作者單位：中國(guó)鐵路鄭州局集團(tuán)有限公司安陽(yáng)綜合段，安陽(yáng)455000

作者簡(jiǎn)介：常衛(wèi)鋒，男，工程師。

摘要：鐵路隧道隧底上拱嚴(yán)重影響鐵路運(yùn)營(yíng)安全，本文以運(yùn)營(yíng)鐵路隧道為例，通過(guò)進(jìn)洞地質(zhì)調(diào)查、鉆探取芯、地應(yīng)力測(cè)試、巖石抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、巖石膨脹性試驗(yàn)、巖石磨片定名、地下水侵蝕性試驗(yàn)、隧道基底地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)、變形監(jiān)測(cè)等手段，詳細(xì)分析了隧底上拱病害的成因，提出了“加大仰拱矢跨比、加強(qiáng)仰拱結(jié)構(gòu)、采用抗侵蝕性材料的仰拱重構(gòu)+隧底加固”的整治方案，以期為同類病害整治提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞： 鐵路隧道；隧底上拱；病害成因；整治措施

隧底上拱破壞是軟弱圍巖隧道主要病害形式之一。隧底上拱的主要原因是隧底巖層中存在較高地應(yīng)力、隧底承載力低、膨脹性圍巖遇水膨脹以及水理作用影響[1]。隧底上拱導(dǎo)致斷面減小，襯砌開(kāi)裂、變形甚至破壞，嚴(yán)重影響鐵路運(yùn)營(yíng)，許多專家學(xué)者對(duì)隧底上拱現(xiàn)象進(jìn)行了研究。

孔恒等[2]在工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上，分析了隧底上拱的原因，歸納了隧底上拱的破壞形式，提出了隧底上拱的分類形式和控制技術(shù)。汪洋等[3]通過(guò)分析隧底上拱產(chǎn)生、發(fā)展和影響因素，形成了預(yù)測(cè)隧底上拱量的表達(dá)式，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，為隧道上拱病害的整治提供了依據(jù)。上官濤[4]系統(tǒng)地總結(jié)了既有鐵路隧道底部結(jié)構(gòu)常見(jiàn)的病害現(xiàn)象，分析了近年來(lái)隧底施工質(zhì)量抽查發(fā)現(xiàn)的典型問(wèn)題，提出了在建隧道底部質(zhì)量檢測(cè)和質(zhì)量控制建議。馬偉斌等[5]對(duì)當(dāng)前運(yùn)營(yíng)鐵路隧道病害檢測(cè)、監(jiān)測(cè)、評(píng)估及整治技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)。馬超鋒[6]總結(jié)了整體道床鐵路隧道隧底病害特點(diǎn)，分析了各類主要病害的成因機(jī)理，提出了相應(yīng)的整治方案設(shè)計(jì)，通過(guò)工程實(shí)例驗(yàn)證整治方案的有效性。吳耀宗等[7]詳細(xì)分析了公路隧道隧底病害的產(chǎn)生機(jī)理，提出了針對(duì)性較強(qiáng)、符合運(yùn)營(yíng)隧道特點(diǎn)的處治措施。

本文結(jié)合某運(yùn)營(yíng)鐵路隧道，綜合采用現(xiàn)場(chǎng)踏勘、鉆探取芯、地應(yīng)力測(cè)試、巖石抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、巖石膨脹性試驗(yàn)、巖石磨片定名、地下水侵蝕性試驗(yàn)、隧道基底地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)、變形監(jiān)測(cè)等手段對(duì)隧道隧底病害的成因和處治措施進(jìn)行了分析。

1工程概況

某隧道為單洞雙線隧道，線間距4.0 m，隧道進(jìn)口里程K579+527.06，出口里程K588+627.06，全長(zhǎng)9 100 m。最大埋深約730 m，最小埋深約94 m。軌道形式為重載雙塊式無(wú)砟軌道。隧道洞身穿越地層主要有奧陶系泥灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、白云巖、鈣質(zhì)頁(yè)巖、寒武系頁(yè)巖、泥灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、礫砂巖、灰?guī)r、細(xì)砂巖、白云巖、震旦系石英巖狀砂巖、石英砂巖、頁(yè)巖、砂質(zhì)頁(yè)巖。隧址區(qū)地表水不發(fā)育，無(wú)常年性地表水體，地表水主要為大氣降水形成的地表面流，水量受季節(jié)性影響變化較大，自然排泄通暢。場(chǎng)區(qū)地下水主要為松散巖類孔隙水、碳酸鹽類巖溶裂隙水、碎屑巖類裂隙水。隧道Ⅲ～Ⅴ級(jí)圍巖地段采用曲墻帶仰拱形式的復(fù)合式襯砌。隧道設(shè)置一座斜井，斜井斜長(zhǎng)887 m，斜井位于線路左側(cè)，與隧道相交于里程K584+019.06處，平面交角42.62°，綜合坡度9.17%，采用無(wú)軌運(yùn)輸雙車道斷面。

2隧底病害成因分析

隧道出現(xiàn)上拱后，為查清病害原因，進(jìn)行了進(jìn)洞地質(zhì)調(diào)查，包括鉆探取芯、地應(yīng)力測(cè)試、巖石抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、巖石膨脹性試驗(yàn)、巖石磨片定名、地下水侵蝕性試驗(yàn)、隧道基底地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)、變形監(jiān)測(cè)等工作。

2.1鉆探取芯

2015年、2019年分別對(duì)病害段進(jìn)行鉆探取芯，其中2015年完成鉆探61.4 m/17孔；2019年完成鉆探59.25 m/23孔，共計(jì)120.65 m/40孔。2019年對(duì)K583+313～+316段，K583+406～+462段，K584+502～K583+578段等進(jìn)行鉆探取芯，共完成鉆探59.25 m/23孔，其中17孔鉆穿混凝土層。鉆探顯示，仰拱混凝土厚度最薄處僅為0.35 m，混凝土碎渣厚度達(dá)1.65 m。鉆探結(jié)果顯示，該隧道存在仰拱局部填充層厚度不足及仰拱底部存在虛渣的問(wèn)題。

2.2地應(yīng)力測(cè)試

為查清隧道地應(yīng)力情況，采用了應(yīng)力解除法和水壓致裂法兩種方法進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)試。地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果評(píng)價(jià)見(jiàn)表1。

2015年5月委托實(shí)驗(yàn)室在K584+674處大型避車洞和K583+414處大型避車洞布置兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)試，鉆孔總進(jìn)尺25.7 m。K584+674處地應(yīng)力的測(cè)試結(jié)果為：最大主應(yīng)力σ1=17.7 "MPa，空間產(chǎn)狀為N2°E∠9°；中間主應(yīng)力σ2=12.4 MPa，空間產(chǎn)狀為S61°E∠71°；最小主應(yīng)力σ3=11.7 "MPa，空間產(chǎn)狀為近EW∠17°。K583+414處的地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果為：最大主應(yīng)力σ1=17.8 MPa，空間產(chǎn)狀為N2°E∠6°；中間主應(yīng)力σ2=11.2 MPa，空間產(chǎn)狀為S56°E∠79°；最小主應(yīng)力σ3=10.4 "MPa，空間產(chǎn)狀為近EW∠14°。

2015年8月委托科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試，選在隧道斜井與正洞相交位置（DK566+350=K584+020），在實(shí)測(cè)鉆孔中取巖芯樣，進(jìn)行了巖體飽和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。地應(yīng)力鉆孔巖芯完整，取芯率95%以上，未見(jiàn)巖芯成餅狀擠壓跡象，巖石抗壓強(qiáng)度達(dá)105.26 MPa。根據(jù)水壓致裂法測(cè)定地應(yīng)力結(jié)果為：實(shí)測(cè)深度范圍內(nèi)，最大水平主應(yīng)力平均值為23.46 MPa，最小水平主應(yīng)力平均值為13.11 MPa；實(shí)測(cè)最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹E8°；隧道測(cè)試區(qū)范圍內(nèi)地應(yīng)力以構(gòu)造應(yīng)力為主。

兩種方法測(cè)得的最大主應(yīng)力方向（NE6°～ NE9°）基本一致，隧道走向近東西向，最大主應(yīng)力與邊墻的夾角近似垂直。隧道測(cè)試區(qū)范圍內(nèi)地應(yīng)力以構(gòu)造應(yīng)力為主，根據(jù)地應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果，該隧道區(qū)為高地應(yīng)力區(qū)。

2.3巖樣測(cè)試

對(duì)相關(guān)的巖性取樣進(jìn)行了磨片定名、XRD、膨脹性及物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)。根據(jù)鉆探取芯的磨片試驗(yàn)可知，本段隧底仰拱隆起段地層沉積背景為寒武系地臺(tái)式陸表淺海相沉積，巖性為白云質(zhì)泥巖、白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖、砂質(zhì)頁(yè)巖、砂巖等；巖石樣品的膨脹性試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果顯示，巖石飽和吸水率0.22%～1.23%，自由膨脹率為0.095%～8.96%，平均為0.96%，巖石膨脹力0～50 kPa，根據(jù)規(guī)范判定樣品均無(wú)膨脹性；巖樣的抗壓、抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)顯示，其單軸抗壓強(qiáng)度為22.6～123.83 MPa，絕大部分屬于硬質(zhì)巖，其抗拉強(qiáng)度為6.22～10.10 MPa。

2.4水樣測(cè)試

2014年7月、2015年6月、2019年1月對(duì)隧道12組水樣進(jìn)行測(cè)試。隧道出口水質(zhì)分析結(jié)果為地下水無(wú)侵蝕性，認(rèn)為整體環(huán)境水文并無(wú)侵蝕性；隧道上拱變形段水質(zhì)分析表明，地下水具有一定的硫酸鹽侵蝕性，環(huán)境作用等級(jí)為H1～H2。隧道上拱變形段地下水水位為0.9～1.3 m，鉆探及后期孔隙水壓力監(jiān)測(cè)表明，隧道不存在瞬時(shí)高壓水。

2.5基底隱伏構(gòu)造及洞穴構(gòu)造探測(cè)

隧底仰拱隆起開(kāi)裂段，隧底地層為寒武系、震旦系地層，漳河發(fā)育史遠(yuǎn)新于該套地層，區(qū)域內(nèi)無(wú)侵蝕基準(zhǔn)面形成，不存在形成洞穴背景。對(duì)隧底仰拱隆起開(kāi)裂段前后1.5 km范圍地層相似的Ⅳ級(jí)圍巖段落進(jìn)行了地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)，結(jié)果表明基底正常，無(wú)空洞等異常。

2.6隧底變形監(jiān)測(cè)

2015年 6 月—2018年12月，對(duì)6處進(jìn)行了單點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測(cè)。單點(diǎn)位移計(jì)埋設(shè)見(jiàn)表2。

變化最大的為K583+622里程位置的DZ-6孔，其單點(diǎn)位移值39.15 mm，每月平均0.91 mm。其次為K584+653里程位置的DZ-10孔，其單點(diǎn)位移值21.74 mm，每月平均0.51 mm。

孔口高程數(shù)據(jù)方面變化較大的為DZ-7孔（圖1），高程變化為16.495 mm（2017年4月11至2018年12月10日），每月平均增加1.37 mm。

監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，隧底上拱基本為線性緩慢上拱，年平均上拱量約9.0 mm（測(cè)點(diǎn)在道床板底部），而且從觀測(cè)數(shù)據(jù)看，變形位置位于上部混凝土層，下部巖體未變形。

2.7病害原因綜合分析

經(jīng)綜合排查分析研究后認(rèn)為：隧道圍巖不易崩解、不屬于膨脹巖的范圍；隧道所處地層為寒武系的古老地層，膠結(jié)程度高，處于惰性狀態(tài)，膨脹變形作用有限，抗壓強(qiáng)度普遍較高且不易軟化；隧道位于高地應(yīng)力區(qū)；地下水無(wú)高水壓、水量小，為弱富水區(qū)、局部段落水質(zhì)具有H1～H2的侵蝕性。該隧道隧底病害由特殊地質(zhì)（水平巖層、砂質(zhì)頁(yè)巖泥灰?guī)r互層）、特殊環(huán)境（地下水侵蝕、高地應(yīng)力）及局部質(zhì)量缺陷等綜合因素造成。

3病害處治方案

為徹底整治并保證正常運(yùn)營(yíng)，嚴(yán)重變形段采用加大仰拱矢跨比、加強(qiáng)仰拱結(jié)構(gòu)、采用抗侵蝕性材料的仰拱重構(gòu)方案進(jìn)行徹底整治，并加強(qiáng)結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)和變形的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。

3.1仰拱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）邊墻鎖腳加固。首先于兩側(cè)邊墻分別打設(shè)兩排76 mm注漿鋼花管進(jìn)行鎖腳，鋼花管單根長(zhǎng)8 m，縱向間距1.0 m，鋼管打設(shè)位置處設(shè)縱向鋼腰梁，鋼腰梁采用20a型槽鋼。邊墻鎖腳設(shè)置范圍為隧底整治段落兩側(cè)各延伸10 m。

（2）溝槽拆除及臨時(shí)過(guò)渡。拆除原隧底結(jié)構(gòu)、中心排水管及雙側(cè)溝槽，施工期間將拆除范圍上游的中心排水管及雙側(cè)水溝進(jìn)行臨時(shí)封堵，并采用小型移動(dòng)抽水泵將上游管溝內(nèi)積水抽排至下游管溝進(jìn)行排放；溝槽內(nèi)的電纜采用電纜掛鉤沿隧道壁敷設(shè)的方式進(jìn)行臨時(shí)過(guò)渡。

（3）施工外層襯砌。隧底結(jié)構(gòu)拆除清理干凈（不得有松散體或者虛渣、積水等）后，隧底設(shè)置HW175型鋼鋼架，鋼架縱向間距0.5 m/榀，采用C30硫鋁酸鹽混凝土澆筑，預(yù)留變形量按10 cm考慮。墻角處增設(shè)HW175型鋼縱梁，縱梁與隧底環(huán)向鋼架間進(jìn)行牢固焊接。

（4）隧底加固。隧底采用108 mm鋼花管注漿加固，縱橫向間距1 m，交錯(cuò)布置，加固范圍按開(kāi)挖輪廓線外不小于5 m控制，鉆孔達(dá)到設(shè)計(jì)深度后，注1∶1水泥漿，注漿壓力0.5～1.0 MPa，漿液配合比及注漿壓力根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整，不得造成其附近隧道結(jié)構(gòu)變形。

（5）重構(gòu)仰拱結(jié)構(gòu)。對(duì)仰拱結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，加深仰拱，增大仰拱矢跨比，增加仰拱結(jié)構(gòu)厚度。優(yōu)化后仰拱結(jié)構(gòu)厚60 cm，矢跨比1∶5，采用C40硫鋁酸鹽鋼筋混凝土，抗?jié)B等級(jí)P12，仰拱環(huán)向鋼筋采用22@200雙層鋼筋，縱向鋼筋采用14@250，鋼筋凈保護(hù)層厚度為55 mm。仰拱填充采用C40硫鋁酸鹽混凝土澆筑，填充頂面設(shè)置單層鋼筋，橫向鋼筋采用22@200，縱向鋼筋采用14@250，橫向鋼筋與仰拱環(huán)向鋼筋可靠連接。整治后的軌道結(jié)構(gòu)高度按916 mm預(yù)留，適當(dāng)預(yù)留隧底變形余量。

（6）恢復(fù)排水系統(tǒng)。仰拱填充內(nèi)恢復(fù)中心排水管，中心排水管采用兩根內(nèi)徑300 mm鋼筋混凝土Ⅲ級(jí)管，管底高程與原設(shè)計(jì)一致；按原設(shè)計(jì)恢復(fù)雙側(cè)溝槽，并保證排水通暢。

隧底結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2～圖4所示。

3.2仰拱線路加固設(shè)計(jì)

仰拱重構(gòu)范圍采取全幅、分段跳槽方式進(jìn)行施工，每循環(huán)進(jìn)尺3 m，并間隔3 m施作下一循環(huán)，當(dāng)?shù)谝谎h(huán)施作完后，恢復(fù)重構(gòu)并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后方可施作下一循環(huán)。施工過(guò)程不中斷行車，采用D16型便梁對(duì)上、下行線路進(jìn)行加固，并利用天窗時(shí)間進(jìn)行施工。D16型便梁線路加固長(zhǎng)度16.4 m，隧底整治施工長(zhǎng)度12 m，分4個(gè)循環(huán)施工，每循環(huán)3 m。便梁支撐于仰拱填充上，利用橫梁之間的空間作為施工工作面。線路加固設(shè)計(jì)如圖5和圖6所示。

3.3軌道結(jié)構(gòu)整治計(jì)劃

根據(jù)項(xiàng)目推進(jìn)計(jì)劃，軌道結(jié)構(gòu)改造隨隧道整治方案劃分為兩階段：第一階段，隧道基底整治期，拆除既有有砟軌道，分段恢復(fù)有砟軌道；第二階段，隧道基底整治完成，對(duì)隧道鋪設(shè)無(wú)砟軌道條件進(jìn)行沉降觀測(cè)評(píng)估，評(píng)估完成后軌道恢復(fù)為原設(shè)計(jì)重載雙塊式無(wú)砟軌道。

3.4隧底自動(dòng)化監(jiān)測(cè)

3.4.1隧底應(yīng)力監(jiān)測(cè)

本次230 m整治范圍內(nèi)每20 m設(shè)置一處隧底應(yīng)力監(jiān)測(cè)斷面，其中變形嚴(yán)重位置加密設(shè)置。每處應(yīng)力監(jiān)測(cè)斷面設(shè)置3個(gè)土壓力盒，6個(gè)鋼筋應(yīng)力計(jì)。土壓力盒設(shè)置于初期支護(hù)和基巖接觸面處，鋼筋壓力計(jì)設(shè)置于仰拱主受力筋上。隧底應(yīng)力監(jiān)測(cè)布置如圖7所示。應(yīng)力監(jiān)測(cè)設(shè)備需準(zhǔn)確反映隧底的圍巖壓力變化情況，并可進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)應(yīng)力值發(fā)生突變時(shí)，能進(jìn)行預(yù)警提醒。

3.4.2隧底變形監(jiān)測(cè)

有砟段落（650 m）每5 m設(shè)置一個(gè)變形觀測(cè)斷面，其余曾發(fā)生隧底病害的無(wú)砟段落每20 m設(shè)置一個(gè)變形觀測(cè)斷面。每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面設(shè)置5個(gè)變形觀測(cè)點(diǎn)，分別監(jiān)測(cè)兩側(cè)邊墻墻腳、仰拱填充頂面兩側(cè)及中間位置；仰拱重構(gòu)段每20 m設(shè)置一個(gè)分層位移監(jiān)測(cè)斷面，分層位移采用鉆孔多點(diǎn)位移計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。以上測(cè)點(diǎn)在變形嚴(yán)重位置加密設(shè)置，并可進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，分別監(jiān)測(cè)仰拱結(jié)構(gòu)頂面、基巖頂面、基底以下10 m位置處的高程位移。隧底變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置如圖8所示。

4結(jié)語(yǔ)

（1）現(xiàn)場(chǎng)踏勘、鉆探取芯、地應(yīng)力測(cè)試、巖石抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、巖石膨脹性試驗(yàn)、巖石磨片定名、地下水侵蝕性試驗(yàn)、隧道基底地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)、變形監(jiān)測(cè)等手段可以綜合排查隧道隧底上拱病害的成因。

（2）“加大仰拱矢跨比、加強(qiáng)仰拱結(jié)構(gòu)、采用抗侵蝕性材料的仰拱重構(gòu)+隧底加固”的整治方案可對(duì)隧底病害進(jìn)行徹底整治并保證達(dá)速運(yùn)營(yíng)，為同類鐵路隧道隧底上拱病害處治提供了工程依據(jù)。

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