某膨胀性围岩地层铁路隧道仰拱上拱原因分析及整治

某膨胀性围岩地层铁路隧道仰拱上拱原因分析及整治谭永庆【摘要】The FC tunnel of designed speed of 250 km/h and double-block ballastless track is 10649 m in length and it located in inter-bedded strata of lower cretaceous mudstone and sandstone. After track-laying, various degrees of heaving appeared in local paragraphs, resulting in separation of track beds from surface layer of the invert, cracks in inverted arch and filling layer, and changes of track geometry. This paper analyzes the causes of the heaving of the inverted arch by means of field investigation, basal drilling, sampling test and local test probe. According to defects conditions and construction progress, inverted arch rework, basal drilled pile reinforcement and the reinforcement of bolt are used to treat the defects and ensure line service.%某隧道长10649 m,设计行车速度250 km/h,采用双块式无砟轨道结构,洞身通过地层主要为白垩系下统泥岩,局部夹薄层砂岩;在铺轨完成后,隧道局部段落基底出现不同程度上拱,导致无砟轨道道床板与仰拱填充表层脱空,仰拱及填充层开裂,轨道结构几何状态发生变化.通过现场调查、基底钻探、取样化验及局部破检探查等手段,查找、分析病害原因,根据病害情况及整治工期要求,分别采取仰拱返工、基底钻孔桩加固或锚杆加固等方式进行处理,如期完成了整治,确保线路开通运行.【期刊名称】《铁道标准设计》【年(卷),期】2017(061)007【总页数】4页(P146-149)【关键词】铁路隧道;仰拱;上拱;泥岩;膨胀性;整治【作者】谭永庆【作者单位】中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043【正文语种】中文【中图分类】U457+.2仰拱对维持隧道结构的整体稳定有着十分重要的作用[1]，尤其是在泥岩等膨胀性围岩地层中，因此，在泥岩地层中修建隧道必须重视仰拱的设计与施工，充分考虑其危害，及时采取有效的措施，防止病害的发生。

通过某膨胀性围岩地层隧道仰拱上拱原因分析及整治处理，以期对类似地层隧道病害的整治及设计、施工有所借鉴。

1.1 设计情况某隧道为设计客车速度250 km/h的双线铁路隧道，起迄里程DK39+730～DK50+379，全长10 649 m，洞内线路纵坡为人字坡。

隧道正洞设计为马蹄形断面，采用复合式衬砌结构，轨上有效净空面积[2-3]为100.11 m2，洞内采用CRTS-Ⅰ型双块式无砟轨道结构。

隧道DK40+230～DK42+285段地层以白垩系下统泥岩为主，局部夹薄层砂岩，弱风化，级软石，σ0=450 kPa，围岩分级为Ⅳ级，属于弱富水区。

本段隧道埋深200～260 m，设计采用Ⅳa-1型衬砌断面，具体的参数如下：全断面喷C25混凝土，其中拱墙喷层厚25 cm，仰拱喷层厚10 cm；拱墙设置1榀/m的I18型钢钢架；二次衬砌采用C30纤维素纤维混凝土结构，其中拱墙衬砌厚45 cm，仰拱厚55 cm。

隧道标准开挖断面1 470 cm(宽)×1 233 cm(高)。

1.2 施工情况隧道DK40+230～DK42+285段开挖揭示的地层以泥岩为主，局部夹薄层砂岩；泥岩呈厚层状，岩体完整，节理不发育，岩质较坚硬；砂岩呈薄层状，岩体完整，节理不发育，岩质坚硬；无地下水。

施工过程中未发生变更。

DK40+230～DK42+285段开挖支护、仰拱及二次衬砌施工的时间为2010年12月7日～2012年10月7日；全隧道无砟轨道道床板施工时间为2013年9月9日～2014年1月10日。

2014年4月初，长钢轨铺设完成后，尚未焊接锁定时，发现隧道局部段落轨道高程异常，通过调查，病害主要表现为轨道上拱，道床板与仰拱填充找平层分离，仰拱填充表层开裂，具体如下。

2.1 轨道变形情况测量发现DK41+280～DK42+125段轨道上拱，一般上拱量在10 mm左右，其中DK41+885处轨道上拱值最大，左线达100 mm，右线达122 mm。

DK40+230～DK41+280段轨道高程正常。

2.2 道床板、仰拱填充层及水沟电缆槽病害情况(1)DK41+810～DK42+030段无砟轨道道床板明显上鼓，与仰拱填充顶面脱离，产生离缝，最大离缝达到30 mm(图1)。

(2)道床板端头与水沟电缆槽侧壁间的仰拱填充顶面有纵向裂缝，裂缝宽度5～20 mm(图2)。

(3)现场钻孔发现仰拱填充找平层与下部的仰拱填充层间发生了剥离、分层现象。

(4)局部位置水沟电缆槽侧壁混凝土开裂。

3.1 钻孔情况现场在DK40+230～DK42+285段仰拱实施了134个钻孔。

钻探揭示：仰拱下部地层以厚层状的泥岩为主，局部夹薄层砂岩，其中砂岩层厚在0.2～0.5 m，分布无规律；在DK40+230～DK40+851、DK42+125～DK42+285段的钻孔内发现有地下水，地下水位在仰拱填充顶面以下2.0～6.1 m。

通过仰拱及填充混凝土钻孔取芯与设计对比，局部地段仰拱及填充混凝土厚度不够，欠缺厚度20～40 cm。

3.2 混凝土强度试验对钻孔取芯的混凝土进行抗压强度试验，其强度基本满足设计要求。

3.3 泥岩膨胀性试验对基底泥岩取样化验，其自由膨胀率Fs=31%～70%，蒙脱石含量M=9.2%～16.5%，阳离子交换量CEC(NH4+)=133～197 mmol/kg，具有弱膨胀性[4]。

3.4 局部仰拱破检结果在轨道上拱变形最严重的DK41+886附近对仰拱破检，发现该处仰拱厚度不足，近似水平状，底部有虚砟，仰拱基底未见初期支护的喷射混凝土。

该处仰拱填充顶面的裂缝斜向下发展至仰拱底部。

4.1 地下水隧道通过的泥岩地层为非均质体，其中局部夹有薄层砂岩，而砂岩具有较好的透水性。

虽然开挖施工时揭示围岩无水，但由于爆破振动以及开挖后围岩应力调整，隧道周边岩体中新产生了大量的微裂隙[5-6]，使得砂岩中的地下水向隧道周边，特别是隧道底部缓慢渗透和积聚[7-8]。

即使只是少量的地下水，也可能造成仰拱底部的泥岩强度降低，导致围岩节理、裂隙逐步由浅层向深层扩展，塑性变形区扩大[9]，不断恶化围岩条件，使得围岩压力增大，造成隧道底部上拱。

4.2 泥岩膨胀隧道洞身通过的白垩系下统泥岩岩层近似水平，开挖卸荷后，应力集中，在顶部及底部产生较大的弯曲变形。

由于隧道马蹄形的断面形式，相对于拱部的圆形断面，底部的仰拱更为平坦，发生弯曲变形的概率更高。

泥岩是一种强度介于硬岩与硬土之间的软质岩，干燥、弱风化的泥岩强度较高，一般可抵抗隧道周边的围岩压力，确保仰拱结构的稳定。

而现场取样试验结果显示本隧道病害段的泥岩具有弱膨胀性。

当地下水通过节理、裂隙渗入泥岩内部，其中的亲水矿物(主要是蒙脱石)产生膨胀。

由于膨胀的不均匀性，加上黏土矿物的溶蚀及各种次生作用，破坏了泥岩的天然结构，使得泥岩强度进一步降低，黏聚力几乎完全丧失[10-13]，抵抗不了深层围岩向内的挤压变形，导致塑性变形区的进一步扩大，造成隧道底部上鼓。

4.3 仰拱结构薄弱仰拱具有改善结构受力，抑制和阻止围岩-支护结构体系有害变形的功能。

恰当的仰拱能提供足够的抗力，确保底部结构安全和稳定。

与隧道仰拱结构稳定相关的主要参数有仰拱矢跨比、厚度和刚度。

本隧道病害段仰拱设计采用55 cm厚的C30混凝土，填充采用C25混凝土(平均厚度1.1 m，最大厚度1.28 m)，仰拱矢跨比约1∶14.31，而现场实际施做的仰拱厚度更薄，形状也更为平坦。

在如4.1和4.2章节所述的地下水和围岩体特性同时具备的条件下，该仰拱相对而言是“薄弱”的，不能有效约束下伏围岩体的变形，使得隧道基底围岩塑性区范围由浅向深部不断扩张，当深部围岩进入峰后变形阶段时，释放大量的变形能量，推动浅部围岩向隧道空间运动[14]，最终导致仰拱结构上拱、发生破坏。

4.4 施工工艺缺陷隧道仰拱开挖轮廓线不圆顺，基底未清理干净，施工用水管理不当等工艺缺陷，会引起基底应力集中或者恶化基底围岩条件，也是造成隧道仰拱结构上拱的可能因素之一。

4.5 原因分析小结泥岩在地下水作用下，产生膨胀，强度降低，是仰拱上拱的外部原因[15]；而仰拱相对薄弱，不适应变化后的地质环境，没能有限约束底部泥岩的变形，是发生该隧道病害的内因。

由于围岩微节理的形成，地下水的转移，水-岩作用，是一个极为缓慢的过程，加上泥岩变形的流变特性，故隧道仰拱上拱也具有明显的时间效应[16-17]，表现为滞后于隧道开挖较长时间。

5.1 设计方案2014年4月发现病害时，全线已经开始联调联试。

结合隧道具体病害及全线2014年底开通运营的工期要求，通过多次召开专家论证会，分病害对轨道高程异常地段及其相邻地段仰拱及轨道结构采取了不同的整治措施。

5.1.1 仰拱整治(1)对轨道高程异常，以及轨道结构虽无异常，但钻孔揭示仰拱存在较大质量缺陷地段，合计940 m范围，采用了拆除仰拱返工整治处理。

返工处理时仰拱厚度增加，并采用C40钢筋混凝土加强。

(2)对轨道结构无异常，钻孔未发现裂缝，仰拱局部有缺陷地段进行加固处理。

对于仰拱厚度欠缺10～45 cm的地段(合计112 m)，采用“φ32 cm钻孔灌注桩+钢筋混凝土纵梁”加固，钻孔桩单根桩长8 m，桩纵向间距4 m，钻孔桩内置钢筋笼，与桩顶设置C30的钢筋混凝土纵梁连接。

对于局部仰拱厚度欠缺地段(合计1 003 m)，采用“锚杆+钢筋混凝土纵梁”加固。

锚杆采用T76S自进式锚杆，注1∶1水泥浆加固，长度6 m，纵向间距1.5 m，锚杆端头与设置的C30钢筋混凝土纵梁主筋焊接为一体。

5.1.2 轨道结构处理(1)无砟轨道对于隧道仰拱返工地段无砟轨道完全拆除，重新施做。

(2)无缝线路结合现场已完成长钢轨铺设及焊接锁定的实际情况，无砟轨道整改重建阶段无缝线路按整区段为单元采用在拆除重建段起终点(含拆除段间维持不动短路基段)位置进行应力放散、锯轨后长轨条整体移开，待无砟轨道道床板重建完成后仍利用该长轨条并采用移动闪光焊现场焊接方式恢复该段无缝线路，无砟轨道扣件回收后充分利用。