王云杰
(大西鐵路客運(yùn)專線有限責(zé)任公司,太原 030032)
近年來我國(guó)高速鐵路建設(shè)迅猛發(fā)展,隨著運(yùn)營(yíng)里程規(guī)??焖僭鲩L(zhǎng),運(yùn)營(yíng)時(shí)間加長(zhǎng),軌道的基底結(jié)構(gòu)不僅要承受軌道上部的結(jié)構(gòu)荷載,還要承受循環(huán)往復(fù)的動(dòng)荷載作用,軌道的不良狀態(tài)將直接影響行車質(zhì)量,因此關(guān)注軌道的平順性就顯得尤為重要[1-3]。軌道平順性與構(gòu)筑物工后沉降密切相關(guān)。由于高速鐵路隧道為大斷面,且大多數(shù)地質(zhì)條件復(fù)雜多變[4-5],工后沉降控制難度較大。
近幾年,國(guó)內(nèi)許多專家學(xué)者對(duì)于隧道完工后洞內(nèi)出現(xiàn)的軌道上拱或沉降的整治技術(shù)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(dá)標(biāo)。譚永慶[7]對(duì)某膨脹性圍巖地層鐵路隧道出現(xiàn)的軌道上拱現(xiàn)象進(jìn)行了研究,采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、基底鉆探等方法,探明泥巖在地下水的作用下產(chǎn)生膨脹和仰拱相對(duì)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(jìn)行了整治。李奎等[8]通過注漿和錨桿加固方法整治隧道內(nèi)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(guān)的防水措施。
以上成果對(duì)于整治隧道沉降病害具有重要意義,但對(duì)黃土隧道洞門段發(fā)生的軌道上拱機(jī)理和整治技術(shù),國(guó)內(nèi)研究尚不全面。本文就黃土隧道洞門段軌道上拱整治技術(shù)進(jìn)行探討,為類似工程病害整治提供參考。
南山上隧道為雙線單洞隧道,全長(zhǎng)5 918 m。自進(jìn)口至出口按單面上坡2個(gè)坡率設(shè)計(jì),第1段長(zhǎng)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(shí)間為2014年9 月至12 月,隨后進(jìn)行了為期2 年的運(yùn)行試驗(yàn)。隧道進(jìn)口仰坡采用拱形骨架護(hù)坡防護(hù),邊仰坡坡率1∶1,洞頂設(shè)截水天溝,暗洞進(jìn)洞段采用1 排φ108大管棚進(jìn)行超前支護(hù),管棚長(zhǎng)40 m。隧道進(jìn)口洞門為端墻式,與其相銜接的暗洞襯砌結(jié)構(gòu)為黃土Ⅴ級(jí)復(fù)合式襯砌。隧道仰拱與填充分次澆筑。洞門及洞口段基礎(chǔ)明挖,基底新黃土采用三七灰土換填夯實(shí),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(zhǎng)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(shí),中心和兩側(cè)均設(shè)有排水溝。
隧道位于黃土高原低中山區(qū),進(jìn)口仰坡為45°~50°,洞頂?shù)貏?shì)較緩,兩側(cè)多沖溝,地勢(shì)相對(duì)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(jìn)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(shù)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(nèi)積水排出。洞內(nèi)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。
該隧道2015 年12 月至2017 年8 月試運(yùn)期間,共進(jìn)行了17 期的軌道沉降監(jiān)測(cè)。在洞口前后長(zhǎng)75 m 范圍的路基與隧道段布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)和斷面。監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(cè)斷面間距按10 m 和5 m 設(shè)置。利用天窗進(jìn)行測(cè)點(diǎn)的沉降監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)頻率為1 次/月。監(jiān)測(cè)環(huán)境見表1,軌道板初始標(biāo)高以設(shè)計(jì)值為準(zhǔn)。
表1 現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境
監(jiān)測(cè)結(jié)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(cè)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。
軌道板各監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)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(cè)點(diǎn)累計(jì)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(cè)點(diǎn)累計(jì)變形量
圖2 左右線路中心各監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)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。
由于洞門段位于山嶺的陰面,冬季日照時(shí)間短,且處于風(fēng)道口。在2012年、2013年冬季現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查中發(fā)現(xiàn),洞口積水井內(nèi)壁、仰拱及填充端面有結(jié)冰現(xiàn)象。隧址區(qū)土壤凍結(jié)深度超過了當(dāng)?shù)貎鼋Y(jié)深度(1.10 m),約為1.8 m。
為查明地質(zhì)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(gè)檢測(cè)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(zhì)均勻,結(jié)構(gòu)緊密,針孔狀孔隙不發(fā)育。
鉆孔前后持續(xù)對(duì)周邊的水文情況進(jìn)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(nèi)地下水沿中心水溝往進(jìn)口常年流出,在K219+590 處測(cè)得中心水溝底部距離地表約1 m,水溝內(nèi)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(nèi)穩(wěn)定水位分別為1.5 m 和1.1 m,對(duì)該2 孔提水后水位下降不明顯,且很快又恢復(fù)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(jié)束未見地下水,孔深12.5 m,終孔24 h后測(cè)得穩(wěn)定水位為9.6 m。
表2 各檢測(cè)孔情況
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆探揭示情況,多數(shù)鉆孔內(nèi)水位穩(wěn)定,且提水后很快恢復(fù)至穩(wěn)定水位,中心水溝封閉后除1 個(gè)孔內(nèi)地下水消失外,其余鉆孔內(nèi)水位僅有所下降,并且有2 個(gè)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(jié)合設(shè)計(jì)、施工、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和監(jiān)測(cè)結(jié)果綜合分析得出:
1)地下水沿洞口中心水溝裂縫滲漏,經(jīng)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(dǎo)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?,體積增大1 倍左右,比表面積和表面附著物增多。當(dāng)三七灰土附近圍壓在50~100 kPa 時(shí),石灰遇水熟化后樁體體積的膨脹量為1.2~1.5 倍[10];同時(shí)隧底濕陷性新黃土受水浸泡軟化[11-12],洞口樁基工程產(chǎn)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(cè)暗洞與路基樁板縱向擠壓作用產(chǎn)生隆起。
3)隧道進(jìn)口明洞處于風(fēng)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(huì)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。
查找中心水溝滲漏點(diǎn),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。
4.2.1 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(duì)比見表3。
表3 地基處理方案對(duì)比
4.2.2 疏排自由水
擬定2 種方案:方案1 是洞外設(shè)置泄水洞;方案2是仰拱底設(shè)置泄水管。疏排自由水2 種方案對(duì)比見表4。
表4 疏排自由水方案對(duì)比
經(jīng)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(shí)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(shí)在仰拱底設(shè)置泄水管作為后續(xù)疏排自由水的補(bǔ)充措施。
軌道板上拱處理流程:軌道板沉降監(jiān)測(cè)→測(cè)量放線→搭建作業(yè)平臺(tái)→引流、拆除中心排水管→鉆機(jī)鉆孔至設(shè)計(jì)深度→高臺(tái)噴車就位,內(nèi)插鋼管→待凝24 h后掃孔→旋轉(zhuǎn)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(jìn)行引排。封堵暗洞第1 個(gè)中心水溝檢查井,鋪設(shè)臨時(shí)排水管,在檢查井內(nèi)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(diǎn)。K219+562接口位置應(yīng)保留的原中心排水管長(zhǎng)度不小于1 m,便于后期施作排水管。拆除過程中應(yīng)避免破壞預(yù)留的中心排水管,保護(hù)好軌道板。
3)施作旋噴樁+內(nèi)插φ89 鋼管。旋噴樁分別布設(shè)在軌道板與電纜槽之間和左右線軌道板間,梅花狀布設(shè),沿線路方向樁間距1 m,樁徑800 mm,鉆孔直徑110 mm。據(jù)此要求進(jìn)行樁位放樣,搭設(shè)鉆機(jī)作業(yè)平臺(tái)。平臺(tái)采用相對(duì)柔質(zhì)材料進(jìn)行防護(hù),以免損傷鋼軌和軌道板。
4)樁長(zhǎng)控制及樁頂細(xì)部處理
旋噴樁縱向長(zhǎng)度12 m,加固范圍為K219+547—K219+562。仰拱填充面至旋噴樁樁底內(nèi)插φ89 鋼管,并采用微膨脹混凝土回填密實(shí)(軌道板范圍內(nèi)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(shè)φ22 高強(qiáng)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(shù)
現(xiàn)場(chǎng)施工前對(duì)黃土進(jìn)行取樣試驗(yàn),測(cè)定天然重度、土粒相對(duì)密度、孔隙比、飽和度、天然含水率、液(塑)限、滲透系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度等參數(shù)。根據(jù)試驗(yàn)所得黃土參數(shù)和試樁成果確定最終的旋噴樁相關(guān)參數(shù)。注漿材料采用425號(hào)普通硅酸鹽水泥,水灰比1︰1~1.5︰1.0,并摻入適當(dāng)?shù)乃倌齽┖?%膨潤(rùn)土,成樁后樁體抗壓強(qiáng)度為5~10 MPa;旋噴壓力15~20 MPa。
6)恢復(fù)中心排水管及施作泄水管
沿φ600 中心排水管兩側(cè)施作7 處φ100PVC 泄水孔,間距3 m,兩側(cè)交錯(cuò)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。
對(duì)上拱地段采用φ800旋噴樁加固基底,同時(shí)拆除變形段中心水溝,重新施作中心排水管,并對(duì)之前上鼓地段的軌道扣件進(jìn)行3~5 mm的精調(diào)。自2017年11月20 日處理完畢至今,經(jīng)過2 年的持續(xù)變形監(jiān)測(cè),效果較好。施工前后左右線路中心監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)變形量見圖3。可見軌道整治前上拱現(xiàn)象明顯,整治后于2018年6月和2019年7月對(duì)軌道左右線路中心進(jìn)行檢測(cè),沉降值為0。洞門結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,軌道平順性符合運(yùn)營(yíng)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(shí)消化吸收。
圖3 施工前后左右線路中心監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)變形量
本文分析了南山上黃土隧道內(nèi)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(shè)置泄水管、旋噴樁加固基底、調(diào)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(jié)論如下:
1)石灰遇水熟化膨脹是產(chǎn)生上拱的主要原因,當(dāng)?shù)鼗林写嬖谌呋彝習(xí)r,應(yīng)重點(diǎn)防范地下水泄漏,預(yù)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(shè)計(jì)和施工質(zhì)量;在洞身變形縫處的排水設(shè)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(shí)間因受氣溫、施工時(shí)間、工序等因素影響,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施難以控制,導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)冷縫或不密實(shí)。因此,應(yīng)進(jìn)一步研究仰拱與填充一次性整體澆筑技術(shù),以提高混凝土質(zhì)量。