巖溶地區涌水對地鐵隧道軌道結構的影響及防治

莫偉平

(貴陽市城市軌道交通集團有限公司， 550081， 貴陽∥高級工程師)

巖溶地區承壓水水位較高，水量較大，且多儲存在巖體裂縫中，具有一定的特殊性。巖溶地區地下水由地鐵隧道的仰拱施工縫等薄弱環節涌入軌道的道床與仰拱填充層之間，使道床抬起的現象時有發生。目前此種病害在廣東、貴州、江蘇等省的多個城市軌道交通中已有案例。

城市軌道交通的軌道結構主要起著列車運行的導向和承載作用，其結構狀態的優劣直接影響行車的安全性和舒適度。道床隆起后，會極大地破壞軌道的平順性，當列車通過時只能采取限速運行；同時，道床與下部基礎結構混凝土脫開而存在較大裂縫,也會產生一定的安全隱患。

目前，對于巖溶地區涌水造成道床隆起的研究，均為原因分析以及整改方案研究。整改方案主要為注漿加固、設置錨桿、泄水降壓和加強監測等措施[1-6]。總體上看，目前對道床隆起的認識還處于定性分析的階段，缺少定量的計算分析以及理論支撐。在目前的軌道設計中，一般也不考慮地下水滲入的浮力作用。

本文以貴陽某項目為例，討論在巖溶地區涌水浮力下的軌道結構受力變形規律，對結構防水提出指標要求；同時與實測數據相結合，計算出軌道結構所受浮力的分布及大小，指出軌道結構本身的風險和薄弱點，為實際工程方案的改進提供理論依據。

1 道床隆起地段實測數據分析

貴陽某項目的地鐵隧道多采用礦山法施工，沿線穿越多為可溶巖，不良地質主要有巖溶、斷層及破碎帶；沿線地下水為孔隙水、基巖裂隙水和巖溶水，地鐵所經中心城區巖溶水較為發育。在全線軌道狀態檢查時發現某處道床隆起，如圖1所示。

圖1 貴陽某地鐵軌道道床隆起處實景圖

道床異常隆起范圍可分為4段，從小里程往大里程方向分別編號為1#、2#、3#、4#。圖2和圖3分別為道床隆起地段的鋼軌高程偏差和橫向偏差圖。

圖2 道床隆起地段的鋼軌高程偏差

圖3 道床隆起地段的鋼軌橫向偏差

從圖2可以看出：

1) 沿道床橫向，左、右鋼軌高程偏差不同，說明道床板下所受浮力不均勻，左側所受浮力較大。

2) 沿道床縱向，道床板隆起從1#段范圍內開始顯著增加，在2#和3#段范圍達到峰值，然后在4#段范圍內顯著減小;這說明板下浮力主要作用在以2#、3#段為中心的某個區間，且右側浮力的作用范圍小于左側。

3) 左軌和右軌的最大高程偏差均在2#段末端，分別為18.72 mm和8.6 mm。

從圖3可以看出：左右軌橫向變形方向基本一致，僅同一方向的變化量略有不同;這說明橫向偏差是由道床上浮引起，無外部橫向集中力，道床板受到的橫向力整體均勻,左右軌最大橫向偏差為6.36 mm。

為了使隆起道床復位，同時判斷道床下水壓的范圍及大小，對隆起道床進行了鉆孔泄水。同側水溝泄水孔的縱向間距為5 m，對側水溝泄水孔的縱向間距為2.5 m，均呈梅花形布置。泄水孔需打穿道床水溝底板至仰拱填充層。

2 道床隆起的數值仿真分析

鉆孔后通過水頭高度來判斷道床下涌水壓力。但其準確性較難保證，壓力作用范圍更是難以確定，因此需要仿真計算與實測數據相結合，用仿真模型模擬實際變形，從而計算確定軌道結構所受浮力的分布及大小 。

2.1 數值仿真模型的建立

傳統仿真模型中軌道結構一般處于受壓狀態，因此可以將其扣件和下部結構支承層簡化為線形彈簧-阻尼單元。其彈性模量可分為扣件(主要考慮彈條和彈性墊板)的彈性模量和下部結構混凝土的彈性模量。

在巖溶地區涌水環境下，軌道結構受到向上的浮力影響，隆起范圍的鋼軌會對扣件產生拉拔作用。此時線形彈簧-阻尼單元不再適用，需對既有模型進行優化改進。

根據實際工況，采用60 kg/m鋼軌，其截面面積為7 745 mm2、截面慣性矩為3.217×10-5m4、彈性模量為210 GPa；道床和下部回填層采用C35混凝土，其彈性模量為31.5 GPa；軌距為1 435 mm，其扣件間距為595 mm；兩伸縮鏈之間的道床尺寸為12.5 m×2.4 m×0.33 m。

仿真模型的邊界條件：①由于鋼軌兩端位移為零，故采用固定約束；②由于道床底部脹錨螺栓的存在，故約束水平滑移，且由于螺栓松動后抗上浮的能力可以忽略，故向上的位移不做約束計算時不考慮豎直向上的約束力；③用于模擬回填層的桿單元底部受隧道結構約束，故采取固定約束。

由實測數據可知，道床異常隆起有4段。為保證計算結果，建立5段軌道結構模型，即在4#段后增加1段，從而減小邊界條件對計算區域的影響。

2.2 荷載作用范圍及取值

模型所受荷載考慮為軌道結構自重以及道床下水壓力。由檢測數據分析可知，水壓作用的縱向里程范圍為RDK0+190～RDK0+225,長度為35 m。經計算，為了達到軌檢數據的左右軌高程偏差，需要板下水壓力的作用寬度為0.9 m,范圍如圖4所示。浮力作用面積S為道床板長度與寬度的乘積,經計算可得,S為31.5 m2，作用范圍內每個節點上力的大小為435 N。

圖4 道床板下水壓力作用范圍(陰影部分)

2.3 計算結果驗證

據探測資料顯示，道床與回填層之間存在薄弱層，在列車荷載的作用下會轉變為縫隙，同時導致脹錨螺栓在道床內的部分發生松動。裂隙的產生使得道床與回填層之間的粘結力可忽略不計。脹錨螺栓主要用于水平抗剪，松動后的豎向約束力也可忽略不計。

圖5為計算所得軌道結構豎向變形云圖。從圖5可以看出:軌道結構最大豎向變形位于2#和3#段處，與檢測結果相符;道床在不均勻浮力作用下發生了轉動，導致左、右鋼軌高程偏差不同。

圖5 軌道結構豎向變形云圖截圖

提取左、右鋼軌仿真變形，如圖6所示。通過對比圖6和圖2可知，仿真計算值與高程偏差實測值基本一致,其中的差別是因為模型中段與段之間無相互作用。但實際情況下伸縮縫處也有摩擦力等相互作用力，故實測的鋼軌變形更加平滑。

圖6 鋼軌高程偏差仿真計算值

當浮力取圖4所示作用范圍，且節點浮力值取435 N時，仿真計算值與實測數據相吻合。

2.4 道床板下壓強計算

經查找，浮力作用范圍內共有1 666個節點，故道床板下浮力的合力F為724.7 kN;由上文可知S為31.5 m2，采用道床板下壓強(減去一個大氣壓后)P=F/S的計算式,可得P為0.023 MPa(即理論水頭高度為2.3 m)。

實際鉆孔后噴出的水柱由于擴散和摩擦，會有較大水頭損失,損失的大小與噴孔的形狀尺寸、孔壁摩擦系數等因素有關。例如，曾有實際案例:內部壓強為5 MPa(理論水頭高度為500 m)的輸油管道破裂，實際噴出的高度不足50 m。

本項目鉆孔后實際水頭高度為0.15～0.30 m，可驗證仿真計算值基本在合理范圍內。

2.5 結構應力分析

通過模型仿真計算涌水浮力下道床隆起變形引起的軌道結構應力，以尋找軌道結構本身的風險點及薄弱點。道床最大主應力分布如圖7所示。

圖7 道床主應力云圖截圖

從圖7中可以看出，在板端自由的情況下，伸縮縫處發生了轉角錯臺，最大主應力位于1#段端部扣件處(位于錯臺下方)，其值為21.8 MPa，因此該處有混凝土拉裂、扣件拔出的風險。實際情況下，伸縮縫處各段的端部不是完全自由的，兩段之間有一定的相互作用，故轉角錯臺處的應力小于仿真計算值，扣件未出現拔出情況。建議加強道床伸縮縫處的連接，進一步減小錯臺。

圖8為道床剪切應力分布云圖。從圖8中可以看出，道床剪切應力對稱分布，最大值為2.32 MPa。

圖8 道床剪切應力云圖截圖

圖9為道床彎曲應力分布云圖。由圖9可見，此時道床內的局部最大拉應力約1 MPa。進一步核驗其他高程偏差超過30 mm的區間，道床內局部最大拉應力均超過2 MPa。

圖9 道床彎曲應力分布云圖截圖

從道床剪切應力和彎曲應力來看，道床異常隆起后的區間基本達到C35混凝土的極限抗拉強度，道床頂面有開裂風險。

3 單段道床板下理論壓強限值

為了得出具有一定指導意義的壓強限值，假設一段道床板下布滿浮力，由于段間連接較弱，可以忽略其它段下浮力的影響。

建模時，在需要計算的段兩端各加1段道床板，用以減小邊界條件對計算區域的影響。其數值模型以及浮力分布如圖10所示。

圖10 單段道床板數值模型以及浮力分布云圖截圖

若道床隆起限制按2 mm控制，允許節點最大浮力值為220 N,此時道床豎向變形如圖11所示。

經查，浮力作用范圍內共有1 577個節點，故板下浮力的合力F=220 N×1 577=346.9 kN，浮力作用面積S=12.5 m×2.4 m=30 m2，故單段道床下壓強(已減去一個大氣壓)P為0.01 MPa(即理論水頭高度為1 m)。此壓強限值具有一定的指導意義，可作為結構防水控制指標。

值得注意的是，根據設計提供相關資料，軌道在12.5 m范圍內的質量約為34 t，則其重力約為340 kN，與仿真計算得出的道床板下浮力的限值十分接近。可見道床板下浮力略大于道床重力時就會發生鋼軌軌面高程超限。因此，對于現場實際操作而言，當上浮力超過軌道自重時，就需要加強警戒，注意控制道床板下的涌水上浮力。

圖11 道床豎向變形云圖截圖

4 結語

本文對貴陽某地鐵項目道床異常隆起處進行了研究分析，通過實測數據分析與理論仿真計算，得出軌道結構下薄弱層范圍及水壓大小，并通過結構應力計算得出了結構本身的風險點及薄弱點。同時，通過仿真計算，得出道床板下水壓限值，可作為結構防水的指標要求。得出結論如下：

1) 道床板下浮力限值約等于軌道重力，超過部分需要結構補強，因此需要在結構外壁加強外部防水設計，以嚴格控制道床板下受到的水浮力。

2) 道床板受到的橫向力整體均勻。需要注意伸縮縫附近道床錯臺造成的扣件位置應力集中。建議加強道床伸縮縫處的連接，減小錯臺。

針對地下水豐富、巖溶裂隙發育、巖體破碎和隧道斷面大等容易發生滲漏水問題的區域，給出如下建議：

1) 進行專項勘察，加強特殊水文地質的素描寫實工作，同時應注重交底到位。在施工過程中應隨時跟進，及時了解現場地質情況。

2) 加強巖溶發育、地下水豐富、巖體破碎地段的地下水控制措施，比如明確對巖體注漿效果的控制要求和檢測要求，并明確泄水措施。在結構變形縫等薄弱環境，應預設結構排水裝置。

3) 在施工過程中，應做好圍巖注漿堵水、初支后注漿堵水、防水板施做和二次襯砌澆筑質量控制；對于隧道的預制構件接縫、變形縫、施工縫、后澆帶、穿墻管和預埋件等細部防水構造，應按設計意圖做好各道防水體系施工；要編制防水板施工及變形縫施工專項方案，并重視變形縫施工前的隱蔽條件驗收程序。

4) 運營過程中，對結構變形縫等易滲水地段及已發生異常隆起的地段，應加強對軌道狀態的監測。建議采用可靠的自動化監測系統，以實時掌握現場動態。