某鐵路隧道隆起病害整治及自動監測成果分析

劉 勇,伏 坤,王 珣,李 剛,徐 鑫,王建捷

(中鐵二院工程集團有限責任公司,成都 610031)

近年來，隨著我國高速鐵路運營里程不斷增加，相關的線下工程異常變形病害日益凸顯。尤其是西南艱險山區隧道在地應力、地層構造、水文地質條件、施工質量等因素影響下，常常會引起沉降或隆起病害。不均勻變形將導致線路不平順，進而導致道床及仰拱開裂，嚴重威脅列車運營安全。

國內在隧道異常變形病害整治及機理分析方面開展了相關研究。李奎[1]通過分析某客專隧道洞口道床隆起病害原因，提出道床隆起整治采用明洞耳墻底注漿、洞外錨固樁、道床錨桿等加固措施，并對整治后的變形測量成果進行了分析；王立川[2]對某鐵路隧道底部結構隆起病害成因進行了分析，提出了采用低預應力錨桿進行加固的整治方案；趙鵬[3]對獅子嶺隧道基底隆起、襯砌開裂等病害開展了有限元分析，提出了結構性破壞區段采用仰拱拆換方案，對尚未發生結構性破壞區段采取“錨注一體化”并施加預應力的加固方案；牛亞彬[4]對鐵路隧道病害現象進行了歸納分類，結合隧道設計、施工、運營等方面資料，分析了各種病害產生的機理，初步提出對應的綜合整治建議及措施；肖廣智[5]針對向莆鐵路雪峰山等4座隧道底部出現的道床積水、軌道隆起等病害情況，分析了病害產生的原因，通過對病害的探查，提出了“泄水降壓、底部加固、水流歸槽”為原則的整治技術方案。除此之外，也有一些學者[6-11]對施工工法、地層結構等因素導致的隧道變形案例進行了總結分析。

上述研究成果主要集中在分析隧道隆起病害成因并提出整治方案，尚未見對整治措施開展監測的相關報道。調研發現，肖俊[12]、張暉[13]通過分析錨桿、錨索在滑坡體內的應力變化來獲取巖體變形特征和滑移信息。因此，可以借鑒該思路對隧道隆起加固整治措施開展應力監測，以獲取巖層力學特征，為分析評價整治效果提供數據支撐。

1 工程概況

1.1 設計概況

某高鐵設計時速250 km，正線全長710 km，于2016年12月28日開通運營。全長8 075 m的LSS隧道(K684+029.4～K692+104.4)為雙線隧道，全隧最大埋深590 m，線間距4.6 m，采用雙塊式無砟軌道。

1.2 病害概況

2017年9月，運營部門軌檢車探測到該隧道K690+755～K690+835區段動態不良，上行線最大上拱10.7 mm，下行線最大上拱12.6 mm。

K690+755～K690+835段隧道處于小江活動斷裂西支陡馬箐斷層和龍泉寺斷層之間。陡馬箐斷層和龍泉寺斷層屬小江活動斷裂西支次級斷層，西支斷層全新世以來左旋走滑速率為2.5～12.0 mm/a，段內地質構造及應力場復雜，新構造活動強烈，地震活動頻繁。本段地下水主要為巖溶水、基巖裂隙水，少許孔隙潛水。K690+755～K690+799段圍巖級別為Ⅳ級，K690+799～K690+835段圍巖級別為Ⅲ級。

病害發生后對上拱段開展了人工測量工作，最大變形點位于K690+755斷面，上拱速率0.6 mm/月，并呈現持續上拱趨勢。結構裂紋調繪成果表明，裂紋分布在隧底無砟道床板上及邊墻襯砌上，主要集中在K690+788～K690+815段。裂紋長度范圍為3 075～5 800 cm，寬度范圍為0.2～0.5 mm，深度范圍為2～5 cm。

2 病害原因分析及整治方案

2.1 病害原因分析

病害發生后對該段進行鉆探取樣，鉆探揭示隧底為泥盆系中上統(D[2-3])白云巖、泥質砂巖夾石膏。根據10組巖樣室內試驗，巖體天然抗壓強度7.9～16.1 MPa(平均值為10.4 MPa)，自由膨脹率為0～23.5%，膨脹力為0～7.9 kPa，飽和吸水率為2.27%～6.38%，根據TB10038—2012《鐵路工程特殊巖土勘察規程》判定為非膨脹巖。地下水位為0.67～1.7 m，隧道右側半圓溝及填充面有水。根據水樣化驗，地下水在環境作用類別為化學侵蝕環境及氯鹽環境時，硫酸鹽侵蝕等級為H2。

另外，根據隧道中心水溝兩側鉆孔及成像成果顯示，本段隧道中線處仰拱+仰拱填充總厚度滿足設計要求。根據K690+797斷面鉆孔揭示隧底結構情況看：仰拱曲率與設計不符，仰拱呈近底板結構。根據鉆孔取芯混凝土試驗，仰拱結構強度滿足設計要求。

通過地質勘探及現場調查工作，總結本段軌道上拱的原因主要有以下幾個方面。

(1)本段地應力受小江活動斷裂次級構造的影響，局部地應力集中且應力集中帶分布不均勻，大變形是地殼運動在隧道開挖后的慣性延伸。根據病害段地質條件及其他鐵路類似病害工點工程經驗判斷，高地應力條件下的軟巖蠕變(大變形)是段內仰拱上拱、邊墻開裂的主要原因[14]。

(2)本段內仰拱與基巖面殘留虛砟，使得該接觸面不密貼，地下水易沿該接觸面活動而得不到有效排泄，在列車動荷載擠壓作用下，地下水壓力增大，反復作用于仰拱及仰拱填充，導致隧底緩慢隆起，嚴重者還可把泥沙帶進填充層間的各種縫隙內。

(3)隧道施工的仰拱曲率不足，降低了隧道結構抵抗圍巖壓力的能力。

2.2 整治方案

結合監測、地質補勘及初步原因分析情況，確定如下整治原則。

(1)對隧底結構采取錨固措施，增強隧底結構抵抗變形能力。

(2)對結構病害及缺陷采取注漿補強措施，增加結構的整體性及剛度。

(3)對隧底地下水采取綜合引排措施，降低地下水對結構的不利影響。

(4)對隧底結構及錨固結構采取持續監測的措施，確保運營安全并為后續工作積累數據。

基于上述隧底變形特征及病害情況，于隧底增設錨索和錨桿，增強隧底結構抵抗變形能力，抑制軌道過快變形。

(1)錨索加固

于LSS隧道K690+755～K690+835段軌道板兩側增設錨索加固，錨索鉆孔位于左線中線左側1.60 m及右側1.55 m處、右線中線左側1.55 m及右側1.60 m處，錨索縱向間距4 m，錨索長21.5 m，其中錨固段長8 m，自由段長12 m，外露張拉段長1.5 m，共布置72孔，鉆孔直徑為130 mm。錨索采用6束φ15.2 mm高強度低松弛無黏結鋼絞線制作，鋼絞線抗拉強度不小于1 860 MPa，每孔6束錨索錨固段鋼絞線分成3個單元。單孔錨固力設計值為800 kN，單孔錨索初始預應力設計值取400 kN。

(2)錨桿加固

于LSS隧道K690+755～K690+835段軌道板兩側增設全長黏結型錨桿加固，錨桿鉆孔位于左線中線左側1.60 m及右側1.55 m處、右線中線左側1.55 m及右側1.60 m處，錨桿縱向間距4 m，隧道中線內側兩根錨桿長15 m，隧道中線外側兩根錨桿長10 m，共布置72孔。錨桿采用φ32 mm PSB830精軋螺紋鋼筋制作錨桿，需要接長時應采用專用連接器。錨桿鉆孔直徑為110 mm。錨桿采用Ⅰ級防護構造。注漿建議采用M35水泥砂漿。

(3)注漿補強

根據隧底補勘情況，本段隧道軌道板及隧底結構表面分布大量裂紋，多段隧底仰拱填充層混凝土破碎，仰拱與圍巖之間、填充層與仰拱之間存在破碎層。基于上述隧底現狀及病害情況，本次對隧底混凝土與圍巖界面及結構本體采用注漿加固處理，并對結構表面裂縫采取注漿封縫處理。為保證仰拱與仰拱填充層密實性，增強隧底結構整體性，對隧底混凝土與圍巖界面及結構本體采取填充注漿，注漿孔設置于軌道板兩側，橫向共布置4排，縱向間距2.0 m。填充本體注漿和隧底混凝土與圍巖界面注漿共用注漿鉆孔，先進行隧底結構本體注漿，本體注漿孔深度按嵌入仰拱厚度的1/2控制。

(4)疏通排水降壓孔

根據隧底補勘情況，地下水易沿仰拱與基巖面縫隙活動而得不到有效排泄，在列車動荷載擠壓作用下，地下水壓力增大。基于上述隧底現狀及病害情況，本次對前期設置的排水降壓孔全部進行疏通，并加強觀測，必要時酌情增設排水降壓孔，減小地下水壓力對隧底的作用。

(5)軌道變形監測

為確保運營安全，評價整治效果，整治措施實施后，對K690+735～K690+855段開展軌道變形監測。共布設25個監測斷面共74個測點，斷面間隔5 m。監測頻率暫按1次/周，實施過程中可根據監測數據適當調整。

(6)錨桿錨索自動監測

為對錨桿和錨索的工作狀態及工程整治的安全狀態作出正確的分析判斷，需對錨桿和錨索拉力進行監測，以便能及時掌握錨桿和錨索受力情況，確保行車安全。

3 軌道變形人工測量

3.1 監測方案設計

2018年4月28日起對K690+735～K690+855段軌道變形開展人工測量工作，斷面布設間隔為5 m，每個斷面布設8個監測點，觀測頻率1次/周。其中G01、G08布設于隧道邊墻底部，G02、G07布設于電纜槽與軌道板之間，G03、G06布設于線路中心，G04、G05布設于中心水溝與軌道板之間，具體斷面示意如圖1所示。

圖1 人工測量測點布設斷面

3.2 監測成果分析

2019年5月17日人工監測觀測至第50期，通過與第1期(2018年4月28日)監測數據進行對比分析發現，K690+800及K690+810兩個斷面發生較大隆起變形。累積上拱變形量如圖2、圖3所示。

圖2 K690+800斷面各測點隆起變形量

圖3 K690+810斷面各測點隆起變形量

從圖2、圖3可以看出，該段最大隆起變形點位于K690+800斷面G03測點，變形量7.9 mm，且該斷面變形主要發生在隧道仰拱范圍內，隧道邊墻基本無變形。

4 錨桿錨索自動監測

4.1 監測方案設計

基于物聯網技術，采用鋼筋計、錨索測力計對隧道道床隆起K690+755～K690+835段錨桿應力和錨索預應力隨時間變化情況開展實時監測及安全評估[16-20]，并及時推送評估結果及預警信息。采集頻率1次/h，并可根據當前安全狀態動態調整采樣頻率。監測預警系統架構如圖4所示。

圖4 監測預警系統架構

病害段自動化監測共計布設監測斷面8個，錨桿監測斷面里程分別為：K690+755、K690+791、K690+795、K690+835。K690+755和K690+835斷面各布設鋼筋計6個，K690+791和K690+795斷面各布設鋼筋計10個，共計布設鋼筋計32個。錨索監測斷面里程分為：K690+757、K690+793、K690+797、K690+833。K690+757和K690+833斷面各布設錨索測力計2個，K690+793和K690+797斷面各布設錨索測力計4個，共計布設錨索測力計12個。錨桿有兩種型號，分別對應長度為10 m和15 m。10 m長錨桿布設2個錨桿鋼筋應力計，距頂部分別為3 m和6.5 m；15 m長錨桿布設3個錨桿鋼筋計，依次距頂部為3.0，9.0，12.0 m；錨索測力計布置在錨頭位置。監測設備布置典型斷面及平面如圖5～圖7所示。

圖5 病害段錨桿監測布置斷面(單位：cm)

圖6 病害段錨索監測布置斷面(單位：cm)

圖7 病害段錨桿錨索監測布置平面

4.2 系統安裝及功能介紹

2019年5月20日，病害段錨桿鋼筋計及錨索計全部安裝完畢，如圖8所示。

圖8 鋼筋計及錨索計現場安裝

客戶端軟件界面如圖9所示，自動監測系統具有如下功能。

圖9 客戶端軟件界面

(1)登錄及版本升級

客戶端軟件啟動時，按不同用戶類別權限進行登錄控制，并具有自動識別軟件版本編號和更新升級功能。

(2)地理信息與模型三維可視化

采用多維一體圖形化信息顯示技術，可聯動顯示平面圖、地圖、監測點信息標注、三維模型、無人機雷達影像等。

(3)整體監測信息綜合展示

包含所有監測工點的基礎信息、監測信息總覽功能。

(4)安全狀況與狀態統計

采用圖形展示所有工點的安全狀況統計與設備狀態統計結果。

(5)工點監控信息綜合展示

展示具體監測工點的所有設備狀態、監測數據、安全狀況、近期數據變化趨勢等信息。

(6)歷史數據查詢及報表

采用雙緩存技術實現同時查看單個或多臺設備歷史數據曲線的功能，并支持歷史數據導出報表。

(7)文檔、影像資料查詢

具備文檔資料(如施工圖)、影像資料(航拍)的查詢和訪問等功能。

4.3 監測數據分析

現選取K690+797代表監測斷面對錨索測力計監測數據進行分析，近2個月監測數據如圖10所示，可以看出該斷面4臺錨索測力計數值隨時間均勻增長，增幅為4.6%～5.4%。由此可知，該隆起段仍處于變形增長階段，地應力仍未完全釋放，仍需繼續關注該病害段后續整治效果。

圖10 K690+797斷面錨索測力計監測數據

5 結論

通過對某病害段隧道仰拱隆起原因進行分析及整治處理，得到以下結論。

(1)高地應力為該隧道隆起的主要原因，仰拱曲率未嚴格執行設計標準也是誘發因素之一。

(2)采用“錨桿錨索加固、注漿加固、引導排水、加強監測”的綜合方案對隧道隆起病害段開展整治，可為類似工程提供參考。

(3)采用自動監測手段可有效獲取隧道底部巖層力學特性，對整治效果評價起到重要作用，可在既有線隧道監測中推廣應用。