冒天山隧道整體道床不均勻沉降病害分析

崔齊飛

(西安鐵路局科學技術研究所，陜西西安　710054)

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冒天山隧道整體道床不均勻沉降病害分析

崔齊飛

(西安鐵路局科學技術研究所，陜西西安710054)

摘要:以包西鐵路冒天山隧道整體道床墊層混凝土不均勻沉降病害為研究對象，通過折減不同范圍軌底墊層及仰拱填充強度參數與模量大小，施加多次列車荷載，對該隧道病害進行模擬計算，分析了整體道床板大小主應力、沉降變形及沉降差，得出了導致整體道床板局部脫離墊層、開裂翹曲問題的主要影響因素。

關鍵詞:隧道，整體道床，墊層，振動荷載，不均勻沉降

1　工程概況

1．1全隧道概述［1］

冒天山隧道為包西鐵路通道增建二線子長至蟠龍鎮段翻越冒天山的越嶺隧道，為單線隧道，起訖里程為K505+132～K520+ 047，全長14 915 m。隧道進口位于子長縣羊馬河內馮家石咀附近，穿越冒天山至蟠龍川的支溝華陰溝右岸出洞。隧道最大埋深210 m，隧道通過地區屬黃土梁峁，地面高程1 050 m～1 400 m，地形起伏，溝梁相間，坡面植被稀疏，不良地質發育，水土流失嚴重，多呈剝蝕梁峁與溝壑地貌，欒家溝和劉勝溝隧道埋深較小，最小埋深約0．5 m。冒天山隧道整體道床為雙塊式無砟整體道床結構，整體道床板每6．25 m長為一節。該隧道于2010年12月25日開始通車運營。

1．2水文地質特征

根據隧道區洞身附近及以上部分含水層的成因、巖性和含水介質特點，該區地下水類型屬黃土孔隙裂隙潛水及基巖裂隙水。

黃土孔隙裂隙潛水含水層主要為風積砂質黃土或黃土、紅黏土與頁巖風化層接觸帶，紅黏土為相對隔水層。沿線基巖節理裂隙不甚發育，水力聯系較差，分布不均勻，水量不大。

2　隧道病害特征［2］

2012年年初設備管理部門檢查發現，里程K514+750～K514+ 980段出現局部線路幾何尺寸變化較大，整修后無法保持，整體道床板底部局部脫離墊層、開裂翹曲，墊層開裂、側溝溝幫開裂錯臺病害。2012年8月5日隧道整體道床軌道板K514+905～K514+ 911．25段在K514+905處線路左側道床板出現下沉，同時線路右側出現抬高，下沉累計高度約15 mm，右側抬高約10 mm。同時在墊層下方出現裂縫，對K514+850～K514+937段進行監控量測，隨著病害的發展，K514+880處線路右側水溝溝幫抬高，約50 mm(拱頂施工縫修補的少量混凝土掉落，邊墻施工縫修補的少量混凝土目測沒出現裂縫)，抬高段水溝溝幫長約10 m，K514+900～K514+850段道床板出現抬高現象，軌道最大抬高高度20 mm; K514+850～K514+937段線路地右側水溝溝底及水溝溝幫與墊層之間出現斷裂縫(大致為45°)，水溝中無水。K514+911～K514+ 895．5段兩塊道床板下墊層出現裂縫及碎裂現象。2012年8月16日～9月8日病害發展迅速，整體道床板產生裂縫、翹曲，墊層混凝土開裂，拱頂襯砌修補混凝土掉皮等病害處所、數量，明顯增加。

2．2病害調查

通過現場物探、鉆探及工程測量，對病害原因進行初步分析。邊墻襯砌結構穩定，主要為道床底部病害。隧道病害地段的地質構造、地層結構相對穩定，未發現地下水，初步可排除高地應力和水的外部作用。根據前期物探、勘測結果，初步分析認為:

施工過程中仰拱與墊層之間澆筑混凝土回填層時出現部分夾泥(K514+886中心鉆孔中有泥)、少灰或膠結不良等，致使該層混凝土出現一定程度的離析(K514+850～K514+980地段墊層和仰拱間出現空心夾層)，物探揭示局部地段隧道底部出現不密實，經鉆孔驗證，出現多次掉鉆空腔。

在線路投入運營后，隨著列車動荷載的周期性沖擊振動和上下兩層剛性較強的混凝土研磨作用，該層已離析的混凝土受力后加劇了其顆粒間的粘力分散作用，墊層逐漸出現裂縫及碎裂現象，由于病害發生發展過程極為隱蔽，養護過程中未及時發現，長期作用后即形成了道床板下混凝土墊層開裂、整體道床板錯動、水溝幫翹起及開裂等病害。

1)病害地段墊層和仰拱混凝土厚度不夠，強度不足，且因仰拱開挖清底，仰拱填充、墊層、整體道床混凝土施工時，對上道工序的混凝土表面清理不干凈，各層混凝土間膠結力不足，呈多層板式結構，造成結構整體性較差。2)病害地段處于上坡和下坡變坡點區段，右側和道芯隧道底部呈搓板狀，基礎底部在列車沖擊荷載、制動力的反復作用下，多層板結構之間產生“搓板效應”。各層板間反復受力搓動，其中的軟弱層板受力磨損較快，變形較大，各層板間產生空隙，導致整個多層結構錯動破壞，進而導致整體道床板出現不均勻沉降，使線路的幾何尺寸發生變形。

3　隧道病害數值模型建立［2，3］

從上述病害現象及初步分析結果可知，該病害主要是由于局部軌底墊層及仰拱回填不密實，出現空腔，在列車沖擊荷載、制動力的反復作用下，出現不均勻沉降，進而導致整體道床板局部脫離墊層、開裂翹曲。

回用水調節池容積400m3，尺寸10.0m×10.0m×5.85m，回用水調節池配備3臺Q=92m3/h，H=16m，N=11kW潛污泵，兩用一備。回用水調節池容積430m3，排泥水調節池設計尺寸10.0m×10.0m×4.8m，池內配備1臺獨立的潛水攪拌機。排泥水調節池配備3臺Q=62m3/h，H=13m，N=5.5kW潛污泵，兩用一備。

為了進步一驗證病害產生原因，為后期病害治理提供資料，針對隧道病害建立了數值模型，采用數值計算方法，通過折減不同范圍軌底墊層及仰拱填充強度參數與模量大小，施加多次列車荷載對該隧道病害進行模擬計算，對整體道床板大小主應力、沉降變形及沉降差進行分析。

3．1模型建立

根據隧道斷面設計圖，建立高度10 m、跨度8 m的馬蹄形隧道，隧道埋深40 m，考慮邊界效應，隧道縱向長度60 m，兩邊土層寬度40 m，下部土層厚度41 m。由于主要討論隧道仰拱填充部分區域強度折減，在建模過程中將該部位網格細化，設計為寬0．2 m，高0．1 m的細小網格以方便折減部位控制。模型尺寸及細部結構示意圖見圖1。

圖1　模型尺寸及細部結構示意圖（單位：m）

3．2隧道病害模擬

1)列車荷載。根據TB 10002．1—2005鐵路橋涵設計基本規范附錄C取列車線荷載95．4 kPa/m，作用在寬度2．8 m的整體道床板上，換算為面荷載68．14 kPa/m2，每個模型均考慮1次、3次、5次、10次列車動荷載的等效靜載作用。

2)病害模擬。將道床板墊層及仰拱填充平均分為四份，取其中一份對局部進行強度參數和模量進行折減，模擬隧道基底局部空腔及部分地段墊層和仰拱混凝土厚度不夠、強度不足的病害情況，折減部位及大小如圖2所示。隨強度參數、模量及折減部位大小的不同分為7種工況，見表1。

圖2　折減部位及大小示意圖

表1　隧道病害模擬不同工況參數選取

局部軌底墊層及仰拱回填不密實，出現空腔，在列車沖擊荷載、制動力的反復作用下，出現不均勻沉降。折減墊層的粘聚強度和彈性模量，反映局部軌底墊層及仰拱回填不密實，出現空腔的強度與模量的變化。列車沖擊荷載、制動力荷載采用擬靜力法模擬。數值模擬反映在等效靜力荷載作用下已經損傷或回填密實度不達標的墊層產生不均勻沉降，導致道床錯位與開裂。

C20混凝土的初始粘聚強度為3 180 kPa，初始彈性模量為25．5 GPa，由于回填不密實以及孔洞的存在，混凝土整體的抗變形能力和強度大大降低，針對混凝土的變形問題，主要考慮回填不密實以及孔洞引起的混凝土整體變形模量變化，所以，混凝土整體彈性模量分別為初始模量的0．1倍、0．01倍以及0．001倍。還分別考慮了列車荷載作用引起變形，以及墊層回填不密實的區域范圍變化引起變形。

4　列車荷載作用下道床板不均勻沉降計算［2，3］

每種計算工況下對道床板沉降位移及其沉降差、道床板最大拉應力、最大壓應力進行分析。主要分析列車振動荷載(等效累積振動荷載)、墊層等效模量(回填不密實、出現空腔)以及墊層損傷區域(回填不密實、出現空腔的范圍)三種影響因素引起的道床板拉裂與壓裂破壞。

4．1道床板不均勻沉降引起的破壞方式

由于隧道仰拱底部混凝土墊層回填不密實與出現空腔，在列車荷載作用下道床板產生不均勻沉降，導致道床板發生破壞，影響列車運行安全。在回填不密實與出現空腔一側，道床板沉降較大，造成沉降較大一側的排水溝擠壓開裂破壞。當10倍列車荷載作用下，道床板最大沉降位移148．36 mm，沉降差為68．36 mm，道床板發生扭轉變形。通過計算道床板受拉為正，受壓為負，所以以道床板大主應力為受拉分析，以道床板小主應力為受壓分析，表明了道床板拉裂與壓裂破壞方式(見表2)。

表2　不同荷載條件下道床板變形與應力最大值計算結果

4．2等效累積列車振動荷載的影響

根據TB 10002．1—2005鐵路橋涵設計基本規范附錄C取列車線荷載95．4 kPa/m，作用在寬度2．8 m的整體道床板上，換算為面荷載68．14 kPa/m2，每個模型均考慮1次、3次、5次、10次列車動荷載的等效累積靜載作用。通過間接反映列車振動荷載循環次數引起的累積塑性變形，計算研究結果表明，列車振動荷載循環次數增多，道床板沉降差增大，不均勻沉降變得更加突出，道床板的最大拉應力與最大壓應力均顯著增大。因此列車振動荷載循環次數是道床板破壞的主要外在影響因素。

4．3墊層混凝土等效模量

表3　不同墊層混凝土模量條件下道床板最大變形與應力計算結果

物探揭示局部地段隧道底部出現不密實，并經鉆孔驗證，出現多次掉鉆空腔。局部軌底墊層及仰拱回填不密實，出現空腔，在列車振動荷載作用下，道床板產生較大的壓縮變形。數值模擬主要通過變化變形模量，反映軌道底部墊層回填不密實和空腔的程度導致道床板不均勻沉降。從表3中可看出，隨著損傷區域模量減小，道床板的沉降、沉降差、最大拉應力、最大壓應力都明顯增大。因此軌道底部墊層回填不密實和空腔是道床板破壞與翹曲的主要內在影響因素。

4．4墊層損傷范圍

墊層等效模量和粘聚強度的降低模擬混凝土墊層回填不密實，局部范圍墊層回填不密實導致道床板不均勻沉降，那么墊層回填不密實的局部范圍稱為墊層損傷范圍。墊層回填均勻密實，在10倍列車荷載作用下，最大沉降為70 mm，最大沉降差基本為0 mm，道床板沒有不均勻沉降，應力分布較為均勻，數值較小。通過對不同損傷厚度、寬度計算，從表4中可以看出，墊層回填不密實范圍的厚度相對于其寬度對道床板不均勻沉降影響較大。

表4　不同墊層損傷范圍條件下道床板最大變形與應力計算結果

5　結語

數值計算通過折減不同范圍軌底墊層及仰拱填充強度參數與模量大小，施加多次列車荷載對該隧道病害進行模擬計算，對整體道床板大小主應力、沉降變形及沉降差進行分析。主要得出以下結論:

1)采用墊層等效模量和粘聚強度的降低模擬混凝土墊層回填不密實，在列車荷載作用下，道床板產生較大的不均勻沉降，導致道床板發生扭轉變形，這是導致整體道床板局部脫離墊層和開裂翹曲的根本原因。以道床板大主應力為受拉分析，以道床板小主應力為受壓分析，指出了道床板拉裂與壓裂破壞位置。

2)根據TB 10002．1—2005鐵路橋涵設計基本規范附錄C取列車線荷載95．4 kPa/m，作用在寬度2．8 m的整體道床板上，換算為面荷載68．14 kPa/m2，每個模型均考慮1次、3次、5次、10次列車動荷載的等效累積靜載作用。通過等效累積靜載間接反映列車振動荷載循環次數引起的累積塑性變形，研究結果表明，列車振動荷載循環次數增多，道床板沉降差增大，不均勻沉降變得更加突出，道床板的最大拉應力與最大壓應力均顯著增大。列車振動荷載循環次數是道床板破壞與翹曲的主要外在影響因素。

3)物探揭示局部地段隧道底部出現不密實，并經鉆孔驗證，出現多次掉鉆空腔。局部軌底墊層及仰拱回填不密實，出現空腔，在列車振動荷載作用下，道床板產生較大的壓縮變形。數值模擬主要通過變化變形模量，反映軌道底部墊層回填不密實和空腔的程度導致道床板不均勻沉降。軌道底部墊層回填不密實和空腔是道床板破壞與翹曲的主要內在影響因素。

4)通過墊層等效模量和粘聚強度的降低模擬混凝土墊層回填不密實，局部范圍墊層回填不密實導致道床板不均勻沉降，那么墊層回填不密實的局部范圍稱為墊層損傷范圍。依據數值分析，墊層回填不密實層的厚度相對于其寬度對道床板不均勻沉降影響較大。

參考文獻:

［1］鐵道第一勘察設計院．包西鐵路冒天山隧道整體道床施工圖及相關設計資料［Z］．2007．

［2］西安鐵路局科學技術研究所．包西鐵路下行線冒天山隧道墊層下沉開裂病害數值分析報告研究報告［R］．2015．

［3］西安科學技術研究發展有限責任公司．包西鐵路下行線冒天山隧道整體道床變形測試報告［R］．2012．

［4］許新樁．陜北黃土地區鐵路隧道基底病害機理分析及治理措施［J］．公路交通科技，2015(9):18-20．

中圖分類號:U457

文獻標識碼:A

文章編號:1009-6825(2016)17-0180-03

收稿日期:2016-04-08

作者簡介:崔齊飛(1980-)，男，工程師

Analysis on uneven settlement diseases of Maotianshan tunnel monolithic roadbed

Cui Qifei
(Xi’an Railway Bureau Science＆Technology Research Department，Xi’an 710054，China)

Abstract:Taking uneven settlement diseases of Maotianshan tunnel monolithic roadbed cushion concrete as the research target，through reducing bottom track cushion and inverted arch filling strength parameters and modulus with different scopes and implementing various trains loads，carries out the simulation computation of the tunnel diseases，analyzes majors tress，settlement deformation and settlement difference of monolithic roadbed，finally finds out major influential factors leading to monolithic roadbed separating from the cushion and cracking and warping and other problems．

Key words:tunnel，monolithic roadbed，cushion，vibration load，uneven settlement