某運營線鐵路隧道隧底混凝土結構隆起的原因分析及建議

孫曉陽

【摘 要】隧底混凝土結構開裂隆起，結合竣工文件對隧道病害段進行了調查、綜合檢測、實驗室分析及結構受力檢算，綜合分析了病害的原因，并提出一些隧道設計施工檢測及維護建議。

【關鍵詞】隧底結構隆起；襯砌開裂；受力檢算

1.引言

隧道運營后，隨著時間推移，部分隧道由于各種原因造成隧底混凝土結構開裂隆起及拱墻襯砌開裂，導致線路幾何狀態難以保持，影響列車運行或造成列車降速運行。隆起后，應及早監測并全面分析原因并加以合理整治，以防對結構及行車的危害進一步加大。

2.隧道主要情況

2.1隧道概況

隧道穿越地段隸典型干旱地區高原剝蝕丘陵地貌，隧址內無控制性大型斷裂、褶曲構造，隧址地震動峰值加速度值為0.1g，最冷月平均氣溫-11.5℃左右。最高時速80Km/h的貨運電化鐵路單線隧道，采用次重型有碴軌道設計，全隧采用曲墻帶仰拱復合式襯砌。

2.2隧道病害處地質情況

病害段距離洞口500m以上，病害段里程K10+117～+149，埋深51～63m，病害段在內的K9+981～K10+281為Ⅳ級圍巖級地段，貧水區，隧道最大跨附近以上為三疊系上統砂巖，最大跨附近以下為三疊系上統泥巖，具體地質情況如下：

2.2.1 砂質黃土：主要分布于洞身頂部表層，厚度1～3m；

2.2.2 砂巖：青灰-灰白色，節理裂隙發育，泥鈣質膠結，中、粗粒（局部含礫）結構，厚層—巨厚層狀構造；全、強風化層厚15～20m，Ⅳ，σ0=400kPa；以下弱風化，σ0=500kPa。

2.2.3泥巖：棕紅色，節理裂隙發育，泥質結構，層狀構造；具弱膨脹性，蒙脫石含量23.61%，自由膨脹率Fs=36.8%，自由飽和吸水率ωsa=28.4%，膨脹力Pp=270.47Kpa；全、強風化層厚15～25m，Ⅳ，σ0=300kPa；以下弱風化，σ0=400kPa。

2.2.4 地下水主要為砂巖層中賦存的基巖孔隙裂隙水，水質對圬工無腐蝕性。

2.3主要設計支護參數

初支全環設置1榀/m的H125型鋼鋼架，C20噴混凝土厚18cm，二襯及仰拱采用30cm厚的C25混凝土，仰拱填充采用C20混凝土，道心處隧道混凝土結構總厚度152cm。

2.4施工及變更情況

施工地質與設計地質情況基本吻合，病害段及其附近未發生變更，亦未發生坍塌塌方等。

配合施工期間，K10+097處隧底開挖時，未見地下水水且為質硬泥巖。

3.隧道隆起段病害情況

3.1縱向裂縫

通車后6.3～8.6年，病害段襯砌兩側均出現縱向裂縫并向兩頭有延伸，裂縫位置在最大跨以下1.4m處，裂縫寬度1～3mm，裂縫兩側及附近未見明顯錯臺、次生裂縫及小范圍掉塊。

3.2環向裂縫

襯砌出現環向裂縫2道，間距約10～15m。開裂部位為拱部及兩側邊墻，裂縫基本在同一里程斷面處，且每道環向裂縫長度為18～19m，最大裂縫寬度1～3.5mm；環向裂縫距離環向施工縫1m以上，裂縫兩側及附近未見明顯錯臺、次生裂縫及小范圍掉塊。

3.3隧底隆起

隧底結構不同程度開裂及隆起，兩側的水溝蓋板傾斜約15～20°，隆起段道心附近道砟厚度為12～25cm。

3.4隧底隆起及襯砌開裂后的工務處理

縱向裂縫出現及逐漸稍變大后，工務采取的措施為水泥漿涂抹及日常監測；隧底隆起段從輕微直至嚴重階段，工務采取的措施為減小碎石道床厚度、適度調整軌道幾何尺寸及日常監測，同時列車在該段降速運行。

4.對隧道的監控量測、調查、檢測、物探鉆探、有關實驗分析及結構檢算

通車后8.6年，為全面分析病害原因，結合竣工文件進行了調查，并布置監控量測、內輪廓檢測、鉆探取樣進行實驗室分析及結構受力撿算分析。

4.1 拱墻襯砌觀測及內輪廓檢測

由于缺乏相關資料，無法判斷病害段的襯砌收斂及沉降的絕對值，只能對現有觀測及檢測值與理論設計值進行對比分析。

對比分析結果為，拱墻襯砌穩定無明顯收斂及變形，襯砌內輪廓未侵限，持續續監測的2周時間內襯砌收斂及沉降處于穩定狀態。監測數據表明，軌面高程高出設計值215mm～354mm。

4.2 地質雷達物探

對病害段拱頂及兩側邊墻進行物探，混凝土厚度滿足設計值，混凝土密實，拱頂部分段落存在回填不密實及離析現象。

4.3鉆探

為探明基底情況，進行鉆探，共計10處，鉆孔深度為120～160cm，鉆探位置為道心及側溝附近仰拱填充。

經鉆探，混凝土與隧底巖層結合部未見虛砟；隧底混凝土結構總厚度在道心附近為0.35m～0.45m，在水溝附近為0.30m～0.35m；未施工仰拱。

隧底混凝土結構以下泥巖地層較破碎，且潮濕；經鉆探揭示，隧底受擾動地層厚度1.8～2.1m。

4.4 混泥土結構強度檢測

對取出的混凝土芯樣，進行混凝土抗壓強度檢測，襯砌的檢測強度為25.6～29.1Mpa，滿足設計強度25Mpa；仰拱填充的檢測強度為25.52～27.23Mpa，滿足仰拱填充設計強度20Mpa。

4.5 隧底隆起段兩側水溝中有小股水流。

4.6 泥巖膨脹性分析

隆起段2處鉆孔進行鉆探至隧底以下5m，以獲取未擾動地層巖樣；在兩側邊墻縱向裂縫以下1～1.5m附近，鉆孔取樣2處，每側各1處，鉆孔沿線路方向間距10m，鉆孔深度沿水平方向不小于5m。

對4份泥巖巖樣進行膨脹性試驗，結果如下：蒙脫石含量26.1～27.43%，自由膨脹率Fs=49.78～52.9%，自由飽和吸水率ωsa=38.81～44.56%，膨脹力Pp=360.73～427.43Kpa。

4.7 病害段襯砌受力檢算

由于隧道病害嚴重，且考慮到病害段存在地下水及膨脹性泥巖等情況，故采用荷載結構模型對結構的安全性能進行分析評價。

根據隧道施工圖、鉆孔及檢測資料等，對隧底結構按35cm厚的C25混凝土底板考慮，考慮泥巖膨脹力按0.427Mpa、結構自重及正常圍巖壓力等荷載采用有限元軟件進行分析，結果如下：

結構關鍵部位安全檢算

位置 軸力

（kN） 彎矩

（kN.m） 截面高

度（m） 混凝土

等級 強度控

制因素 安全

系數

拱頂 -175.28 21.35 0.30 C25 抗拉 4.17

拱腰 -201.71 -17.25 0.30 C25 抗拉 7.33

拱腳 -237.49 -26.78 0.30 C25 抗拉 3.52

最大跨 -310.54 5.73 0.30 C25 抗壓 18.28

最大跨以下1.4m -286.43 -47.49 0.30 C25 抗拉 1.58

邊墻底部 -272.31 -39.55 0.35 C25 抗拉 3.02

道心底板 -268.29 96.48 0.35 C25 抗拉 0.88

水溝附近底板 -197.45 67.42 0.35 C25 抗拉 1.28

注：抗拉控制安全系數3.6，抗壓控制安全系數2.4。

經計算，隧道襯砌的結構安全系數存在不滿足規范要求的情況，具體如下：

隧道二襯拱部受拉控制，結構安全系數滿足規范要求；邊墻最大跨附近及以上部位，結構安全系數滿足規范要求；邊墻在最大跨以下1.4m附近及以下邊墻，結構安全系數不滿足規范要求；底板受拉控制，結構安全系數遠小于規范要求。

5.隧道病害原因分析

該病害段為Ⅳ級圍巖地段，施工時下導弱風化泥巖無水及開挖支護及時，隧底泥巖堅硬承載力較高。由于施做40cm厚度的C25混凝土底板后，邊墻下部受力狀況改變為受拉控制，以及運營后對地層有一定的擾動，砂泥巖接觸帶的地下水逐漸滲入泥巖，泥巖膨脹性逐漸增大，隧底及邊墻部位圍巖承載力逐漸降低，底板逐漸不足以抵抗隧底的圍巖壓力，出現開裂及輕微破壞，邊墻部位裂縫出現，直至底板逐漸開始破壞，并不斷隆起。

5.1隧底隆起

隆起原因：隧底混凝土結構總厚度嚴重不足，不能承受隧底較大的圍巖壓力等作用。

根據檢算，道心附近底板最大安全系數0.88，最大拉應力值為2.49Mpa，該值大于C25混凝土抗拉設計值2.0Mpa，底板應基本破壞，且道心附近的破壞情況應較嚴重，這與現場勘查情況一致。軌下部分隆起最嚴重，大致為35+30-12=53cm；水溝附近的底板開裂隆起后，導致水溝蓋板傾斜，附近底板隆起高度大致為50×sin20°=17cm。

5.2邊墻縱向裂縫

開裂原因：由于未施工仰拱，使隧道襯砌未形成閉環結構，從而改變邊墻的正常受理狀況，邊墻部位出現受拉控制。

襯砌兩側最大跨以下1.4m處附近安全系數1.58<3.6，安全系數較低但襯砌不會發生破壞，襯砌在該位置出現對稱縱向裂縫，裂縫最大寬度3.5mm，裂縫是否貫通整個截面應結合其他檢測手段監測裂縫深度。

5.3邊墻底部安全系數較小情況

邊墻底部安全系數3.02<3.6，勘查現場襯砌該處未發現裂縫，主要原因為：此處襯砌實際厚度比計算采用值35cm大15cm左右；邊墻混凝土強度比設計值稍高0..6～4.1Mpa；該部位襯砌安全系數相對接近規定限值。

襯砌厚度由0.35m修正為0.5m時，結構安全系數大于3.6。

5.4環向裂縫

病害段不同里程處，道心附近隧底混凝土結構不同程度開裂隆起后，，隧底地層同步有不同程度松動隆起，表明隧底地層的承載力不同程度降低，從而引起襯砌整體的不均勻沉降，導致襯砌在非環向施工縫部位出現環向裂縫。每環的環向裂縫的長度大致為18～19m，也表明襯砌不均勻沉降相對較明顯。

5.5泥巖膨脹性

勘察階段泥巖的膨脹力為Pp=270.47Kpa，病害段的泥巖膨脹力為Pp=427.43Kpa，二者有一定的差值，主要原因為二者取芯位置不同及取芯方式方法可能有關。

在設計階段，綜合了其他膨脹性判定標準及工程對比，對泥巖的膨脹力考慮了安全系數1.3，設計采用值=270.47*1.3=351.61。雖膨脹力采用值小于病害段泥巖膨脹力的試驗值75.82Kpa，但該差值對襯砌的影響很小，也不是拱墻襯砌開裂及隧底隆起的主因。

6.整治建議

病害段隧底混凝土結構已經破壞，不能承載，需開挖后恢復隧底的初支、仰拱及仰拱填充。同時為策襯砌安全，隧底整治前需對邊墻襯砌進行加固。

6.1對縱向裂縫上下的襯砌進行錨桿注漿加固。

6.2對最大跨以下邊墻進行錨桿及錨管注漿加固，根據錨管間距及管徑在錨管內（間隔）加設鋼筋籠。

6.3.加固線路對線路進行架空，方案有扣軌施工及采用D型梁等，架空方案中應進行檢算，確保降速行車安全。

6.4隧底初噴后，進行基底注漿加固，隨后進行恢復隧底初支仰拱及仰拱填充等。仰拱整體澆筑禁止半幅澆筑，仰拱與填充分開澆筑，嚴禁一次澆筑。

6.5施工完仰拱填充，根據情況進行環向裂縫整治。

6.6邊墻及隧底地基注漿采用加固型TGRM水泥基特種灌漿料及超細型TGRM水泥基灌漿料。

6.7拆除開挖整治時，分段跳槽拆除，拆3m跳6m，每次拆換長度不大于3m。

6.8嚴格進行監控量測，必要時根據情況采用臨時加固措施。

6.9所有隧道內施工事項，應按既有線改建施工相關規定規程規范等辦理，確保安全。

7.結束語

7.1當圍巖較好時，隧底混凝土結構為底板，底板及邊墻下部主要受拉控制，為了提高底板的抗拉，底板應采用鋼筋混凝土。

7.2當圍巖較差時，襯砌背后的圍巖壓力等作用較大，充分發揮混凝土的極限抗壓強度遠大于極限抗拉強度的特性，讓隧底受力結構（仰拱）及邊墻處于受壓控制狀態，應采取帶仰拱復合襯砌。

7.3當隧道襯砌出現較長或較寬的裂縫時，第三方檢測單位應檢測裂縫深度，以有利于分析病害原因，以及有利于結合其他信息綜合判斷襯砌結構的安全狀態。

7.4對于隧道施工，現場單位應嚴格按圖紙施工；并應掌握一定的工程地質知識及鐵路隧道設計規范等一些主要內容，例如：軟硬巖的識別、鐵路單線隧道Ⅲ級圍巖軟巖地段及Ⅳ至Ⅵ級圍巖地段均采用帶仰拱復合襯砌。

7.5運營鐵路的隧道，工務部門的監測工作應按相關規定規程施做，相應的監測設備應配備齊全，監測資料應規范記錄；一旦發生病害時，準確詳實的資料有利于分析病害產生的原因。

當工務部門發現隧道襯砌出現裂縫或道床隆起等病害時，并根據病害不同持續一定時間的監測；當病害持續發展或超限時應及早上報有關部門，并由第三方機構進行檢測以全面分析原因并及早加以整治，防止病害進一步發展（如襯砌出現貫通裂縫等）等，危機結構及行車安全并引起整治費用增大。

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