運營重載鐵路項目隧道基底病害整治技術

東虹佐

(中鐵十八局集團第五工程有限公司，天津 300459)

1 工程概況

中南通道鐵路(瓦日線)吾沿河隧道位于平順縣北耽車鄉與陽高鎮鄉之間，進口位于北耽車村以南2 km左右，出口位于廻源頭村以北約200 m，線路以北2～3 km為濁漳河，基本與之平行。隧道為單洞雙線，全長9.1 km，設計運行時速120 km/h，采用雙塊式無砟軌道結構。隧道穿越太行構造侵蝕中山區，地質條件復雜，裂隙水豐富。其中K583+270～K584+720段設計為IV級圍巖，巖石產狀平緩，頁巖遇水易軟化脫頂，可溶巖與非可溶巖接觸帶(頁巖與灰巖)，可溶巖較發育。自正式通車運營后，不斷發現該里程段落內整體道床局部出現軌道隆起現象，最高處拱起達8.4 cm，隧底結構出現多處裂紋，且有整體變形、破壞等現象，嚴重影響鐵路行車安全和增運量。結合現場實際作業施工條件及運營期間通車密度情況，介紹隧道基底出現的各種病害狀況及整治措施，以供借鑒。

2 承壓水治理

2.1 位置段落及病害表象

K584+910～K585+430該段仰拱中心縱向開裂，道床形成波式隆起沉降，起伏幅度較小，隧道中心排水管溝開裂，內部水流量增大，水質渾濁，有大量泥沙沉積現象。

2.2 原因分析

該段存在高壓頭地下水，隧道開挖通過該富水段后，破壞了原有平衡，使水壓集中指向隧道仰拱薄弱處，造成仰拱隆起。基底沉降多數情況下都是由于地下水層通過巖層裂隙，浸泡、沖蝕隧道底部軟弱巖層及混凝土，遇水易軟化、溶解，使整體結構變成漿液或者顆粒狀，在長時間的外部應力作用下，水流帶動著侵蝕后的巖石顆粒，通過裂隙流失，導致基底形成空洞，造成隧道底部不均勻沉降變形。對遇水膨脹的巖石(該段隧道底部主要巖層為弱風化泥質頁巖、含微量石膏質巖)，經過長時間的浸泡，巖石的體積增大，形成膨脹力，造成隧道底部隆起，從而破壞道床及軌道等結構，危及行車安全。

2.3 整治方案

整治前需先對地下水來源進行探查，包含水量大小，水位、水壓及流動方向，而后根據水特性的不同分別治理。水量流動及水壓小的位置可以進行注漿處理，漿液可填充巖層間的裂隙，使松散的圍巖形成整體，避免水流侵蝕，提高基底承載能力；水流動及水壓大的位置可以進行打孔泄壓至洞內排水設施進行處理，在隧道每處中心檢查井底及兩側排水溝底設置3個50PVC管泄壓孔，長度為3 m，縱向排距50 m(根據水流量大小及變形量而定，具體見圖1)。利用手持式潛孔鉆機進行鉆孔，50PVC管端部梅花形布置打孔，中心檢查井內上部孔口標高應高于檢查井內底標高不小于0.5 m，兩側水溝上部孔口標高應高于水溝底標高不小于0.2 m，并用無紡布卷填充，防止管內淤塞。

3 基底虛渣、軟弱圍巖治理

3.1 位置段落及病害表象

圖1 打設泄水孔位置(單位：mm)

K582+935～K583+220段該段仰拱中心縱、橫向開裂、道床板底部脫空，局部存在沉降、隆起現象。

3.2 原因分析

隧道底部開挖后，基底面清理不徹底，而后直接進行混凝土澆筑。殘留的虛渣被壓在混凝土與基底巖層之間，使兩者不能緊密結合，在重載列車長期的運行荷載作用下，反復碾壓，虛渣顆粒變小，形成漿體，使底部受力不均，混凝土底部結構逐漸磨損、破壞，從而造成仰拱頂部開裂、不均勻沉降及隆起。

3.3 整治方案

為治理基底虛渣、圍巖軟弱等情況，可對基底采取打設鋼花管樁及錨管注漿措施[1-3]，改善并補強基底破碎、軟弱狀態。

3.3.1 打設鋼花管樁

基底圍巖為軟弱圍巖時，可采用鋼花管樁對基底進行加固，鉆孔直徑為150 mm，鉆孔深度根據鉆芯取樣圍巖軟弱、破碎層位置而定。隧道斷面布設6根，分別位于兩側水溝、線路中線及水溝兩側，縱向排距1.2 m，具體見圖2。

圖2 鋼花管樁斷面布置

鋼花管采用?108 mm鋼管，出漿孔沿鋼管軸線，徑向旋轉45°呈螺旋式布置(端頭以下1 m范圍內不打設出漿孔)，孔眼?8 mm，間距50 mm。鋼花管內部采用3根?25 mm焊接鋼筋束貫穿安裝。孔口制作封端鋼板進行密封，以保證注漿壓力。

鋼花管安裝前外壁需除銹，以增加鋼管與水泥漿的有效接觸面積，增強粘結力。鉆孔前先定好孔位，再用潛孔鉆鉆孔。鉆孔過程中需確保垂直度，防止偏斜。鋼管分段連接采用?120 mm無縫鋼管套接，長度不小于200 mm，套接兩端長度盡量保持一致并不小于80 mm，環縫采用焊接處理。注漿管從鋼花管中間隨鋼筋束分段安裝，端頭距孔底保持100 mm距離，注漿管在封端鋼板處用膠帶或凝膠密封。注漿機壓注單液水泥漿，水灰比為1∶1，注漿壓力為0.1～0.2 MPa。

為了保證鋼花管在孔中居中，沿鋼管軸線間隔2～3 m安裝一組對中架，采用?16 mm鋼筋焊接，長度200 mm，鋼管底部采用?16 mm鋼筋焊接V形托架，長度100 mm，便于鋼花管入孔安裝作業，也可避免鋼管與孔底泥渣直接接觸而銹蝕。鋼花管樁結構見圖3。

圖3 鋼花管樁結構

3.3.2 錨管注漿

基底圍巖較破碎時，可采用錨管注漿對基底進行加固。鉆孔直徑50 mm，注漿錨管直徑42 mm，鉆孔深度3 m，主要針對中心水溝薄弱處進行加固。隧道斷面布設2根，與仰拱平面呈45°夾角。縱向排距1.2 m，具體見圖4。

圖4 錨管注漿斷面布置(單位：mm)

注漿錨管采用熱軋無縫鋼管，長度3 m，壁厚3.5 mm，具體結構見圖5。注漿錨管采用鉆孔打入法，成孔后錘擊或用鉆機將錨管頂入，安裝完成后用高壓風將錨管內的砂石顆粒吹出，用塑膠泥封堵孔口及周圍裂隙，確保孔口密封性。注漿機壓注單液水泥漿，水灰比為1∶0.8，注漿壓力為0.2～0.3 MPa。

4 克服地應力影響

4.1 位置段落及病害表象

圖5 錨管結構(單位：mm)

K583+270～K584+720段道床板每根軌枕附近均有橫向裂紋，發現該段仰拱中心縱向開裂、裂縫寬度最大達到8.4 mm且明顯隆起，中心排水管橫向擠壓變形、兩側電纜槽出現垂直裂紋及扭曲變形，道床板底部隆起，具體見圖6、圖7。

圖6 中心排水管擠壓變形 圖7 兩側電纜溝槽擠壓變形

4.2 原因分析

該段隧道仰拱正好處于山體溝谷位置，兩側埋深不均衡，最小埋深僅180 m。山體自身形狀的不規則、自重不均、巖層巖性的軟硬程度不同，都是引起應力產生的關鍵條件。隧道在開挖過程中，已經對山體局部的整體穩定性進行了破壞，應力通過薄弱處進行釋放，這是造成隧道收斂、開裂、底部隆起變形的主要原因。

4.3 整治方案

由于該段隧道仰拱逐年的、不斷的隆起，且伴隨著重載貨運任務量的不斷增加，該段隧道仰拱進行了多次整治。根據不同時段的通車密度及天窗作業限制條件，分為全封閉、半封閉、不封閉三種情況，分別采取隧道底部結構整體拆換、自進式預應力錨桿錨固、無砟道床拆換有砟道床三種方式進行整治。

4.3.1 隧道底部結構整體拆換

針對隧道底部變形嚴重、道床已大面積被破壞、允許線路全封閉施工的情況，可采取隧道底部結構整體拆換的方式進行整治。此方法需要對線路進行全封閉施工，適用于有全封閉條件的線路。

(1)二襯鎖腳施工。隧道底部結構拆換前，需先對二襯進行鎖腳錨固施工，根據隧道斷面大小制定。鎖腳錨固可采用長3.5 m的?42 mm錨管，每排不少于2根，其中1根垂直于二襯設置，另1根斜插于二襯，鉆孔采用風鉆，注漿機壓注單液水泥漿，水灰比為1∶0.8、注漿壓力0.3 MPa、穩壓10 min。

二襯鎖腳完成后，通過二襯上設置的觀測點位進行二襯沉降及收斂的量測，每半天測量一次，為后續二襯鎖腳、仰拱挖除提供經驗參數借鑒。

(2)底部結構拆除。拆除前，首先做好電纜防護，檢查鎖腳錨固措施到位后方可開始仰拱拆除。拆除及卸車可以采用以小型挖掘機為主、人工輔助，以節省時間。拆除順序和工況如圖8～圖11所示。

圖8 底部結構第1次拆除示意(單位：mm)

圖9 底部結構第2次拆除示意(單位：mm)

圖10 道床板拆除 圖11 仰拱拆除

(3)基底補強處理及結構恢復。拆換后如遇基底圍巖不好可采取基底補強措施處理，仰拱可通過加大曲率、增加厚度、增設鋼筋結構等方法來提高整體強度。補強處理后，即可按原設計要求恢復結構。

4.3.2 自進式預應力錨桿錨固

針對隧道底部變形嚴重、道床已存在破壞、允許封閉單條線路施工的情況，可采取自進式預應力錨桿錨固方式進行整治。鉆孔深至持力層上，將自進式錨桿逐節插入，連接采用鋼螺紋套筒，每節深入套筒長度不得小于10 cm。通過自進式錨頭將錨桿一端固定在持力層上，而后注漿。注漿完成后，張拉端安裝鐵墊板及螺母，待漿液強度達到70%時，對外露錨桿進行張拉。預應力錨桿結構見圖12。張拉力不小于40 kN。擰緊螺母使錨桿產生應力，下拉底部結構，由此來抵消地應力產生的隆起。此方法需要對線路進行封閉施工，適用于半封閉條件的線路。

圖12 自進式預應力錨桿結構

(1)道床板銑孔。道床板為鋼筋混凝土，采用潛孔鉆機工效低且鉆具損耗大，鉆孔前利用鉆孔取芯機對道床板進行銑孔，考慮錨桿的傾度，銑孔孔徑應大于錨桿設計孔徑。

(2)錨桿鉆孔。設計要求：孔位偏差不大于15 mm，鉆孔的角度偏差小于±3°；孔深必須大于錨桿設計長度100 mm，孔深偏差值不大于50 mm。鉆孔結束后孔內臟水和巖粉用高壓風(水)沖洗干凈，完成后孔口加蓋或堵塞予以適當保護。隧道每斷面梅花布設8個孔位，斷面預應力可達320 kN，孔位布置見圖13。

圖13 自進式錨桿鉆孔孔位布置示意(單位：cm)

鉆孔可采用ZQS-100D潛孔鉆機，搬運方便，便于拆裝，操作維護簡便，進尺快，效率高。可實現0～90°自由調整，鉆機就位，檢查鉆孔傾斜度和方向，通過空氣壓縮機輸送風，帶動動力頭回轉及提升，實現回轉鉆進及鉆具提升，完成鉆孔工作。鉆孔過程中，降塵除渣采用鉆桿內泵送少量水和孔口噴灑水結合的方式進行，以有效消除維修作業產生的灰塵，同時維修作業產生的廢渣及時裝袋清運出隧道。鉆孔完畢后,用凈水把孔底沉渣沖洗干凈,直至孔口凈水返出.確認錨固孔暢通，完成后孔口加蓋或堵塞予以適當保護。

(3)錨桿安裝及注漿。由于工作空間的限制，桿體采用分節安裝，使用套管連接。為使錨桿處于鉆孔中心,應在錨桿桿件上安設定中架或隔離架(桿體沿軸線方向每隔1.0～2.0 m設置一個定中架)，錨桿鋼筋或鋼絲平直、順直、除油除繡。安放錨桿桿體時,應防止桿體扭曲、壓彎,管端距孔底為50～100 mm,桿體放進角度與鉆孔傾角保持一致,安好后使桿體始終處于鉆孔中心。

注漿材料可采用水灰比為0.6的純水泥漿，注漿壓力0.1～0.2 MPa。漿液應攪拌均勻,過篩,隨攪隨用,漿液應在初凝前用完,注漿管路應經常保持暢通。注漿采用BW100注漿泵注漿。注漿前，將孔內的巖粉等雜物吹洗干凈。使用砂漿泵將漿液經壓漿管輸送至孔底,再由孔底返至錨固段高度,可停止注漿。 注漿完成后，及時用水清洗注漿機及管路。注漿位置為錨固段長度，注漿完成待強度達到100%后進行張拉鎖定。

(4)安裝墊板、螺母、預應力張拉。在所注漿液強度達到預定強度之后，安裝墊板(150 mm×150 mm×10 mm)，墊板應與道床板或二襯混凝土表面密貼，上緊桿端螺母，使其產生一定的預應力，起到更好的加固圍巖的作用。錨桿與墊板應保持垂直，并與砼充分接觸，螺母務必擰緊。

錨具安裝應與錨墊板和千斤頂對中，與錨桿軸線方向垂直，采用千斤頂一次直接張拉到設計噸位。預應力張拉采用千斤頂進行，張拉設備在張拉前要進行標定，根據率定報告換算出對預應力錨桿張拉時拉力所對應的刻度表讀數，將刻度表值調整到相應的拉力值后，對預應力錨桿進行張拉。當張拉至設定張拉荷載值后，持荷10～15 min，觀察油泵壓力值及伸長量變化來判斷是否有預應力損失，如無變化認為張拉力滿足設計要求。 若發現有明顯預應力損失時,應進行補償張拉。

4.3.3 無砟道床拆換有砟道床

針對隧道底部隆起變形嚴重、道床已大面積被破壞、不允許封閉線路施工的條件，可采取將無砟道床拆換為有砟道床的方式進行整治。此方法在不拆鋼軌的條件下施工，在355 min的有效天窗時間內將施工區段分解為6 m左右一個施工單元，把每個施工單元分解為鑿除和拆換兩部分，通過“一深一淺”鑿除法利用兩個有效的天窗時間，完成隧道內無砟軌道拆換有砟軌道。此工法用于重載鐵路工期緊張情況下的快速施工，且不影響列車通行，適用于無封閉條件的線路。

(1)無砟道床拆除。以60 m左右為一施工區段進行鑿除作業；每個鑿除單元6 m左右，相鄰鑿除單元連續鑿除，詳見圖14。施工順序分兩步：第1步，按照一深一淺鑿除，遵循“先淺后深”分兩組工人利用風鎬進行道床板鑿除，從單元一端開始，一個天窗點統一對施工單元道床板鑿除至淺槽設計深度，下一個天窗點把施工單元內設計深槽由淺槽鑿除至深槽的設計深度，下一工序前2、4、6、8、10(淺槽)和1、3、5、7、9(深槽)全部達到設計要求。橫向開槽平面范圍為鑿除既有軌枕間的混凝土，深槽開鑿至設計標高，淺槽開鑿至露出道床底層鋼筋，且深度不得超過鋼筋以下20 mm，嚴禁換枕前割斷底層鋼筋。第2步，混凝土鑿除后露出的槽道應立即采用碎石道砟填充，以填充至原道床面高度為宜，不應超出原道床高度20 mm及以上，以維持運營時間內列車安全通行。

圖14 “一深一淺”鑿除

施工期間應注意：開槽側壁應盡量保持豎直，施工過程中不允許擾動軌枕及下部道床和回填層，嚴禁對雙塊式軌枕下道床及回填層有鏤空、掏洞等影響安全行車的行為；開槽后需立即采用碎石道砟填充槽道，鋪設有砟道床前不得空置槽道。

(2)換枕及有砟道床鋪設施工。為保證換枕順利進行，保證天窗時間的有效利用，各個工序嚴格卡控時間。

拆除軌枕及枕下混凝土：清除槽內道砟，連續成段鑿除剩余雙塊式軌枕和道床，利用千斤頂或方枕器頂松(倒)軌枕，風鎬鑿除混凝土，手持式鋼筋切割機切割軌枕鋼筋，枕木頭從鋼軌底部抽出，然后繼續下鑿混凝土至設計高度，確保換枕區段基底平順。

清理基底：鑿除至設計底標高后，若發現隧道填充層裂紋，應采用環氧樹脂注漿加固。

仰拱填充混凝土按設計要求鑿除后，填充面應保證平整，有必要時可采用高強度速凝快硬砂漿抹平找坡，也可采用機械抹平找坡。坡度隨線路縱坡。

有砟道床鋪設：事先在鋼軌上標記好軌枕安放位置，清理承軌槽，鋪設膠墊，人工穿入新枕，并橫撥至軌枕位置上，新軌枕可采用彈性軌枕，減少有砟軌道養護維修工作量，延長線路養護維修周期。軌枕位置方正均勻，軌枕間距和偏斜誤差均不超過10 mm。采用螺絲機等專用機械設備安裝扣件。

填入道砟后，道砟高度不得超過軌枕中心高度，隨后進行搗固及對線路調整施工。

(3)有砟到無砟過渡段施工。為更好的增加有砟道床及無砟道床過渡段的穩定性，在有砟和無砟的連接處可以設置25 m過渡段，有砟部分20 m，無砟部分5 m。過渡段增設護輪軌，采用兩根60 kg/m輔助軌，長度為25 m。

5 加強過程變形監測

無論以上述哪種方式施工，都會對隧道底部整體結構的穩定性造成一定的影響，為此在整治施工期間的動態變形監測是至關重要的，它不僅可以對施工中產生的不穩定因素進行預警，還可以通過積累數據，對相應的施工進行動態調整并指導施工。

6 結論

綜上所述，在運營重載鐵路項目中，隧道發生病害頻率較高且引起的原因復雜多樣，只有認清病害，查清病害產生的因素，才能有針對性的進行整治施工，對癥下藥。不僅如此，鐵路病害的整治工作，通常是在病害已經產生一定破壞作用后才進行的，因此從設計、施工到運營養護的過程中，每個環節都給予足夠的重視是十分必要的，只有防治結合、加強維護，才能從根本上解決病害的產生。