重載鐵路軟弱基底黃土隧道仰拱開裂整治及隧底加固

田永鑄

(中鐵十二局集團第三工程有限公司，山西太原 030024)

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重載鐵路軟弱基底黃土隧道仰拱開裂整治及隧底加固

田永鑄

(中鐵十二局集團第三工程有限公司，山西太原 030024)

為解決某重載鐵路長大、有水黃土軟弱基底隧道仰拱開裂病害，首先開展了裂縫分布、混凝土結構質量及圍巖地質情況詳勘。在此基礎上分析隧道仰拱開裂的原因，有針對性地提出引排水、裂縫注漿堵裂、鋼花管注漿加固隧底、仰拱表面敷設鋼筋網加強的整治措施，有效解決了出現的問題，為同類問題的預防及處理提供了一定經驗。

重載鐵路 軟弱基底 黃土隧道 仰拱裂縫整治 隧底加固

隧道支護結構是抵抗隧道變形，保證隧道穩定的重要保障。大部分隧道的結構設計基準為100年，對承載能力、使用安全的要求很高[1，2]。特別是對于重載鐵路，運營期內往往很難及時發現問題，故建設期內及時發現隧道開裂變形問題，加強支護結構的承載能力和整體性就顯得極為重要。

所述問題隧道位于整條重載鐵路隧道的出口段，里程為DK56+570～+994，共計224 m。隧道支護施工即將完成時，發現隧底仰拱出現大量裂縫。為保障隧道使用后重載鐵路的安全運營，對隧道開裂段進行了加固治理。

首先介紹隧道的設計和工程地質條件，隨后給出隧道仰拱裂隙的分布和詳細的隧道圍巖及施工質量勘察成果。在此基礎上提出了“鋼花管樁注漿+裂縫處理+仰拱表層鋼筋網加強”的方案。經過對隧道變形的監測，表明本次加固處理措施得當，隧道仰拱開裂得到有效控制，可為相關工程提供一定的借鑒。

1 工程概述

1.1 隧道設計

隧道為單洞雙線隧道，圍巖以Ⅳ、Ⅴ級為主，軌道采用無砟軌道。隧道地屬黃土高原丘陵地貌，溝壑縱橫，地形起伏較大，沖溝發育，海拔高程1 100～1 334 m。隧道地質十分復雜，集濕陷性黃土、土石分界、陷穴、淺埋偏壓、富水等不良地質為一體，安全施工管理風險較大，為全線高風險隧道，屬于全線的控制性工程。

隧道結構采用雙線隧道無砟軌道Ⅳ級(黏土)復合襯砌，隧道斷面設計如圖1所示，設計隧道仰拱和填充層厚度如表1，病害發生時隧道仰拱和填充層厚度如表2。

圖1 雙線隧道設計

表1 隧道基底仰拱和填充層設計厚度 cm

表2 當前隧道基底仰拱和填充層要求厚度 cm

1.2 工程地質概況

(1)地質概況

施工過程中開挖揭示DK56+570～+638段圍巖為粉質黏土，棕紅色，硬塑，含水量大，沿節理處滲水，局部呈股狀流水，初期支護滲水。粉質黏土具弱膨脹性。

施工過程中開挖揭示DK56+638～+823段圍巖上導地層為老黃土，褐黃色，中、下導地層為粉質黏土，紫紅色，堅硬-硬塑，局部夾半膠結碎石類土層，呈大塊狀壓密結構。粉質黏土具弱膨脹性。

施工過程中開挖揭示DK56+823～+994段圍巖為新黃土，淺黃色，硬塑；老黃土，褐黃色，硬塑；新老黃土界面自基底變化至隧道拱頂附近。

(2)地下水

勘察資料表明，地下水位位于路肩設計高程以下，隧道洞身局部可能含水。隧道施工開挖過程中，二襯排水孔大部未見出水，局部有少量滲水。拱開裂后大部裂縫處有析水(少量滲水)現象。仰拱開槽至基底對地下水情況進行觀測，發現仰拱與土層分界面有股狀水流，水流方向推測為順坡向小里程方向。

(3)開裂段隧道圍巖分級

開裂段隧道圍巖分級如表3所示。

表3 開裂段落圍巖分級統計

2 地質及施工詳勘

2.1 裂縫分布狀況

對隧道隧底裂縫調查發現，隧底裂縫開裂嚴重，裂縫分布廣，偏離隧道中心線左右兩側幅度在65～90 cm之間，裂縫寬度在4～10 mm之間，部分段落裂縫處有輕微錯臺，整個變形段長424 m。

裂縫分布情況統計如表4。

表4 裂縫位置及寬度統計

2.2 隧道開裂段地質及施工質量詳勘

為進行仰拱開裂原因分析，制定有針對性的整治措施，對開裂段隧道仰拱填充及隧底地質情況開展了詳細調查，主要開展了以下勘察工作。

對隧道底部填充層、仰拱混凝土及圍巖開展了鉆孔取樣；

對隧道仰拱和填充層和基底圍巖進行縱向與橫向的地質雷達檢測；

隧道裂縫、隧底結構沉降變形以及基底水壓檢測。

(1)鉆孔取樣勘察成果

分別在DK56+646(距左邊墻3.5 m)、DK56+744(距左邊墻2.8 m)、DK56+890(距左邊墻3.6 m)三處鉆孔取樣。

圍巖地質勘察結果表明，鉆孔內淺部約1.4～1.7 m范圍內為支護結構混凝土，其后1.7～3.6 m為黃色粉黏土，3.6～4.9 m為棕紅色黏土，4.9～7.4 m為黃色粉黏土。室內試驗結果表明，隧道圍巖土體屬于粉質黏土，土體中密、飽和，具有弱膨脹性，且鉆孔淺部土體密度較低，表明隧道圍巖已發生松弛變形。

從3個鉆孔取出的巖樣看，混凝土仰拱和填充層沒有明顯界限，基本為一次澆筑。混凝土厚度為135～170 cm，大于基底厚度129.2 cm，施工厚度滿足設計要求。混凝土強度試驗結果表明，混凝土強度在30.5～53.7 MPa之間，強度滿足設計要求。

(2)隧底混凝土雷達探測

對隧道開裂段布設了10條雷達探測線，以掌握全面的施工質量。隧道縱向沿中線、左側軌道中線及右側軌道中線布置3條測線。沿軌道橫向布置7條橫向測線。具體測線布置見圖2。

圖2 隧道測線布置

各測線不同位置處的仰拱與填充層厚度及其分布情況經統計分析如下：

①隧道縱向方向上，混凝土填充層和仰拱厚度最大值為230 cm，最小83 cm，平均143 cm，大于基底厚度129.2 cm的長度為311 m，小于基底厚度的長度有100 m。

②線路橫向方向上混凝土仰拱與填充層厚度總體滿足設計要求。

隧道檢測區段內部分地段仰拱或仰拱下部圍巖內存在不密實等病害異常情況，有314 m，占78.5%。另外，檢測過程中仰拱上表面普遍存在積水現象，雷達檢測結果顯示其下部圍巖內也普遍存在含水較大現象，加之此隧道內圍巖大部分為黃色粉黏土，極易發生變形，從而導致仰拱開裂等病害。

在DK56+635，DK56+735，DK56+835，DK56+935設4處觀測斷面，在水溝邊、隧道中線、拱頂設水準觀測點，并設裂縫變形觀測點。每日觀測2次，觀測周期直至不再變形為止。隧底變形觀測結果如下：

①經對觀測數據統計分析，4處裂縫寬度變化均在1 mm之內，變化不明顯。

②隧底左、中、右側相對高程變化有一定累積(以中點為基準點，觀測左右兩點高晨個變化)，隧道DK56+735和DK56+935處左側觀測點下沉，下沉量在1.209～3.378 cm，DK56+635和DK56+835處左側觀測點上升，上升量在0.247～2.780 cm；4處監測斷面右側觀測點均上升，上升量為0.149～2.537 cm。

(4)隧道基底地下水分析

隧底頂面多處有集水，由裂縫滲出，地下水壓較大。施工中為了減少隧底頂面集水，便于施工，在這段隧底挖了幾個集水井，用水泵排出地下水。

3 隧底仰拱開裂原因分析

3.1 隧道受力分析

從病害調研情況來看，隧道仰拱裂縫基本為縱向發展，沒有橫向裂縫，裂縫口張開，部分段落有微小錯臺，主要為受拉裂縫，可以判定主要與支護結構承受彎矩有關。利用有限元分析軟件ANSYS建立隧道力學模型，開展隧道支護結構受力計算分析。圖3為隧道支護結構承受的彎矩分部圖。

圖3 斷面彎矩示意

從圖3可以看到，隧道頂部和底部承受了較大的臨空方向彎矩，隧道底部中間的彎矩最大，達到了96.12 kN·m，是造成隧道仰拱開裂的一個重要原因。

3.2 地下水作用分析

AutoCAD導出的協作文件為stl格式，模型繪制完畢后，選取每個獨立部件，選擇發布->發送到三維打印服務，設置好相關參數后，即可將單個模型生成為stl格式文件。

地下水是引起隧底結構開裂的主要原因，主要體現在兩方面。

(1)地下水對隧底圍巖的作用

圍巖勘察結果表明，隧底圍巖具有膨脹性，遇水產生膨脹力直接作用于隧底仰拱，增加了仰拱的彎矩，加劇了隧底結構開裂。當隧道開挖后，隧底土體卸荷松弛，降低了隧底圍巖抗力系數，也會增加支護結構上的荷載。

(2)地下水壓力對隧底結構的作用

雷達檢測結果表明，地下水壓力較大，作用在仰拱上，對隧底結構產生了向上的彎矩，加速了隧底填充層開裂。

3.3 其他原因

由于隧底地下水發育，造成隧道開挖后圍巖膨脹松弛，施工清挖過程中存在清理不到位的情況，而且隧底圍巖粉質黏土層分布不均，引起隧底地基存在軟硬不均現象。

此外，隧道仰拱和二次襯砌施做時機過早，隧道圍巖圍壓釋放不足也增加了隧底支護結構的彎矩，促進了支護結構開裂。

4 隧底病害加固方案

鑒于該線設計為重載鐵路且為無砟軌道，本著一次根治、不留后患的原則，應采取有效工程措施進行處理。借鑒以往工程經驗，并綜合各方面意見，確定采用鋼花管樁注漿方案，并做好裂縫處理及仰拱表層鋼筋網加強措施。

4.1 鋼花管樁注漿主要技術參數

(1)注漿鋼花管樁長

考慮到仰拱層厚度較大，鉆孔難度較大，加固方案應加大樁間距以減少樁的數量，因此，管樁長度必須夠長，以提供足夠的承載力，但單樁樁長也不應過長，避免浪費[3，4]。根據本次加固隧道基底地層情況，本次鋼花管樁長度為8 m，進入基底長度為6.1 m，鉆孔直徑為15 cm。鋼花管直徑為108 mm，壁厚8 mm。沿橫斷面在4根鋼軌下布置4根樁(如圖4所示)。

圖4 注漿鋼花管加固斷面(單位：cm)

(2)注漿鋼花管間距確定

根據鐵路中—活載圖式標準，本客貨共線鐵路荷載(按照一般荷載分布)換算均布荷載為1.2×250 kN/1.6 m=187 kN/m。

考慮機車通過時會產生沖擊力，其動力系數(μ)取機車通過的動力系數0.2。

P=(1+μ)P=(1+0.2)×187=224 kN/m

列車荷載全部由鋼花管承擔，則樁間距為

L=(2Ra)/Q

L=(2Ra)/Q=2×86.1/224=0.975m

取鋼花管的間距為1.0 m。

(3)鋼花管注漿的主要施工工藝

采用φ108 mm×8.0 mm鋼管，在鋼管頂端1.8 m以下部分沿鋼管軸線間距5 cm、徑向旋轉45°鉆φ8 mm的孔眼，注漿孔沿鋼管四周呈螺旋式布置，注漿孔用特制膠帶和凝膠密封。先定好孔位，再用臺鉆鉆孔，防止偏斜。鋼管外壁要用鋼絲刷除銹，以增強鋼管與水泥漿的粘結力，也有利于封孔膠帶粘貼牢靠，鋼管連接采用φ120×8 mm的無縫鋼管套接。將φ108插入φ120 mm內，環縫處焊接，接頭鋼管長度120 mm。注漿鋼花管構造見圖5。

圖5 注漿鋼花管構造

第一次注漿管從鋼花管中間下管安裝，注漿管端頭15 cm范圍內鉆φ8梅花孔眼，固定在U形托架上，端頭距孔底約12 cm。注漿管在封端鋼板出口處用膠帶密封。

鋼管底部用厚度5 mm 的鋼板焊接密封，頂部對稱焊接2個Φ14 mm的螺母，作多次注漿固定槍頭用。注漿孔用專用膠帶纏繞密封，纏繞4～5層。

為了保證鋼管在孔中居中，同時保護密封膠帶在鋼管入孔時不被損壞，沿鋼管軸線間隔2～3 m安裝一個對中架，對中架按設計圖中要求加工和焊接。用φ16 mm鋼筋在鋼管底部焊接V形托架，長度10 cm，避免鋼管與孔底泥渣直接接觸而銹蝕。

一次常壓注漿:采用P.O 42.5水泥配制純水泥漿，水泥漿配合比為水泥∶水=1∶0.5。用攪拌機攪拌，先倒入水，然后邊攪拌邊加入水泥，經過濾后倒入泥漿池，并不停地攪動，避免水泥漿沉淀離析。一次注漿塑料管綁安在鋼花管中間，與鋼管一同入孔，伸入孔底，從孔底向上反向壓漿，將孔底的水或泥漿壓出來，至孔口返出正常的水泥漿液。

注漿設備采用泥漿泵，從注漿泵到孔口用內徑20 mm的高壓液壓軟管輸送漿液。應注意控制流量，防止堵塞管路。

一次注漿為0.4 MPa，當孔口返出正常漿液時即停止，如果出現漿液凝固收縮回落到孔口以下，要及時補漿，直到孔口注滿為止。

二次注漿:二次注漿配合比為水泥∶水=1∶0.7。注漿量按500 kg/m或注漿壓力不小于1 MPa(管口)單控。實際操作中，應隨時注意現場情況，如果有地表冒漿或裂縫增大等異常情況要及時停止注漿，查明原因，可以采取減小注漿壓力或間歇式注漿的辦法處理。

4.2 其他補強措施

(1)裂縫修補

對于已經產生的仰拱開裂裂縫需要進行修補封閉，將裂縫鑿40 cm深，寬20 cm，用微膨脹混凝土補強，混凝土強度等級為C35。

(2)增設橫向排水管

在中線每間隔5 m設置孔徑大于10 cm的減壓排水孔，深3 m，孔中放排水管外包土工織物布反濾，間隔距離20 m，由橫向排水管排入水溝內。填充層未完成施工時，將排水管澆筑在填充層內。

(3)仰拱填充層頂層內配筋加強

鑒于隧道填充層表層有0.5 m厚度尚未施工，因此在該層內配筋可提高仰拱的抗裂性能，配筋見圖6。

圖6 填充層配筋(單位：cm)

5 結束語

該隧道通過鋼花管注漿加固及仰拱填充補強處理后，通過長時間觀察，該隧道未出現仰拱開裂及滲漏水現象。目前，該工程已經通車，通車后也未出現異常情況，說明對該隧道的病害原因分析是正確的，對該隧道病害整治措施行之有效。

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[2] 黃鑫琢，柳華.鐵路隧道拱圈襯砌裂縫病害整治技術[J].西部探礦工程，2006(3):139-140

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[4] 程新軍，程煒.梅河高速公路三斷嶺1號隧道鋼花管注漿預加固效果的探討[J].鐵道建筑，2005(5):17-23

[5] 李江輝.某特殊土隧道塌方原因淺析[J].鐵道勘察，2015，41(2)

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[7] 趙松.燕山高風險特長隧道綜合勘察技術應用[J].鐵道勘察，2015(1)

The Regulation for Inverted Arch Crack and Reinforcing Tunnel Bottom of Heavy Haul Railway Loess Tunnel With Weak Base

TIAN Yongzhu

2016-07-26

田永鑄(1974—)，男，1998年畢業于太原理工大學建筑工程專業，高級工程師。

1672-7479(2016)05-0059-05

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