高速铁路运营长大隧道主要病害建模分析及整治措施

李仁强

摘要：国内高速铁路建设里程逐年增加，运营时间越来越长，营业线既有隧道相继发生病害情况，病害的主要表现形式为纵向或横向衬砌裂缝以及拱顶局部衬砌脱空。本文依托工程实例，对既有运营高铁检查维护中发现的隧道衬砌病害进行有限元建模分析，确定病害对隧道运营的安全影响，并制定了整治方案，通过整治实践，确定分析结果准确，采用的整治方案满足运营高铁维修天窗内整治的要求，整治方案简单、快速、有效，对同类工程具有重要的指导意义。

Abstract： The construction mileage of high-speed railways in China has increased year by year， and the operation time has become longer and longer. The existing tunnels of business lines have different diseases. The main manifestations of the diseases are longitudinal or lateral lining cracks and partial lining of the vaults. Based on the engineering example， this paper conducts finite element modeling analysis on the tunnel lining diseases found in the existing high-speed railway inspection and maintenance， determines the safety impact of the disease on the tunnel operation， and formulates a treatment plan. Through treatment practice， the analysis results are accurate. The adopted treatment plan satisfies the requirements for the treatment of the operating high-speed rail maintenance skylight. The treatment plan is simple， fast and effective， and has important guiding significance for similar projects.

關键词：高铁;运营隧道;病害分析;整治措施;软件建模

Key words： high-speed railway;operating tunnel;disease analysis;treatment measures;software modeling

中图分类号：U457+.2                                    文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）15-0073-08

0  引言

随着我国高速铁路建设运营里程逐年增加，既有运营高铁的检测维护工作量越来越大，尤其是高速铁路长大隧道因隧道长度大、维修天窗时间短，检测和维修异常困难。根据调查，目前国内高速铁路运营线隧道的主要病害为衬砌出现的纵横向裂缝和二衬拱顶局部脱空。分析这些病害对隧道运营安全的影响和研究一套快速成型的整治方法势在必行。下面我就华南某高铁隧道的病害整治进行有限元建模分析，并针对运营高铁长大隧道的特点总结一套施工技术方案，为铁路运营养护单位和高铁施工单位提供一种解决方案和思路，也为后续的高铁隧道施工提供科学的决策依据。

1  工程概况

高铁隧道位于国内南方某市，总长度3620m，线间距4.6m，本段是丘陵剥蚀地貌，地形起伏较大，相对高差30～120m，上覆为第四系坡残积层粉质黏土（Q4dl+el），厚0～4m，下伏为燕山早期第一次侵入岩花岗岩（ηγ52（3）a）夹俘虏体侏罗系上统南园组凝灰熔岩（J3nb），节理发育，岩体破碎。地下水主要为残积层的孔隙水及基岩裂隙水，地下水不发育，地表水及地下水水质对砼均具弱硫酸型酸性侵蚀及弱溶出型侵蚀。测区内地震动峰值加速度0.1g。病害情况如表1所示。

2  隧道病害分析

2.1 模型建立

有限元数值模拟计算采用Midas/GTS有限元软件计算。围岩、衬砌以摩尔-库伦准则为屈服条件;衬砌发生裂缝的部位要对划分的网格进行加密处理。

计算模型模拟采用顶端岩层上覆厚度约为650m，隧道底板以下范围取100m，左侧和右侧分别模拟500m岩石范围，模型的边界约束方向设定为从左至右假定为X方向，下部为Y方向，顶部假定设置为自由面。隧道的纵向裂缝建模及裂缝处的建模如图1、图2所示。横向裂缝有限元计算模型及裂缝处理如图3、图4所示。顶板脱空有限元计算模型及裂缝处理如图5、图6所示。模拟过程中在隧道施工完毕后将裂缝及脱空单元采用钝化功能来实现对裂缝的模拟。

2.2 计算结果判断依据

考虑到纵向裂缝，横向裂缝以及二衬脱空的影响，对纵向裂缝情况进行了二维的有限元计算;对有横向裂缝情况进行了三维的有限元计算。考虑模拟过程中边界效应对计算结果的影响，模型在平面和纵向方面都建立足够尺寸。对于横向裂缝和二衬脱空情况，在三维模型的纵向方向上，尽量将缺陷部位设定在衬砌结构的中间部位。

通过开挖支护的模拟计算，计算出二衬的最大拉应力和最大压应力，从而按照钢筋混凝土结构的平截面假定来判断二衬是否满足要求。

按照《混凝土结构设计规范》中的正截面承载力四个基本假定来进行混凝土的参数选择。

2.3 纵向裂缝计算结果

2.3.1 纵向裂缝验算模拟过程

模拟过程：①形成自重应力场，位移清零;②开挖隧道土体;③形成初衬;④形成二衬;⑤钝化裂缝单元。

2.3.2 纵向裂缝条件下初衬验算结果（图7）

2.3.3 纵向裂缝条件下二衬验算结果（图8）

2.4 横向裂缝计算结果

2.4.1 横向裂缝验算模拟过程

模拟过程：①形成自重应力场，位移清零;②开挖隧道土体;③形成初衬;④形成二衬;⑤钝化裂缝单元。

2.4.2 横向裂缝条件下初衬验算结果（图9）

2.4.3 横向裂缝条件下二衬验算结果（图10）

2.5 顶板脱空计算结果

2.5.1 顶板脱空验算模拟过程

模拟过程：①形成自重应力场，位移清零;②开挖隧道土体;③形成初衬;④形成二衬;⑤钝化脱空单元。

2.5.2 顶板脱空条件下初衬验算结果（图11）

2.5.3 顶板脱空条件下二衬验算结果（图12）

2.6 衬砌安全性评价

《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010）中规定：C25耐腐蚀混凝土轴心抗压强度设计值11.9MPa，轴心抗拉强度设计值1.27MPa。C20混凝土轴心抗压强度设计值9.6MPa，轴心抗拉强度设计值1.1MPa。将2.3-2.6中初衬和二衬计算结果与《混凝土结构设计规范》中规定的设计值进行对比进而判断其安全性。

2.7 分析结论

①纵向裂缝条件下，初衬最大拉应力为29kPa<1.1MPa，最大压应力为41kPa<9.6MPa，计算应力小于规范应力，初衬强度能够满足要求。二衬最大拉应力为13kPa<1.27MPa，最大压应力为26kPa<11.9MPa，计算应力小于规范应力，二衬强度能够满足要求。

②横向裂缝条件下，初衬最大拉应力为179kPa<1.1MPa，最大压应力为1649kPa<9.6MPa，C20混凝土最大抗拉压应力分别为和，计算应力小于规范应力，初衬强度能够满足要求。二衬最大拉应力为16kPa<1.27MPa，最大压应力为20kPa<11.9MPa，计算应力小于规范应力，二衬强度能够满足要求。

③顶板脱空条件下，初衬最大拉应力为152kPa<1.1MPa，最大压应力为1403kPa<9.6MPa，计算应力小于规范应力，初衬强度能够满足要求。二衬最大拉应力为18kPa<1.27MPa，最大压应力为18kPa<11.9MPa，计算应力小于规范应力，二衬强度能够满足要求。

3  整治方案

3.1 作业平台搭设

采用平板车作为运输工具，结合本次整改工作量和隧道长度综合考虑，要求作业平台自带动力、刹车和绝缘装置。

作业平台采用拼装式脚手架，脚手架每节搭设高度1.8m，并设人行上下梯步，顶部设置工作平台，顶部工作平台四侧设置高度不小于1.0m的围栏，确保作业人员的安全。考虑到作业平台较高，要求作业平台设置四条缆风绳，缆风绳固定在钢轨上，要求缆风绳具有绝缘功能。脚手架不得直接放到钢轨上，以防止溜滑，同时防止出现轨道短路出现红光带。（图13）

3.2 隧道拱顶衬砌脱空及背后不密實病害处理

在二次衬砌位置从低到高每间隔1.5m确定一处钻孔点，并在衬砌表面进行标识，当空洞宽度超过1.5m时，每1.5m设置一个钻孔点，每处空洞不少于3个钻孔点。钻孔采用冲击钻，深度深入脱空处或不密实处，结合衬砌评估报告钻孔。采用工地上常规注浆材料，42mm钢花管进行注浆作业。

在钢花管口安装止浆阀门，灌浆先灌注空洞下部，依次向上灌注，水泥浆按P42.5水泥与水1：1比例配制，并加入适量水玻璃，水玻璃与水泥浆的比例为0.5：1，灌浆的压力需要控制在0.3到0.5MPa之间，灌注过程要从低到高的压力渐变控制，观察高处的灌浆孔，有浆液溢出结束灌浆，封闭止浆阀。在灌注相邻高处的钻孔，一直到所有灌浆孔注满为止。到最后一个灌浆孔时，注浆压力逐渐提升到1.0MPa左右，直到不再进浆为止。

注浆工作结束后组织验收，检查合格方可拆除注浆嘴。空洞区域以及周边1m范围壁面进行清理，先采用钢丝刷清除表面附着物、油污及强度不足部分，并对突出部分进行磨除，保持壁面平整，最后用毛刷清除粉尘，确保衬砌面干净整洁。注浆前要做好各项工作准备，双倍配置注浆器材，一旦发生故障及时更换或排除，保证施工快速连续。具体设置见图14。

3.3 裂缝处理

因隧道裂缝通过计算能够满足强度要求，处理裂缝的思路为采用环氧类高分子材料高压灌注裂缝，保证裂缝处混凝土重新粘合完整，裂缝修补后强度超出原混凝土强度。主要工艺为采用单液高压灌浆机配合灌浆针头进行高压灌浆作业，先用高压水清洗裂缝，并用高压风吹干，用胶封闭裂缝，用手持钻机沿裂缝处每隔20cm钻孔一处，钻孔与混凝土面成45度角，打入注浆针头，用扳手拧紧，全部打完后开始注浆作业，注浆前先把高分子材料A组分和B组分融合搅拌，加入注浆机，注入针头，周围针头溢浆后，灌注下一针头，从下到上，依次灌注。待强度达到要求时，取芯试验，检验注浆成果。

3.4 操作流程

施工准备→施工负责人向工务段调度员申请施工→工务段调度员下达给点命令→施工人员提前达到隧道进口附近准备，施工负责人清点人员、机具及材料，并编号→施工负责人接到进洞许可后，带领施工人员进洞→施工负责人下达作业命令→搭设施工平台→进行病害整治施工作业→撤平台、收拾现场，清点人员、机具及相关物品→工务段、供电段和施工单位检查现场→提前15分钟工人开始撤至安全区域→工务段调度员登记销点。

4  结论

①在验算中纵向裂缝进行二维验算。其余横向裂缝和脱空根据其实际位置进行三维验算。缺陷部位处于Ⅳ级围岩条件下，模拟计算中采用地层结构法，地下水情况，深部岩体水平应力情况以及衬砌开裂机理和原因尚未知，故计算结果可能存在一定误差。②既有设备安全关系到铁路运营安全，要求隧道病害的整治处理必须在绝对保证既有设备安全的前提下进行。既有设备的防护主要有高压接触网及支架、洞内照明线及设备、钢轨及配件、道床、其他设备。③隧道衬砌拱顶脱空及纵横向裂缝通过理论计算可以通过常规隧道整治方案来进行整改，关键点在于运营高铁线维修天窗时间短，大多在深夜，对于物资运输及平台搭设的时间尽量压缩，需要对操作工人做长时间培训，并在线路外进行多次演练，培训合格后方可上线作业，当天整治工作完成后所有整治物资运输洞外安全区存放，不得在洞内留存任何物资，避免发生因震动等原因造成物资位移影响行车安全。

参考文献：

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