道床板下浮力的合力F為724.7 kN;由上文可知S為31.5 m2，采用道床板下壓強(減去一個大氣壓后)P=F/S的計算式,可得P為0.023 MPa(即理論水頭高度為2.3 m)。

實際鉆孔后噴出的水柱由于擴散和摩擦，會有較大水頭損失,損失的大小與噴孔的形狀尺寸、孔壁摩擦系數(shù)等因素有關。例如，曾有實際案例:內部壓強為5 MPa(理論水頭高度為500 m)的輸油管道破裂，實際噴出的高度不足50 m。

本項目鉆孔后實際水頭高度為0.15～0.30 m，可驗證仿真計算值基本在合理范圍內。

2.5 結構應力分析

通過模型仿真計算涌水浮力下道床隆起變形引起的軌道結構應力，以尋找軌道結構本身的風險點及薄弱點。道床最大主應力分布如圖7所示。

圖7 道床主應力云圖截圖

從圖7中可以看出，在板端自由的情況下，伸縮縫處發(fā)生了轉角錯臺，最大主應力位于1#段端部扣件處(位于錯臺下方)，其值為21.8 MPa，因此該處有混凝土拉裂、扣件拔出的風險。實際情況下，伸縮縫處各段的端部不是完全自由的，兩段之間有一定的相互作用，故轉角錯臺處的應力小于仿真計算值，扣件未出現(xiàn)拔出情況。建議加強道床伸縮縫處的連接，進一步減小錯臺。

圖8為道床剪切應力分布云圖。從圖8中可以看出，道床剪切應力對稱分布，最大值為2.32 MPa。

圖8 道床剪切應力云圖截圖

圖9為道床彎曲應力分布云圖。由圖9可見，此時道床內的局部最大拉應力約1 MPa。進一步核驗其他高程偏差超過30 mm的區(qū)間，道床內局部最大拉應力均超過2 MPa。

圖9 道床彎曲應力分布云圖截圖

從道床剪切應力和彎曲應力來看，道床異常隆起后的區(qū)間基本達到C35混凝土的極限抗拉強度，道床頂面有開裂風險。

3 單段道床板下理論壓強限值

為了得出具有一定指導意義的壓強限值，假設一段道床板下布滿浮力，由于段間連接較弱，可以忽略其它段下浮力的影響。

建模時，在需要計算的段兩端各加1段道床板，用以減小邊界條件對計算區(qū)域的影響。其數(shù)值模型以及浮力分布如圖10所示。

圖10 單段道床板數(shù)值模型以及浮力分布云圖截圖

若道床隆起限制按2 mm控制，允許節(jié)點最大浮力值為220 N,此時道床豎向變形如圖11所示。

經(jīng)查，浮力作用范圍內共有1 577個節(jié)點，故板下浮力的合力F=220 N×1 577=346.9 kN，浮力作用面積S=12.5 m×2.4 m=30 m2，故單段道床下壓強(已減去一個大氣壓)P為0.01 MPa(即理論水頭高度為1 m)。此壓強限值具有一定的指導意義，可作為結構防水控制指標。

值得注意的是，根據(jù)設計提供相關資料，軌道在12.5 m范圍內的質量約為34 t，則其重力約為340 kN，與仿真計算得出的道床板下浮力的限值十分接近。可見道床板下浮力略大于道床重力時就會發(fā)生鋼軌軌面高程超限。因此，對于現(xiàn)場實際操作而言，當上浮力超過軌道自重時，就需要加強警戒，注意控制道床板下的涌水上浮力。

圖11 道床豎向變形云圖截圖

4 結語

本文對貴陽某地鐵項目道床異常隆起處進行了研究分析，通過實測數(shù)據(jù)分析與理論仿真計算，得出軌道結構下薄弱層范圍及水壓大小，并通過結構應力計算得出了結構本身的風險點及薄弱點。同時，通過仿真計算，得出道床板下水壓限值，可作為結構防水的指標要求。得出結論如下：

1) 道床板下浮力限值約等于軌道重力，超過部分需要結構補強，因此需要在結構外壁加強外部防水設計，以嚴格控制道床板下受到的水浮力。

2) 道床板受到的橫向力整體均勻。需要注意伸縮縫附近道床錯臺造成的扣件位置應力集中。建議加強道床伸縮縫處的連接，減小錯臺。

針對地下水豐富、巖溶裂隙發(fā)育、巖體破碎和隧道斷面大等容易發(fā)生滲漏水問題的區(qū)域，給出如下建議：

1) 進行專項勘察，加強特殊水文地質的素描寫實工作，同時應注重交底到位。在施工過程中應隨時跟進，及時了解現(xiàn)場地質情況。

2) 加強巖溶發(fā)育、地下水豐富、巖體破碎地段的地下水控制措施，比如明確對巖體注漿效果的控制要求和檢測要求，并明確泄水措施。在結構變形縫等薄弱環(huán)境，應預設結構排水裝置。

3) 在施工過程中，應做好圍巖注漿堵水、初支后注漿堵水、防水板施做和二次襯砌澆筑質量控制；對于隧道的預制構件接縫、變形縫、施工縫、后澆帶、穿墻管和預埋件等細部防水構造，應按設計意圖做好各道防水體系施工；要編制防水板施工及變形縫施工專項方案，并重視變形縫施工前的隱蔽條件驗收程序。

4) 運營過程中，對結構變形縫等易滲水地段及已發(fā)生異常隆起的地段，應加強對軌道狀態(tài)的監(jiān)測。建議采用可靠的自動化監(jiān)測系統(tǒng)，以實時掌握現(xiàn)場動態(tài)。