高速鐵路運營長大隧道主要病害建模分析及整治措施

李仁強

摘要：國內高速鐵路建設里程逐年增加，運營時間越來越長，營業線既有隧道相繼發生病害情況，病害的主要表現形式為縱向或橫向襯砌裂縫以及拱頂局部襯砌脫空。本文依托工程實例，對既有運營高鐵檢查維護中發現的隧道襯砌病害進行有限元建模分析，確定病害對隧道運營的安全影響，并制定了整治方案，通過整治實踐，確定分析結果準確，采用的整治方案滿足運營高鐵維修天窗內整治的要求，整治方案簡單、快速、有效，對同類工程具有重要的指導意義。

Abstract： The construction mileage of high-speed railways in China has increased year by year， and the operation time has become longer and longer. The existing tunnels of business lines have different diseases. The main manifestations of the diseases are longitudinal or lateral lining cracks and partial lining of the vaults. Based on the engineering example， this paper conducts finite element modeling analysis on the tunnel lining diseases found in the existing high-speed railway inspection and maintenance， determines the safety impact of the disease on the tunnel operation， and formulates a treatment plan. Through treatment practice， the analysis results are accurate. The adopted treatment plan satisfies the requirements for the treatment of the operating high-speed rail maintenance skylight. The treatment plan is simple， fast and effective， and has important guiding significance for similar projects.

關鍵詞：高鐵;運營隧道;病害分析;整治措施;軟件建模

Key words： high-speed railway;operating tunnel;disease analysis;treatment measures;software modeling

中圖分類號：U457+.2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）15-0073-08

0 ?引言

隨著我國高速鐵路建設運營里程逐年增加，既有運營高鐵的檢測維護工作量越來越大，尤其是高速鐵路長大隧道因隧道長度大、維修天窗時間短，檢測和維修異常困難。根據調查，目前國內高速鐵路運營線隧道的主要病害為襯砌出現的縱橫向裂縫和二襯拱頂局部脫空。分析這些病害對隧道運營安全的影響和研究一套快速成型的整治方法勢在必行。下面我就華南某高鐵隧道的病害整治進行有限元建模分析，并針對運營高鐵長大隧道的特點總結一套施工技術方案，為鐵路運營養護單位和高鐵施工單位提供一種解決方案和思路，也為后續的高鐵隧道施工提供科學的決策依據。

1 ?工程概況

高鐵隧道位于國內南方某市，總長度3620m，線間距4.6m，本段是丘陵剝蝕地貌，地形起伏較大，相對高差30～120m，上覆為第四系坡殘積層粉質黏土（Q4dl+el），厚0～4m，下伏為燕山早期第一次侵入巖花崗巖（ηγ52（3）a）夾俘虜體侏羅系上統南園組凝灰熔巖（J3nb），節理發育，巖體破碎。地下水主要為殘積層的孔隙水及基巖裂隙水，地下水不發育，地表水及地下水水質對砼均具弱硫酸型酸性侵蝕及弱溶出型侵蝕。測區內地震動峰值加速度0.1g。病害情況如表1所示。

2 ?隧道病害分析

2.1 模型建立

有限元數值模擬計算采用Midas/GTS有限元軟件計算。圍巖、襯砌以摩爾-庫倫準則為屈服條件;襯砌發生裂縫的部位要對劃分的網格進行加密處理。

計算模型模擬采用頂端巖層上覆厚度約為650m，隧道底板以下范圍取100m，左側和右側分別模擬500m巖石范圍，模型的邊界約束方向設定為從左至右假定為X方向，下部為Y方向，頂部假定設置為自由面。隧道的縱向裂縫建模及裂縫處的建模如圖1、圖2所示。橫向裂縫有限元計算模型及裂縫處理如圖3、圖4所示。頂板脫空有限元計算模型及裂縫處理如圖5、圖6所示。模擬過程中在隧道施工完畢后將裂縫及脫空單元采用鈍化功能來實現對裂縫的模擬。

2.2 計算結果判斷依據

考慮到縱向裂縫，橫向裂縫以及二襯脫空的影響，對縱向裂縫情況進行了二維的有限元計算;對有橫向裂縫情況進行了三維的有限元計算?？紤]模擬過程中邊界效應對計算結果的影響，模型在平面和縱向方面都建立足夠尺寸。對于橫向裂縫和二襯脫空情況，在三維模型的縱向方向上，盡量將缺陷部位設定在襯砌結構的中間部位。

通過開挖支護的模擬計算，計算出二襯的最大拉應力和最大壓應力，從而按照鋼筋混凝土結構的平截面假定來判斷二襯是否滿足要求。

按照《混凝土結構設計規范》中的正截面承載力四個基本假定來進行混凝土的參數選擇。

2.3 縱向裂縫計算結果

2.3.1 縱向裂縫驗算模擬過程

模擬過程：①形成自重應力場，位移清零;②開挖隧道土體;③形成初襯;④形成二襯;⑤鈍化裂縫單元。

2.3.2 縱向裂縫條件下初襯驗算結果（圖7）

2.3.3 縱向裂縫條件下二襯驗算結果（圖8）

2.4 橫向裂縫計算結果

2.4.1 橫向裂縫驗算模擬過程

模擬過程：①形成自重應力場，位移清零;②開挖隧道土體;③形成初襯;④形成二襯;⑤鈍化裂縫單元。

2.4.2 橫向裂縫條件下初襯驗算結果（圖9）

2.4.3 橫向裂縫條件下二襯驗算結果（圖10）

2.5 頂板脫空計算結果

2.5.1 頂板脫空驗算模擬過程

模擬過程：①形成自重應力場，位移清零;②開挖隧道土體;③形成初襯;④形成二襯;⑤鈍化脫空單元。

2.5.2 頂板脫空條件下初襯驗算結果（圖11）

2.5.3 頂板脫空條件下二襯驗算結果（圖12）

2.6 襯砌安全性評價

《混凝土結構設計規范》（GB 50010-2010）中規定：C25耐腐蝕混凝土軸心抗壓強度設計值11.9MPa，軸心抗拉強度設計值1.27MPa。C20混凝土軸心抗壓強度設計值9.6MPa，軸心抗拉強度設計值1.1MPa。將2.3-2.6中初襯和二襯計算結果與《混凝土結構設計規范》中規定的設計值進行對比進而判斷其安全性。

2.7 分析結論

①縱向裂縫條件下，初襯最大拉應力為29kPa<1.1MPa，最大壓應力為41kPa<9.6MPa，計算應力小于規范應力，初襯強度能夠滿足要求。二襯最大拉應力為13kPa<1.27MPa，最大壓應力為26kPa<11.9MPa，計算應力小于規范應力，二襯強度能夠滿足要求。

②橫向裂縫條件下，初襯最大拉應力為179kPa<1.1MPa，最大壓應力為1649kPa<9.6MPa，C20混凝土最大抗拉壓應力分別為和，計算應力小于規范應力，初襯強度能夠滿足要求。二襯最大拉應力為16kPa<1.27MPa，最大壓應力為20kPa<11.9MPa，計算應力小于規范應力，二襯強度能夠滿足要求。

③頂板脫空條件下，初襯最大拉應力為152kPa<1.1MPa，最大壓應力為1403kPa<9.6MPa，計算應力小于規范應力，初襯強度能夠滿足要求。二襯最大拉應力為18kPa<1.27MPa，最大壓應力為18kPa<11.9MPa，計算應力小于規范應力，二襯強度能夠滿足要求。

3 ?整治方案

3.1 作業平臺搭設

采用平板車作為運輸工具，結合本次整改工作量和隧道長度綜合考慮，要求作業平臺自帶動力、剎車和絕緣裝置。

作業平臺采用拼裝式腳手架，腳手架每節搭設高度1.8m，并設人行上下梯步，頂部設置工作平臺，頂部工作平臺四側設置高度不小于1.0m的圍欄，確保作業人員的安全?？紤]到作業平臺較高，要求作業平臺設置四條纜風繩，纜風繩固定在鋼軌上，要求纜風繩具有絕緣功能。腳手架不得直接放到鋼軌上，以防止溜滑，同時防止出現軌道短路出現紅光帶。（圖13）

3.2 隧道拱頂襯砌脫空及背后不密實病害處理

在二次襯砌位置從低到高每間隔1.5m確定一處鉆孔點，并在襯砌表面進行標識，當空洞寬度超過1.5m時，每1.5m設置一個鉆孔點，每處空洞不少于3個鉆孔點。鉆孔采用沖擊鉆，深度深入脫空處或不密實處，結合襯砌評估報告鉆孔。采用工地上常規注漿材料，42mm鋼花管進行注漿作業。

在鋼花管口安裝止漿閥門，灌漿先灌注空洞下部，依次向上灌注，水泥漿按P42.5水泥與水1：1比例配制，并加入適量水玻璃，水玻璃與水泥漿的比例為0.5：1，灌漿的壓力需要控制在0.3到0.5MPa之間，灌注過程要從低到高的壓力漸變控制，觀察高處的灌漿孔，有漿液溢出結束灌漿，封閉止漿閥。在灌注相鄰高處的鉆孔，一直到所有灌漿孔注滿為止。到最后一個灌漿孔時，注漿壓力逐漸提升到1.0MPa左右，直到不再進漿為止。

注漿工作結束后組織驗收，檢查合格方可拆除注漿嘴。空洞區域以及周邊1m范圍壁面進行清理，先采用鋼絲刷清除表面附著物、油污及強度不足部分，并對突出部分進行磨除，保持壁面平整，最后用毛刷清除粉塵，確保襯砌面干凈整潔。注漿前要做好各項工作準備，雙倍配置注漿器材，一旦發生故障及時更換或排除，保證施工快速連續。具體設置見圖14。

3.3 裂縫處理

因隧道裂縫通過計算能夠滿足強度要求，處理裂縫的思路為采用環氧類高分子材料高壓灌注裂縫，保證裂縫處混凝土重新粘合完整，裂縫修補后強度超出原混凝土強度。主要工藝為采用單液高壓灌漿機配合灌漿針頭進行高壓灌漿作業，先用高壓水清洗裂縫，并用高壓風吹干，用膠封閉裂縫，用手持鉆機沿裂縫處每隔20cm鉆孔一處，鉆孔與混凝土面成45度角，打入注漿針頭，用扳手擰緊，全部打完后開始注漿作業，注漿前先把高分子材料A組分和B組分融合攪拌，加入注漿機，注入針頭，周圍針頭溢漿后，灌注下一針頭，從下到上，依次灌注。待強度達到要求時，取芯試驗，檢驗注漿成果。

3.4 操作流程

施工準備→施工負責人向工務段調度員申請施工→工務段調度員下達給點命令→施工人員提前達到隧道進口附近準備，施工負責人清點人員、機具及材料，并編號→施工負責人接到進洞許可后，帶領施工人員進洞→施工負責人下達作業命令→搭設施工平臺→進行病害整治施工作業→撤平臺、收拾現場，清點人員、機具及相關物品→工務段、供電段和施工單位檢查現場→提前15分鐘工人開始撤至安全區域→工務段調度員登記銷點。

4 ?結論

①在驗算中縱向裂縫進行二維驗算。其余橫向裂縫和脫空根據其實際位置進行三維驗算。缺陷部位處于Ⅳ級圍巖條件下，模擬計算中采用地層結構法，地下水情況，深部巖體水平應力情況以及襯砌開裂機理和原因尚未知，故計算結果可能存在一定誤差。②既有設備安全關系到鐵路運營安全，要求隧道病害的整治處理必須在絕對保證既有設備安全的前提下進行。既有設備的防護主要有高壓接觸網及支架、洞內照明線及設備、鋼軌及配件、道床、其他設備。③隧道襯砌拱頂脫空及縱橫向裂縫通過理論計算可以通過常規隧道整治方案來進行整改，關鍵點在于運營高鐵線維修天窗時間短，大多在深夜，對于物資運輸及平臺搭設的時間盡量壓縮，需要對操作工人做長時間培訓，并在線路外進行多次演練，培訓合格后方可上線作業，當天整治工作完成后所有整治物資運輸洞外安全區存放，不得在洞內留存任何物資，避免發生因震動等原因造成物資位移影響行車安全。

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