重载铁路隧道基底病害整治方案初探

陈换利， 甄治国

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

0 引言

长梁山隧道是朔黄线最长的隧道，全长12．78 km，设计为双线隧道，1995 年开工建设，2000 年完工开通运营。隧道运营后出现了隧道基底下沉、衬砌开裂、渗漏水等多种病害，其中隧道基底下沉段已影响到行车安全。在运营过程中已进行了多次整治，但整治效果不明显。隧道基底病害处理案例较多，但根据不同的隧道情况，未形成较统一的认识，尤其是繁忙运输干线上隧道基底病害处理。通过本次基底病害处理方案研究，可为类似工程的病害处理提供借鉴。

1 工程概况

1．1 隧道病害概况

长梁山隧道自运营以来，上行线部分区段出现了不同程度的基底沉降，目前基底下沉病害处共7 段，总长度为130 m。其中K29 +470 ～485 与K31 +420 ～435 两段共30 m 下沉最为严重，水沟盖板和挡砟墙有明显的下沉痕迹，下沉量为100 ～130 mm，其余地段下沉的表现主要是线路高低变化较快，列车通过时有不同程度的振动。

1．2 隧道工程地质及水文地质

长梁山隧道通过的地层成因以河流相为主，岩性变化频繁，细层理和交错层理十分发育，层间结合强度较低，尤其是砂岩夹的薄层泥岩，页岩，非常容易剥离。长梁山隧道岩层倾角一般在5° ～20°，属缓倾岩层，层理十分发育，层面之间结合强度较低。隧道基底下沉段主要为泥岩、砂质泥岩及长石石英砂岩。

隧道所处区域属干旱气候区，水文地质比较复杂，地表水，地下水普遍发育，二者呈相互补给关系，局部地段，存在不同程度的承压含水层，地层中砂岩较多，节理裂隙十分发育，为地下水补给，渗透及流透提供了良好条件。

2 处理方案

隧道基底处理首先设置有效的地下水排导系统，阻止地下水对隧道基底进一步影响。然后对隧道基底进行加固处理，达到病症整治的目的。

2．1 排水方案

根据本隧道已有的病害整治经验，在下沉段两侧排水沟内设置橡胶排水管可有效控制侧沟内的水下渗至基底。在下沉段两侧水沟内铺设外径25 cm 橡胶排水管，上下游各延伸10 m，排水管进口端与排水沟侧壁间缝隙采用水泥砂浆封堵，保证上游水全部通过排水管流至下游。

2．2 加固基底方案

根据本隧道基底病害钻探检测资料，隧道上行线路(重车方向)基底下沉区段存在破碎、吊空等病害。由于本线运输异常繁忙，天窗时间较短，施工较为困难，更换仰拱和仰拱填充方案可行性较小，不做进一步研究。根据本隧道的基底病害和地质情况，考虑注浆加固基底和群桩加固基底两种方案，根据具体段落的不同情况采用不同的措施。

2．2．1 注浆加固基底方案

基底注浆加固是在基床设置间隔的钢花管，通过一定的压力将浆液注入地层和基底，填充破碎缝隙及吊空区域，使已经破碎或吊空区域与围岩形成整体，提供承载力。本段隧道基底下沉段地质为Ⅲ、Ⅳ级围岩且结构较完整段采用注浆加固。

根据隧道情况，在上行线两股道间底板和隧道中线位置进行注浆处理，采用Φ159 钢花管注浆，钢花管设置长度以深入仰拱底部虚渣底以下为原则，根据本隧道钻探资料，钢花管设置长度为4．0 m。注浆管注入水灰比为0．4 的加固型TGRM 水泥基特种灌浆料，注浆压力为1．0 ～1．5 MPa。注浆管纵向间距为1．2 m，横向间距为1．2 m。注浆完后将Φ159 钢花管留在结构和岩体内，起到树根桩的加固作用。

为确保加固效果，使树根桩作用更为有效，考虑基底承台与桩之间的的连接效果，提高承台与桩间的稳定性，在仰拱填充顶面钢花管的顶部沿线路方向开凿25 cm×50 cm(高×宽)的槽，并新浇筑C30 钢筋混凝土梁，在新浇筑混凝土与底部之间植筋连接，钢筋直径Φ16 钢筋，横向间距20 cm，纵向间距40 cm。钢花管的钢管顶伸入新浇筑混凝土5 cm，顶部焊接一块300 mm×300 mm×10 mm 钢板，钢板需与新浇筑的钢筋混凝土中的钢筋可靠焊接，确保钢花管与新浇筑混凝土及仰拱填充可靠连为一体，整体受力。

图1 注浆加固基底横断面图(单位:cm)

图2 注浆加固基底纵断面图

2．2．2 群桩加固基底方案

对于本隧道基底下沉段地质为Ⅳ、Ⅴ级围岩段考虑群桩加固基底。隧道下沉段以泥岩、砂质泥岩为主，隧道仰拱和填充采用同级混凝土同时灌注，混凝土等级为C20。根据检测报告，隧道基底病害段在一定长度内整体性较好，混凝土强度较高，可与桩连接形成桩基承台，以仰拱及仰拱填充为承台布置微型群桩，可有效将列车传来的荷载传递到仰拱底部岩层内。隧道内列车等荷载在正常情况下应由拱墙及仰拱组成的衬砌级基底岩层共同承载，考虑到本隧道病害段的仰拱和填充已部分破碎，衬砌整体受力较差，群桩计算时按全部基底岩层受力计算。

(1)桩承载力计算。由于桩身穿过仰拱混凝土支撑于基岩上，在列车动荷载作用下相对位移和下沉较小，拟先以端承桩考虑锚桩的承载力，围岩为Ⅱ类时考虑桩侧摩擦力。根据《建筑地基基础设计规范》GB50007—2011 规定:端承桩由于桩端压力相互影响小，故群桩承载力为各单桩承载力之和。首先，计算单桩承载力特征值

式中，qpa为桩端阻力特征值;Ap为桩低端横截面面积。

又根据《建筑地基基础设计规范》GB50007—2011 中第5．2．6 条规定

式中，φr为折减系数，对较破碎岩体取0．1 ～0．2;frk为岩石饱和单轴抗压强度标准值。

本隧道通过的货运列车目前基本上都由韶山电力机车牵引，轴重为230 kN，考虑到本线将扩能，为有效整治病害，经综合研究，列车荷载采用“中-活载(2005)中货运专线ZH”活载进行检算。荷载布置时按最不利荷载考虑，集中荷载放在病害整治段落中间，两边按均布荷载布置。具体图式如图3。

图3 中-活载(2005)中货运专线ZH 图示

列车以一定速度通过时将产生冲击力，其冲击系数取列车通过有渣桥的冲击系数μ =1 +12/(30 +S)= 1．24，其中，S 为基底下沉地段长度。

以长梁山隧道K27 +710 ～K27 +720 段基底病害为例，计算如下:

根据铁科研《朔黄铁路长梁山隧道病害检测报告》中相关数据，拟定桩径150 mm，桩长3．2 m，桩径纵向间距0．5 m，横向布置5 排。

根据《建筑桩基技术规范》JGJ 94—2008 中5．3．3 条的规定，考虑桩侧阻力:

Ra= qpaAp+ uΣqsikli= 0．1 ×7 000 × π/4 ×0．152 + π ×0．15 ×20 ×1．7 = 28．38 kN。

按照5 排交错布置锚桩，形成群桩基础，桩数n = 5 × 10/0．5 = 100。群桩总承载力计算值为R =nRa=2 838 kN。

按照最不利布置列车动荷载，其列车荷载为:Q′ =250 ×4 +(10 -1．6 ×3 -0．8 ×2)×85 =1 306 kN。列车以一定速度通过时将产生冲击力，其冲击系数取列车通过有渣桥的冲击系数:μ =1 +12/(30 +S)=1．3。考虑列车动力冲击作用后的列车动荷载为:Q = Q′μ = 1 697．80 kN。

则群桩的安全储备为:K = 2 838/1 697．80 = 1．67 (满足规范要求)。

(2)桩型式选择。对采用微型桩加固基底的地段，对微型桩采用PMC 聚合物微型桩和T76P 迈式微型桩进行方案比选。

PMC 聚合物微型桩材料以双组分改性聚氨酯，施工现场配合硅砂、水泥构成聚合物砂浆，再配合碎石可构成聚合物混凝土桩。桩中配置3 根Φ25 钢筋形成聚合物钢筋混凝土桩。

PMC 聚合物微型桩特点:快硬、抗渗、抗冲击、抗压抗折性能好，抗强流水冲刷，具水下不分散型。在1 m/s 的强涌水冲刷下不离散、30 min 抗压强度8 MPa 以上，抗折强度在6 MPa 以上，28 d 抗压强度可达38．3 MPa，比普通混凝土强度高。

PMC 聚合物微型微型桩施工工序为:钻孔—清孔—放钢筋束—支模板—灌注混凝土—捣固。

迈式微型桩由作为承载钢结构的筋，即连续螺纹的迈式锚杆和注浆体(净浆水灰比为0．4 的TGRM水泥基特种灌浆料)组成。

迈式微型桩特点:安装迅速，至少是传统方法的2 倍;安装机械小型、轻便;迈式杆体可任意切割，工作场地空间要求低。可用作承压桩或复合桩。

TGRM 水泥基特种灌浆料与迈式锚杆形成钢筋混凝土结构，净浆水灰比为0．4 的TGRM 水泥基特种灌浆料30 min 抗压强度9 MPa 以上，抗折强度在2 MPa 以上，28 d 抗压强度可达55 MPa，比普通混凝土强度高。

迈式微型桩施工工艺如下:安装采用标准旋转冲击钻机，配以迈式旋转注浆接头，一步完成桩的安装，即钻进、下桩、灌注一次完成。并不需要套管。

经综合比较，本线为繁忙干线，为节省施工时间，推荐采用T76P 迈式微型桩。

(3)具体整治措施。根据本隧道情况，在上行线路底部设置6 根T76P 迈式锚杆，横向间距0．70 m +0．54 m+0．54 m+0．35 m+0．35 m，纵向间距0．6 m，锚杆深度以深入仰拱底部虚渣底以下为原则，确定桩长为4．0 m。

为确保加固效果，在仰拱填充面桩底部开凿290 cm×25 cm(宽×高)的槽，并新浇筑C30 钢筋混凝土板，在新浇筑混凝土板与底部之间植筋连接，植Φ16 钢筋，横向间距40 cm，纵向间距40 cm，接茬筋伸入新浇混凝土和仰拱填充各15 cm。迈式锚杆顶伸入新浇筑混凝土5 cm，锚杆垫板需与新浇筑的钢筋混凝土中的钢筋可靠焊接，确保锚杆与新浇筑混凝土及仰拱填充可靠连为一体，整体受力。注浆管注入水灰比为0．4 的加固型TGRM 水泥基特种灌浆料，注浆压力为1．0 ～1．5 MPa。

图4 群桩加固基底横断面图

图5 群桩加固基底纵断面图

3 结论

长梁山隧道基底病害出现以来，以多次进行小规模的治理，但效果不佳。为有效整治隧道基底病害，考虑了注浆加固基底和群桩加固基底方案。由于本隧道病害整治尚未实施，具能否达到预期目的有待进一步评价，但经过本次基底病害处理方案研究，可为类似工程提供一定的借鉴。

［1］铁路工程地质手册(1999 年修订版)．

［2］TB10003—2005 铁路隧道设计规范［S］．

［3］马伟斌．朔黄铁路长梁山隧道病害检测报告［D］．北京:铁科院，2012．

［4］万德友，王哲军．大瑶山隧道基床病害与整治［J］．世界隧道，2000(增刊):84-88．