重载铁路隧道隧底翻浆冒泥整治技术研究

孟宪洪

(朔黄铁路发展有限责任公司，河北肃宁 062350)

我国既有重载铁路隧道在长大编组列车的长期振动冲击作用下，加上地质环境的变化以及地下水的影响，隧道各类病害频发，其中隧底病害尤为严重[1]，隧道道床翻浆冒泥较为突出，制约着铁路运输，甚至危及行车安全。尽管工务部门依据病害检测[2-4]结果采取了回填道砟与注浆加固等临时处置措施，但均未达到理想效果，急需研究适宜重载铁路隧道隧底翻浆冒泥的整治技术。本文对隧底降水整治技术进行了重点研究。

1 隧底翻浆冒泥机理分析

由于隧底填充分层施工往往造成隧道底部回填混凝土与仰拱之间的咬合力不够，在列车运行振动作用下填充层与二衬混凝土分离，互相拍打、摩擦形成泥浆，并由裂缝返出道床及水沟面，从而形成道床底部混凝土结构出现磨耗、掏空的问题。隧道道床与填充层、二衬混凝土的振动磨耗、剥离、脱空严重时会影响列车运行安全。

1)围岩状况差

隧道内的翻浆冒泥地段，围岩岩性多为泥岩、页岩、砂质泥岩夹层、泥岩互层，易产生冲蚀破坏，且区段节理发育，结构松散或受断层影响较大，通常为Ⅳ或Ⅴ级围岩。

2)地下水的影响

某些地下水和地表水都很丰富的地区，隧道在防排水方面的设计标准较低。有的隧道既有水沟排水不畅，导致大量地下水和地表水汇集于隧底下而排不出隧道。由于隧底与围岩间的结合不够紧密，隧底围岩裂隙发育、破损，使地下水在围岩与仰拱之间形成一层水膜或水层，长时间浸泡、侵蚀隧底混凝土，并使隧底围岩软化产生泥浆，在水沟内沉淀、淤积并抬高水面，通过与道床的连接通道进入道床。

3)列车荷载的影响

重载列车的循环荷载对隧底结构病害的影响主要有:隧底结构动应力分布不均衡产生的较大弯拉应力，致使基底开裂;列车循环荷载的长期作用会加速隧道隧底结构裂损与扩展，必然会逐步产生疲劳破坏;基底围岩在受压、退压、振动、冲击下破碎、粉化甚至浆化，恶化了结构受力状态，加剧了地下水的影响。

4)隧道底部存在缺陷

受修建时期设计标准和施工技术条件的限制，隧底存在缺陷，主要表现为隧底结构厚度不足、隧底虚渣未清理干净、施工时隧底结构整体性差。

隧底翻浆冒泥见图1。

图1 隧底翻浆冒泥示意

2 翻浆冒泥整治方法

整治隧底翻浆冒泥病害的方法较多，主要有隧底注浆，增设单、双侧密井暗管水沟，更换隧底，隔离处理等[5-7]。这些方法可在一定程度上缓解既有重载铁路隧道翻浆冒泥病害，但各有其优缺点。

1)隧底注浆

采用各类型水泥浆(普通水泥浆、TGRM早强水泥浆、改性环氧浆液等)进行注浆加固。通过压浆，将隧底地下水外挤。浆液填充隧底富水空间。该法施工简单，能够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

隧底降水多采用设单、双侧排水井，中心排水井或两侧密井暗管水沟。其中两侧密井暗管水沟是在原有侧沟处增设单、双侧密井暗管水沟。首先对原有隧道水沟进行拆除，然后将水沟开挖至隧底一定深度，重新施作水沟。同时，为方便检查、维修，密井暗管水沟每隔若干米需设一个检查井。该法施工工序繁多、开挖难度大，但是降水效果明显，翻浆冒泥病害能够得到根治。

3)更换隧底

将翻浆冒泥段混凝土凿除，重新浇筑新混凝土，该方法需要架空线路，每个天窗内病害整治范围较短，一般4～6 m，施工进度慢，开通后需要限速，影响行车。

4)隔离处理

用隔离法整治隧底翻浆冒泥，就是将隧底的细粒土进行隔离处理。常采用土工纤维布铺入道砟与隧道底面之间，只允许地下水、裂隙水通过土工纤维布进入基床流走，不允许粉细土混入水中通过，防止泥土上翻使道砟污染，保持道床清洁，使之具有良好的弹性和排水性能，提高线路稳定性。

上述方法中，隧底降水由于施工工序多、开挖困难，同时缺乏理论数据的支持，工程应用较少。本文重点对隧底降水方案进行分析，从而为其应用提供理论依据。

3 隧底降水方案计算模型

3.1 不同降水方案预设

由于难以用解析法对隧道内不同降水措施进行对比分析，本文采用数值计算方法对不同措施的降水过程进行模拟。考虑到后期施工因素，对3种可行的方案进行模拟:两侧设置排水井，且双侧错开;隧道中心设置排水井;隧道侧沟设置深排水沟。降水方案如图2所示。

图2 不同降水方案示意

模拟计算工况如下。

工况1:未开挖排水沟(初始状态)。

工况2:两侧设排水井(长0.6 m×宽0.6 m×深6.0 m)，单侧间距30 m，双侧错开。

工况3:隧道中心设排水井(长0.2 m×宽0.2 m×深4.0 m)，排水井间距5 m。

工况4:两侧设置深水沟(0.6 m×6.0 m)。

3.2 计算模型

采用有限元软件ANSYS建模，模型范围沿横向自隧道轴线起向两侧各取约50 m;竖向上下各取离隧道中心约50 m。计算模型尺寸为100 m×100 m，中心降水、两侧降水及单侧降水计算模型分别划分12 315，12 218，12 340个单元。模型中围岩、初期支护、衬砌结构、仰拱填充及水沟等均采用三维实体单元模拟。

3.3 计算参数

围岩渗透系数取5×10－5cm/s，边墙和拱部衬砌渗透系数取5×10－5cm/s(设衬砌背后排水系统基本畅通，计算中考虑与围岩渗透系数相同)，仰拱渗透系数取1×10－6cm/s(考虑仰拱无排水系统或排水系统堵塞)，地下水水头为40 m。

3.4 边界条件

模型初始条件通过在所有节点加40 m总水头的稳定流计算得到。另外在两侧边界加载40 m总水头。

4 降水方案对比分析

4.1 降水效果对比分析

通过计算分析，不同降水工况下的降水效果对比见表1。

表1 不同工况下降水效果对比分析

由表1可以看出，工况2仰拱水压力最大值降低为原来的75%，尽管对仰拱中心水压力有一定缓解，但是水压力降低较少。工况3作用在仰拱上的水压力降低为原来的50%，可以在一定程度缓减水压力对仰拱的力学作用，从而减小由水压力引起的病害。工况4仰拱水压力最大值降低为原来的15%，能有效降水仰拱水压力。因此，从计算分析结果可以看出，对隧底翻浆冒泥地段采用两侧设深排水沟较为合理。

4.2 施工可行性对比分析

3种降水工况施工可行性对比分析见表2。

表2 3种工况施工可行性对比分析

由表2可以看出，两侧设置深水沟方案施工难度较大，但是从长远来看，此法仍可以采用。

4.3 现场实施工艺

两侧设置深水沟的施工工艺如下:

1)开挖线路左右侧既有水沟及电缆槽。开挖至隧底混凝土与围岩交界面以下20 cm。

2)新建水沟与既有集水井间连接通道。新建通道宽50 cm，深度与加深水沟底部平齐，连接通道内布置PVC管，与主排水管通过三角接头连接，延伸至既有集水井。

3)开挖检查井。检查井采用100 cm×70 cm的长方形断面，底部开挖至新建暗管下20 cm处，检查井间距为6 m。检查井的目的主要是在暗管堵塞时便于及时疏通。

4)施作沟底垫层。采用M10砂浆铺砌沟底，垫层边缘厚5 cm，以一定角度均匀过渡至中心处，用作土工布垫层。

5)铺设土工布。沿新建水沟及电缆槽四周密贴铺设土工布。

6)施作排水暗管。排水暗管采用PVC管，全部设置进水口，呈梅花形布置。

7)回填洗净碎石。选取均匀洗净碎石回填，用土工布包裹。

8)施作隔离层。在土工布上方施作早强混凝土隔离层，防止上方回填混凝土浆液进入碎石层堵塞排水孔隙。

9)施作钎钉。在新老混凝土交接面设置钎钉。

10)施作回填混凝土。回填高度依据现场实际确定。

11)施作检查井井盖。检查井井盖采用钢筋混凝土，施工时确保井盖密贴，做好防水，防止上游水流经水沟时进入密井。

5 结论与建议

1)重载铁路隧道隧底翻浆冒泥是多因素耦合作用的结果，病害的整治应该综合考虑。

2)相比于单、双侧设置排水井与中心设置排水井方案，两侧设置深水沟更能有效地降低地下水位，而且能够保持基底干燥，避免发生翻浆冒泥病害。

3)两侧设置深水沟整治隧底翻浆冒泥方案，对以后类似既有铁路隧道底部翻浆冒泥病害整治具有借鉴意义。

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