東虹佐

(中鐵十八局集團(tuán)第五工程有限公司，天津 300459)

1 工程概況

中南通道鐵路(瓦日線)吾沿河隧道位于平順縣北耽車鄉(xiāng)與陽高鎮(zhèn)鄉(xiāng)之間，進(jìn)口位于北耽車村以南2 km左右，出口位于廻源頭村以北約200 m，線路以北2～3 km為濁漳河，基本與之平行。隧道為單洞雙線，全長9.1 km，設(shè)計運(yùn)行時速120 km/h，采用雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)。隧道穿越太行構(gòu)造侵蝕中山區(qū)，地質(zhì)條件復(fù)雜，裂隙水豐富。其中K583+270～K584+720段設(shè)計為IV級圍巖，巖石產(chǎn)狀平緩，頁巖遇水易軟化脫頂，可溶巖與非可溶巖接觸帶(頁巖與灰?guī)r)，可溶巖較發(fā)育。自正式通車運(yùn)營后，不斷發(fā)現(xiàn)該里程段落內(nèi)整體道床局部出現(xiàn)軌道隆起現(xiàn)象，最高處拱起達(dá)8.4 cm，隧底結(jié)構(gòu)出現(xiàn)多處裂紋，且有整體變形、破壞等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響鐵路行車安全和增運(yùn)量。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際作業(yè)施工條件及運(yùn)營期間通車密度情況，介紹隧道基底出現(xiàn)的各種病害狀況及整治措施，以供借鑒。

2 承壓水治理

2.1 位置段落及病害表象

K584+910～K585+430該段仰拱中心縱向開裂，道床形成波式隆起沉降，起伏幅度較小，隧道中心排水管溝開裂，內(nèi)部水流量增大，水質(zhì)渾濁，有大量泥沙沉積現(xiàn)象。

2.2 原因分析

該段存在高壓頭地下水，隧道開挖通過該富水段后，破壞了原有平衡，使水壓集中指向隧道仰拱薄弱處，造成仰拱隆起?；壮两刀鄶?shù)情況下都是由于地下水層通過巖層裂隙，浸泡、沖蝕隧道底部軟弱巖層及混凝土，遇水易軟化、溶解，使整體結(jié)構(gòu)變成漿液或者顆粒狀，在長時間的外部應(yīng)力作用下，水流帶動著侵蝕后的巖石顆粒，通過裂隙流失，導(dǎo)致基底形成空洞，造成隧道底部不均勻沉降變形。對遇水膨脹的巖石(該段隧道底部主要巖層為弱風(fēng)化泥質(zhì)頁巖、含微量石膏質(zhì)巖)，經(jīng)過長時間的浸泡，巖石的體積增大，形成膨脹力，造成隧道底部隆起，從而破壞道床及軌道等結(jié)構(gòu)，危及行車安全。

2.3 整治方案

整治前需先對地下水來源進(jìn)行探查，包含水量大小，水位、水壓及流動方向，而后根據(jù)水特性的不同分別治理。水量流動及水壓小的位置可以進(jìn)行注漿處理，漿液可填充巖層間的裂隙，使松散的圍巖形成整體，避免水流侵蝕，提高基底承載能力；水流動及水壓大的位置可以進(jìn)行打孔泄壓至洞內(nèi)排水設(shè)施進(jìn)行處理，在隧道每處中心檢查井底及兩側(cè)排水溝底設(shè)置3個50PVC管泄壓孔，長度為3 m，縱向排距50 m(根據(jù)水流量大小及變形量而定，具體見圖1)。利用手持式潛孔鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔，50PVC管端部梅花形布置打孔，中心檢查井內(nèi)上部孔口標(biāo)高應(yīng)高于檢查井內(nèi)底標(biāo)高不小于0.5 m，兩側(cè)水溝上部孔口標(biāo)高應(yīng)高于水溝底標(biāo)高不小于0.2 m，并用無紡布卷填充，防止管內(nèi)淤塞。

3 基底虛渣、軟弱圍巖治理

3.1 位置段落及病害表象

圖1 打設(shè)泄水孔位置(單位：mm)

K582+935～K583+220段該段仰拱中心縱、橫向開裂、道床板底部脫空，局部存在沉降、隆起現(xiàn)象。

3.2 原因分析

隧道底部開挖后，基底面清理不徹底，而后直接進(jìn)行混凝土澆筑。殘留的虛渣被壓在混凝土與基底巖層之間，使兩者不能緊密結(jié)合，在重載列車長期的運(yùn)行荷載作用下，反復(fù)碾壓，虛渣顆粒變小，形成漿體，使底部受力不均，混凝土底部結(jié)構(gòu)逐漸磨損、破壞，從而造成仰拱頂部開裂、不均勻沉降及隆起。

3.3 整治方案

為治理基底虛渣、圍巖軟弱等情況，可對基底采取打設(shè)鋼花管樁及錨管注漿措施[1-3]，改善并補(bǔ)強(qiáng)基底破碎、軟弱狀態(tài)。

3.3.1 打設(shè)鋼花管樁

基底圍巖為軟弱圍巖時，可采用鋼花管樁對基底進(jìn)行加固，鉆孔直徑為150 mm，鉆孔深度根據(jù)鉆芯取樣圍巖軟弱、破碎層位置而定。隧道斷面布設(shè)6根，分別位于兩側(cè)水溝、線路中線及水溝兩側(cè)，縱向排距1.2 m，具體見圖2。

圖2 鋼花管樁斷面布置

鋼花管采用?108 mm鋼管，出漿孔沿鋼管軸線，徑向旋轉(zhuǎn)45°呈螺旋式布置(端頭以下1 m范圍內(nèi)不打設(shè)出漿孔)，孔眼?8 mm，間距50 mm。鋼花管內(nèi)部采用3根?25 mm焊接鋼筋束貫穿安裝。孔口制作封端鋼板進(jìn)行密封，以保證注漿壓力。

鋼花管安裝前外壁需除銹，以增加鋼管與水泥漿的有效接觸面積，增強(qiáng)粘結(jié)力。鉆孔前先定好孔位，再用潛孔鉆鉆孔。鉆孔過程中需確保垂直度，防止偏斜。鋼管分段連接采用?120 mm無縫鋼管套接，長度不小于200 mm，套接兩端長度盡量保持一致并不小于80 mm，環(huán)縫采用焊接處理。注漿管從鋼花管中間隨鋼筋束分段安裝，端頭距孔底保持100 mm距離，注漿管在封端鋼板處用膠帶或凝膠密封。注漿機(jī)壓注單液水泥漿，水灰比為1∶1，注漿壓力為0.1～0.2 MPa。

為了保證鋼花管在孔中居中，沿鋼管軸線間隔2～3 m安裝一組對中架，采用?16 mm鋼筋焊接，長度200 mm，鋼管底部采用?16 mm鋼筋焊接V形托架，長度100 mm，便于鋼花管入孔安裝作業(yè)，也可避免鋼管與孔底泥渣直接接觸而銹蝕。鋼花管樁結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 鋼花管樁結(jié)構(gòu)

3.3.2 錨管注漿

基底圍巖較破碎時，可采用錨管注漿對基底進(jìn)行加固。鉆孔直徑50 mm，注漿錨管直徑42 mm，鉆孔深度3 m，主要針對中心水溝薄弱處進(jìn)行加固。隧道斷面布設(shè)2根，與仰拱平面呈45°夾角?？v向排距1.2 m，具體見圖4。

圖4 錨管注漿斷面布置(單位：mm)

注漿錨管采用熱軋無縫鋼管，長度3 m，壁厚3.5 mm，具體結(jié)構(gòu)見圖5。注漿錨管采用鉆孔打入法，成孔后錘擊或用鉆機(jī)將錨管頂入，安裝完成后用高壓風(fēng)將錨管內(nèi)的砂石顆粒吹出，用塑膠泥封堵孔口及周圍裂隙，確?？卓诿芊庑浴Ｗ{機(jī)壓注單液水泥漿，水灰比為1∶0.8，注漿壓力為0.2～0.3 MPa。

4 克服地應(yīng)力影響

4.1 位置段落及病害表象

圖5 錨管結(jié)構(gòu)(單位：mm)

K583+270～K584+720段道床板每根軌枕附近均有橫向裂紋，發(fā)現(xiàn)該段仰拱中心縱向開裂、裂縫寬度最大達(dá)到8.4 mm且明顯隆起，中心排水管橫向擠壓變形、兩側(cè)電纜槽出現(xiàn)垂直裂紋及扭曲變形，道床板底部隆起，具體見圖6、圖7。

圖6 中心排水管擠壓變形 圖7 兩側(cè)電纜溝槽擠壓變形

4.2 原因分析

該段隧道仰拱正好處于山體溝谷位置，兩側(cè)埋深不均衡，最小埋深僅180 m。山體自身形狀的不規(guī)則、自重不均、巖層巖性的軟硬程度不同，都是引起應(yīng)力產(chǎn)生的關(guān)鍵條件。隧道在開挖過程中，已經(jīng)對山體局部的整體穩(wěn)定性進(jìn)行了破壞，應(yīng)力通過薄弱處進(jìn)行釋放，這是造成隧道收斂、開裂、底部隆起變形的主要原因。

4.3 整治方案

由于該段隧道仰拱逐年的、不斷的隆起，且伴隨著重載貨運(yùn)任務(wù)量的不斷增加，該段隧道仰拱進(jìn)行了多次整治。根據(jù)不同時段的通車密度及天窗作業(yè)限制條件，分為全封閉、半封閉、不封閉三種情況，分別采取隧道底部結(jié)構(gòu)整體拆換、自進(jìn)式預(yù)應(yīng)力錨桿錨固、無砟道床拆換有砟道床三種方式進(jìn)行整治。

4.3.1 隧道底部結(jié)構(gòu)整體拆換

針對隧道底部變形嚴(yán)重、道床已大面積被破壞、允許線路全封閉施工的情況，可采取隧道底部結(jié)構(gòu)整體拆換的方式進(jìn)行整治。此方法需要對線路進(jìn)行全封閉施工，適用于有全封閉條件的線路。

(1)二襯鎖腳施工。隧道底部結(jié)構(gòu)拆換前，需先對二襯進(jìn)行鎖腳錨固施工，根據(jù)隧道斷面大小制定。鎖腳錨固可采用長3.5 m的?42 mm錨管，每排不少于2根，其中1根垂直于二襯設(shè)置，另1根斜插于二襯，鉆孔采用風(fēng)鉆，注漿機(jī)壓注單液水泥漿，水灰比為1∶0.8、注漿壓力0.3 MPa、穩(wěn)壓10 min。

二襯鎖腳完成后，通過二襯上設(shè)置的觀測點(diǎn)位進(jìn)行二襯沉降及收斂的量測，每半天測量一次，為后續(xù)二襯鎖腳、仰拱挖除提供經(jīng)驗參數(shù)借鑒。

(2)底部結(jié)構(gòu)拆除。拆除前，首先做好電纜防護(hù)，檢查鎖腳錨固措施到位后方可開始仰拱拆除。拆除及卸車可以采用以小型挖掘機(jī)為主、人工輔助，以節(jié)省時間。拆除順序和工況如圖8～圖11所示。

圖8 底部結(jié)構(gòu)第1次拆除示意(單位：mm)

圖9 底部結(jié)構(gòu)第2次拆除示意(單位：mm)

圖10 道床板拆除 圖11 仰拱拆除

(3)基底補(bǔ)強(qiáng)處理及結(jié)構(gòu)恢復(fù)。拆換后如遇基底圍巖不好可采取基底補(bǔ)強(qiáng)措施處理，仰拱可通過加大曲率、增加厚度、增設(shè)鋼筋結(jié)構(gòu)等方法來提高整體強(qiáng)度。補(bǔ)強(qiáng)處理后，即可按原設(shè)計要求恢復(fù)結(jié)構(gòu)。

4.3.2 自進(jìn)式預(yù)應(yīng)力錨桿錨固

針對隧道底部變形嚴(yán)重、道床已存在破壞、允許封閉單條線路施工的情況，可采取自進(jìn)式預(yù)應(yīng)力錨桿錨固方式進(jìn)行整治。鉆孔深至持力層上，將自進(jìn)式錨桿逐節(jié)插入，連接采用鋼螺紋套筒，每節(jié)深入套筒長度不得小于10 cm。通過自進(jìn)式錨頭將錨桿一端固定在持力層上，而后注漿。注漿完成后，張拉端安裝鐵墊板及螺母，待漿液強(qiáng)度達(dá)到70%時，對外露錨桿進(jìn)行張拉。預(yù)應(yīng)力錨桿結(jié)構(gòu)見圖12。張拉力不小于40 kN。擰緊螺母使錨桿產(chǎn)生應(yīng)力，下拉底部結(jié)構(gòu)，由此來抵消地應(yīng)力產(chǎn)生的隆起。此方法需要對線路進(jìn)行封閉施工，適用于半封閉條件的線路。

圖12 自進(jìn)式預(yù)應(yīng)力錨桿結(jié)構(gòu)

(1)道床板銑孔。道床板為鋼筋混凝土，采用潛孔鉆機(jī)工效低且鉆具損耗大，鉆孔前利用鉆孔取芯機(jī)對道床板進(jìn)行銑孔，考慮錨桿的傾度，銑孔孔徑應(yīng)大于錨桿設(shè)計孔徑。

(2)錨桿鉆孔。設(shè)計要求：孔位偏差不大于15 mm，鉆孔的角度偏差小于±3°；孔深必須大于錨桿設(shè)計長度100 mm，孔深偏差值不大于50 mm。鉆孔結(jié)束后孔內(nèi)臟水和巖粉用高壓風(fēng)(水)沖洗干凈，完成后孔口加蓋或堵塞予以適當(dāng)保護(hù)。隧道每斷面梅花布設(shè)8個孔位，斷面預(yù)應(yīng)力可達(dá)320 kN，孔位布置見圖13。

圖13 自進(jìn)式錨桿鉆孔孔位布置示意(單位：cm)

鉆孔可采用ZQS-100D潛孔鉆機(jī)，搬運(yùn)方便，便于拆裝，操作維護(hù)簡便，進(jìn)尺快，效率高?？蓪?shí)現(xiàn)0～90°自由調(diào)整，鉆機(jī)就位，檢查鉆孔傾斜度和方向，通過空氣壓縮機(jī)輸送風(fēng)，帶動動力頭回轉(zhuǎn)及提升，實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)及鉆具提升，完成鉆孔工作。鉆孔過程中，降塵除渣采用鉆桿內(nèi)泵送少量水和孔口噴灑水結(jié)合的方式進(jìn)行，以有效消除維修作業(yè)產(chǎn)生的灰塵，同時維修作業(yè)產(chǎn)生的廢渣及時裝袋清運(yùn)出隧道。鉆孔完畢后,用凈水把孔底沉渣沖洗干凈,直至孔口凈水返出.確認(rèn)錨固孔暢通，完成后孔口加蓋或堵塞予以適當(dāng)保護(hù)。

(3)錨桿安裝及注漿。由于工作空間的限制，桿體采用分節(jié)安裝，使用套管連接。為使錨桿處于鉆孔中心,應(yīng)在錨桿桿件上安設(shè)定中架或隔離架(桿體沿軸線方向每隔1.0～2.0 m設(shè)置一個定中架)，錨桿鋼筋或鋼絲平直、順直、除油除繡。安放錨桿桿體時,應(yīng)防止桿體扭曲、壓彎,管端距孔底為50～100 mm,桿體放進(jìn)角度與鉆孔傾角保持一致,安好后使桿體始終處于鉆孔中心。

注漿材料可采用水灰比為0.6的純水泥漿，注漿壓力0.1～0.2 MPa。漿液應(yīng)攪拌均勻,過篩,隨攪隨用,漿液應(yīng)在初凝前用完,注漿管路應(yīng)經(jīng)常保持暢通。注漿采用BW100注漿泵注漿。注漿前，將孔內(nèi)的巖粉等雜物吹洗干凈。使用砂漿泵將漿液經(jīng)壓漿管輸送至孔底,再由孔底返至錨固段高度,可停止注漿。 注漿完成后，及時用水清洗注漿機(jī)及管路。注漿位置為錨固段長度，注漿完成待強(qiáng)度達(dá)到100%后進(jìn)行張拉鎖定。

(4)安裝墊板、螺母、預(yù)應(yīng)力張拉。在所注漿液強(qiáng)度達(dá)到預(yù)定強(qiáng)度之后，安裝墊板(150 mm×150 mm×10 mm)，墊板應(yīng)與道床板或二襯混凝土表面密貼，上緊桿端螺母，使其產(chǎn)生一定的預(yù)應(yīng)力，起到更好的加固圍巖的作用。錨桿與墊板應(yīng)保持垂直，并與砼充分接觸，螺母務(wù)必擰緊。

錨具安裝應(yīng)與錨墊板和千斤頂對中，與錨桿軸線方向垂直，采用千斤頂一次直接張拉到設(shè)計噸位。預(yù)應(yīng)力張拉采用千斤頂進(jìn)行，張拉設(shè)備在張拉前要進(jìn)行標(biāo)定，根據(jù)率定報告換算出對預(yù)應(yīng)力錨桿張拉時拉力所對應(yīng)的刻度表讀數(shù)，將刻度表值調(diào)整到相應(yīng)的拉力值后，對預(yù)應(yīng)力錨桿進(jìn)行張拉。當(dāng)張拉至設(shè)定張拉荷載值后，持荷10～15 min，觀察油泵壓力值及伸長量變化來判斷是否有預(yù)應(yīng)力損失，如無變化認(rèn)為張拉力滿足設(shè)計要求。 若發(fā)現(xiàn)有明顯預(yù)應(yīng)力損失時,應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償張拉。

4.3.3 無砟道床拆換有砟道床

針對隧道底部隆起變形嚴(yán)重、道床已大面積被破壞、不允許封閉線路施工的條件，可采取將無砟道床拆換為有砟道床的方式進(jìn)行整治。此方法在不拆鋼軌的條件下施工，在355 min的有效天窗時間內(nèi)將施工區(qū)段分解為6 m左右一個施工單元，把每個施工單元分解為鑿除和拆換兩部分，通過“一深一淺”鑿除法利用兩個有效的天窗時間，完成隧道內(nèi)無砟軌道拆換有砟軌道。此工法用于重載鐵路工期緊張情況下的快速施工，且不影響列車通行，適用于無封閉條件的線路。

(1)無砟道床拆除。以60 m左右為一施工區(qū)段進(jìn)行鑿除作業(yè)；每個鑿除單元6 m左右，相鄰鑿除單元連續(xù)鑿除，詳見圖14。施工順序分兩步：第1步，按照一深一淺鑿除，遵循“先淺后深”分兩組工人利用風(fēng)鎬進(jìn)行道床板鑿除，從單元一端開始，一個天窗點(diǎn)統(tǒng)一對施工單元道床板鑿除至淺槽設(shè)計深度，下一個天窗點(diǎn)把施工單元內(nèi)設(shè)計深槽由淺槽鑿除至深槽的設(shè)計深度，下一工序前2、4、6、8、10(淺槽)和1、3、5、7、9(深槽)全部達(dá)到設(shè)計要求。橫向開槽平面范圍為鑿除既有軌枕間的混凝土，深槽開鑿至設(shè)計標(biāo)高，淺槽開鑿至露出道床底層鋼筋，且深度不得超過鋼筋以下20 mm，嚴(yán)禁換枕前割斷底層鋼筋。第2步，混凝土鑿除后露出的槽道應(yīng)立即采用碎石道砟填充，以填充至原道床面高度為宜，不應(yīng)超出原道床高度20 mm及以上，以維持運(yùn)營時間內(nèi)列車安全通行。

圖14 “一深一淺”鑿除

施工期間應(yīng)注意：開槽側(cè)壁應(yīng)盡量保持豎直，施工過程中不允許擾動軌枕及下部道床和回填層，嚴(yán)禁對雙塊式軌枕下道床及回填層有鏤空、掏洞等影響安全行車的行為；開槽后需立即采用碎石道砟填充槽道，鋪設(shè)有砟道床前不得空置槽道。

(2)換枕及有砟道床鋪設(shè)施工。為保證換枕順利進(jìn)行，保證天窗時間的有效利用，各個工序嚴(yán)格卡控時間。

拆除軌枕及枕下混凝土：清除槽內(nèi)道砟，連續(xù)成段鑿除剩余雙塊式軌枕和道床，利用千斤頂或方枕器頂松(倒)軌枕，風(fēng)鎬鑿除混凝土，手持式鋼筋切割機(jī)切割軌枕鋼筋，枕木頭從鋼軌底部抽出，然后繼續(xù)下鑿混凝土至設(shè)計高度，確保換枕區(qū)段基底平順。

清理基底：鑿除至設(shè)計底標(biāo)高后，若發(fā)現(xiàn)隧道填充層裂紋，應(yīng)采用環(huán)氧樹脂注漿加固。

仰拱填充混凝土按設(shè)計要求鑿除后，填充面應(yīng)保證平整，有必要時可采用高強(qiáng)度速凝快硬砂漿抹平找坡，也可采用機(jī)械抹平找坡。坡度隨線路縱坡。

有砟道床鋪設(shè)：事先在鋼軌上標(biāo)記好軌枕安放位置，清理承軌槽，鋪設(shè)膠墊，人工穿入新枕，并橫撥至軌枕位置上，新軌枕可采用彈性軌枕，減少有砟軌道養(yǎng)護(hù)維修工作量，延長線路養(yǎng)護(hù)維修周期。軌枕位置方正均勻，軌枕間距和偏斜誤差均不超過10 mm。采用螺絲機(jī)等專用機(jī)械設(shè)備安裝扣件。

填入道砟后，道砟高度不得超過軌枕中心高度，隨后進(jìn)行搗固及對線路調(diào)整施工。

(3)有砟到無砟過渡段施工。為更好的增加有砟道床及無砟道床過渡段的穩(wěn)定性，在有砟和無砟的連接處可以設(shè)置25 m過渡段，有砟部分20 m，無砟部分5 m。過渡段增設(shè)護(hù)輪軌，采用兩根60 kg/m輔助軌，長度為25 m。

5 加強(qiáng)過程變形監(jiān)測

無論以上述哪種方式施工，都會對隧道底部整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性造成一定的影響，為此在整治施工期間的動態(tài)變形監(jiān)測是至關(guān)重要的，它不僅可以對施工中產(chǎn)生的不穩(wěn)定因素進(jìn)行預(yù)警，還可以通過積累數(shù)據(jù)，對相應(yīng)的施工進(jìn)行動態(tài)調(diào)整并指導(dǎo)施工。

6 結(jié)論

綜上所述，在運(yùn)營重載鐵路項目中，隧道發(fā)生病害頻率較高且引起的原因復(fù)雜多樣，只有認(rèn)清病害，查清病害產(chǎn)生的因素，才能有針對性的進(jìn)行整治施工，對癥下藥。不僅如此，鐵路病害的整治工作，通常是在病害已經(jīng)產(chǎn)生一定破壞作用后才進(jìn)行的，因此從設(shè)計、施工到運(yùn)營養(yǎng)護(hù)的過程中，每個環(huán)節(jié)都給予足夠的重視是十分必要的，只有防治結(jié)合、加強(qiáng)維護(hù)，才能從根本上解決病害的產(chǎn)生。