既有鐵路隧道內整體道床新型抬升技術研究

張俊儉，劉國華

(1．太原鐵路局工務處，山西太原030013;2．大秦鐵路股份有限公司太原工務段，山西太原030013)

既有鐵路隧道內整體道床新型抬升技術研究

張俊儉1，劉國華2

(1．太原鐵路局工務處，山西太原030013;2．大秦鐵路股份有限公司太原工務段，山西太原030013)

目前我國既有鐵路隧道結構老化問題日益嚴重，尤其是隧道內整體道床出現了基底破損和沉降變形過大等現象。針對隧道內整體道床修復技術儲備少、運營安全性要求高的特點，以太嵐線柏崖頭隧道整體道床局部下沉與翻漿冒泥病害整治為工程背景，研究解除邊界約束、修補裂縫以及上挑下頂的隧道內整體道床快速抬升新技術，同時，引入陣列式位移自動化監測技術，實現了對各點抬升高度的精確控制，可為其他既有鐵路隧道內整體道床抬升工程提供參考。

整體道床 下沉 抬升 自動監測 錨注

隨著既有鐵路運量及行車速度的提高，由于施工預壓期短、地下開采、交叉工程施工、周邊環境變化、區域沉降等因素的影響，部分隧道內整體道床出現下沉現象，并且逐步惡化，給工務部門帶來極大壓力。在沉降地段，工務部門采用更換軌墊，嵌入Ap20塑料調整墊、Zw692軌墊、鋼制調節板等方式來恢復線路平順性，滿足列車的運行要求。但沉降資料顯示，有些地段的整體道床沉降不穩定，隨著沉降變形的發展，扣件的調整能力達到極限，調整扣件已經無法解決這一問題。為確保列車的安全運行，必須在扣件調整能力達到極限前采取有效的措施，保證線路的平順性。

國內外鐵路部門普遍重視隧道內整體道床沉降問題。國外不僅局限于病害整治，更重視底部結構設計。采取的措施主要有拆除整體道床、高壓注漿(利用注漿壓力抬升)、化學注膠(利用材料膨脹力抬升)等。這些方法存在工程量大、造價高、影響列車正常運營等問題。國內對此一直沒有很好的解決辦法。本文以太嵐線柏崖頭隧道基底病害整治工程為依托，給出一種適用于鐵路隧道整體道床的新型快速抬升技術。

1 工程概況

柏崖頭隧道位于太嵐線土堂—柳林河區間，修建于1979年，全長1 276 m，為單線隧道，采用混凝土支撐塊式整體道床，鋪設60 kg/m無縫鋼軌。隧道為早期噴錨結構，圍巖以中厚層石灰巖為主，巖石堅硬，整體性較好。地下水主要為基巖裂隙水。

經過長期運營，柏崖頭隧道在K22+183—K22+ 191段8 m長整體道床出現不均勻沉降。因施工不良或水蝕作用，在列車動載作用下道床開裂、下沉和翻漿冒泥，結構各部分的幾何尺寸難以保持。病害靠日常維修已不能徹底消除，導致道床板與基巖出現脫空，道床板兩側出現縱向裂縫長達5 m，整體道床開裂與下沉加劇，最大下沉量達4 cm，與主體結構混凝土分離，直接危及太嵐線的運營安全。柏崖頭隧道整體道床病害情況如圖1所示。

圖1 柏崖頭隧道整體道床病害示例

工務部門前期采取增加扣件橡膠墊等臨時措施，已達到扣件可調節范圍極限，需對K22+183—K22+ 191段整體道床進行抬升。

2 整體道床病害成因

柏崖頭隧道基底病害區段圍巖多為微風化奧陶系石灰巖，承載力基本值1 800 kPa，巖性相對較好，病害成因主要有以下幾點:

1)地下水的影響。地下水的長期作用使隧道巖層侵蝕軟化，圍巖的基本承載力下降;列車通過時和通過后的正負水壓對結構的反復抽吸作用導致基底結構出現吊空或翻漿冒泥。

2)列車循環荷載作用。列車循環荷載對基底結構病害發展影響較大。道床結構動應力分布不均，彎拉應力較大，導致道床結構部分開裂。長期列車循環作用會加速隧底結構疲勞破損。隧底結構在沖擊振動下破碎、粉化與漿化，惡化了整體道床結構受力狀態。

3)隧道底部缺陷。由于柏崖頭隧道修建時期較早，受設計標準和施工條件限制，隧道底部存在缺陷，主要表現在:基底結構厚度不足;基底虛渣未清理干凈;施工時基底結構整體性差。

依據現場調研結果，在病害成因分析的基礎上，針對基底下沉與翻漿冒泥病害，提出了“道床物理抬升+基底錨注”的復合式整治技術。

圖2 計算模型及網格劃分

圖3 道床抬升后變形分布云圖(單位:m)

圖4 整體道床結構受力計算結果

3 整體道床抬升方案

3.1 病害區段道床基本情況

柏崖頭隧道病害區段長8 m，寬2.4 m，道床厚35 cm，采用C30素混凝土，兩側人行道寬度0.6 m，為C10素混凝土。

3.2 整體道床抬升受力分析

1)邊界條件

柏崖頭隧道病害區段整體道床K22+183及K22 +191處為施工縫，縱向無約束;抬升時鑿除兩側人行道混凝土，解除橫向約束;抬升時撤掉扣件及橡膠墊板，解除鋼軌約束反力，上部無約束;整體道床下部與基巖間已脫空分離，下部無約束。

2)抬升受力分析

抬升過程中結構受力主要為整體道床自身重力，經計算為158 054 N，因此抬升反力應不小于該值。

3)道床抬升數值計算

采用對稱算法，用六面體單元劃分網格，根據需要加密計算點處的網格，計劃模型及網格劃分如圖2。計算的整體道床抬升后變形、受力分布分別見圖3、圖4。

計算結果表明:解除邊界條件約束后，整體道床抬升量與結構受力基本成正比;抬升施工時，找平層處于受壓狀態，壓應力小于混凝土的抗壓強度;底板只有一小部分處于受拉狀態，拉應力比較小，不會使其破壞;整體道床在抬升點處受拉，一次抬升量由整體道床內的拉應力控制。整體道床受力滿足要求，結構不會破壞。

3.3 整體道床抬升方案設計

隧道內整體道床抬升的前提是不干擾行車。目前線路行車密度大，天窗時間短。因此，病害整治作業應盡量快速，修補材料須能夠及時達到應有強度。

采用道床物理抬升+基底錨注時，輔助以整體道床表面裂縫修補。由于常規注漿機具笨重，施工不便，天窗內難以完成病害整治，常規漿材也不能滿足通車前達到強度的要求。為此，采用鐵科院研制生產的高強材料進行注漿加固處理。該材料用來填充基底結構空洞，與普通水泥材料相比其特點是:快速固化，2 min強度可達到25～30 MPa，可通過添加劑來調整固化時間;對水不敏感;與土石料和混凝土材料粘結良好。

整體道床中心處將螺旋絲杠打設于基巖內，TK-1型千斤頂布設于螺旋絲杠及H型鋼、化學錨栓及支撐鋼板形成的受力結構之間提供反力，形成上挑作用。兩側鑿除，人行道內布設TK-2型千斤頂，利用其頂升固定于整體道床兩側的角鋼，形成下頂作用。抬升方案設計如圖5所示。

整體道床抬升現場施工如圖6所示。整體道床抬升施工流程如圖7所示。

圖5 整體道床抬升示意

圖7 整體道床抬升施工流程

柏崖頭隧道K22+183—K22+191段整體道床抬升施工利用集中修時間14個天窗完成，其中前期準備及后期收尾工作占用13個天窗，抬升注膠工作利用1個天窗點(4 h)順利完成，未干擾運輸秩序。

4 抬升效果評價

柏崖頭隧道整體道床實際抬升與擬定抬升數據對比如圖8所示。

圖8 柏崖頭隧道整體道床抬升數據對比

由圖8可知，各點均達到了預定的抬升量。柏崖頭隧道整體道床抬升方案中，裂縫修補提高了道床的整體性，改善了結構受力，防止了抬升過程中道床從既有裂縫處斷裂。根據現場實際情況自制的TK-1型及TK-2型微型千斤頂等抬升設備，提供了有效抬升反力，滿足了現場抬升實際需要。SAA監測系統實時準確全面反映了抬升過程中各點位移情況，保證了抬升效果，基底注膠填充了抬升后形成的基底空隙，防止了基底再次下沉。柏崖頭隧道基底K22+183—K22+ 191段抬升注膠完成后，線路平順，列車通過該區段時各項指標均合理，取消了限速要求，圓滿完成了各項預定的工程指標。

5 結論與建議

本文通過太嵐線柏崖頭隧道內整體道床下沉病害整治工程實踐，研究既有鐵路隧道內整體道床抬升與基底錨注綜合整治技術，表明所采用的方案是經濟、合理、有效的。

1)與化學注膠等抬升方式相比，利用微型千斤頂采用上挑下頂的整體道床物理抬升方式，具有施工簡單、定位準確等優點，尤其適用于既有鐵路隧道內整體道床抬升工程。

2)采用的道床物理抬升+基底錨注，輔助整體道床表面裂縫修補的綜合整治方案，填充了基底空隙，有效提高了基底承載能力，控制了基底下沉的發展，適用于柏崖頭隧道基底下沉整治，達到了預期效果。

我國既有鐵路整體道床下沉現象屢見不鮮，本文介紹的抬升方法是一種可行的工程應對措施，具有良好的應用前景。

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(責任審編李付軍)

U213．2+41;U457+．2

A

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2014-07-12;

2014-09-23

張俊儉(1967—)，男，山西大同人，工程師。