張俊儉，劉國(guó)華

(1．太原鐵路局工務(wù)處，山西太原030013;2．大秦鐵路股份有限公司太原工務(wù)段，山西太原030013)

既有鐵路隧道內(nèi)整體道床新型抬升技術(shù)研究

張俊儉1，劉國(guó)華2

(1．太原鐵路局工務(wù)處，山西太原030013;2．大秦鐵路股份有限公司太原工務(wù)段，山西太原030013)

目前我國(guó)既有鐵路隧道結(jié)構(gòu)老化問(wèn)題日益嚴(yán)重，尤其是隧道內(nèi)整體道床出現(xiàn)了基底破損和沉降變形過(guò)大等現(xiàn)象。針對(duì)隧道內(nèi)整體道床修復(fù)技術(shù)儲(chǔ)備少、運(yùn)營(yíng)安全性要求高的特點(diǎn)，以太嵐線柏崖頭隧道整體道床局部下沉與翻漿冒泥病害整治為工程背景，研究解除邊界約束、修補(bǔ)裂縫以及上挑下頂?shù)乃淼纼?nèi)整體道床快速抬升新技術(shù)，同時(shí)，引入陣列式位移自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)各點(diǎn)抬升高度的精確控制，可為其他既有鐵路隧道內(nèi)整體道床抬升工程提供參考。

整體道床 下沉 抬升 自動(dòng)監(jiān)測(cè) 錨注

隨著既有鐵路運(yùn)量及行車(chē)速度的提高，由于施工預(yù)壓期短、地下開(kāi)采、交叉工程施工、周邊環(huán)境變化、區(qū)域沉降等因素的影響，部分隧道內(nèi)整體道床出現(xiàn)下沉現(xiàn)象，并且逐步惡化，給工務(wù)部門(mén)帶來(lái)極大壓力。在沉降地段，工務(wù)部門(mén)采用更換軌墊，嵌入Ap20塑料調(diào)整墊、Zw692軌墊、鋼制調(diào)節(jié)板等方式來(lái)恢復(fù)線路平順性，滿足列車(chē)的運(yùn)行要求。但沉降資料顯示，有些地段的整體道床沉降不穩(wěn)定，隨著沉降變形的發(fā)展，扣件的調(diào)整能力達(dá)到極限，調(diào)整扣件已經(jīng)無(wú)法解決這一問(wèn)題。為確保列車(chē)的安全運(yùn)行，必須在扣件調(diào)整能力達(dá)到極限前采取有效的措施，保證線路的平順性。

國(guó)內(nèi)外鐵路部門(mén)普遍重視隧道內(nèi)整體道床沉降問(wèn)題。國(guó)外不僅局限于病害整治，更重視底部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。采取的措施主要有拆除整體道床、高壓注漿(利用注漿壓力抬升)、化學(xué)注膠(利用材料膨脹力抬升)等。這些方法存在工程量大、造價(jià)高、影響列車(chē)正常運(yùn)營(yíng)等問(wèn)題。國(guó)內(nèi)對(duì)此一直沒(méi)有很好的解決辦法。本文以太嵐線柏崖頭隧道基底病害整治工程為依托，給出一種適用于鐵路隧道整體道床的新型快速抬升技術(shù)。

1 工程概況

柏崖頭隧道位于太嵐線土堂—柳林河區(qū)間，修建于1979年，全長(zhǎng)1 276 m，為單線隧道，采用混凝土支撐塊式整體道床，鋪設(shè)60 kg/m無(wú)縫鋼軌。隧道為早期噴錨結(jié)構(gòu)，圍巖以中厚層石灰?guī)r為主，巖石堅(jiān)硬，整體性較好。地下水主要為基巖裂隙水。

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)，柏崖頭隧道在K22+183—K22+ 191段8 m長(zhǎng)整體道床出現(xiàn)不均勻沉降。因施工不良或水蝕作用，在列車(chē)動(dòng)載作用下道床開(kāi)裂、下沉和翻漿冒泥，結(jié)構(gòu)各部分的幾何尺寸難以保持。病害靠日常維修已不能徹底消除，導(dǎo)致道床板與基巖出現(xiàn)脫空，道床板兩側(cè)出現(xiàn)縱向裂縫長(zhǎng)達(dá)5 m，整體道床開(kāi)裂與下沉加劇，最大下沉量達(dá)4 cm，與主體結(jié)構(gòu)混凝土分離，直接危及太嵐線的運(yùn)營(yíng)安全。柏崖頭隧道整體道床病害情況如圖1所示。

圖1 柏崖頭隧道整體道床病害示例

工務(wù)部門(mén)前期采取增加扣件橡膠墊等臨時(shí)措施，已達(dá)到扣件可調(diào)節(jié)范圍極限，需對(duì)K22+183—K22+ 191段整體道床進(jìn)行抬升。

2 整體道床病害成因

柏崖頭隧道基底病害區(qū)段圍巖多為微風(fēng)化奧陶系石灰?guī)r，承載力基本值1 800 kPa，巖性相對(duì)較好，病害成因主要有以下幾點(diǎn):

1)地下水的影響。地下水的長(zhǎng)期作用使隧道巖層侵蝕軟化，圍巖的基本承載力下降;列車(chē)通過(guò)時(shí)和通過(guò)后的正負(fù)水壓對(duì)結(jié)構(gòu)的反復(fù)抽吸作用導(dǎo)致基底結(jié)構(gòu)出現(xiàn)吊空或翻漿冒泥。

2)列車(chē)循環(huán)荷載作用。列車(chē)循環(huán)荷載對(duì)基底結(jié)構(gòu)病害發(fā)展影響較大。道床結(jié)構(gòu)動(dòng)應(yīng)力分布不均，彎拉應(yīng)力較大，導(dǎo)致道床結(jié)構(gòu)部分開(kāi)裂。長(zhǎng)期列車(chē)循環(huán)作用會(huì)加速隧底結(jié)構(gòu)疲勞破損。隧底結(jié)構(gòu)在沖擊振動(dòng)下破碎、粉化與漿化，惡化了整體道床結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)。

3)隧道底部缺陷。由于柏崖頭隧道修建時(shí)期較早，受設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和施工條件限制，隧道底部存在缺陷，主要表現(xiàn)在:基底結(jié)構(gòu)厚度不足;基底虛渣未清理干凈;施工時(shí)基底結(jié)構(gòu)整體性差。

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果，在病害成因分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)基底下沉與翻漿冒泥病害，提出了“道床物理抬升+基底錨注”的復(fù)合式整治技術(shù)。

圖2 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

圖3 道床抬升后變形分布云圖(單位:m)

圖4 整體道床結(jié)構(gòu)受力計(jì)算結(jié)果

3 整體道床抬升方案

3.1 病害區(qū)段道床基本情況

柏崖頭隧道病害區(qū)段長(zhǎng)8 m，寬2.4 m，道床厚35 cm，采用C30素混凝土，兩側(cè)人行道寬度0.6 m，為C10素混凝土。

3.2 整體道床抬升受力分析

1)邊界條件

柏崖頭隧道病害區(qū)段整體道床K22+183及K22 +191處為施工縫，縱向無(wú)約束;抬升時(shí)鑿除兩側(cè)人行道混凝土，解除橫向約束;抬升時(shí)撤掉扣件及橡膠墊板，解除鋼軌約束反力，上部無(wú)約束;整體道床下部與基巖間已脫空分離，下部無(wú)約束。

2)抬升受力分析

抬升過(guò)程中結(jié)構(gòu)受力主要為整體道床自身重力，經(jīng)計(jì)算為158 054 N，因此抬升反力應(yīng)不小于該值。

3)道床抬升數(shù)值計(jì)算

采用對(duì)稱算法，用六面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，根據(jù)需要加密計(jì)算點(diǎn)處的網(wǎng)格，計(jì)劃模型及網(wǎng)格劃分如圖2。計(jì)算的整體道床抬升后變形、受力分布分別見(jiàn)圖3、圖4。

計(jì)算結(jié)果表明:解除邊界條件約束后，整體道床抬升量與結(jié)構(gòu)受力基本成正比;抬升施工時(shí)，找平層處于受壓狀態(tài)，壓應(yīng)力小于混凝土的抗壓強(qiáng)度;底板只有一小部分處于受拉狀態(tài)，拉應(yīng)力比較小，不會(huì)使其破壞;整體道床在抬升點(diǎn)處受拉，一次抬升量由整體道床內(nèi)的拉應(yīng)力控制。整體道床受力滿足要求，結(jié)構(gòu)不會(huì)破壞。

3.3 整體道床抬升方案設(shè)計(jì)

隧道內(nèi)整體道床抬升的前提是不干擾行車(chē)。目前線路行車(chē)密度大，天窗時(shí)間短。因此，病害整治作業(yè)應(yīng)盡量快速，修補(bǔ)材料須能夠及時(shí)達(dá)到應(yīng)有強(qiáng)度。

采用道床物理抬升+基底錨注時(shí)，輔助以整體道床表面裂縫修補(bǔ)。由于常規(guī)注漿機(jī)具笨重，施工不便，天窗內(nèi)難以完成病害整治，常規(guī)漿材也不能滿足通車(chē)前達(dá)到強(qiáng)度的要求。為此，采用鐵科院研制生產(chǎn)的高強(qiáng)材料進(jìn)行注漿加固處理。該材料用來(lái)填充基底結(jié)構(gòu)空洞，與普通水泥材料相比其特點(diǎn)是:快速固化，2 min強(qiáng)度可達(dá)到25～30 MPa，可通過(guò)添加劑來(lái)調(diào)整固化時(shí)間;對(duì)水不敏感;與土石料和混凝土材料粘結(jié)良好。

整體道床中心處將螺旋絲杠打設(shè)于基巖內(nèi)，TK-1型千斤頂布設(shè)于螺旋絲杠及H型鋼、化學(xué)錨栓及支撐鋼板形成的受力結(jié)構(gòu)之間提供反力，形成上挑作用。兩側(cè)鑿除，人行道內(nèi)布設(shè)TK-2型千斤頂，利用其頂升固定于整體道床兩側(cè)的角鋼，形成下頂作用。抬升方案設(shè)計(jì)如圖5所示。

整體道床抬升現(xiàn)場(chǎng)施工如圖6所示。整體道床抬升施工流程如圖7所示。

圖5 整體道床抬升示意

圖7 整體道床抬升施工流程

柏崖頭隧道K22+183—K22+191段整體道床抬升施工利用集中修時(shí)間14個(gè)天窗完成，其中前期準(zhǔn)備及后期收尾工作占用13個(gè)天窗，抬升注膠工作利用1個(gè)天窗點(diǎn)(4 h)順利完成，未干擾運(yùn)輸秩序。

4 抬升效果評(píng)價(jià)

柏崖頭隧道整體道床實(shí)際抬升與擬定抬升數(shù)據(jù)對(duì)比如圖8所示。

圖8 柏崖頭隧道整體道床抬升數(shù)據(jù)對(duì)比

由圖8可知，各點(diǎn)均達(dá)到了預(yù)定的抬升量。柏崖頭隧道整體道床抬升方案中，裂縫修補(bǔ)提高了道床的整體性，改善了結(jié)構(gòu)受力，防止了抬升過(guò)程中道床從既有裂縫處斷裂。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況自制的TK-1型及TK-2型微型千斤頂?shù)忍O(shè)備，提供了有效抬升反力，滿足了現(xiàn)場(chǎng)抬升實(shí)際需要。SAA監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確全面反映了抬升過(guò)程中各點(diǎn)位移情況，保證了抬升效果，基底注膠填充了抬升后形成的基底空隙，防止了基底再次下沉。柏崖頭隧道基底K22+183—K22+ 191段抬升注膠完成后，線路平順，列車(chē)通過(guò)該區(qū)段時(shí)各項(xiàng)指標(biāo)均合理，取消了限速要求，圓滿完成了各項(xiàng)預(yù)定的工程指標(biāo)。

5 結(jié)論與建議

本文通過(guò)太嵐線柏崖頭隧道內(nèi)整體道床下沉病害整治工程實(shí)踐，研究既有鐵路隧道內(nèi)整體道床抬升與基底錨注綜合整治技術(shù)，表明所采用的方案是經(jīng)濟(jì)、合理、有效的。

1)與化學(xué)注膠等抬升方式相比，利用微型千斤頂采用上挑下頂?shù)恼w道床物理抬升方式，具有施工簡(jiǎn)單、定位準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于既有鐵路隧道內(nèi)整體道床抬升工程。

2)采用的道床物理抬升+基底錨注，輔助整體道床表面裂縫修補(bǔ)的綜合整治方案，填充了基底空隙，有效提高了基底承載能力，控制了基底下沉的發(fā)展，適用于柏崖頭隧道基底下沉整治，達(dá)到了預(yù)期效果。

我國(guó)既有鐵路整體道床下沉現(xiàn)象屢見(jiàn)不鮮，本文介紹的抬升方法是一種可行的工程應(yīng)對(duì)措施，具有良好的應(yīng)用前景。

［1］唐智偉，趙成剛，張頂立．地下工程抬升注漿設(shè)計(jì)方法及其抬升效果預(yù)測(cè)研究［J］．土木工程學(xué)報(bào)，2007(8):79-81．

［2］易小明，張頂立，逄鐵錚，等．房屋注漿抬升實(shí)踐與監(jiān)測(cè)分析［J］．中國(guó)鐵道科學(xué)，2009，30(12):3777-3778．

［3］張曉麗，張頂立，王夢(mèng)?。扔械罔F注漿抬升合理位置的確定［J］．巖土工程學(xué)報(bào)，2008，30(5):713-714．

［4］孫鋒，張頂立，王臣，等．劈裂注漿抬升既有管道效果分析及工程應(yīng)用［J］．巖土力學(xué)，2010，31(3):933-934．

［5］侯艷娟，張頂立，陳峰賓．隧道施工下穿建筑物注漿抬升機(jī)制及預(yù)測(cè)研究［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，30(12): 2408-2409．

［6］彭正勇．注漿抬升在隧道穿越既有建筑物中的研究及應(yīng)用［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，30(5):2964-2965．

［7］馬偉斌，李紅海，郭勝，等．鐵路隧道內(nèi)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)病害檢測(cè)與快速修復(fù)技術(shù)［J］．中國(guó)鐵路，2011(9):29-32．

［8］牛亞彬，張千里，馬偉斌，等．重載鐵路隧道病害產(chǎn)生機(jī)理及治理措施［J］．鐵道建筑，2012(7):34-37．

(責(zé)任審編李付軍)

U213．2+41;U457+．2

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．03．24

1003-1995(2015)03-0084-04

2014-07-12;

2014-09-23

張俊儉(1967—)，男，山西大同人，工程師。