高速鐵路隧道無砟軌道上拱整治技術研究

李 強

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600)

引言

據統計，截至2017年年底，我國已經通車運營的鐵路隧道14 547座，總長約15 326 km；在建鐵路隧道3 825座，總長約8 125 km；正在設計和規劃的隧道5 596座，總長約13 331 km。預計到2030年，中國鐵路隧道的總長將突破30 000 km。當前，我國隧道數量已超越世界上其他國家隧道的總和，已成為名副其實的隧道大國、隧道強國[1-3]。

為降低維修養護成本，滿足高速鐵路運營安全及乘客舒適度的需要，隧道內鋪設無砟軌道是必然的，無砟軌道幾何精度要求非常嚴格；我國隧道工程分布區域廣泛，修建過程需穿越各類復雜的地質，加之施工工藝、施工質量的影響，倘若隧道周邊地下水發育、水量豐富，極易在隧底結構薄弱部位產生積水，在水壓的作用下，容易引起道床板的上拱，嚴重時， 道床破壞并有可能導致隧道結構失穩， 嚴重影響列車運營安全，為隧道運營期的災害治理帶來諸多新的挑戰[4-6]。

以某運營高速鐵路隧道無砟軌道道床板上拱為例，分析問題產生的原因，對整治措施進行探討，為類似工程病害處置提供參考。

1 研究工點病害情況

1.1 工程水文地質條件及支護參數

病害段施工揭示地層為二迭系下統童子巖組中薄層狀粉砂巖、砂巖，弱風化，含煤層，屬軟質巖，圍巖較破碎，地下水較發育，綜合判定圍巖級別為Ⅳ級。

根據工程水文地質條件，病害段采用Ⅳ級圍巖瓦斯地段復合式襯砌，初期支護為23 cm厚C25噴混凝土(內嵌格柵鋼架、1 m /榀)，二次襯砌采用40 cm厚C35氣密性鋼筋混凝土，防水板及瓦斯隔離層全斷面整環設置，采用兩套完全獨立的排水、排放瓦斯系統，實現地下水和瓦斯的獨立排放。

采用CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道結構形式，道床板為連續澆筑，軌道結構高度497 mm；道床板下設置30 cm厚支承層。復合式襯砌設計橫斷面詳見圖1[7]。

圖1 復合式襯砌設計橫斷面(單位：cm)

1.2 病害情況

(1)軌道幾何參數檢查情況

動檢車檢測病害段出現70 m長波右高低8.5 mm、短波右高低6.48 mm；采用軌道檢查儀檢測病害段高低不良，高低峰值為+7 mm，軌向在1.5～-1.5 mm，水平在-2.4～0 mm，三角坑峰值2.2 mm；綜合判斷，病害段達I級偏差，不滿足正常行車要求。

(2)道床板開裂情況

道床板表面橫向裂紋12條，縫寬0.1-0.3 mm，其中貫通裂紋7條，未貫通裂紋5條，K24+834.3橫向裂紋長0.52～2.81 m。

(3)隧底檢測情況(圖2)

物探及鉆孔驗證資料顯示：從支承層至防水板的厚度在0.61～1.13 m，仰拱及填充存在嚴重的厚度不足、部分地段厚度較設計厚度差約80 cm，且揭示隧底地下水發育，有地下水從鉆孔中流出，水流清澈[8-9]。

圖2 鉆孔驗證軌下典型橫斷面(單位：cm)

1.3 病害原因分析

仰拱及填充厚度嚴重不足、地下水發育、積水嚴重是導致病害段軌道幾何位移的主要原因，在地下水的作用下，薄弱部位仰拱及填充產生向上的大變形，造成道床板及軌道等結構上拱、道床板開裂、幾何位移變化。

2 病害整治

根據病害段實際情況，采取限速45 km/h、邊墻預應力錨桿加固、切斷鋼軌及道床板(保留支承層)、設置短軌、利用兩端既有的道床板支承層及仰拱填充面架設鋼墊梁后，分段拆換仰拱、填充、支承層，最后分段現澆道床板、恢復軌道結構；每段施工長度約為2.9 m，現場分9段間隔按2個循環跳開施工。具體如下[10-18]。

2.1 隧道結構加固及拆除

(1)采取全幅分段跳槽整治方法，對病害段仰拱、填充、支承層拆換處理，拆換后的仰拱采用氣密性C35鋼筋混凝土結構，新舊混凝土結構采取植筋連接，縱、環向施工縫均設置2道遇水膨脹橡膠止水條防水。見圖3、圖4。

圖3 隧底拆換典型橫斷面(單位：cm)

圖4 仰拱新舊混凝土防水處理示意

(2)施工在天窗時間進行，首先采用錨桿對該段隧道兩側下部結構和地層加固，錨桿為R25N預應力中空注漿錨桿[19]，長7 m，縱向間距1 m/根，環向布置如圖3所示；預應力錨桿施工預應力T=80 kN，注漿材料采用水灰比0.45～0.50的純水泥漿；注漿壓力應根據現場注漿試驗確定，且不得引起無砟軌道上拱或橫向位移。

(3)施工采取限速45 km/h，切斷鋼軌及道床板(保留支承層)后，設置短軌并利用兩頭既有的道床板支承層及仰拱填充架設鋼墊梁后拆除并施作下部結構；每段施工長度約為2.9 m，現場分9段間隔按2個循環跳開施工，每循環混凝土達到強度后方可施工下一循環。見圖5。

圖5 隧底拆換縱斷面(單位：cm)

(4)施工前，將電纜槽內的電纜臨時改移至隧道邊墻上掛設；兩側水溝內分別埋設2根φ300 mm(壁厚5 mm)的無縫鋼管臨時引排側溝地下水。

(5)為防止開挖直立面垮塌，拆除道床板后，在每段的端頭采用1排φ76 mm(壁厚5 mm)鋼管樁注漿加固，孔底間距1 m，伸入仰拱開挖輪廓線外不小于0.5 m，開挖直立面裸露圍巖采用15 cm厚C30網噴混凝土臨時防護，下一循環開挖時，拆除鋼管樁及臨時防護。鋼管樁橫斷面布置見圖6。

圖6 鋼管樁橫斷面布置(單位：cm)

(6)結構拆換應分段跳槽進行，及時封閉，嚴禁大開大合，每段仰拱開挖時，從鋼墊梁跨中向兩端逐漸開挖。

(7)距道床板邊緣30 cm處左右各設置φ100 mm排水孔，縱向2.9 m，軌下結構施作時預留φ110 mm孔，孔內設φ100 mm PVC排水管，排水降壓管深入仰拱以下50 cm、并高于軌道支承層10 cm。

2.2 線路加固

(1)鋼墊梁設計

采用鋼墊梁對病害段線路進行臨時架空加固處理?？紤]到拆換工程需要重新現澆無砟道床板，鋼墊梁不能低于道床板底，同時不能侵入高速鐵路建筑限界范圍。

鋼墊梁采用2片工字鋼，梁長5.050 m，支點間距4.700 m，梁高0.268 m，兩片鋼墊梁分別位于鋼軌正下方，橫向中心距1.504 m。鋼軌通過扣件直接支承于鋼墊梁。兩片工字鋼采用橫梁連接，橫梁縱向間距0.50 m。工字鋼上下翼板500 mm×24 mm，腹板厚24 mm。橫梁采用2根[20型鋼，長1.225 m。加勁板厚24 mm，縱向間距0.50 m。橫梁與縱梁通過加勁板和高強螺栓連接。支座采用30 mm厚橡膠板和10 mm厚鋼板，尺寸0.2 m×0.4 m。采用角鋼對鋼墊梁橫向及縱向限位[20]。見圖7～圖10。

圖7 鋼墊梁平面布置(單位：mm)

圖8 鋼墊梁縱斷面布置(單位：mm)

圖9 鋼墊梁支座處橫斷面布置(單位：mm)

圖10 鋼墊梁跨中橫斷面布置(單位：mm)

(2)鋼墊梁檢算

鋼墊梁的設計荷載考慮在限速條件下“中-活載”圖示中的普通荷載通行，并采用“ZK活載”進行驗證計算。計算內容包括：位移、強度、總穩定性、局部穩定性、局部承壓等。

①計算荷載

“中-活載”圖示中的普通活載、ZK活載和實際運行ZK活載、ZGS列車活載根據影響線最不利位置加載，活載直接加載在鋼墊梁上，每根鋼墊梁承擔1/2線活載。沖擊系數按鋼墊梁跨度4.7 m計算，1+28/(40+4.7)=1.626。

②計算模型

鋼墊梁計算模型為簡支梁，計算跨度按支座中心距4.7 m考慮。見圖11。

圖11 鋼墊梁計算模型(單位：mm)

③內力計算結果(表1)

表1 鋼墊梁內力

從表1可以得出，中-活載計沖擊工況為鋼墊梁受力的最不利工況。

④跨中豎向位移(表2)

根據計算結果，在靜中-活載和靜ZK活載作用下，鋼墊梁最大撓跨比分別為L/591、L/688(L為跨度)，滿足限速通行要求；靜實際運行ZK活載作用下，鋼墊梁最大撓跨比為L/1 375，滿足設計速度目標值情況下規范規定的不小于L/900的要求；靜ZGS列車靜活載作用下，鋼墊梁最大撓跨比為L/1 361，滿足設計速度目標值情況下規范規定的不小于L/900的要求。

表2 靜活載跨中位移 mm

在ZK靜活載作用下，鋼墊梁跨中位置最大豎向位移為7.954 mm，在限速45 km/h的情況下，豎向變形滿足Ⅳ級限速標準24 mm的要求。

⑤強度檢算(表3)

表3 強度檢算 MPa

由表3可以得出，梁單元應力均小于規范容許應力，鋼墊梁的強度滿足規范要求。

⑥總體穩定性檢算(表4)

表4 總穩定性檢算 MPa

由表4可以得出，桿件的穩定應力均小于規范容許應力，鋼墊梁的總穩定性滿足規范要求。

⑦局部穩定性檢算

翼緣伸出肢(從腹板外側算起)與厚度之比不得超過11，鋼墊梁上翼緣伸出肢與厚度的比為9.92，翼緣的局部穩定性滿足規范要求。

腹板局部穩定性參照組合壓桿H形截面中的腹板寬度與厚度最大比例進行檢算：規范要求不大于30，腹板高220 mm，腹板厚24 mm，腹板高與腹板厚比值為9.17，腹板的局部穩定性滿足規范要求。

⑧局部承壓檢算(表5)

表5 局部承壓檢算 MPa

由表5可以得出，在任何工況下，C15混凝土墊層與支座鋼板相接觸部位的局部承壓應力均小于規范的容許應力，滿足規范要求。

通過檢算鋼墊梁的位移、剛度、強度、穩定性及局部承壓均滿足規范要求，設計可行。

2.3 軌道結構

(1)施工工藝流程

根據整體整治原則，需在隧道整治范圍內拆除重做軌道結構，主要施工流程如圖12所示。

圖12 軌道拆除重做施工工藝流程

(2)施工要點

①作業區域鋼軌切縫兩側分別按照P60夾板規格鉆出螺栓孔位，安裝P60夾板和軌道跳線延續軌道電路。

②鑿除道床板前，整治范圍外兩端各15 m范圍內道床板，每隔一根軌枕鉆一排孔，每排4根銷釘植入至隧道基礎50 cm深，加強道床板與隧道的連接。

③在鋼墊梁架設范圍外，道床板鑿除范圍內，用速凝砂漿找平后在支承層上沿線路縱向0.54 m間距設置枕木，枕木規格0.25 m(寬)×0.28 m (高)×2.5 m(長)，枕木與鋼軌采用K型分開式扣件固定。

④拆換恢復支承層后，在支承層表面拉毛，拉毛尺寸2 mm(寬)×2 mm(深)，同時在支承層混凝土中預埋“L”形套筒作為連接鋼筋，每兩根軌枕一排，每排4根連接鋼筋。

⑤在線下將道床板的縱、橫向鋼筋進行綁扎，鋪設工具軌、組裝軌排；綁扎時對縱向鋼筋與橫向鋼筋及軌枕桁架上層鋼筋交叉處以及上層縱向鋼筋搭接范圍的搭接點按要求設置絕緣卡，用尼龍自鎖帶綁扎。

⑥使用早強聚合物混凝土進行道床板澆筑，確保2 h內混凝土強度達到通車使用要求。新舊道床板混凝土之間要錯齒鑿毛連接，道床板內上下層鋼筋兩頭各預留1 m長范圍作為搭接鋼筋。早強聚合物混凝土技術指標見表6。

表6 早強聚合物混凝土技術指標

2.4 總體施工工序

利用天窗時間，采取錨桿注漿加固整治段隧道兩側下部→側溝埋設引水鋼管、電纜改移至邊墻→限速運營→切斷鋼軌及道床板→設置短軌、架設鋼墊梁→鋪設木枕軌排→分段施作每段端頭的鋼管樁→分段拆除開挖下部支承層、仰拱填充、仰拱、水溝電纜槽(段長約2.9 m)→分段清除虛砟、及時施作仰拱初期支護、鋼筋混凝土仰拱、仰拱填充和支承層并恢復排水管網系統→現澆道床板并焊接鋼軌→拆除鋼管、恢復電纜至電纜槽。

3 結論

3.1 整治效果

根據對病害段全面、深入、細致的調查，認真分析其病害形成的原因，制定了針對性的整治方案，歷經126 d約70個“天窗”點、共計約280 h，對長26.1 m的病害段進行全面徹底整治，整治完成后，列車分階段提速至設計速度，并正常運行長達1年，經工務部門長期對病害段的檢查，未發現任何異常情況，病害段整治效果良好，滿足列車正常運行的條件。

3.2 工藝推廣經驗及建議

(1)隧底病害整治方法有多種，如注漿加固、錨桿錨固、拆換等，不能盲目地采取整治措施，應該對病害情況進行全面、深入、細致的調查，認真分析其形成原因，然后對癥下藥，因地制宜，才能取得理想的整治效果。

(2)以拆換分段長度2.9 m為例，從隧道結構加固及拆換、線路加固、道床板施工等方面進行了詳細的論述，具體可結合病害段實際情況，對拆換分段長度、鋼墊梁跨度及剛度、道床板施作方式等進行相應調整，以滿足現場實際需要。

(3)加強施工質量管理，制定完善的質量管理制度，加強人員、材料、設備管理，為施工質量提供基礎保障，制定合理的施工方案。施工過程中，嚴格按照規范要求標準執行，加強施工過程中的監督管理，落實責任到人，最大程度減少人為因素導致的質量缺陷問題。

(4)隧底結構是無砟軌道可靠的基礎，只有保證隧底結構的施作質量，才能確保列車的正常運行，考慮到目前現澆仰拱工藝存在的一些管控不到位的問題，建議全面推行裝配式仰拱結構，更好地保證施工質量。