高速鐵路黃土隧道內軌道板上拱機理及整治方案

王云杰

（大西鐵路客運專線有限責任公司，太原 030032）

近年來我國高速鐵路建設迅猛發展，隨著運營里程規模快速增長，運營時間加長，軌道的基底結構不僅要承受軌道上部的結構荷載，還要承受循環往復的動荷載作用，軌道的不良狀態將直接影響行車質量，因此關注軌道的平順性就顯得尤為重要［1-3］。軌道平順性與構筑物工后沉降密切相關。由于高速鐵路隧道為大斷面，且大多數地質條件復雜多變［4-5］，工后沉降控制難度較大。

近幾年，國內許多專家學者對于隧道完工后洞內出現的軌道上拱或沉降的整治技術作了研究。馬偉斌等［6］分析了京通快速鐵路梨樹溝隧道的道床裂縫、下沉情況，采用注漿提升軌道板和精確定位方法，最終使軌道板抬升達標。譚永慶［7］對某膨脹性圍巖地層鐵路隧道出現的軌道上拱現象進行了研究，采用現場調查、基底鉆探等方法，探明泥巖在地下水的作用下產生膨脹和仰拱相對薄弱是病害發生的主要原因，通過基底鉆孔樁加固以及仰拱返工方法進行了整治。李奎等［8］通過注漿和錨桿加固方法整治隧道內道床隆起病害。朱興永等［9］通過減薄支承層、注漿植筋的方法解決了路基上拱問題，并制定相關的防水措施。

以上成果對于整治隧道沉降病害具有重要意義，但對黃土隧道洞門段發生的軌道上拱機理和整治技術，國內研究尚不全面。本文就黃土隧道洞門段軌道上拱整治技術進行探討，為類似工程病害整治提供參考。

1 工程概況

1.1 原設計和施工情況

南山上隧道為雙線單洞隧道，全長5 918 m。自進口至出口按單面上坡2個坡率設計，第1段長180 m 坡率16.5‰段為上坡，剩余段坡率為19‰。最大埋深約370 m。該隧道洞門段及其無砟軌道施工時間為2014年9 月至12 月，隨后進行了為期2 年的運行試驗。隧道進口仰坡采用拱形骨架護坡防護，邊仰坡坡率1∶1，洞頂設截水天溝，暗洞進洞段采用1 排φ108大管棚進行超前支護，管棚長40 m。隧道進口洞門為端墻式，與其相銜接的暗洞襯砌結構為黃土Ⅴ級復合式襯砌。隧道仰拱與填充分次澆筑。洞門及洞口段基礎明挖，基底新黃土采用三七灰土換填夯實，仰拱底部厚1 m，三七灰土下部采用φ400 水泥土擠密樁加固，間距1.0 m × 1.0 m，梅花形布置，樁長至少深入非濕陷性地層2 m 以上。暗挖段基底新黃土采用三七灰土換填夯實，中心和兩側均設有排水溝。

1.2 地形地貌及水文地質

隧道位于黃土高原低中山區，進口仰坡為45°～50°，洞頂地勢較緩，兩側多沖溝，地勢相對低凹之處覆蓋較厚的第四系坡洪積新老黃土，溝深壁陡。隧道進口洞身地層為第四系上更新統坡洪積（Q3dl+pl）新黃土和中更新統洪積（Q2pl）老黃土。新黃土厚度0～35 m，具濕陷性，濕陷系數0.026～0.109，濕陷深度0～24.0 m。洞口地表無常年性流水，洞口中心水溝常年有洞內積水排出。洞內水源為洞身段第四系孔隙潛水，主要賦存于第四系堆積層中，主要含水層為新老黃土及碎石類土。在黃土與下伏地層接觸帶附近賦存有少量上層滯水，水位一般在20 m 以上，水位隨季節的變化而變化。

2 病害現狀及現場調查

2.1 病害現狀

該隧道2015 年12 月至2017 年8 月試運期間，共進行了17 期的軌道沉降監測。在洞口前后長75 m 范圍的路基與隧道段布設監測點和斷面。監測點分布于左右線的軌道支承層、軌道板、鋼軌頂面及左右線路中心；監測斷面間距按10 m 和5 m 設置。利用天窗進行測點的沉降監測，監測頻率為1 次/月。監測環境見表1，軌道板初始標高以設計值為準。

表1 現場環境

監測結果顯示該隧道洞門段存在軌道板上拱現象，并且隧道仰拱填充層和無砟軌道道床板有裂紋。取第2 期（2016 年1 月16 日）和第17 期（2017 年8 月25日）的監測結果進行數據分析。

軌道板各監測點累計變形量見圖1。可知：①第2期洞門段（K219+547—K219+562）開始出現上拱現象。②第17期洞門段左右線軌道板均明顯上拱，左線上拱幅度在9～12.9 mm，最大值出現在K219+547處；右線上拱幅度為7～9 mm，最大值出現在K219+557處。

左右線路中心各監測點累計變形量見圖2。可見：第2 期左右線路中心出現輕微上拱，幅度為2 mm；第17 期洞門段軌道板明顯上拱，上拱幅度在13～14 mm，最大值出現在K219+557處。

圖1 軌道板各監測點累計變形量

圖2 左右線路中心各監測點累計變形量

由以上分析可知，洞門段左右線軌道板和線路中心沿線路方向的拱起范圍基本一致。

2.2 現場調查

由于洞門段位于山嶺的陰面，冬季日照時間短，且處于風道口。在2012年、2013年冬季現場調查中發現，洞口積水井內壁、仰拱及填充端面有結冰現象。隧址區土壤凍結深度超過了當地凍結深度（1.10 m），約為1.8 m。

為查明地質情況，分別在明洞段的左線、暗洞的右線、中心水溝三者之間各布置3 個檢測孔。各孔情況見表2。

鉆探揭示地層由上至下為：①人工澆筑的混凝土層，厚2.0～2.1 m，在1.4 m 和1.8 m 處有鋼筋；②三七灰土換填層，厚1 m 左右，灰色，巖芯可見明顯石灰顆粒；③第四系上更新統坡洪積（Q3dl+pl）新黃土層，厚4.6～5.7 m，黃褐色，軟塑～硬塑，局部夾姜石顆粒，分選性不好，粒徑1～6 cm；④中更新統洪積（Q2pl）老黃土層，厚度大于7 m，棕紅色，硬塑，土質均勻，結構緊密，針孔狀孔隙不發育。

鉆孔前后持續對周邊的水文情況進行了觀察，情況如下：①隧道區地表水不發育，無常年性流水。隧道建成后洞內地下水沿中心水溝往進口常年流出，在K219+590 處測得中心水溝底部距離地表約1 m，水溝內水深約0.16 m。②原勘察資料無地下水。鉆探顯示明洞兩端17-ZB-01 孔和17-ZB-02 孔內穩定水位分別為1.5 m 和1.1 m，對該2 孔提水后水位下降不明顯，且很快又恢復至穩定水位。17-ZB-03 孔位于明洞隆起段沿線路方向中間位置，鉆探剛結束未見地下水，孔深12.5 m，終孔24 h后測得穩定水位為9.6 m。

表2 各檢測孔情況

3 上拱原因及機理

根據現場鉆探揭示情況，多數鉆孔內水位穩定，且提水后很快恢復至穩定水位，中心水溝封閉后除1 個孔內地下水消失外，其余鉆孔內水位僅有所下降，并且有2 個鉆孔在深1.5～2.1 m 混凝土孔壁有水流出。說明仰拱填充有較多裂隙通道存在；中心水溝的地下水已滲入地基土層（三七灰土層和下伏新黃土層），下伏新黃土層受水浸泡呈軟塑狀，地基承載力下降。 結合設計、施工、現場調查和監測結果綜合分析得出：

1）地下水沿洞口中心水溝裂縫滲漏，經仰拱與填充中的裂隙下滲至隧底，致使地基土含水率顯著增大。

2）三七灰土中的石灰遇水膨脹導致軌道板上拱。主要原因是，地下水下滲浸泡基底，三七灰土中的生石灰易吸收水分形成氫氧化鈣（CaO+H2O→Ca（OH）2+15.6 kcal/mol），由原先的塊狀變為粉末狀，體積增大1 倍左右，比表面積和表面附著物增多。當三七灰土附近圍壓在50～100 kPa 時，石灰遇水熟化后樁體體積的膨脹量為1.2～1.5 倍［10］；同時隧底濕陷性新黃土受水浸泡軟化［11-12］，洞口樁基工程產生一定的上覆附加荷載，使得暗挖段隧道下沉，仰拱填充開裂，明洞受兩側暗洞與路基樁板縱向擠壓作用產生隆起。

3）隧道進口明洞處于風道口，寒冷季節氣溫較周圍其他區域低，軟塑～流塑狀地基土也會發生凍脹，在凍脹和三七灰土膨脹的共同作用下軌道板上拱。

4 處理方案

4.1 處理原則

查找中心水溝滲漏點，隔斷水源并更換中心水管；通過旋噴樁改良地基土，提高地基承載力；疏排地基與隧底之間的自由水。

4.2 方案比選

4.2.1 地基處理

擬定3 種方案：方案1 是保留軌道板及中心水溝；方案2 是保留軌道板，拆除中心水溝；方案3 是拆除軌道板及中心排水溝。方案對比見表3。

表3 地基處理方案對比

4.2.2 疏排自由水

擬定2 種方案：方案1 是洞外設置泄水洞；方案2是仰拱底設置泄水管。疏排自由水2 種方案對比見表4。

表4 疏排自由水方案對比

經充分比選和論證，地基處理和疏排自由水均選用方案2。具體實施方案為：保留軌道板；采用旋噴樁加固、拆除洞門段中心水溝重做；同時在仰拱底設置泄水管作為后續疏排自由水的補充措施。

5 現場處理及效果評價

5.1 現場處理

軌道板上拱處理流程：軌道板沉降監測→測量放線→搭建作業平臺→引流、拆除中心排水管→鉆機鉆孔至設計深度→高臺噴車就位，內插鋼管→待凝24 h后掃孔→旋轉提升，攪拌漿液→下噴漿杠→灌漿、封孔。

1）將處理段（K219+547—K219+562 段）需要拆除的中心水溝中流水進行引排。封堵暗洞第1 個中心水溝檢查井，鋪設臨時排水管，在檢查井內安裝潛水泵，抽水排入洞外既有排水溝渠，確保處理段無水施工。

2）拆除處理段的中心排水管，沿現狀仰拱填充面縱向梯形開槽，拆除中心排水管，槽底面寬1.0 m，頂面寬1.7 m，采用分段蓄水措施查找滲漏點。K219+562接口位置應保留的原中心排水管長度不小于1 m，便于后期施作排水管。拆除過程中應避免破壞預留的中心排水管，保護好軌道板。

3）施作旋噴樁+內插φ89 鋼管。旋噴樁分別布設在軌道板與電纜槽之間和左右線軌道板間，梅花狀布設，沿線路方向樁間距1 m，樁徑800 mm，鉆孔直徑110 mm。據此要求進行樁位放樣，搭設鉆機作業平臺。平臺采用相對柔質材料進行防護，以免損傷鋼軌和軌道板。

4）樁長控制及樁頂細部處理

旋噴樁縱向長度12 m，加固范圍為K219+547—K219+562。仰拱填充面至旋噴樁樁底內插φ89 鋼管，并采用微膨脹混凝土回填密實（軌道板范圍內鉆孔回填C40 混凝土，其余鉆孔回填C35 混凝土）。φ89 鋼管樁樁頂設φ22 高強螺栓及鋼板，錨固在既有仰拱填充面及軌道板頂面。

5）旋噴樁主要參數

現場施工前對黃土進行取樣試驗，測定天然重度、土粒相對密度、孔隙比、飽和度、天然含水率、液（塑）限、滲透系數、標準貫入擊數、無側限抗壓強度等參數。根據試驗所得黃土參數和試樁成果確定最終的旋噴樁相關參數。注漿材料采用425號普通硅酸鹽水泥，水灰比1︰1～1.5︰1.0，并摻入適當的速凝劑和3%膨潤土，成樁后樁體抗壓強度為5～10 MPa；旋噴壓力15～20 MPa。

6）恢復中心排水管及施作泄水管

沿φ600 中心排水管兩側施作7 處φ100PVC 泄水孔，間距3 m，兩側交錯布置，泄水孔深入隧道仰拱底不小于50 cm，仰拱底鉆孔采用無砂混凝土回填。PVC泄水管頂采用L 形彎頭接入中心排水管，以便排泄隧道仰拱底積水，減少仰拱底水壓力。

5.2 效果評價

對上拱地段采用φ800旋噴樁加固基底，同時拆除變形段中心水溝，重新施作中心排水管，并對之前上鼓地段的軌道扣件進行3～5 mm的精調。自2017年11月20 日處理完畢至今，經過2 年的持續變形監測，效果較好。施工前后左右線路中心監測點累計變形量見圖3。可見軌道整治前上拱現象明顯，整治后于2018年6月和2019年7月對軌道左右線路中心進行檢測，沉降值為0。洞門結構穩定，軌道平順性符合運營要求。泄水孔未發現滲水溢至中心水溝，說明滲漏自由水已在旋噴時消化吸收。

圖3 施工前后左右線路中心監測點累計變形量

6 結論與建議

本文分析了南山上黃土隧道內軌道板上拱原因，通過方案比選采取了保留軌道板，拆除中心水溝、設置泄水管、旋噴樁加固基底、調整上拱軌道扣件的整治措施，取得了較為明顯的效果。主要結論如下：

1）石灰遇水熟化膨脹是產生上拱的主要原因，當地基土中存在三七灰土時，應重點防范地下水泄漏，預防上拱病害發生。

2）重視隧道洞身在明暗洞交接處、軟弱圍巖變化處變形縫防水的設計和施工質量；在洞身變形縫處的排水設施可采用彈性管材提供抗變形能力。

3）目前仰拱填充在仰拱混凝土終凝后分次施作，而先行澆筑的仰拱混凝土弧形曲面的終凝時間因受氣溫、施工時間、工序等因素影響，現場實施難以控制，導致混凝土出現冷縫或不密實。因此，應進一步研究仰拱與填充一次性整體澆筑技術，以提高混凝土質量。