孟憲洪

(朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北肅寧 062350)

我國(guó)既有重載鐵路隧道在長(zhǎng)大編組列車(chē)的長(zhǎng)期振動(dòng)沖擊作用下，加上地質(zhì)環(huán)境的變化以及地下水的影響，隧道各類(lèi)病害頻發(fā)，其中隧底病害尤為嚴(yán)重[1]，隧道道床翻漿冒泥較為突出，制約著鐵路運(yùn)輸，甚至危及行車(chē)安全。盡管工務(wù)部門(mén)依據(jù)病害檢測(cè)[2-4]結(jié)果采取了回填道砟與注漿加固等臨時(shí)處置措施，但均未達(dá)到理想效果，急需研究適宜重載鐵路隧道隧底翻漿冒泥的整治技術(shù)。本文對(duì)隧底降水整治技術(shù)進(jìn)行了重點(diǎn)研究。

1 隧底翻漿冒泥機(jī)理分析

由于隧底填充分層施工往往造成隧道底部回填混凝土與仰拱之間的咬合力不夠，在列車(chē)運(yùn)行振動(dòng)作用下填充層與二襯混凝土分離，互相拍打、摩擦形成泥漿，并由裂縫返出道床及水溝面，從而形成道床底部混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)磨耗、掏空的問(wèn)題。隧道道床與填充層、二襯混凝土的振動(dòng)磨耗、剝離、脫空嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響列車(chē)運(yùn)行安全。

1)圍巖狀況差

隧道內(nèi)的翻漿冒泥地段，圍巖巖性多為泥巖、頁(yè)巖、砂質(zhì)泥巖夾層、泥巖互層，易產(chǎn)生沖蝕破壞，且區(qū)段節(jié)理發(fā)育，結(jié)構(gòu)松散或受斷層影響較大，通常為Ⅳ或Ⅴ級(jí)圍巖。

2)地下水的影響

某些地下水和地表水都很豐富的地區(qū)，隧道在防排水方面的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較低。有的隧道既有水溝排水不暢，導(dǎo)致大量地下水和地表水匯集于隧底下而排不出隧道。由于隧底與圍巖間的結(jié)合不夠緊密，隧底圍巖裂隙發(fā)育、破損，使地下水在圍巖與仰拱之間形成一層水膜或水層，長(zhǎng)時(shí)間浸泡、侵蝕隧底混凝土，并使隧底圍巖軟化產(chǎn)生泥漿，在水溝內(nèi)沉淀、淤積并抬高水面，通過(guò)與道床的連接通道進(jìn)入道床。

3)列車(chē)荷載的影響

重載列車(chē)的循環(huán)荷載對(duì)隧底結(jié)構(gòu)病害的影響主要有:隧底結(jié)構(gòu)動(dòng)應(yīng)力分布不均衡產(chǎn)生的較大彎拉應(yīng)力，致使基底開(kāi)裂;列車(chē)循環(huán)荷載的長(zhǎng)期作用會(huì)加速隧道隧底結(jié)構(gòu)裂損與擴(kuò)展，必然會(huì)逐步產(chǎn)生疲勞破壞;基底圍巖在受壓、退壓、振動(dòng)、沖擊下破碎、粉化甚至漿化，惡化了結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，加劇了地下水的影響。

4)隧道底部存在缺陷

受修建時(shí)期設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和施工技術(shù)條件的限制，隧底存在缺陷，主要表現(xiàn)為隧底結(jié)構(gòu)厚度不足、隧底虛渣未清理干凈、施工時(shí)隧底結(jié)構(gòu)整體性差。

隧底翻漿冒泥見(jiàn)圖1。

圖1 隧底翻漿冒泥示意

2 翻漿冒泥整治方法

整治隧底翻漿冒泥病害的方法較多，主要有隧底注漿，增設(shè)單、雙側(cè)密井暗管水溝，更換隧底，隔離處理等[5-7]。這些方法可在一定程度上緩解既有重載鐵路隧道翻漿冒泥病害，但各有其優(yōu)缺點(diǎn)。

1)隧底注漿

采用各類(lèi)型水泥漿(普通水泥漿、TGRM早強(qiáng)水泥漿、改性環(huán)氧漿液等)進(jìn)行注漿加固。通過(guò)壓漿，將隧底地下水外擠。漿液填充隧底富水空間。該法施工簡(jiǎn)單，能夠在短期起到加固病害段的作用，但是病害得不到根治。

2)隧底降水

隧底降水多采用設(shè)單、雙側(cè)排水井，中心排水井或兩側(cè)密井暗管水溝。其中兩側(cè)密井暗管水溝是在原有側(cè)溝處增設(shè)單、雙側(cè)密井暗管水溝。首先對(duì)原有隧道水溝進(jìn)行拆除，然后將水溝開(kāi)挖至隧底一定深度，重新施作水溝。同時(shí)，為方便檢查、維修，密井暗管水溝每隔若干米需設(shè)一個(gè)檢查井。該法施工工序繁多、開(kāi)挖難度大，但是降水效果明顯，翻漿冒泥病害能夠得到根治。

3)更換隧底

將翻漿冒泥段混凝土鑿除，重新澆筑新混凝土，該方法需要架空線路，每個(gè)天窗內(nèi)病害整治范圍較短，一般4～6 m，施工進(jìn)度慢，開(kāi)通后需要限速，影響行車(chē)。

4)隔離處理

用隔離法整治隧底翻漿冒泥，就是將隧底的細(xì)粒土進(jìn)行隔離處理。常采用土工纖維布鋪入道砟與隧道底面之間，只允許地下水、裂隙水通過(guò)土工纖維布進(jìn)入基床流走，不允許粉細(xì)土混入水中通過(guò)，防止泥土上翻使道砟污染，保持道床清潔，使之具有良好的彈性和排水性能，提高線路穩(wěn)定性。

上述方法中，隧底降水由于施工工序多、開(kāi)挖困難，同時(shí)缺乏理論數(shù)據(jù)的支持，工程應(yīng)用較少。本文重點(diǎn)對(duì)隧底降水方案進(jìn)行分析，從而為其應(yīng)用提供理論依據(jù)。

3 隧底降水方案計(jì)算模型

3.1 不同降水方案預(yù)設(shè)

由于難以用解析法對(duì)隧道內(nèi)不同降水措施進(jìn)行對(duì)比分析，本文采用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)不同措施的降水過(guò)程進(jìn)行模擬?？紤]到后期施工因素，對(duì)3種可行的方案進(jìn)行模擬:兩側(cè)設(shè)置排水井，且雙側(cè)錯(cuò)開(kāi);隧道中心設(shè)置排水井;隧道側(cè)溝設(shè)置深排水溝。降水方案如圖2所示。

圖2 不同降水方案示意

模擬計(jì)算工況如下。

工況1:未開(kāi)挖排水溝(初始狀態(tài))。

工況2:兩側(cè)設(shè)排水井(長(zhǎng)0.6 m×寬0.6 m×深6.0 m)，單側(cè)間距30 m，雙側(cè)錯(cuò)開(kāi)。

工況3:隧道中心設(shè)排水井(長(zhǎng)0.2 m×寬0.2 m×深4.0 m)，排水井間距5 m。

工況4:兩側(cè)設(shè)置深水溝(0.6 m×6.0 m)。

3.2 計(jì)算模型

采用有限元軟件ANSYS建模，模型范圍沿橫向自隧道軸線起向兩側(cè)各取約50 m;豎向上下各取離隧道中心約50 m。計(jì)算模型尺寸為100 m×100 m，中心降水、兩側(cè)降水及單側(cè)降水計(jì)算模型分別劃分12 315，12 218，12 340個(gè)單元。模型中圍巖、初期支護(hù)、襯砌結(jié)構(gòu)、仰拱填充及水溝等均采用三維實(shí)體單元模擬。

3.3 計(jì)算參數(shù)

圍巖滲透系數(shù)取5×10－5cm/s，邊墻和拱部襯砌滲透系數(shù)取5×10－5cm/s(設(shè)襯砌背后排水系統(tǒng)基本暢通，計(jì)算中考慮與圍巖滲透系數(shù)相同)，仰拱滲透系數(shù)取1×10－6cm/s(考慮仰拱無(wú)排水系統(tǒng)或排水系統(tǒng)堵塞)，地下水水頭為40 m。

3.4 邊界條件

模型初始條件通過(guò)在所有節(jié)點(diǎn)加40 m總水頭的穩(wěn)定流計(jì)算得到。另外在兩側(cè)邊界加載40 m總水頭。

4 降水方案對(duì)比分析

4.1 降水效果對(duì)比分析

通過(guò)計(jì)算分析，不同降水工況下的降水效果對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 不同工況下降水效果對(duì)比分析

由表1可以看出，工況2仰拱水壓力最大值降低為原來(lái)的75%，盡管對(duì)仰拱中心水壓力有一定緩解，但是水壓力降低較少。工況3作用在仰拱上的水壓力降低為原來(lái)的50%，可以在一定程度緩減水壓力對(duì)仰拱的力學(xué)作用，從而減小由水壓力引起的病害。工況4仰拱水壓力最大值降低為原來(lái)的15%，能有效降水仰拱水壓力。因此，從計(jì)算分析結(jié)果可以看出，對(duì)隧底翻漿冒泥地段采用兩側(cè)設(shè)深排水溝較為合理。

4.2 施工可行性對(duì)比分析

3種降水工況施工可行性對(duì)比分析見(jiàn)表2。

表2 3種工況施工可行性對(duì)比分析

由表2可以看出，兩側(cè)設(shè)置深水溝方案施工難度較大，但是從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，此法仍可以采用。

4.3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施工藝

兩側(cè)設(shè)置深水溝的施工工藝如下:

1)開(kāi)挖線路左右側(cè)既有水溝及電纜槽。開(kāi)挖至隧底混凝土與圍巖交界面以下20 cm。

2)新建水溝與既有集水井間連接通道。新建通道寬50 cm，深度與加深水溝底部平齊，連接通道內(nèi)布置PVC管，與主排水管通過(guò)三角接頭連接，延伸至既有集水井。

3)開(kāi)挖檢查井。檢查井采用100 cm×70 cm的長(zhǎng)方形斷面，底部開(kāi)挖至新建暗管下20 cm處，檢查井間距為6 m。檢查井的目的主要是在暗管堵塞時(shí)便于及時(shí)疏通。

4)施作溝底墊層。采用M10砂漿鋪砌溝底，墊層邊緣厚5 cm，以一定角度均勻過(guò)渡至中心處，用作土工布?jí)|層。

5)鋪設(shè)土工布。沿新建水溝及電纜槽四周密貼鋪設(shè)土工布。

6)施作排水暗管。排水暗管采用PVC管，全部設(shè)置進(jìn)水口，呈梅花形布置。

7)回填洗凈碎石。選取均勻洗凈碎石回填，用土工布包裹。

8)施作隔離層。在土工布上方施作早強(qiáng)混凝土隔離層，防止上方回填混凝土漿液進(jìn)入碎石層堵塞排水孔隙。

9)施作釬釘。在新老混凝土交接面設(shè)置釬釘。

10)施作回填混凝土?；靥罡叨纫罁?jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際確定。

11)施作檢查井井蓋。檢查井井蓋采用鋼筋混凝土，施工時(shí)確保井蓋密貼，做好防水，防止上游水流經(jīng)水溝時(shí)進(jìn)入密井。

5 結(jié)論與建議

1)重載鐵路隧道隧底翻漿冒泥是多因素耦合作用的結(jié)果，病害的整治應(yīng)該綜合考慮。

2)相比于單、雙側(cè)設(shè)置排水井與中心設(shè)置排水井方案，兩側(cè)設(shè)置深水溝更能有效地降低地下水位，而且能夠保持基底干燥，避免發(fā)生翻漿冒泥病害。

3)兩側(cè)設(shè)置深水溝整治隧底翻漿冒泥方案，對(duì)以后類(lèi)似既有鐵路隧道底部翻漿冒泥病害整治具有借鑒意義。

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