鐵路隧道底部上拱病害機理及整治技術探討

牛瑞強

中交一航局第三工程有限公司，遼寧 大連 116000

鐵路隧道底部結構的承載能力影響著隧道中車輛的行駛安全性，隧道底部路基施工方案不佳會導致隧道底部出現上拱、裂縫等病害，進而導致隧道底部路面破碎，隧道仰拱等結構的應力分布情況也會因此發生變化，造成隧道整體穩固性下降等問題，因此必須采取措施進行整治。

1 鐵路隧道底部上拱類型

不同的鐵路隧道所處的環境不一樣，對應的圍巖性質、地質條件、應力狀態天差地別，因而施工單位一定要在展開施工之前了解隧道環境，以及底部結構上拱的類別和機理。一般隧道底部結構隆起變形主要是因為塑性剪切膨脹，當底部為膨脹性翻土礦物時，含水量會顯著增加，底部也會膨脹變形，并出現底部結構上拱病害。從破壞力學特征角度進行分類，一般有四種類型，分別是擠壓流動性隧底上拱、遇水膨脹性隧底上拱、剪切錯動性隧底上拱和撓曲褶皺性隧底上拱。（1）擠壓流動性隧底上拱。當隧道底部是軟弱破碎巖體時，底部就容易出現擠壓流動。隧道兩幫和頂板強度都比底板巖體強度大，以至于兩幫巖柱擠壓到了底部的軟弱破碎巖體，從而引起上拱。（2）遇水膨脹性隧底上拱。一些膨脹嚴重、有很多親水性成分的礦石在遇水之后會膨脹軟化，然后體積迅速增大，這就讓圍巖出現了很大程度的變形。隧底膨脹巖會三向受壓，膨脹率越大的膨脹巖受到的極限膨脹壓力越大。一旦極限膨脹壓力大于隧底結構抗力，就會出現隧底上拱的情況，讓鐵路、水利、礦山等各種工程都受到災害性破壞。（3）剪切錯動性隧底上拱。一些比較厚的整體性巖層容易出現剪切錯動性隧底上拱，它們會在應力作用下形成楔塊巖體，然后在水平應力擠壓中上拱。（4）撓曲褶皺性隧底上拱。當隧道底板是層狀巖體時，容易出現撓曲褶皺性隧底上拱，這主要是因為平行層理方向存在著應力，長期作用下，隧底巖層受壓失穩，從而產生撓曲褶皺。

2 鐵路隧道底部上拱的影響因素

鐵路隧道基底承載力不夠，非常容易受到地下水的侵蝕。長期的浸泡下，底部圍巖逐漸劣化，承載力越來越低。基底存在膨脹巖則是受到高水壓的長期作用，核載超過結構抗力，隧道底部出現上拱。工程上是因為設計不合理或者施工質量不達標，結構抗力不足，然后出現相關質量問題。因此，在實際應用中，一定要重視施工質量和結構匹配性，觀察是否存在地下水和膨脹巖，從實際情況出發開展工作，觀察是否有基底承載不足的情況，并采取有效的措施來提高底部圍巖承載能力，讓整體的承載能力和結構可以得到最大程度上的強化。

3 鐵路隧道底部上拱整治技術

3.1 錨注一體化

在治理隧道病害時，業內常用的整治方法是注漿。從實際應用來看，注漿的施工工藝簡單，造價比較低，隧底圍巖整體性可以得到持續的提高，基底的承載能力也會一定程度上得到提高。在治理隧道基底上拱時可以從實際情況出發，結合隧道天窗，在有時間限制和空間限制的前提下做好施工處理，將錨固和注膠結合在一起，做好新型加固型錨桿，用高分子凝膠材料來展開施工，讓鐵路運營能夠更加快速高效。

3.2 輕型井點降水+注漿

對于一些因為地下水而出現的上拱情況，可以通過輕型井點降水來有效降低地下水位，讓基層基底可以保持干燥，更快地抽走地下水，固結碎石，使基底具有更高的完整性，提高基底的承載能力。相關單位要有針對性地做好降水工作和注漿整治，從實際應用出發控制病害發展。在進行輕型井點降水時，要做好井管上部和總管的連接工作，使用抽水設備把地下水抽出來，降低水位，確保地基證干燥。在確定方案之前，要先調查涌水量，科學計算降水量。

3.3 基底換填

整體來說，隧道基底換填操作比較簡單，應用比較快速，是一種比較實用的隧道基底處理辦法，在實際應用中可以廣泛地應用在洞口以及洞身的淺埋段。在進行施工時，可以用C20片石混凝土來更換膨脹巖之類的不良地層。要注意的是，整個換填需要深入基巖，并且保證深度大于0.5m。在做基底換填時，要控制隧道基底厚度，從實際情況出發確定換填深度，并采取合適的防護措施。

3.4 隧道換底強化技術

有的鐵路隧底上拱時已經出現了結構性破壞，整體的修復難度非常大，修復時需要從實際情況出發做好整治工作，更好地架空軌道結構，然后開展換底處理工作。對于隧道基底翻修的施工一定要重視與實際情況的結合程度，要做好換底方案，注意可以采用施工便梁架空技術來開展工作，并結合隧道特點，選擇不同的病害處理技術類型。隧道的結構主要包括縱梁、橫梁、連接件及支墩，在進行分析時，要注意主要受力結構，即縱梁和橫梁，分析傳力路徑，并制訂好施工方案。

4 鐵路隧道底部上拱整治技術的應用案例

4.1 工程案例概述

文章以某隧道為例展開討論，該隧道長度為3579m，是全線最長隧道，涉及的隧道地形起伏大，并且高度落差大，最大埋深120m，整個隧道橫穿了山嶺。運營部門在2015年年初做了隧道檢查，發現某一個范圍內出現了襯砌開裂及基底上拱病害，隧道基底上拱及開裂情況如圖1所示。

圖1 隧道基底上拱及開裂情況

4.2 隧底上拱成因

工作人員在實際調查中發現，出現隧底上拱的主要原因在于基底膨脹巖。由于隧底膨脹巖的存在，遇水會出現大變形，隨之使隧道底部缺失了一部分仰拱，并且出現了填充厚度不足的情況，以至于結構抗力低下，穩定性和安全性都不夠高。出現病害的地段對應的地層有很多的親水礦物，有顯著膨脹性，這讓地下水活動更加活躍和頻繁。親水礦物和水接觸，底部圍巖逐漸軟化膨脹，最終出現崩解，讓圍巖在膨脹壓力和塑性變形條件下徹底破損開裂，最后出現了嚴重的病害。

4.3 隧道底部上拱整治方案

要做好整治工作，施工人員就需要用到施工便梁架空技術，在傳統模式下先用上承式架空方案展開工作。混凝土結構用上承架空方案時，整體的施工難度比較大，而且重量穩定性也比較差。在進行檢修時，要根據實際情況合理設計下沉式架空方案，提升縱橫梁體系穩定性。對于隧道基底采用注漿加固的技術方案調整路面結構的平整性與應力協調性，加固前在路面上鑿除或切割長20cm、寬20cm、深10cm的矩形槽，在矩形槽中插入小導管進行注漿，注漿后恢復原路面。多技術方案共同作用下可見隧道底部變形問題得到了解決，但具體應力分布情況還需進一步論證。

4.4 整治結果分析

由于仰拱形狀對承載力非常敏感，對仰拱結構進行內力分布及安全系數進行分析可以提升隧道底部上拱問題的控制效果，該施工后的仰拱及邊墻底等結構應力情況如表1所示。在進行仰拱加深后，整體結構性能得到了優化，混凝土抗壓性能也得到了顯著的提升，結構承載能力得到了保障，工程效果達到了預期要求，隧道結構穩定性符合運行要求。仰拱整體應力協調效果較好，且安全系數較高，拱頂拱腳的受力狀態相對較好，因此采用這一整治技術方案能夠提升隧道整體截面結構的應力平衡效果，防止因巖層擠壓造成結構變形病害。

表1 加固處理后仰拱及底部應力及安全系數分析表

4.5 隧道底部上拱病害整治技術管控

在隧道底部變形病害整治操作中，底部上拱及裂縫問題是整治難度較大的兩種，底部上拱病害處理操作中必須強化巖體結構應力平衡效果，應選擇科學的支撐技術，并積極做好技術交底，施工人員先做好上拱部位的應力處理施工后,還要對隧道底部面層結構進行平整處理，以防變形結構影響隧道運行安全性。

5 結束語

總之，鐵路運行中隧道底部上拱問題的發生會導致結構穩定性不佳，在具體隧道項目中運行應積極做好上拱整治操作，這樣才能夠提升隧道整體應力協調效果，降低隧道底部基礎結構的應力集中問題的影響。在該隧道整治施工項目中，由于采取了科學的底部上拱整治技術方案，隧道仰拱、基底結構的應力分布效果及安全系數均達到了隧道運行要求。