王云杰

（大西鐵路客運專線有限責任公司，太原 030032）

近年來我國高速鐵路建設迅猛發(fā)展，隨著運營里程規(guī)?？焖僭鲩L，運營時間加長，軌道的基底結構不僅要承受軌道上部的結構荷載，還要承受循環(huán)往復的動荷載作用，軌道的不良狀態(tài)將直接影響行車質量，因此關注軌道的平順性就顯得尤為重要［1-3］。軌道平順性與構筑物工后沉降密切相關。由于高速鐵路隧道為大斷面，且大多數地質條件復雜多變［4-5］，工后沉降控制難度較大。

近幾年，國內許多專家學者對于隧道完工后洞內出現(xiàn)的軌道上拱或沉降的整治技術作了研究。馬偉斌等［6］分析了京通快速鐵路梨樹溝隧道的道床裂縫、下沉情況，采用注漿提升軌道板和精確定位方法，最終使軌道板抬升達標。譚永慶［7］對某膨脹性圍巖地層鐵路隧道出現(xiàn)的軌道上拱現(xiàn)象進行了研究，采用現(xiàn)場調查、基底鉆探等方法，探明泥巖在地下水的作用下產生膨脹和仰拱相對薄弱是病害發(fā)生的主要原因，通過基底鉆孔樁加固以及仰拱返工方法進行了整治。李奎等［8］通過注漿和錨桿加固方法整治隧道內道床隆起病害。朱興永等［9］通過減薄支承層、注漿植筋的方法解決了路基上拱問題，并制定相關的防水措施。

以上成果對于整治隧道沉降病害具有重要意義，但對黃土隧道洞門段發(fā)生的軌道上拱機理和整治技術，國內研究尚不全面。本文就黃土隧道洞門段軌道上拱整治技術進行探討，為類似工程病害整治提供參考。

1 工程概況

1.1 原設計和施工情況

南山上隧道為雙線單洞隧道，全長5 918 m。自進口至出口按單面上坡2個坡率設計，第1段長180 m 坡率16.5‰段為上坡，剩余段坡率為19‰。最大埋深約370 m。該隧道洞門段及其無砟軌道施工時間為2014年9 月至12 月，隨后進行了為期2 年的運行試驗。隧道進口仰坡采用拱形骨架護坡防護，邊仰坡坡率1∶1，洞頂設截水天溝，暗洞進洞段采用1 排φ108大管棚進行超前支護，管棚長40 m。隧道進口洞門為端墻式，與其相銜接的暗洞襯砌結構為黃土Ⅴ級復合式襯砌。隧道仰拱與填充分次澆筑。洞門及洞口段基礎明挖，基底新黃土采用三七灰土換填夯實，仰拱底部厚1 m，三七灰土下部采用φ400 水泥土擠密樁加固，間距1.0 m × 1.0 m，梅花形布置，樁長至少深入非濕陷性地層2 m 以上。暗挖段基底新黃土采用三七灰土換填夯實，中心和兩側均設有排水溝。

1.2 地形地貌及水文地質

隧道位于黃土高原低中山區(qū)，進口仰坡為45°～50°，洞頂地勢較緩，兩側多沖溝，地勢相對低凹之處覆蓋較厚的第四系坡洪積新老黃土，溝深壁陡。隧道進口洞身地層為第四系上更新統(tǒng)坡洪積（Q3dl+pl）新黃土和中更新統(tǒng)洪積（Q2pl）老黃土。新黃土厚度0～35 m，具濕陷性，濕陷系數0.026～0.109，濕陷深度0～24.0 m。洞口地表無常年性流水，洞口中心水溝常年有洞內積水排出。洞內水源為洞身段第四系孔隙潛水，主要賦存于第四系堆積層中，主要含水層為新老黃土及碎石類土。在黃土與下伏地層接觸帶附近賦存有少量上層滯水，水位一般在20 m 以上，水位隨季節(jié)的變化而變化。

2 病害現(xiàn)狀及現(xiàn)場調查

2.1 病害現(xiàn)狀

該隧道2015 年12 月至2017 年8 月試運期間，共進行了17 期的軌道沉降監(jiān)測。在洞口前后長75 m 范圍的路基與隧道段布設監(jiān)測點和斷面。監(jiān)測點分布于左右線的軌道支承層、軌道板、鋼軌頂面及左右線路中心；監(jiān)測斷面間距按10 m 和5 m 設置。利用天窗進行測點的沉降監(jiān)測，監(jiān)測頻率為1 次/月。監(jiān)測環(huán)境見表1，軌道板初始標高以設計值為準。

表1 現(xiàn)場環(huán)境

監(jiān)測結果顯示該隧道洞門段存在軌道板上拱現(xiàn)象，并且隧道仰拱填充層和無砟軌道道床板有裂紋。取第2 期（2016 年1 月16 日）和第17 期（2017 年8 月25日）的監(jiān)測結果進行數據分析。

軌道板各監(jiān)測點累計變形量見圖1?？芍孩俚?期洞門段（K219+547—K219+562）開始出現(xiàn)上拱現(xiàn)象。②第17期洞門段左右線軌道板均明顯上拱，左線上拱幅度在9～12.9 mm，最大值出現(xiàn)在K219+547處；右線上拱幅度為7～9 mm，最大值出現(xiàn)在K219+557處。

左右線路中心各監(jiān)測點累計變形量見圖2?？梢姡旱? 期左右線路中心出現(xiàn)輕微上拱，幅度為2 mm；第17 期洞門段軌道板明顯上拱，上拱幅度在13～14 mm，最大值出現(xiàn)在K219+557處。

圖1 軌道板各監(jiān)測點累計變形量

圖2 左右線路中心各監(jiān)測點累計變形量

由以上分析可知，洞門段左右線軌道板和線路中心沿線路方向的拱起范圍基本一致。

2.2 現(xiàn)場調查

由于洞門段位于山嶺的陰面，冬季日照時間短，且處于風道口。在2012年、2013年冬季現(xiàn)場調查中發(fā)現(xiàn)，洞口積水井內壁、仰拱及填充端面有結冰現(xiàn)象。隧址區(qū)土壤凍結深度超過了當地凍結深度（1.10 m），約為1.8 m。

為查明地質情況，分別在明洞段的左線、暗洞的右線、中心水溝三者之間各布置3 個檢測孔。各孔情況見表2。

鉆探揭示地層由上至下為：①人工澆筑的混凝土層，厚2.0～2.1 m，在1.4 m 和1.8 m 處有鋼筋；②三七灰土換填層，厚1 m 左右，灰色，巖芯可見明顯石灰顆粒；③第四系上更新統(tǒng)坡洪積（Q3dl+pl）新黃土層，厚4.6～5.7 m，黃褐色，軟塑～硬塑，局部夾姜石顆粒，分選性不好，粒徑1～6 cm；④中更新統(tǒng)洪積（Q2pl）老黃土層，厚度大于7 m，棕紅色，硬塑，土質均勻，結構緊密，針孔狀孔隙不發(fā)育。

鉆孔前后持續(xù)對周邊的水文情況進行了觀察，情況如下：①隧道區(qū)地表水不發(fā)育，無常年性流水。隧道建成后洞內地下水沿中心水溝往進口常年流出，在K219+590 處測得中心水溝底部距離地表約1 m，水溝內水深約0.16 m。②原勘察資料無地下水。鉆探顯示明洞兩端17-ZB-01 孔和17-ZB-02 孔內穩(wěn)定水位分別為1.5 m 和1.1 m，對該2 孔提水后水位下降不明顯，且很快又恢復至穩(wěn)定水位。17-ZB-03 孔位于明洞隆起段沿線路方向中間位置，鉆探剛結束未見地下水，孔深12.5 m，終孔24 h后測得穩(wěn)定水位為9.6 m。

表2 各檢測孔情況

3 上拱原因及機理

根據現(xiàn)場鉆探揭示情況，多數鉆孔內水位穩(wěn)定，且提水后很快恢復至穩(wěn)定水位，中心水溝封閉后除1 個孔內地下水消失外，其余鉆孔內水位僅有所下降，并且有2 個鉆孔在深1.5～2.1 m 混凝土孔壁有水流出。說明仰拱填充有較多裂隙通道存在；中心水溝的地下水已滲入地基土層（三七灰土層和下伏新黃土層），下伏新黃土層受水浸泡呈軟塑狀，地基承載力下降。 結合設計、施工、現(xiàn)場調查和監(jiān)測結果綜合分析得出：

1）地下水沿洞口中心水溝裂縫滲漏，經仰拱與填充中的裂隙下滲至隧底，致使地基土含水率顯著增大。

2）三七灰土中的石灰遇水膨脹導致軌道板上拱。主要原因是，地下水下滲浸泡基底，三七灰土中的生石灰易吸收水分形成氫氧化鈣（CaO+H2O→Ca（OH）2+15.6 kcal/mol），由原先的塊狀變?yōu)榉勰睿w積增大1 倍左右，比表面積和表面附著物增多。當三七灰土附近圍壓在50～100 kPa 時，石灰遇水熟化后樁體體積的膨脹量為1.2～1.5 倍［10］；同時隧底濕陷性新黃土受水浸泡軟化［11-12］，洞口樁基工程產生一定的上覆附加荷載，使得暗挖段隧道下沉，仰拱填充開裂，明洞受兩側暗洞與路基樁板縱向擠壓作用產生隆起。

3）隧道進口明洞處于風道口，寒冷季節(jié)氣溫較周圍其他區(qū)域低，軟塑～流塑狀地基土也會發(fā)生凍脹，在凍脹和三七灰土膨脹的共同作用下軌道板上拱。

4 處理方案

4.1 處理原則

查找中心水溝滲漏點，隔斷水源并更換中心水管；通過旋噴樁改良地基土，提高地基承載力；疏排地基與隧底之間的自由水。

4.2 方案比選

4.2.1 地基處理

擬定3 種方案：方案1 是保留軌道板及中心水溝；方案2 是保留軌道板，拆除中心水溝；方案3 是拆除軌道板及中心排水溝。方案對比見表3。

表3 地基處理方案對比

4.2.2 疏排自由水

擬定2 種方案：方案1 是洞外設置泄水洞；方案2是仰拱底設置泄水管。疏排自由水2 種方案對比見表4。

表4 疏排自由水方案對比

經充分比選和論證，地基處理和疏排自由水均選用方案2。具體實施方案為：保留軌道板；采用旋噴樁加固、拆除洞門段中心水溝重做；同時在仰拱底設置泄水管作為后續(xù)疏排自由水的補充措施。

5 現(xiàn)場處理及效果評價

5.1 現(xiàn)場處理

軌道板上拱處理流程：軌道板沉降監(jiān)測→測量放線→搭建作業(yè)平臺→引流、拆除中心排水管→鉆機鉆孔至設計深度→高臺噴車就位，內插鋼管→待凝24 h后掃孔→旋轉提升，攪拌漿液→下噴漿杠→灌漿、封孔。

1）將處理段（K219+547—K219+562 段）需要拆除的中心水溝中流水進行引排。封堵暗洞第1 個中心水溝檢查井，鋪設臨時排水管，在檢查井內安裝潛水泵，抽水排入洞外既有排水溝渠，確保處理段無水施工。

2）拆除處理段的中心排水管，沿現(xiàn)狀仰拱填充面縱向梯形開槽，拆除中心排水管，槽底面寬1.0 m，頂面寬1.7 m，采用分段蓄水措施查找滲漏點。K219+562接口位置應保留的原中心排水管長度不小于1 m，便于后期施作排水管。拆除過程中應避免破壞預留的中心排水管，保護好軌道板。

3）施作旋噴樁+內插φ89 鋼管。旋噴樁分別布設在軌道板與電纜槽之間和左右線軌道板間，梅花狀布設，沿線路方向樁間距1 m，樁徑800 mm，鉆孔直徑110 mm。據此要求進行樁位放樣，搭設鉆機作業(yè)平臺。平臺采用相對柔質材料進行防護，以免損傷鋼軌和軌道板。

4）樁長控制及樁頂細部處理

旋噴樁縱向長度12 m，加固范圍為K219+547—K219+562。仰拱填充面至旋噴樁樁底內插φ89 鋼管，并采用微膨脹混凝土回填密實（軌道板范圍內鉆孔回填C40 混凝土，其余鉆孔回填C35 混凝土）。φ89 鋼管樁樁頂設φ22 高強螺栓及鋼板，錨固在既有仰拱填充面及軌道板頂面。

5）旋噴樁主要參數

現(xiàn)場施工前對黃土進行取樣試驗，測定天然重度、土粒相對密度、孔隙比、飽和度、天然含水率、液（塑）限、滲透系數、標準貫入擊數、無側限抗壓強度等參數。根據試驗所得黃土參數和試樁成果確定最終的旋噴樁相關參數。注漿材料采用425號普通硅酸鹽水泥，水灰比1︰1～1.5︰1.0，并摻入適當的速凝劑和3%膨潤土，成樁后樁體抗壓強度為5～10 MPa；旋噴壓力15～20 MPa。

6）恢復中心排水管及施作泄水管

沿φ600 中心排水管兩側施作7 處φ100PVC 泄水孔，間距3 m，兩側交錯布置，泄水孔深入隧道仰拱底不小于50 cm，仰拱底鉆孔采用無砂混凝土回填。PVC泄水管頂采用L 形彎頭接入中心排水管，以便排泄隧道仰拱底積水，減少仰拱底水壓力。

5.2 效果評價

對上拱地段采用φ800旋噴樁加固基底，同時拆除變形段中心水溝，重新施作中心排水管，并對之前上鼓地段的軌道扣件進行3～5 mm的精調。自2017年11月20 日處理完畢至今，經過2 年的持續(xù)變形監(jiān)測，效果較好。施工前后左右線路中心監(jiān)測點累計變形量見圖3?？梢娷壍勒吻吧瞎艾F(xiàn)象明顯，整治后于2018年6月和2019年7月對軌道左右線路中心進行檢測，沉降值為0。洞門結構穩(wěn)定，軌道平順性符合運營要求。泄水孔未發(fā)現(xiàn)滲水溢至中心水溝，說明滲漏自由水已在旋噴時消化吸收。

圖3 施工前后左右線路中心監(jiān)測點累計變形量

6 結論與建議

本文分析了南山上黃土隧道內軌道板上拱原因，通過方案比選采取了保留軌道板，拆除中心水溝、設置泄水管、旋噴樁加固基底、調整上拱軌道扣件的整治措施，取得了較為明顯的效果。主要結論如下：

1）石灰遇水熟化膨脹是產生上拱的主要原因，當地基土中存在三七灰土時，應重點防范地下水泄漏，預防上拱病害發(fā)生。

2）重視隧道洞身在明暗洞交接處、軟弱圍巖變化處變形縫防水的設計和施工質量；在洞身變形縫處的排水設施可采用彈性管材提供抗變形能力。

3）目前仰拱填充在仰拱混凝土終凝后分次施作，而先行澆筑的仰拱混凝土弧形曲面的終凝時間因受氣溫、施工時間、工序等因素影響，現(xiàn)場實施難以控制，導致混凝土出現(xiàn)冷縫或不密實。因此，應進一步研究仰拱與填充一次性整體澆筑技術，以提高混凝土質量。