李 奎， 劉 凱

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 四川 成都 610083)

0 引言

鐵路隧道局部段落基底隆起引起軌道不平順，影響列車運行舒適度，導致道床、仰拱填充及仰拱開裂，情況嚴重的將危及行車安全，迫使列車限速運行。隧道基底隆起與隧道地形、隧區(qū)地應(yīng)力、地層巖性及構(gòu)造、水文地質(zhì)條件、隧底結(jié)構(gòu)型式及支護參數(shù)、施工質(zhì)量等因素密切相關(guān)。

國內(nèi)專家學者對隧道基底病害機制及整治措施進行了相關(guān)研究。如： 文獻[1-3]運用理論分析、模型試驗和現(xiàn)場試驗的方法，研究了鐵路隧道基底結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)、病害產(chǎn)生的機制以及病害整治措施； 文獻[4]和文獻[5]提出采用高強發(fā)泡樹脂作為注漿材料，以高壓注漿的方式對隧道基底進行快速加固； 文獻[6]提出采用“抬-注-錨”復合整治技術(shù)整治整體道床下沉病害； 文獻[7]介紹了烏鞘嶺隧道整體道床沉降病害整治采用聚氨酯注漿抬升整體道床的經(jīng)驗； 文獻[8]提出通過發(fā)揮微型樁受拉特征，整治水壓力作用下隧底填充結(jié)構(gòu)裂損病害的措施； 文獻[9-15]分析了隧道基底結(jié)構(gòu)隆起病害的成因，介紹了相關(guān)工程整治案例，并提出相應(yīng)的工程對策。

以上研究多側(cè)重于鐵路隧道中部某一局部道床沉降或隆起病害的原因及其工程處治措施，鮮有鐵路隧道洞口淺埋且地形偏壓引起道床隆起病害的報道。某客專GZ隧道洞口段道床隆起十分典型，本文對GZ隧道進口段道床隆起病害進行分析，并通過道床變形監(jiān)測數(shù)據(jù)分析評價整治效果，總結(jié)病害整治的成效，以期為類似工點病害整治提供參考。

1 工程概況

1.1 設(shè)計概況

某客專設(shè)計時速為350 km，全長5 523 m的GZ隧道(K1966+299～K1971+822)為雙線隧道，線間距5 m。進口至K1966+522為平坡段，K1966+522至出口為15‰的上坡。進口接某特大橋橋臺，出口接路基。K1966+352至出口采用CRTS-Ⅰ型雙塊式無砟軌道。進口端左線左側(cè)設(shè)置1座長30 m的橫洞，與左線線路交點里程K1966+532，橫洞中線與線路小里程方向平面夾角為45°，縱坡5‰。

GZ隧道位于云貴高原侵蝕構(gòu)造中低山區(qū)，具有山高谷深坡陡的特點。隧道進口K1966+311～+672段淺埋，見圖1，最小埋深4 m，且隧道右側(cè)為一溝槽，見圖2，屬地形偏壓。K1966+299～+321段為單壓式明洞襯砌，K1966+321～+622段為Vc型復合襯砌。為加強洞門端墻穩(wěn)定性，在K1966+299左側(cè)(靠山側(cè))距邊墻0.55 m處設(shè)置1根長20.0 m的預加固樁，樁截面2.0 m×2.0 m。K1966+321～+352段暗洞右側(cè)埋深較淺，暗洞開挖前此段地表進行C20混凝土反壓回填。從橫洞進入正洞，進口端橋臺施工完畢后再進行洞口段施工。

圖1 隧道進口縱斷面圖

圖2 隧道進口平面圖(單位： m)

1.2 道床隆起病害概況

2017年1月初，高鐵工務(wù)段添乘中發(fā)現(xiàn)隧道進口端有砟與無砟過渡段動態(tài)不良，1月8日凌晨現(xiàn)場測量結(jié)果顯示K1966+300～+350段軌道發(fā)生上拱，其中K1966+300～+347段為有砟軌道過渡段，K1966+347～+350段為無砟軌道過渡段。高鐵工務(wù)段于2017年1—3月組織車間對該段進行軌道幾何尺寸觀測，6次測量結(jié)果表明K1966+305～+337段下行線(左線)軌道上拱明顯大于上行線(右線)，下行線最大高程點約在K1966+320.311，上行線最大高程點約在K1966+317.163。軌道高程及平面偏差見表1。由表1可知，在K1966+320.311處下行線軌道上拱呈增大趨勢，此處軌道偏離于軌道設(shè)計中線左側(cè)，但無增大趨勢。

表1 軌道高程及平面偏差

注： 1)高程偏差為正代表高于設(shè)計高程； 2)平面偏差為正代表偏離軌道設(shè)計中心右側(cè)，平面偏差為負代表偏離軌道設(shè)計中心左側(cè)。

2 道床隆起病害原因分析

從2017年1月19日起，對道床隆起段開展了地表、明洞及橋臺位移、道床變形、分層沉降、深層水平位移等項目的監(jiān)控量測，截至2017年4月12日。監(jiān)測結(jié)果表明： 1)地表、明洞及橋臺在各方向均沒有變化趨勢； 2)K1966+319處仰拱填充層頂面和仰拱頂面上拱趨勢明顯，基巖點也有上拱趨勢； 3)K1966+305處無深層水平位移。

2017年1月24日至2月22日，對隆起段完成6孔鉆探取芯及綜合物探、裂縫調(diào)繪等工作。道床隆起段位于隧道進口明洞與暗洞交界附近，埋深淺。地層為三疊系中統(tǒng)楊柳井組(T2y)中厚層狀白云巖、角礫狀白云巖夾泥質(zhì)白云巖，屬硬質(zhì)巖；臨近某江深大斷裂，巖層局部揉皺發(fā)育。鉆探揭示淺表差異風化明顯，局部陡傾溶縫發(fā)育，地下水不發(fā)育。在該地質(zhì)環(huán)境下，可能引起軌道上拱的主要因素如下。

2.1 明洞段地基不均

明洞段地基風化界面較陡，左側(cè)位于弱風化帶，右側(cè)基礎(chǔ)未按設(shè)計要求置于弱風化帶，具差異沉降潛在條件。

2.2 暗洞段淺埋且地形偏壓

明暗交界附近的暗洞段右側(cè)地形較陡，見圖3，存在地形偏壓，未發(fā)現(xiàn)地層滑移現(xiàn)象； 隧道開挖引起的地層偏壓調(diào)整仍未完畢，偏壓力加載擠壓隧底結(jié)構(gòu)，造成道床向弱約束方向位移，表現(xiàn)為不同程度的上拱。

2.3 混凝土局部有缺陷

混凝土鉆孔取芯采取率局部偏低，表面不光滑。SDZ-GZ-1-1鉆孔位于明洞段K1966+301.3中心線左0.60 m，鉆孔揭示道碴厚0.57 m，混凝土厚2.10 m，其中0.75 m處混凝土有局部離析，2.60 m處見1條水平裂縫，仰拱填充與仰拱間的施工縫不明顯，芯體局部見蜂窩狀孔洞，孔壁表面不光滑。SDZ-GZ-1鉆孔位于明洞段K1966+311.63中心線左0.60 m，鉆孔揭示道碴厚0.57 m，混凝土厚1.90 m，其中1.15 m處見1條水平裂縫，1.75 m處為仰拱填充與仰拱間的施工縫，芯體總體較破碎，取芯采取率偏低。SDZ-GZ-2鉆孔位于暗洞段K1966+329.43中心線左0.60 m，鉆孔揭示道碴厚0.65 m，混凝土厚1.95 m，其中2.35～2.60 m為初期支護，0.80～1.40 m取芯采取率偏低，混凝土質(zhì)量稍差。SDZ-GZ-3鉆孔位于K1966+344.73中心線左0.60 m，鉆孔揭示道碴厚0.50 m，混凝土厚2.25 m，其中2.40～2.75 m為初期支護，0.65～0.80 m、1.00～1.30 m、2.00～2.40 m鉆進較快，取芯采取率偏低，混凝土質(zhì)量稍差。

圖3 暗洞段橫斷面地質(zhì)剖面圖(K1966+325)

3 道床隆起整治目標及原則

高速鐵路對隧道基底隆起的控制指標要求較嚴，基底隆起量過大，必然要求列車限速運行。本道床隆起段整治目標是： 采取相應(yīng)的工程措施，控制道床長期持續(xù)隆起，確保軌道幾何尺寸滿足列車運行要求。道床隆起段整治應(yīng)滿足以下原則： 1)兼顧運營與施工，確保行車和施工安全； 2)合理組織，統(tǒng)籌兼顧，確保施工質(zhì)量，滿足工期要求； 3)據(jù)病害原因分析，提出相應(yīng)的整治措施。

4 道床隆起整治措施及實施

4.1 整治措施

據(jù)道床隆起段補勘及監(jiān)測資料，經(jīng)多次專家會議討論，確定了如下整治措施。

4.1.1 明洞耳墻底注漿

K1966+299～+310段采用直徑為25～60 mm的鋼管對明洞右側(cè)換填體進行注漿加固，見圖4，相同角度的注漿管縱向間距1.0 m，不同角度的注漿管交錯布置，注漿管嵌入弱風化白云巖、角礫狀白云巖1.0 m，注漿材料采用無收縮水泥漿(水灰質(zhì)量比為0.42)。

圖4 耳墻底注漿示意圖

4.1.2 洞外錨固樁

K1966+302～+307段明洞右側(cè)設(shè)置1#、2#錨固樁，采用樁板墻對明洞基礎(chǔ)進行加固，樁板墻與明洞間空隙采用C20混凝土回填密實。擋土板采用C35鋼筋混凝土預制，板高4.50 m。K1966+340～+361段暗洞存在地形偏壓，在線路右側(cè)設(shè)置3#～6#樁進行加固。1#～6#樁的平面布置見圖5，各樁的設(shè)計參數(shù)見表2，樁身采用C35鋼筋混凝土現(xiàn)澆。

圖5 洞外錨固樁平面布置示意圖(單位: cm)

編號樁中心里程樁長/m樁截面尺寸/(m×m)樁頂高程/m樁底高程/m1#K1966+302161.5×2.0868.71852.712#K1966+307161.5×2.0868.71852.713#K1966+340222.5×3.0879.85857.854#K1966+347262.5×3.0881.85855.855#K1966+354282.5×3.0883.85855.856#K1966+361282.5×3.0883.85855.85

4.1.3 錨桿加固

K1966+299～+360段軌道板兩側(cè)增設(shè)錨桿加固，錨桿加固平面及橫斷面布置見圖6和圖7，共布置160孔。錨桿桿體采用直徑為32 mm的PSB830精軋螺紋鋼筋，單孔放置2根鋼筋。錨孔注漿采用M35水泥砂漿。

圖6 錨桿加固平面布置示意圖(單位： cm)

Fig. 6 Sketch of plane layout of rockbolt reinforcement (unit: cm)

圖7 錨桿加固橫斷面布置示意圖(單位： cm)

Fig. 7 Sketch of cross-section of rockbolt reinforcement (unit: cm)

4.1.4 隧底注漿

鉆探揭示洞口明洞段基底1.10～2.70 m芯體破碎，同時部分鉆孔揭示隧底有離析現(xiàn)象，故對K1966+299～+360段隧底開挖輪廓線外不密實的部位進行充填注漿加固。隧底注漿孔共計122個，設(shè)置于軌道板兩側(cè)，見圖8，與本體注漿孔交錯布置，同一橫斷面布置2個。注漿管采用直徑為25～60 mm的鋼管，鋼管末端50 cm管壁上預留泄?jié){孔。注漿材料采用非收縮性硫鋁酸鹽水泥(水灰質(zhì)量比為0.38∶1)，終凝時間控制在60～90 min，灌(注)漿工序在天窗時間結(jié)束前60 min完成。

圖8 隧底注漿加固示意圖(單位： cm)

Fig. 8 Sketch of grouting reinforcement in surrounding rock of tunnel bottom (unit: cm)

4.1.5 本體注漿

K1966+299～+360段仰拱填充存在較多縱橫向裂縫，故對該段仰拱及填充進行注漿加固。本體注漿孔共計122個，設(shè)置于軌道板兩側(cè)，見圖9，與隧底注漿孔交錯布置，同一橫斷面布置2個。注漿材料采用非收縮性超細水泥(水灰質(zhì)量比為0.38∶1)，終凝時間控制在60～90 min，灌(注)漿工序在天窗時間結(jié)束前60 min完成。

圖9 仰拱及填充注漿加固示意圖

Fig. 9 Sketch of grouting reinforcement in inverted arch and filling

4.1.6 中心水溝封閉

為增強K1966+299～+360段仰拱填充的整體剛度及強度，將中心水溝調(diào)整為40 cm×40 cm(寬×高)的過水通道，通道周圍空隙采用無收縮C30混凝土回填至仰拱填充頂面。每段封閉長1.50 m，2段封閉段間隔1.20 m作為檢查口，并鋪設(shè)中心水溝蓋板，見圖10。

圖10 中心水溝封閉平面示意圖(單位： cm)

4.2 整治實施

K1966+299～+360段道床隆起整治施工時間為2017年4月7日至9月2日，各項整治措施的施工起訖時間見表3。所有整治施工均在天窗時間內(nèi)完成，人工和自動監(jiān)測一直開展。

表3 各項整治措施的施工起訖時間(2017年)

5 道床隆起整治效果分析

5.1 監(jiān)測中間結(jié)果

病害段整治前后開展了軌道測量、道床變形人工和自動測量等監(jiān)測，并對監(jiān)測結(jié)果進行對比分析，2017年內(nèi)對比結(jié)果顯示3種測量結(jié)果基本一致。以下重點介紹自動監(jiān)測成果，并輔以人工監(jiān)測成果，分析道床隆起整治效果。

微壓差靜力水準沉降監(jiān)測系統(tǒng)是采用傳感器無線組網(wǎng)技術(shù)將各組微壓式靜力水準傳感器系統(tǒng)進行無線組網(wǎng)，監(jiān)測數(shù)據(jù)傳回至數(shù)據(jù)中心服務(wù)器上。自動監(jiān)測始于2017年4月12日，監(jiān)測范圍為K1966+300～+360，測點L0、L1～L12固定于中心水溝側(cè)壁頂面，見圖11，其中測點L0為監(jiān)測基準點，K1966+310～+330內(nèi)測點L3～L11間距為2.50 m，其余測點間距為10.00 m。根據(jù)微壓差靜力水準沉降監(jiān)測原理，測點L1～L12的監(jiān)測變形是相對于測點L0，故各測點的監(jiān)測變形是一個相對值。

有砟軌道段人工變形監(jiān)測范圍為K1966+300～+340，每個監(jiān)測橫斷面內(nèi)在軌枕上布置測點B2和B3，每側(cè)測點縱向間距為5.00 m，兩側(cè)共計18個測點。

圖11 道床變形測點布置示意圖

Fig. 11 Sketch of monitoring points layout for track bed deformation

5.1.1 自動監(jiān)測數(shù)據(jù)

截至2018年9月7日，部分測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)先后出現(xiàn)了異常，但測點L6～L8、L10、L11的監(jiān)測數(shù)據(jù)未見異常，測點L6～L8、L10、L11上拱10.75～22.86 mm，其中測點L10上拱最大。整治期間及之后，測點L6～L8、L10、L11的上拱量及上拱速率見表4。由表4可知： 2017年9月3日—2018年3月21日測點L7沉降0.01 mm，測點L8上拱0.04 mm，測點L6、L10、L11的上拱速率為0.15～0.38 mm/月； 2018年3月22日—9月7日測點L6～L8、L10的上拱速率為0.48～0.68 mm/月，測點L11的上拱速率為0.11 mm/月。

表4 整治期間及之后測點上拱量及上拱速率

注： 上拱為正，沉降為負。

測點L6～L8、L10、L11的累計變形量時程曲線見圖12。由圖12可知： 2017年7月5日—9月2日各測點上拱變緩趨勢明顯，2017年9月6日—12月16日各測點上拱基本穩(wěn)定或略有降低；2018年2月15日—9月7日測點L6～L8、L10上拱呈緩慢增大趨勢； 2018年2月15日—5月12日測點L11上拱呈緩慢增大趨勢，5月13日—9月7日測點L11上拱已基本穩(wěn)定； 2018年2月15日—9月7日測點L6～L8、L10的上拱速率為0.53～0.69 mm/月； 2018年2月15日—5月12日測點L11的上拱速率為0.50 mm/月。

截至2018年9月的自動監(jiān)測數(shù)據(jù)表明： 整治工程實施后，隧底隆起并未終止，但隆起速率大幅降低，且總體呈差異化的加速狀態(tài)。圖12的時程曲線表明，除K1966+310測點L11已(暫時)進入穩(wěn)定的終止隆起狀態(tài)以外，其余測點仍處于持續(xù)的隆起狀態(tài)。

圖12 自動監(jiān)測點累計上拱量時程曲線(2017—2018年)

5.1.2 人工監(jiān)測數(shù)據(jù)

2018年3月22日，有砟軌道段更換道砟后人工變形測點高程重新確定，截至9月7日各測點的累計上拱量見表5。由表5可知： K1966+320.0測點B2、K1966+325.0測點B2和B3出現(xiàn)了上拱，其余測點未見上拱； 2018年3月22日—6月5日，K1966+320.0測點B2累計上拱2.62 mm； 2018年3月22日—9月7日，K1966+325.0測點B2累計上拱2.19 mm，K1966+325.0測點B3累計上拱0.48 mm； 2018年3月22日—9月7日，K1966+310.0測點B3沉降0.64 mm，而同一橫斷面自動測點L11上拱0.61 mm； K1966+320.0測點B3沉降0.62 mm，而同一橫斷面自動測點L7上拱3.13 mm。

2018年3—9月的人工監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，整治工程實施后，隧底隆起并未終止，但隆起速率大幅降低，且總體呈左右線、左右軌和量值差異化的緩慢隆起狀態(tài)，部分測點有微小值沉降現(xiàn)象。

表5 整治后人工測點的累計上拱量(2018年)

注： 更換道砟后重新確定人工測點高程時間為2018年3月22日； 上拱為正，沉降為負，測點無數(shù)據(jù)為“—”。

5.2 動檢數(shù)據(jù)基本情況

2018年5月7—8日高鐵工務(wù)段對該隧道K1966+200～+450段進行精調(diào)作業(yè)，5—7月的軌道動態(tài)分析表明： 對應(yīng)的動檢周期內(nèi)，軌道總體呈左右線、左右軌和量值差異化的下沉趨勢，雖個別斷面在一定的動檢周期內(nèi)有很小量值的上拱，但總體呈明顯的減速沉降趨勢。

6 結(jié)論與建議

6.1 結(jié)論

1)洞口段位處淺埋、偏壓和基底承載力不均的組合工況中是道床隆起的主要外因，隧道開挖引起的地層偏壓調(diào)整不充分，偏壓力對隧底結(jié)構(gòu)的擠壓造成道床橫斷面出現(xiàn)了不同程度的隆起。

2)隧底監(jiān)測與軌道動態(tài)數(shù)據(jù)并不吻合，但隧底隆起或沉降并未終止的結(jié)論是明確的。

①自動監(jiān)測成果表明： 整治前K1966+310.0測點L11的上拱速率為3.70 mm/月，整治后2018年2月15日—5月12日上拱速率為0.50 mm/月； 整治前K1966+312.5～+322.5段測點L6～L8、L10的上拱速率為1.38～3.55 mm/月，整治后2018年2月15日—9月7日各測點的上拱速率為0.53～0.69 mm/月，上拱速率減小了56.6%～85.1%。

②人工監(jiān)測成果表明： 2018年3月22日—9月7日，除了K1966+320.0測點B2和K1966+325.0測點B2明顯隆起外，K1966+300～+340段各測點上拱緩慢，且部分測點有小量值沉降。

③動檢數(shù)據(jù)表明： 軌道總體呈顯著差異化的下沉趨勢，且總體呈明顯的減速沉降趨勢，但個別斷面在一定的動檢周期內(nèi)有很小量值的隆起。

3)微壓差靜力水準沉降監(jiān)測系統(tǒng)與人工監(jiān)測相比具有精度高等優(yōu)勢，自動監(jiān)測系統(tǒng)已平穩(wěn)運行超過1年，但近期自動監(jiān)測成果有別于人工監(jiān)測成果，需進一步分析自動監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

4)初步的中間數(shù)據(jù)分析認為，道床隆起整治目標并未完全實現(xiàn)，道床變形監(jiān)測仍在繼續(xù)，可延長工后整治效果監(jiān)測與分析。

6.2 建議

1)從自動監(jiān)測成果來看，道床整治后3.5個月內(nèi)道床上拱趨勢減緩，上拱量基本穩(wěn)定或略有減小，但整治完4.5～5.5個月后道床上拱又呈現(xiàn)緩慢增長，這說明以錨桿和洞外錨固樁為主的加固措施未能克服偏壓力的繼續(xù)調(diào)整，故有必要從更大范圍研究隧道洞口段的地應(yīng)力分布。

2)對地應(yīng)力型隧底隆起病害，需進一步研究錨桿加固措施的有效性。