膨胀性地层铁路隧道衬砌结构及防排水措施优化建议

符亚鹏

(1.中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043； 2.陕西省铁道及地下交通工程重点实验室(中铁一院),西安 710043)

我国境内广泛分布有膨胀性地层，属一种不良岩体，水敏感性强，暴露于空气中会迅速崩解剥落，含水量变化对其强度及体积会产生较大影响[1-2]，故在膨胀性地层修建隧道工程，需确保排水通畅，若排水不畅，膨胀性地层吸水膨胀产生的膨胀荷载将直接作用于隧道衬砌结构，产生较大的内应力，常常会给工程带来严重的破坏。而铁路隧道洞内大多采用无砟轨道，对变形的适应性较差，变形控制要求高。近年来，国内膨胀性地层铁路隧道在建设及运营中遇到的病害愈来愈多，主要呈现出衬砌结构开裂、轨道结构异常、仰拱填充开裂、仰拱结构隆起、底部上鼓[3]等病害。

膨胀性地层隧道建设实例较多，文献[4-9]依托膨胀性地层盾构隧道工程，采用现场测试和数值模拟方式，研究获得了膨胀性地层盾构隧道管片受荷特征、不同膨胀形式下管片衬砌荷载分布特征；文献[10]依托膨胀性地层铁路隧道工程，提出了初期支护设计优化措施；文献[11]结合膨胀性围岩隧道衬砌结构病害的分布特征，对典型膨胀性围岩隧道衬砌结构进行了质量检测和承载力分析，从质量缺陷、结构承载力、变形稳定性3个方面进行深入分析，最后对隧道结构安全进行了综合性评价；文献[12]依托弱膨胀性泥岩地层引水隧洞工程病害，通过试验和地质雷达等手段对围岩变形特征进行分析，明确了隧道围岩长期遭水浸泡，膨胀性围岩遇水膨胀是引发隧洞病害的主要诱因，并提出了病害整治的工程修复方案；文献[13]针对膨胀性石膏岩隧道工程，提出了在初期支护和二次衬砌之间增设EPS缓冲层的优化方案。基于膨胀性地层的工程特性，分析铁路隧道衬砌结构和防排水措施设计现状，提出膨胀性地层铁路隧道衬砌结构和防排水措施的优化建议。

1 铁路隧道结构及防排水措施设计现状

新奥法施工铁路隧道衬砌多采用复合式衬砌，由喷射混凝土初期支护、模筑二次衬砌和敷设在喷射混凝土初期支护与模筑二次衬砌间的防排水设施构成。膨胀性地层隧道一般设计为曲墙式带仰拱复合式衬砌，根据TB10003—2016《铁路隧道设计规范》[14]，为保证仰拱的作用，设计中仰拱矢跨比要求为：单线隧道一般取1/6～1/8，双线隧道一般取1/10～1/12。部发通用图中隧道衬砌断面仰拱矢跨比详见表1。

表1 部发通用图隧道仰拱矢跨比

铁路隧道设计中，隧道轨面以上的内净空面积主要由铁路设计速度目标值确定，轨面以下的开挖面积主要取决于仰拱结构的矢跨比。同时，根据隧道洞周围岩岩性确定隧道用喷锚初期支护结构中是否架设钢架、模筑二次衬砌中是否架设钢筋，仰拱填充一般由C20素混凝土填充完成，并在其内设中心排水沟。铁路隧道防排水措施主要由排水盲管、无纺布、防水板、排水侧沟、中心水沟等构成，且衬砌混凝土需满足一定的抗渗等级，拱墙衬砌背后地下水通过排水盲管汇集到排水侧沟或中心水沟排出洞外，而仰拱下方地下水无通畅的排出通道。隧道衬砌断面及防排水措施详见图1。

图1 隧道衬砌结构及防排水系统设计

2 膨胀性地层隧道衬砌结构优化

根据已建、在建膨胀性地层隧道病害情况[15]及单、双线铁路隧道衬砌断面特征，建议的主要优化措施[16-17]如下。

(1)调整衬砌断面形状，适当加强结构的强度和刚度

①单线隧道

单线隧道断面呈“瘦高”形，边墙曲率小于仰拱曲率，增大单线隧道的边墙曲率、仰拱矢跨比，以便提高边墙与仰拱连接的圆顺度；适当加强边墙、仰拱的强度和刚度。

②双线隧道

适当增大双线隧道的仰拱矢跨比，提高边墙与仰拱连接的圆顺度；适当加强仰拱的强度和刚度。

优化隧道衬砌断面形状，适当加强结构的强度和刚度，均能提高隧道衬砌结构的安全性能，改善隧道结构的力学特性[18]，但会增大隧道工程量，增加工程投资，故在设计中应根据隧址区膨胀力大小，计算分析得到最优调整幅度。

(2)仰拱填充中增设格栅钢架

仰拱填充出现的病害主要表现为素混凝土受拉开裂破坏，在仰拱填充中增设格栅钢架，可提高混凝土结构的抗拉性能。

(3)仰拱填充顶部布设钢筋

在仰拱填充顶部布设钢筋，可提高仰拱填充顶部抗拉性能，较仰拱填充中增设格栅钢架方案钢筋的消耗量小，工程投资低。

(4)仰拱处二次衬砌内设钢筋

此措施主要是针对围岩岩性好，二次衬砌内没有设钢筋的工况。采用此优化措施，可提高仰拱部位二次衬砌结构的受力性能。同时，相较于二次衬砌内全断面布设受力钢筋，此措施可有效降低工程投资。

3 膨胀性地层隧道防排水措施优化

水是膨胀性围岩隧道产生病害的主要根源，对膨胀性围岩强度和体积有较大影响。围岩含水量的变化直接影响其强度和体积，若膨胀性地层隧道衬砌背后长期受积水浸泡，使围岩浸泡软化，衬砌背后围岩吸水膨胀产生的膨胀荷载直接作用于衬砌结构，将对隧道基底结构产生较大的影响。主要优化方案[19-20]如下。

(1)取消隧道仰拱填充内的中心水沟，在隧道仰拱下方增设排水渗沟。此方案中隧道拱墙背后积水通过排水管引入排水侧沟排出洞外，仰拱下方积水渗入排水渗沟排出洞外，详见图2，图中箭头示意地下水渗流方向，渗沟内回填有级配碎石。

图2 隧道中心渗沟示意

(2)取消隧道仰拱填充内的中心水沟，在隧道仰拱下方增设中心水沟。此方案中隧道拱墙背后及仰拱下方积水均通过排水管引入中心水沟排出洞外，衬砌背后积水均不再进入隧道内，排水侧沟主要用于排出道床水，详见图3，在仰拱下方埋设排水管，排水管上半部布设有进水孔，并在排水管顶部填充级配碎石。

图3 隧道中心水沟示意

防排水措施优缺点分析详见表2。

表2 隧道下部结构防排水措施优缺点分析

4 结论及建议

(1)适当增大单线隧道的边墙曲率、仰拱矢跨比，提高边墙、仰拱的强度和刚度；适当增大双线隧道的仰拱矢跨比，提高仰拱的强度和刚度。具体的调整幅度需根据隧址区膨胀岩(土)的膨胀荷载大小计算确定，可有效避免因过度调整而引起的工程投资增加。

(2)在仰拱填充内布设格栅钢架或在仰拱填充面顶部增设钢筋，均可提高仰拱填充的抗拉性能，有效避免仰拱填充受拉破坏。

(3)针对围岩岩性较好，二次衬砌设计为素混凝土的工况，在仰拱处二次衬砌内布设钢筋，改善其受力性能。

(4)取消隧道仰拱填充中的中心水沟，在仰拱下方增设排水渗沟，主要排出仰拱下方积水，有效避免仰拱下方膨胀岩(土)常年受积水浸泡而产生膨胀变形。

(5)取消隧道仰拱填充中的中心水沟，在仰拱下方增设中心水沟，将拱墙背后与仰拱下方积水均引至中心水沟排出洞外，有效避免仰拱下方膨胀岩(土)常年受积水浸泡而产生膨胀变形。