李 強(qiáng)

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600)

引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2017年年底，我國(guó)已經(jīng)通車運(yùn)營(yíng)的鐵路隧道14 547座，總長(zhǎng)約15 326 km；在建鐵路隧道3 825座，總長(zhǎng)約8 125 km；正在設(shè)計(jì)和規(guī)劃的隧道5 596座，總長(zhǎng)約13 331 km。預(yù)計(jì)到2030年，中國(guó)鐵路隧道的總長(zhǎng)將突破30 000 km。當(dāng)前，我國(guó)隧道數(shù)量已超越世界上其他國(guó)家隧道的總和，已成為名副其實(shí)的隧道大國(guó)、隧道強(qiáng)國(guó)[1-3]。

為降低維修養(yǎng)護(hù)成本，滿足高速鐵路運(yùn)營(yíng)安全及乘客舒適度的需要，隧道內(nèi)鋪設(shè)無(wú)砟軌道是必然的，無(wú)砟軌道幾何精度要求非常嚴(yán)格；我國(guó)隧道工程分布區(qū)域廣泛，修建過(guò)程需穿越各類復(fù)雜的地質(zhì)，加之施工工藝、施工質(zhì)量的影響，倘若隧道周邊地下水發(fā)育、水量豐富，極易在隧底結(jié)構(gòu)薄弱部位產(chǎn)生積水，在水壓的作用下，容易引起道床板的上拱，嚴(yán)重時(shí)， 道床破壞并有可能導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)失穩(wěn)， 嚴(yán)重影響列車運(yùn)營(yíng)安全，為隧道運(yùn)營(yíng)期的災(zāi)害治理帶來(lái)諸多新的挑戰(zhàn)[4-6]。

以某運(yùn)營(yíng)高速鐵路隧道無(wú)砟軌道道床板上拱為例，分析問(wèn)題產(chǎn)生的原因，對(duì)整治措施進(jìn)行探討，為類似工程病害處置提供參考。

1 研究工點(diǎn)病害情況

1.1 工程水文地質(zhì)條件及支護(hù)參數(shù)

病害段施工揭示地層為二迭系下統(tǒng)童子巖組中薄層狀粉砂巖、砂巖，弱風(fēng)化，含煤層，屬軟質(zhì)巖，圍巖較破碎，地下水較發(fā)育，綜合判定圍巖級(jí)別為Ⅳ級(jí)。

根據(jù)工程水文地質(zhì)條件，病害段采用Ⅳ級(jí)圍巖瓦斯地段復(fù)合式襯砌，初期支護(hù)為23 cm厚C25噴混凝土(內(nèi)嵌格柵鋼架、1 m /榀)，二次襯砌采用40 cm厚C35氣密性鋼筋混凝土，防水板及瓦斯隔離層全斷面整環(huán)設(shè)置，采用兩套完全獨(dú)立的排水、排放瓦斯系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)地下水和瓦斯的獨(dú)立排放。

采用CRTSⅠ型雙塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)形式，道床板為連續(xù)澆筑，軌道結(jié)構(gòu)高度497 mm；道床板下設(shè)置30 cm厚支承層。復(fù)合式襯砌設(shè)計(jì)橫斷面詳見(jiàn)圖1[7]。

圖1 復(fù)合式襯砌設(shè)計(jì)橫斷面(單位：cm)

1.2 病害情況

(1)軌道幾何參數(shù)檢查情況

動(dòng)檢車檢測(cè)病害段出現(xiàn)70 m長(zhǎng)波右高低8.5 mm、短波右高低6.48 mm；采用軌道檢查儀檢測(cè)病害段高低不良，高低峰值為+7 mm，軌向在1.5～-1.5 mm，水平在-2.4～0 mm，三角坑峰值2.2 mm；綜合判斷，病害段達(dá)I級(jí)偏差，不滿足正常行車要求。

(2)道床板開(kāi)裂情況

道床板表面橫向裂紋12條，縫寬0.1-0.3 mm，其中貫通裂紋7條，未貫通裂紋5條，K24+834.3橫向裂紋長(zhǎng)0.52～2.81 m。

(3)隧底檢測(cè)情況(圖2)

物探及鉆孔驗(yàn)證資料顯示：從支承層至防水板的厚度在0.61～1.13 m，仰拱及填充存在嚴(yán)重的厚度不足、部分地段厚度較設(shè)計(jì)厚度差約80 cm，且揭示隧底地下水發(fā)育，有地下水從鉆孔中流出，水流清澈[8-9]。

圖2 鉆孔驗(yàn)證軌下典型橫斷面(單位：cm)

1.3 病害原因分析

仰拱及填充厚度嚴(yán)重不足、地下水發(fā)育、積水嚴(yán)重是導(dǎo)致病害段軌道幾何位移的主要原因，在地下水的作用下，薄弱部位仰拱及填充產(chǎn)生向上的大變形，造成道床板及軌道等結(jié)構(gòu)上拱、道床板開(kāi)裂、幾何位移變化。

2 病害整治

根據(jù)病害段實(shí)際情況，采取限速45 km/h、邊墻預(yù)應(yīng)力錨桿加固、切斷鋼軌及道床板(保留支承層)、設(shè)置短軌、利用兩端既有的道床板支承層及仰拱填充面架設(shè)鋼墊梁后，分段拆換仰拱、填充、支承層，最后分段現(xiàn)澆道床板、恢復(fù)軌道結(jié)構(gòu)；每段施工長(zhǎng)度約為2.9 m，現(xiàn)場(chǎng)分9段間隔按2個(gè)循環(huán)跳開(kāi)施工。具體如下[10-18]。

2.1 隧道結(jié)構(gòu)加固及拆除

(1)采取全幅分段跳槽整治方法，對(duì)病害段仰拱、填充、支承層拆換處理，拆換后的仰拱采用氣密性C35鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，新舊混凝土結(jié)構(gòu)采取植筋連接，縱、環(huán)向施工縫均設(shè)置2道遇水膨脹橡膠止水條防水。見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 隧底拆換典型橫斷面(單位：cm)

圖4 仰拱新舊混凝土防水處理示意

(2)施工在天窗時(shí)間進(jìn)行，首先采用錨桿對(duì)該段隧道兩側(cè)下部結(jié)構(gòu)和地層加固，錨桿為R25N預(yù)應(yīng)力中空注漿錨桿[19]，長(zhǎng)7 m，縱向間距1 m/根，環(huán)向布置如圖3所示；預(yù)應(yīng)力錨桿施工預(yù)應(yīng)力T=80 kN，注漿材料采用水灰比0.45～0.50的純水泥漿；注漿壓力應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)注漿試驗(yàn)確定，且不得引起無(wú)砟軌道上拱或橫向位移。

(3)施工采取限速45 km/h，切斷鋼軌及道床板(保留支承層)后，設(shè)置短軌并利用兩頭既有的道床板支承層及仰拱填充架設(shè)鋼墊梁后拆除并施作下部結(jié)構(gòu)；每段施工長(zhǎng)度約為2.9 m，現(xiàn)場(chǎng)分9段間隔按2個(gè)循環(huán)跳開(kāi)施工，每循環(huán)混凝土達(dá)到強(qiáng)度后方可施工下一循環(huán)。見(jiàn)圖5。

圖5 隧底拆換縱斷面(單位：cm)

(4)施工前，將電纜槽內(nèi)的電纜臨時(shí)改移至隧道邊墻上掛設(shè)；兩側(cè)水溝內(nèi)分別埋設(shè)2根φ300 mm(壁厚5 mm)的無(wú)縫鋼管臨時(shí)引排側(cè)溝地下水。

(5)為防止開(kāi)挖直立面垮塌，拆除道床板后，在每段的端頭采用1排φ76 mm(壁厚5 mm)鋼管樁注漿加固，孔底間距1 m，伸入仰拱開(kāi)挖輪廓線外不小于0.5 m，開(kāi)挖直立面裸露圍巖采用15 cm厚C30網(wǎng)噴混凝土臨時(shí)防護(hù)，下一循環(huán)開(kāi)挖時(shí)，拆除鋼管樁及臨時(shí)防護(hù)。鋼管樁橫斷面布置見(jiàn)圖6。

圖6 鋼管樁橫斷面布置(單位：cm)

(6)結(jié)構(gòu)拆換應(yīng)分段跳槽進(jìn)行，及時(shí)封閉，嚴(yán)禁大開(kāi)大合，每段仰拱開(kāi)挖時(shí)，從鋼墊梁跨中向兩端逐漸開(kāi)挖。

(7)距道床板邊緣30 cm處左右各設(shè)置φ100 mm排水孔，縱向2.9 m，軌下結(jié)構(gòu)施作時(shí)預(yù)留φ110 mm孔，孔內(nèi)設(shè)φ100 mm PVC排水管，排水降壓管深入仰拱以下50 cm、并高于軌道支承層10 cm。

2.2 線路加固

(1)鋼墊梁設(shè)計(jì)

采用鋼墊梁對(duì)病害段線路進(jìn)行臨時(shí)架空加固處理。考慮到拆換工程需要重新現(xiàn)澆無(wú)砟道床板，鋼墊梁不能低于道床板底，同時(shí)不能侵入高速鐵路建筑限界范圍。

鋼墊梁采用2片工字鋼，梁長(zhǎng)5.050 m，支點(diǎn)間距4.700 m，梁高0.268 m，兩片鋼墊梁分別位于鋼軌正下方，橫向中心距1.504 m。鋼軌通過(guò)扣件直接支承于鋼墊梁。兩片工字鋼采用橫梁連接，橫梁縱向間距0.50 m。工字鋼上下翼板500 mm×24 mm，腹板厚24 mm。橫梁采用2根[20型鋼，長(zhǎng)1.225 m。加勁板厚24 mm，縱向間距0.50 m。橫梁與縱梁通過(guò)加勁板和高強(qiáng)螺栓連接。支座采用30 mm厚橡膠板和10 mm厚鋼板，尺寸0.2 m×0.4 m。采用角鋼對(duì)鋼墊梁橫向及縱向限位[20]。見(jiàn)圖7～圖10。

圖7 鋼墊梁平面布置(單位：mm)

圖8 鋼墊梁縱斷面布置(單位：mm)

圖9 鋼墊梁支座處橫斷面布置(單位：mm)

圖10 鋼墊梁跨中橫斷面布置(單位：mm)

(2)鋼墊梁檢算

鋼墊梁的設(shè)計(jì)荷載考慮在限速條件下“中-活載”圖示中的普通荷載通行，并采用“ZK活載”進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算。計(jì)算內(nèi)容包括：位移、強(qiáng)度、總穩(wěn)定性、局部穩(wěn)定性、局部承壓等。

①計(jì)算荷載

“中-活載”圖示中的普通活載、ZK活載和實(shí)際運(yùn)行ZK活載、ZGS列車活載根據(jù)影響線最不利位置加載，活載直接加載在鋼墊梁上，每根鋼墊梁承擔(dān)1/2線活載。沖擊系數(shù)按鋼墊梁跨度4.7 m計(jì)算，1+28/(40+4.7)=1.626。

②計(jì)算模型

鋼墊梁計(jì)算模型為簡(jiǎn)支梁，計(jì)算跨度按支座中心距4.7 m考慮。見(jiàn)圖11。

圖11 鋼墊梁計(jì)算模型(單位：mm)

③內(nèi)力計(jì)算結(jié)果(表1)

表1 鋼墊梁內(nèi)力

從表1可以得出，中-活載計(jì)沖擊工況為鋼墊梁受力的最不利工況。

④跨中豎向位移(表2)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在靜中-活載和靜ZK活載作用下，鋼墊梁最大撓跨比分別為L(zhǎng)/591、L/688(L為跨度)，滿足限速通行要求；靜實(shí)際運(yùn)行ZK活載作用下，鋼墊梁最大撓跨比為L(zhǎng)/1 375，滿足設(shè)計(jì)速度目標(biāo)值情況下規(guī)范規(guī)定的不小于L/900的要求；靜ZGS列車靜活載作用下，鋼墊梁最大撓跨比為L(zhǎng)/1 361，滿足設(shè)計(jì)速度目標(biāo)值情況下規(guī)范規(guī)定的不小于L/900的要求。

表2 靜活載跨中位移 mm

在ZK靜活載作用下，鋼墊梁跨中位置最大豎向位移為7.954 mm，在限速45 km/h的情況下，豎向變形滿足Ⅳ級(jí)限速標(biāo)準(zhǔn)24 mm的要求。

⑤強(qiáng)度檢算(表3)

表3 強(qiáng)度檢算 MPa

由表3可以得出，梁?jiǎn)卧獞?yīng)力均小于規(guī)范容許應(yīng)力，鋼墊梁的強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

⑥總體穩(wěn)定性檢算(表4)

表4 總穩(wěn)定性檢算 MPa

由表4可以得出，桿件的穩(wěn)定應(yīng)力均小于規(guī)范容許應(yīng)力，鋼墊梁的總穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

⑦局部穩(wěn)定性檢算

翼緣伸出肢(從腹板外側(cè)算起)與厚度之比不得超過(guò)11，鋼墊梁上翼緣伸出肢與厚度的比為9.92，翼緣的局部穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

腹板局部穩(wěn)定性參照組合壓桿H形截面中的腹板寬度與厚度最大比例進(jìn)行檢算：規(guī)范要求不大于30，腹板高220 mm，腹板厚24 mm，腹板高與腹板厚比值為9.17，腹板的局部穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

⑧局部承壓檢算(表5)

表5 局部承壓檢算 MPa

由表5可以得出，在任何工況下，C15混凝土墊層與支座鋼板相接觸部位的局部承壓應(yīng)力均小于規(guī)范的容許應(yīng)力，滿足規(guī)范要求。

通過(guò)檢算鋼墊梁的位移、剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性及局部承壓均滿足規(guī)范要求，設(shè)計(jì)可行。

2.3 軌道結(jié)構(gòu)

(1)施工工藝流程

根據(jù)整體整治原則，需在隧道整治范圍內(nèi)拆除重做軌道結(jié)構(gòu)，主要施工流程如圖12所示。

圖12 軌道拆除重做施工工藝流程

(2)施工要點(diǎn)

①作業(yè)區(qū)域鋼軌切縫兩側(cè)分別按照P60夾板規(guī)格鉆出螺栓孔位，安裝P60夾板和軌道跳線延續(xù)軌道電路。

②鑿除道床板前，整治范圍外兩端各15 m范圍內(nèi)道床板，每隔一根軌枕鉆一排孔，每排4根銷釘植入至隧道基礎(chǔ)50 cm深，加強(qiáng)道床板與隧道的連接。

③在鋼墊梁架設(shè)范圍外，道床板鑿除范圍內(nèi)，用速凝砂漿找平后在支承層上沿線路縱向0.54 m間距設(shè)置枕木，枕木規(guī)格0.25 m(寬)×0.28 m (高)×2.5 m(長(zhǎng))，枕木與鋼軌采用K型分開(kāi)式扣件固定。

④拆換恢復(fù)支承層后，在支承層表面拉毛，拉毛尺寸2 mm(寬)×2 mm(深)，同時(shí)在支承層混凝土中預(yù)埋“L”形套筒作為連接鋼筋，每?jī)筛壵硪慌?，每?根連接鋼筋。

⑤在線下將道床板的縱、橫向鋼筋進(jìn)行綁扎，鋪設(shè)工具軌、組裝軌排；綁扎時(shí)對(duì)縱向鋼筋與橫向鋼筋及軌枕桁架上層鋼筋交叉處以及上層縱向鋼筋搭接范圍的搭接點(diǎn)按要求設(shè)置絕緣卡，用尼龍自鎖帶綁扎。

⑥使用早強(qiáng)聚合物混凝土進(jìn)行道床板澆筑，確保2 h內(nèi)混凝土強(qiáng)度達(dá)到通車使用要求。新舊道床板混凝土之間要錯(cuò)齒鑿毛連接，道床板內(nèi)上下層鋼筋兩頭各預(yù)留1 m長(zhǎng)范圍作為搭接鋼筋。早強(qiáng)聚合物混凝土技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表6。

表6 早強(qiáng)聚合物混凝土技術(shù)指標(biāo)

2.4 總體施工工序

利用天窗時(shí)間，采取錨桿注漿加固整治段隧道兩側(cè)下部→側(cè)溝埋設(shè)引水鋼管、電纜改移至邊墻→限速運(yùn)營(yíng)→切斷鋼軌及道床板→設(shè)置短軌、架設(shè)鋼墊梁→鋪設(shè)木枕軌排→分段施作每段端頭的鋼管樁→分段拆除開(kāi)挖下部支承層、仰拱填充、仰拱、水溝電纜槽(段長(zhǎng)約2.9 m)→分段清除虛砟、及時(shí)施作仰拱初期支護(hù)、鋼筋混凝土仰拱、仰拱填充和支承層并恢復(fù)排水管網(wǎng)系統(tǒng)→現(xiàn)澆道床板并焊接鋼軌→拆除鋼管、恢復(fù)電纜至電纜槽。

3 結(jié)論

3.1 整治效果

根據(jù)對(duì)病害段全面、深入、細(xì)致的調(diào)查，認(rèn)真分析其病害形成的原因，制定了針對(duì)性的整治方案，歷經(jīng)126 d約70個(gè)“天窗”點(diǎn)、共計(jì)約280 h，對(duì)長(zhǎng)26.1 m的病害段進(jìn)行全面徹底整治，整治完成后，列車分階段提速至設(shè)計(jì)速度，并正常運(yùn)行長(zhǎng)達(dá)1年，經(jīng)工務(wù)部門長(zhǎng)期對(duì)病害段的檢查，未發(fā)現(xiàn)任何異常情況，病害段整治效果良好，滿足列車正常運(yùn)行的條件。

3.2 工藝推廣經(jīng)驗(yàn)及建議

(1)隧底病害整治方法有多種，如注漿加固、錨桿錨固、拆換等，不能盲目地采取整治措施，應(yīng)該對(duì)病害情況進(jìn)行全面、深入、細(xì)致的調(diào)查，認(rèn)真分析其形成原因，然后對(duì)癥下藥，因地制宜，才能取得理想的整治效果。

(2)以拆換分段長(zhǎng)度2.9 m為例，從隧道結(jié)構(gòu)加固及拆換、線路加固、道床板施工等方面進(jìn)行了詳細(xì)的論述，具體可結(jié)合病害段實(shí)際情況，對(duì)拆換分段長(zhǎng)度、鋼墊梁跨度及剛度、道床板施作方式等進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，以滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要。

(3)加強(qiáng)施工質(zhì)量管理，制定完善的質(zhì)量管理制度，加強(qiáng)人員、材料、設(shè)備管理，為施工質(zhì)量提供基礎(chǔ)保障，制定合理的施工方案。施工過(guò)程中，嚴(yán)格按照規(guī)范要求標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，加強(qiáng)施工過(guò)程中的監(jiān)督管理，落實(shí)責(zé)任到人，最大程度減少人為因素導(dǎo)致的質(zhì)量缺陷問(wèn)題。

(4)隧底結(jié)構(gòu)是無(wú)砟軌道可靠的基礎(chǔ)，只有保證隧底結(jié)構(gòu)的施作質(zhì)量，才能確保列車的正常運(yùn)行，考慮到目前現(xiàn)澆仰拱工藝存在的一些管控不到位的問(wèn)題，建議全面推行裝配式仰拱結(jié)構(gòu)，更好地保證施工質(zhì)量。