某运营线铁路隧道隧底混凝土结构隆起的原因分析及建议

孙晓阳

【摘 要】隧底混凝土结构开裂隆起，结合竣工文件对隧道病害段进行了调查、综合检测、实验室分析及结构受力检算，综合分析了病害的原因，并提出一些隧道设计施工检测及维护建议。

【关键词】隧底结构隆起；衬砌开裂；受力检算

1.引言

隧道运营后，随着时间推移，部分隧道由于各种原因造成隧底混凝土结构开裂隆起及拱墙衬砌开裂，导致线路几何状态难以保持，影响列车运行或造成列车降速运行。隆起后，应及早监测并全面分析原因并加以合理整治，以防对结构及行车的危害进一步加大。

2.隧道主要情况

2.1隧道概况

隧道穿越地段隶典型干旱地区高原剥蚀丘陵地貌，隧址内无控制性大型断裂、褶曲构造，隧址地震动峰值加速度值为0.1g，最冷月平均气温-11.5℃左右。最高时速80Km/h的货运电化铁路单线隧道，采用次重型有碴轨道设计，全隧采用曲墙带仰拱复合式衬砌。

2.2隧道病害处地质情况

病害段距离洞口500m以上，病害段里程K10+117～+149，埋深51～63m，病害段在内的K9+981～K10+281为Ⅳ级围岩级地段，贫水区，隧道最大跨附近以上为三叠系上统砂岩，最大跨附近以下为三叠系上统泥岩，具体地质情况如下：

2.2.1 砂质黄土：主要分布于洞身顶部表层，厚度1～3m；

2.2.2 砂岩：青灰-灰白色，节理裂隙发育，泥钙质胶结，中、粗粒（局部含砾）结构，厚层—巨厚层状构造；全、强风化层厚15～20m，Ⅳ，σ0=400kPa；以下弱风化，σ0=500kPa。

2.2.3泥岩：棕红色，节理裂隙发育，泥质结构，层状构造；具弱膨胀性，蒙脱石含量23.61%，自由膨胀率Fs=36.8%，自由饱和吸水率ωsa=28.4%，膨胀力Pp=270.47Kpa；全、强风化层厚15～25m，Ⅳ，σ0=300kPa；以下弱风化，σ0=400kPa。

2.2.4 地下水主要为砂岩层中赋存的基岩孔隙裂隙水，水质对圬工无腐蚀性。

2.3主要设计支护参数

初支全环设置1榀/m的H125型钢钢架，C20喷混凝土厚18cm，二衬及仰拱采用30cm厚的C25混凝土，仰拱填充采用C20混凝土，道心处隧道混凝土结构总厚度152cm。

2.4施工及变更情况

施工地质与设计地质情况基本吻合，病害段及其附近未发生变更，亦未发生坍塌塌方等。

配合施工期间，K10+097处隧底开挖时，未见地下水水且为质硬泥岩。

3.隧道隆起段病害情况

3.1纵向裂缝

通车后6.3～8.6年，病害段衬砌两侧均出现纵向裂缝并向两头有延伸，裂缝位置在最大跨以下1.4m处，裂缝宽度1～3mm，裂缝两侧及附近未见明显错台、次生裂缝及小范围掉块。

3.2环向裂缝

衬砌出现环向裂缝2道，间距约10～15m。开裂部位为拱部及两侧边墙，裂缝基本在同一里程断面处，且每道环向裂缝长度为18～19m，最大裂缝宽度1～3.5mm；环向裂缝距离环向施工缝1m以上，裂缝两侧及附近未见明显错台、次生裂缝及小范围掉块。

3.3隧底隆起

隧底结构不同程度开裂及隆起，两侧的水沟盖板倾斜约15～20°，隆起段道心附近道砟厚度为12～25cm。

3.4隧底隆起及衬砌开裂后的工务处理

纵向裂缝出现及逐渐稍变大后，工务采取的措施为水泥浆涂抹及日常监测；隧底隆起段从轻微直至严重阶段，工务采取的措施为减小碎石道床厚度、适度调整轨道几何尺寸及日常监测，同时列车在该段降速运行。

4.对隧道的监控量测、调查、检测、物探钻探、有关实验分析及结构检算

通车后8.6年，为全面分析病害原因，结合竣工文件进行了调查，并布置监控量测、内轮廓检测、钻探取样进行实验室分析及结构受力捡算分析。

4.1 拱墙衬砌观测及内轮廓检测

由于缺乏相关资料，无法判断病害段的衬砌收敛及沉降的绝对值，只能对现有观测及检测值与理论设计值进行对比分析。

对比分析结果为，拱墙衬砌稳定无明显收敛及变形，衬砌内轮廓未侵限，持续续监测的2周时间内衬砌收敛及沉降处于稳定状态。监测数据表明，轨面高程高出设计值215mm～354mm。

4.2 地质雷达物探

对病害段拱顶及两侧边墙进行物探，混凝土厚度满足设计值，混凝土密实，拱顶部分段落存在回填不密实及离析现象。

4.3钻探

为探明基底情况，进行钻探，共计10处，钻孔深度为120～160cm，钻探位置为道心及侧沟附近仰拱填充。

经钻探，混凝土与隧底岩层结合部未见虚砟；隧底混凝土结构总厚度在道心附近为0.35m～0.45m，在水沟附近为0.30m～0.35m；未施工仰拱。

隧底混凝土结构以下泥岩地层较破碎，且潮湿；经钻探揭示，隧底受扰动地层厚度1.8～2.1m。

4.4 混泥土结构强度检测

对取出的混凝土芯样，进行混凝土抗压强度检测，衬砌的检测强度为25.6～29.1Mpa，满足设计强度25Mpa；仰拱填充的检测强度为25.52～27.23Mpa，满足仰拱填充设计强度20Mpa。

4.5 隧底隆起段两侧水沟中有小股水流。

4.6 泥岩膨胀性分析

隆起段2处钻孔进行钻探至隧底以下5m，以获取未扰动地层岩样；在两侧边墙纵向裂缝以下1～1.5m附近，钻孔取样2处，每侧各1处，钻孔沿线路方向间距10m，钻孔深度沿水平方向不小于5m。

对4份泥岩岩样进行膨胀性试验，结果如下：蒙脱石含量26.1～27.43%，自由膨胀率Fs=49.78～52.9%，自由饱和吸水率ωsa=38.81～44.56%，膨胀力Pp=360.73～427.43Kpa。

4.7 病害段衬砌受力检算

由于隧道病害严重，且考虑到病害段存在地下水及膨胀性泥岩等情况，故采用荷载结构模型对结构的安全性能进行分析评价。

根据隧道施工图、钻孔及检测资料等，对隧底结构按35cm厚的C25混凝土底板考虑，考虑泥岩膨胀力按0.427Mpa、结构自重及正常围岩压力等荷载采用有限元软件进行分析，结果如下：

结构关键部位安全检算

位置 轴力

（kN） 弯矩

（kN.m） 截面高

度（m） 混凝土

等级 强度控

制因素 安全

系数

拱顶 -175.28 21.35 0.30 C25 抗拉 4.17

拱腰 -201.71 -17.25 0.30 C25 抗拉 7.33

拱脚 -237.49 -26.78 0.30 C25 抗拉 3.52

最大跨 -310.54 5.73 0.30 C25 抗压 18.28

最大跨以下1.4m -286.43 -47.49 0.30 C25 抗拉 1.58

边墙底部 -272.31 -39.55 0.35 C25 抗拉 3.02

道心底板 -268.29 96.48 0.35 C25 抗拉 0.88

水沟附近底板 -197.45 67.42 0.35 C25 抗拉 1.28

注：抗拉控制安全系数3.6，抗压控制安全系数2.4。

经计算，隧道衬砌的结构安全系数存在不满足规范要求的情况，具体如下：

隧道二衬拱部受拉控制，结构安全系数满足规范要求；边墙最大跨附近及以上部位，结构安全系数满足规范要求；边墙在最大跨以下1.4m附近及以下边墙，结构安全系数不满足规范要求；底板受拉控制，结构安全系数远小于规范要求。

5.隧道病害原因分析

该病害段为Ⅳ级围岩地段，施工时下导弱风化泥岩无水及开挖支护及时，隧底泥岩坚硬承载力较高。由于施做40cm厚度的C25混凝土底板后，边墙下部受力状况改变为受拉控制，以及运营后对地层有一定的扰动，砂泥岩接触带的地下水逐渐渗入泥岩，泥岩膨胀性逐渐增大，隧底及边墙部位围岩承载力逐渐降低，底板逐渐不足以抵抗隧底的围岩压力，出现开裂及轻微破坏，边墙部位裂缝出现，直至底板逐渐开始破坏，并不断隆起。

5.1隧底隆起

隆起原因：隧底混凝土结构总厚度严重不足，不能承受隧底较大的围岩压力等作用。

根据检算，道心附近底板最大安全系数0.88，最大拉应力值为2.49Mpa，该值大于C25混凝土抗拉设计值2.0Mpa，底板应基本破坏，且道心附近的破坏情况应较严重，这与现场勘查情况一致。轨下部分隆起最严重，大致为35+30-12=53cm；水沟附近的底板开裂隆起后，导致水沟盖板倾斜，附近底板隆起高度大致为50×sin20°=17cm。

5.2边墙纵向裂缝

开裂原因：由于未施工仰拱，使隧道衬砌未形成闭环结构，从而改变边墙的正常受理状况，边墙部位出现受拉控制。

衬砌两侧最大跨以下1.4m处附近安全系数1.58<3.6，安全系数较低但衬砌不会发生破坏，衬砌在该位置出现对称纵向裂缝，裂缝最大宽度3.5mm，裂缝是否贯通整个截面应结合其他检测手段监测裂缝深度。

5.3边墙底部安全系数较小情况

边墙底部安全系数3.02<3.6，勘查现场衬砌该处未发现裂缝，主要原因为：此处衬砌实际厚度比计算采用值35cm大15cm左右；边墙混凝土强度比设计值稍高0..6～4.1Mpa；该部位衬砌安全系数相对接近规定限值。

衬砌厚度由0.35m修正为0.5m时，结构安全系数大于3.6。

5.4环向裂缝

病害段不同里程处，道心附近隧底混凝土结构不同程度开裂隆起后，，隧底地层同步有不同程度松动隆起，表明隧底地层的承载力不同程度降低，从而引起衬砌整体的不均匀沉降，导致衬砌在非环向施工缝部位出现环向裂缝。每环的环向裂缝的长度大致为18～19m，也表明衬砌不均匀沉降相对较明显。

5.5泥岩膨胀性

勘察阶段泥岩的膨胀力为Pp=270.47Kpa，病害段的泥岩膨胀力为Pp=427.43Kpa，二者有一定的差值，主要原因为二者取芯位置不同及取芯方式方法可能有关。

在设计阶段，综合了其他膨胀性判定标准及工程对比，对泥岩的膨胀力考虑了安全系数1.3，设计采用值=270.47*1.3=351.61。虽膨胀力采用值小于病害段泥岩膨胀力的试验值75.82Kpa，但该差值对衬砌的影响很小，也不是拱墙衬砌开裂及隧底隆起的主因。

6.整治建议

病害段隧底混凝土结构已经破坏，不能承载，需开挖后恢复隧底的初支、仰拱及仰拱填充。同时为策衬砌安全，隧底整治前需对边墙衬砌进行加固。

6.1对纵向裂缝上下的衬砌进行锚杆注浆加固。

6.2对最大跨以下边墙进行锚杆及锚管注浆加固，根据锚管间距及管径在锚管内（间隔）加设钢筋笼。

6.3.加固线路对线路进行架空，方案有扣轨施工及采用D型梁等，架空方案中应进行检算，确保降速行车安全。

6.4隧底初喷后，进行基底注浆加固，随后进行恢复隧底初支仰拱及仰拱填充等。仰拱整体浇筑禁止半幅浇筑，仰拱与填充分开浇筑，严禁一次浇筑。

6.5施工完仰拱填充，根据情况进行环向裂缝整治。

6.6边墙及隧底地基注浆采用加固型TGRM水泥基特种灌浆料及超细型TGRM水泥基灌浆料。

6.7拆除开挖整治时，分段跳槽拆除，拆3m跳6m，每次拆换长度不大于3m。

6.8严格进行监控量测，必要时根据情况采用临时加固措施。

6.9所有隧道内施工事项，应按既有线改建施工相关规定规程规范等办理，确保安全。

7.结束语

7.1当围岩较好时，隧底混凝土结构为底板，底板及边墙下部主要受拉控制，为了提高底板的抗拉，底板应采用钢筋混凝土。

7.2当围岩较差时，衬砌背后的围岩压力等作用较大，充分发挥混凝土的极限抗压强度远大于极限抗拉强度的特性，让隧底受力结构（仰拱）及边墙处于受压控制状态，应采取带仰拱复合衬砌。

7.3当隧道衬砌出现较长或较宽的裂缝时，第三方检测单位应检测裂缝深度，以有利于分析病害原因，以及有利于结合其他信息综合判断衬砌结构的安全状态。

7.4对于隧道施工，现场单位应严格按图纸施工；并应掌握一定的工程地质知识及铁路隧道设计规范等一些主要内容，例如：软硬岩的识别、铁路单线隧道Ⅲ级围岩软岩地段及Ⅳ至Ⅵ级围岩地段均采用带仰拱复合衬砌。

7.5运营铁路的隧道，工务部门的监测工作应按相关规定规程施做，相应的监测设备应配备齐全，监测资料应规范记录；一旦发生病害时，准确详实的资料有利于分析病害产生的原因。

当工务部门发现隧道衬砌出现裂缝或道床隆起等病害时，并根据病害不同持续一定时间的监测；当病害持续发展或超限时应及早上报有关部门，并由第三方机构进行检测以全面分析原因并及早加以整治，防止病害进一步发展（如衬砌出现贯通裂缝等）等，危机结构及行车安全并引起整治费用增大。

参考文献：

[1]《铁路隧道设计规范》TB10003-2005[M]北京：中国铁道出版社，2005.

[2]叶英，运营隧道管养指南[M]北京：人民交通出版社，2013.5.

[3]方利成、杜彬、张晓峰，林先熔，隧道工程病害防治图集[M]北京：中国电力出版社，2000.

[4]孔恒、王梦恕、张德华，隧道底板隆起的成因、分类与控制[J]中国安全科学学报，2003.

[5]欧尔峰、梁庆国、将代军，甘肃天水地区膨胀性泥岩隧道施工技术研究[M]北京：人民交通出版社，2014.1.

[6]朱永全、宋玉香，隧道工程[M]北京：中国铁道出版社，2007.

[7]关宝树、宋赵勇，软弱围岩隧道施工技术[M]北京：人民交通出版社，2012.2.

[8]《铁路桥隧建筑物修理规则》铁运[2010]38号[M]北京：中国铁道出版社，2010.