某高速鐵路隧道無砟軌道上拱原因分析及整治措施研究

羅旭陽

（中鐵建云南投資有限公司，云南 昆明 650200）

1 引言

高速鐵路具有行車速度快、安全、平穩、舒適等優點，除列車本身制造工藝外，主要取決于軌道平順性。業界一般用軌道TQI 指標軌道的不平順性指數進行評判，TQI 越大說明軌道的平順性越差，乘坐感受越差。有砟軌道將軌枕直接置于碎石道床上，靠碎石與軌枕間的擠壓力來固定軌道，但隨著列車的震動、氣溫的變化、軌道平順性越來越差[1]。無砟軌道將軌枕澆筑在混凝土道床板中，道床板與下部結構可靠連接，用扣件扣壓力抵消鋼軌的溫度應力，整個軌道結構類似一種剛性結構，如下部結構無變化軌道結構將不可能發生變化，這也是高速鐵路采用無砟軌道的主要原因。無砟軌道上拱多數由于下部結構產生一種向上的作用力，導致軌道結構抬升，鋼軌的平面位置及標高產生變化[2]。

無砟軌道上拱一般很難通過肉眼觀察發現，但會對高速行車的列車造成很大的危害，直接危害乘客的生命安全。有的上拱類似巖體的蠕變特性，持續時間很長，雖上拱速度緩慢，但日積月累上拱終值很大，此時線路往往已開通運營數年，徹底整治需要停運，給國民經濟造成很大的損失。

2 工程概況

2.1 工程水文地質條件

該高速鐵路隧道圍巖為泥巖夾砂巖，以泥巖為主，巖性為軟巖。該類巖石主要由黏性礦物組成，在遇水情況下，易發生軟化，導致其巖體自身工程性質降低。特別是在砂巖與泥巖的接觸部位，有可能出現泥化現象，隨著隧道的開挖，造成巖體直接臨空，沿泥化膜發生滑移。淺部巖層地下水主要賦存于基巖強風化裂隙帶、構造裂隙帶及砂巖孔隙裂隙內；深部巖層裂隙逐漸閉合，地下水主要賦存于砂巖孔隙裂隙中。由于受透水性能極弱泥巖的挾持，隧區巖層相互間的水力聯系差，而無統一的地下水水面，且地下水具一定的承壓性[3]。

2.2 隧道設計施工情況

該段隧道設計以Ⅲ級圍巖為主，支護參數圖如圖1所示。拱部180°采用格柵鋼架及φ22 超前錨桿加強支護，鋼架間距1.5m。拱墻采用錨噴網支護，拱部采用中空錨桿，邊墻采用砂漿錨桿，錨桿間距1.2m×1.5m（環×縱），錨桿長度3.0m，鋼筋網采用φ6 盤條，網格大小25cm×25cm，濕噴混凝土標號C25，厚度拱部23cm、邊墻12cm，仰拱10cm，二襯采用C30 素混凝土，拱墻厚度40cm、仰拱厚度45cm。

圖1 Ⅲ級圍巖支護參數圖

3 病害情況

2017 年6 月，對隧道內無砟軌道采用GEDO CE軌道檢測儀進行精測時，發現測量數據異常，更換安博格GRP1000 軌道檢測儀復核后確認測量結果無誤。異常段落為隧道內K88+120～K88+834、K89+521～K89+677 段。

分析發現該段無砟軌道存在不同程度上拱，其中K88+496～K88+600 段上拱最嚴重，右線左軌上拱最大值為24.1mm，左線右軌上拱最大值25.1mm，如圖2、圖3 所示。比對測量數據發現，無砟軌道左右線上拱段基本相互對稱，且左線右軌明顯高于左軌，右線左軌明顯高于右軌，呈隧中高兩側低的形態[5]。

圖2 無砟軌道上拱橫斷面示意圖

圖3 無砟軌道左右線上拱統計分析圖

4 上拱原因分析

無砟軌道上拱的原因復雜多樣，而且存在一定的隱蔽性，對此采取了現場調查法、鉆探、物探和沉降觀測等多種方法來查找該段無砟軌道上拱的原因[6]。

4.1 現場調查情況

該段無砟軌道上拱呈隧中高、兩側低，左右線呈對稱分布的情況，推斷是由于仰拱結構上拱導致的，仰拱底部受到較大的負彎矩，負彎矩產生的拉應力已超過仰拱混凝土的抗拉強度，導致仰拱混凝土產生縱向裂縫，如圖4 所示。通過現場調查，在K88+550 中心水溝溝底處發現一處縱向裂縫，裂縫長度約13m，縫寬3～13mm，經鉆探發現裂縫貫穿仰拱結構。這說明該段無砟軌道的上拱主要是由于仰拱結構上拱導致的，并且仰拱結構已破壞，失去承載能力。

圖4 K88+550 仰拱縱向貫通裂縫

4.2 仰拱及仰拱填充施工質量檢查情況

仰拱結構破壞的原因一方面可能是仰拱的施工質量不符合設計要求，另一方面可能是設計參數不符合要求，仰拱本身設計承載能力不足。于是對仰拱及填充混凝土厚度、強度、曲率是否滿足設計要求，隧底是否存在承壓水、是否有虛渣等情況進行了詳細的調查。通過鉆探取芯、孔內電視成像技術實測仰拱及填充混凝土的厚度、曲率和隧底虛渣、積水情況，對芯樣做單軸抗壓強度來實測混凝土強度，同時通過鉆孔也可觀察隧底是否存在承壓水，如圖5、圖6 所示。本段共取芯驗證10 個斷面，每個斷面3 個鉆孔，結果表明仰拱施工質量符合設計及驗標要求，隧底無承壓水。

圖5 孔內電視成像

圖6 芯樣強度試驗

4.3 隧底地質補勘情況

通過在隧中鉆設10～15m 深孔，獲取芯樣后進行了巖石的巖石膨脹性、單軸飽和抗壓強度等物理力學試驗，如圖7、圖8 所示。試驗結果表明巖石自由膨脹率Fa=8%～13%，蒙脫石含量M=3.7%～7.6%，陽離子交換量CEC（NH4+）=98～169mmol/kg，具有弱膨脹性[7]。巖石單軸飽和抗壓強度20MPa 左右，屬軟巖。芯樣揭示隧底圍巖主要以泥巖為主，巖層呈近水平狀，層厚為薄層，部分為餅狀結構，圍巖破碎，隧底無地下水。該類巖石的膨脹力不足以導致仰拱結構上拱。

圖7 鉆探現場

圖8 芯樣照片

4.4 地應力測試情況

委托中國科學院武漢巖土力學研究所對該段地應力進行了測試，測試位置為隧道輔助導坑K88+550 處，該段埋深約為330m，分別在隧道右邊墻和底板布設了一個水平鉆孔、一個垂直鉆孔，孔深40m，采用水壓致裂法進行了地應力測試。兩個鉆孔的實測數據綜合分析表明，隧道測試段部位的原地應力場以構造應力為主導（最大值13.61MPa），且明顯高于上覆巖體的自重應力。經過分析計算，隧道測試段的圍巖開挖后的初始應力狀態屬于極高應力狀態。上述處于極高應力狀態的隧道圍巖，在支護不足時可能會發生圍巖及支護結構的變形破壞情況。

4.5 沉降觀測情況

為準確觀測該段仰拱的上拱趨勢，除道床板邊緣（靠電纜槽側）2 個觀測點外，在隧道中心水溝處新增1 個觀測點，按照個/3d 頻率進行觀測，通過K88+550 典型斷面仰拱上拱的時間位移曲線可以看出，仰拱上拱的速度沒有減小，速率也沒有減少，累計上拱值依然在增加，沒有收斂的趨勢，如圖9 所示。

圖9 K88+550 仰拱上拱時間位移曲線圖

基于上述現場調查和試驗檢測情況，結合相關資料經綜合研判，無砟軌道上拱原因為極高地應力導致。該段圍巖被定性為Ⅲ級圍巖，初期支護格柵鋼架未全環封閉，二次襯砌無鋼筋，隧道支護結構剛度偏弱，極高地應力導致仰拱結構中部產生負彎矩，仰拱混凝土受拉破壞，應力產生應變，從而引起隧底結構的抬升。此變形機理表現為隧中仰拱結構存在縱向裂縫，隧中上拱值最大，向隧道兩側逐步變小，左右線基本對稱。依據時間位移變形曲線，上拱趨勢還未收斂，且仰拱結構已完全破壞[8]。

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5 整治措施探討

5.1 整治原則

考慮到仰拱結構受力體系已破壞，仰拱上拱在觀測期內還未明顯收斂，防止仰拱發生二次上拱或者長期蠕變變形。采用重新建立仰拱受力體系的整治原則，經組織行業內專家經充分論證后，決定對上拱段的仰拱進行拆換，重新施做無砟軌道道床結構[9]。

5.2 整治組織方案和流程

考慮到本隧道襯砌結構已封閉成環，為保證拆換過程的安全性，將整個拆換段落劃分為30～50m 的拆換單位，每個拆換單元一次拆換3m，各單位間平行流水作業，要求在拆換前對拱墻部襯砌進行錨固，確保上部結構的穩定性和安全性，防止由于拆換仰拱造成上部結構失穩。具體拆換流程如圖10 所示。

5.3 具體整治措施

（1）施做邊墻鎖腳錨桿。為保證上部結構的安全，仰拱拆換前在邊墻兩側分別打設2 排鎖腳錨桿，鎖腳錨桿縱向間距1m，呈梅花形布置；鎖腳錨桿的材質為φ32PSB930 精軋螺紋鋼，鎖腳錨桿的支撐作用可減弱上部結構對仰拱造成的豎向擠壓力。

（2）增加仰拱厚度，增大仰拱曲率。通過增加仰拱厚度、深度，仰拱混凝土改為C35 鋼筋混凝土，極大提高了仰拱結構的強度和剛度，增大仰拱抵抗破壞的能力[10]。仰拱和隧底錨桿施做示意圖如圖11 所示。

圖10 無砟軌道上拱整治流程圖

圖11 仰拱和隧底錨桿施做示意圖

（3）設置接茬鋼筋。為保證仰拱結構與上部結構可靠連接，在邊墻縱向施工縫設置接茬鋼筋，接茬鋼筋間距、大小與仰拱環向主筋一直，植入深度不小于40cm，采用高性能植筋膠植筋。

（4）增設隧底錨桿。如圖11，采用隧底錨桿將仰拱結構錨入隧底圍巖，錨桿長度10m，錨桿入巖深度8m 左右，錨桿材質為φ32PSB930 精軋螺紋鋼，采用全黏結性錨桿，這樣可以仰拱結構抵抗上拱的能力。

仰拱拆換必然造成圍巖的二次擾動，圍巖應力需要二次分布，所以在仰拱拆換完成后需要進行不少于3 個月的沉降觀測，然后根據沉降觀測結果施做無砟軌道[11]。

5.4 安全質量控制要點

（1）嚴格控制仰拱一次拆換進尺，進尺過大會造成上部結構沉降、開裂甚至坍塌。

（2）加強圍巖監控量測，防止上部結構產生過大變形。

（3）嚴禁產生垂直于仰拱面的縱向施工縫，人為造成垂直向上的滑動面。另外，仰拱澆筑完成后，需要對縱向施工縫進行注漿回填。

（4）仰拱拆換完成后，必須完成主體結構沉降評估后方可施工無砟軌道。

（5）鎖腳錨桿和隧底錨桿必須進行二次注漿，原因為水泥漿存在收縮，會損失部分錨固力。

6 結論

6.1 整治效果

通過深入調查研究，現場采取了包括鉆探、物探、沉降觀測等多種手段，組織行業內具體豐富經驗的專家進行充分論證，準確查明了造成本次無砟軌道上拱的原因，同時結合仰拱上拱的時間位移曲線，在上拱趨勢無明顯收斂、仰拱結構失去承載力的情況下，果斷采用徹底拆換仰拱，重新施做無砟道床的方案。該條線路至今已開通運營2 年，經長期觀測，該段無砟軌道已處于穩定狀態，軌道的TQI 指標滿足要求，軌道平順性良好。

6.2 建議

（1）準確研判無砟軌道上拱的原因是進行無砟軌道上拱病害整治的關鍵所在，無砟軌道上拱的原因復雜多樣，上拱呈長期的蠕動變化，如不通過長期觀測，很難發現。通常在發現上拱問題時，線路一般即將建成通車或者已運營，這時處理難度都很大，時間很緊迫。所以在發生類似問題時，應通過各種科學手段準確研判上拱的原因，采取切實可行的整治手段，避免過度整治或者整治后仍然繼續上拱[12]。

（2）加強工程質量控制，包括勘察設計和施工質量，勘察深度決定了設計方案的合理性，特別是我國西南地區廣泛分布的紅層地區，由于地形起伏大，圍巖承載力弱，隧道開挖很容易發生大變形，進而造成仰拱襯砌產生過大的負彎矩，如仰拱結構設計承載力不足，很容易造成仰拱上拱，從而引起無砟軌道上拱。

（3）對于從事隧道設計與施工的技術人員，特別是大斷面隧道，必須時刻保持警惕，對有可能上拱的類似地層，在設計之處應該采取有效的手段予以杜絕；在施工過程中，加強與勘察設計文件的地質核對工作，對存在與設計不符的地質應及時反饋，必要時修改設計參數。

（4）高速鐵路對軌道的平順性要求很高，而無砟軌道對結構變形適應性非常差，所以需要加強仰拱的施工質量，特別是隧底不能有虛渣或者基底長期浸泡于地下水中，特別在膨脹巖地區應謹慎采用無砟軌道結構形式[13]。