高速铁路黄土隧道内轨道板上拱机理及整治方案

王云杰

（大西铁路客运专线有限责任公司，太原 030032）

近年来我国高速铁路建设迅猛发展，随着运营里程规模快速增长，运营时间加长，轨道的基底结构不仅要承受轨道上部的结构荷载，还要承受循环往复的动荷载作用，轨道的不良状态将直接影响行车质量，因此关注轨道的平顺性就显得尤为重要［1-3］。轨道平顺性与构筑物工后沉降密切相关。由于高速铁路隧道为大断面，且大多数地质条件复杂多变［4-5］，工后沉降控制难度较大。

近几年，国内许多专家学者对于隧道完工后洞内出现的轨道上拱或沉降的整治技术作了研究。马伟斌等［6］分析了京通快速铁路梨树沟隧道的道床裂缝、下沉情况，采用注浆提升轨道板和精确定位方法，最终使轨道板抬升达标。谭永庆［7］对某膨胀性围岩地层铁路隧道出现的轨道上拱现象进行了研究，采用现场调查、基底钻探等方法，探明泥岩在地下水的作用下产生膨胀和仰拱相对薄弱是病害发生的主要原因，通过基底钻孔桩加固以及仰拱返工方法进行了整治。李奎等［8］通过注浆和锚杆加固方法整治隧道内道床隆起病害。朱兴永等［9］通过减薄支承层、注浆植筋的方法解决了路基上拱问题，并制定相关的防水措施。

以上成果对于整治隧道沉降病害具有重要意义，但对黄土隧道洞门段发生的轨道上拱机理和整治技术，国内研究尚不全面。本文就黄土隧道洞门段轨道上拱整治技术进行探讨，为类似工程病害整治提供参考。

1 工程概况

1.1 原设计和施工情况

南山上隧道为双线单洞隧道，全长5 918 m。自进口至出口按单面上坡2个坡率设计，第1段长180 m 坡率16.5‰段为上坡，剩余段坡率为19‰。最大埋深约370 m。该隧道洞门段及其无砟轨道施工时间为2014年9 月至12 月，随后进行了为期2 年的运行试验。隧道进口仰坡采用拱形骨架护坡防护，边仰坡坡率1∶1，洞顶设截水天沟，暗洞进洞段采用1 排φ108大管棚进行超前支护，管棚长40 m。隧道进口洞门为端墙式，与其相衔接的暗洞衬砌结构为黄土Ⅴ级复合式衬砌。隧道仰拱与填充分次浇筑。洞门及洞口段基础明挖，基底新黄土采用三七灰土换填夯实，仰拱底部厚1 m，三七灰土下部采用φ400 水泥土挤密桩加固，间距1.0 m × 1.0 m，梅花形布置，桩长至少深入非湿陷性地层2 m 以上。暗挖段基底新黄土采用三七灰土换填夯实，中心和两侧均设有排水沟。

1.2 地形地貌及水文地质

隧道位于黄土高原低中山区，进口仰坡为45°～50°，洞顶地势较缓，两侧多冲沟，地势相对低凹之处覆盖较厚的第四系坡洪积新老黄土，沟深壁陡。隧道进口洞身地层为第四系上更新统坡洪积（Q3dl+pl）新黄土和中更新统洪积（Q2pl）老黄土。新黄土厚度0～35 m，具湿陷性，湿陷系数0.026～0.109，湿陷深度0～24.0 m。洞口地表无常年性流水，洞口中心水沟常年有洞内积水排出。洞内水源为洞身段第四系孔隙潜水，主要赋存于第四系堆积层中，主要含水层为新老黄土及碎石类土。在黄土与下伏地层接触带附近赋存有少量上层滞水，水位一般在20 m 以上，水位随季节的变化而变化。

2 病害现状及现场调查

2.1 病害现状

该隧道2015 年12 月至2017 年8 月试运期间，共进行了17 期的轨道沉降监测。在洞口前后长75 m 范围的路基与隧道段布设监测点和断面。监测点分布于左右线的轨道支承层、轨道板、钢轨顶面及左右线路中心；监测断面间距按10 m 和5 m 设置。利用天窗进行测点的沉降监测，监测频率为1 次/月。监测环境见表1，轨道板初始标高以设计值为准。

表1 现场环境

监测结果显示该隧道洞门段存在轨道板上拱现象，并且隧道仰拱填充层和无砟轨道道床板有裂纹。取第2 期（2016 年1 月16 日）和第17 期（2017 年8 月25日）的监测结果进行数据分析。

轨道板各监测点累计变形量见图1。可知：①第2期洞门段（K219+547—K219+562）开始出现上拱现象。②第17期洞门段左右线轨道板均明显上拱，左线上拱幅度在9～12.9 mm，最大值出现在K219+547处；右线上拱幅度为7～9 mm，最大值出现在K219+557处。

左右线路中心各监测点累计变形量见图2。可见：第2 期左右线路中心出现轻微上拱，幅度为2 mm；第17 期洞门段轨道板明显上拱，上拱幅度在13～14 mm，最大值出现在K219+557处。

图1 轨道板各监测点累计变形量

图2 左右线路中心各监测点累计变形量

由以上分析可知，洞门段左右线轨道板和线路中心沿线路方向的拱起范围基本一致。

2.2 现场调查

由于洞门段位于山岭的阴面，冬季日照时间短，且处于风道口。在2012年、2013年冬季现场调查中发现，洞口积水井内壁、仰拱及填充端面有结冰现象。隧址区土壤冻结深度超过了当地冻结深度（1.10 m），约为1.8 m。

为查明地质情况，分别在明洞段的左线、暗洞的右线、中心水沟三者之间各布置3 个检测孔。各孔情况见表2。

钻探揭示地层由上至下为：①人工浇筑的混凝土层，厚2.0～2.1 m，在1.4 m 和1.8 m 处有钢筋；②三七灰土换填层，厚1 m 左右，灰色，岩芯可见明显石灰颗粒；③第四系上更新统坡洪积（Q3dl+pl）新黄土层，厚4.6～5.7 m，黄褐色，软塑～硬塑，局部夹姜石颗粒，分选性不好，粒径1～6 cm；④中更新统洪积（Q2pl）老黄土层，厚度大于7 m，棕红色，硬塑，土质均匀，结构紧密，针孔状孔隙不发育。

钻孔前后持续对周边的水文情况进行了观察，情况如下：①隧道区地表水不发育，无常年性流水。隧道建成后洞内地下水沿中心水沟往进口常年流出，在K219+590 处测得中心水沟底部距离地表约1 m，水沟内水深约0.16 m。②原勘察资料无地下水。钻探显示明洞两端17-ZB-01 孔和17-ZB-02 孔内稳定水位分别为1.5 m 和1.1 m，对该2 孔提水后水位下降不明显，且很快又恢复至稳定水位。17-ZB-03 孔位于明洞隆起段沿线路方向中间位置，钻探刚结束未见地下水，孔深12.5 m，终孔24 h后测得稳定水位为9.6 m。

表2 各检测孔情况

3 上拱原因及机理

根据现场钻探揭示情况，多数钻孔内水位稳定，且提水后很快恢复至稳定水位，中心水沟封闭后除1 个孔内地下水消失外，其余钻孔内水位仅有所下降，并且有2 个钻孔在深1.5～2.1 m 混凝土孔壁有水流出。说明仰拱填充有较多裂隙通道存在；中心水沟的地下水已渗入地基土层（三七灰土层和下伏新黄土层），下伏新黄土层受水浸泡呈软塑状，地基承载力下降。 结合设计、施工、现场调查和监测结果综合分析得出：

1）地下水沿洞口中心水沟裂缝渗漏，经仰拱与填充中的裂隙下渗至隧底，致使地基土含水率显著增大。

2）三七灰土中的石灰遇水膨胀导致轨道板上拱。主要原因是，地下水下渗浸泡基底，三七灰土中的生石灰易吸收水分形成氢氧化钙（CaO+H2O→Ca（OH）2+15.6 kcal/mol），由原先的块状变为粉末状，体积增大1 倍左右，比表面积和表面附着物增多。当三七灰土附近围压在50～100 kPa 时，石灰遇水熟化后桩体体积的膨胀量为1.2～1.5 倍［10］；同时隧底湿陷性新黄土受水浸泡软化［11-12］，洞口桩基工程产生一定的上覆附加荷载，使得暗挖段隧道下沉，仰拱填充开裂，明洞受两侧暗洞与路基桩板纵向挤压作用产生隆起。

3）隧道进口明洞处于风道口，寒冷季节气温较周围其他区域低，软塑～流塑状地基土也会发生冻胀，在冻胀和三七灰土膨胀的共同作用下轨道板上拱。

4 处理方案

4.1 处理原则

查找中心水沟渗漏点，隔断水源并更换中心水管；通过旋喷桩改良地基土，提高地基承载力；疏排地基与隧底之间的自由水。

4.2 方案比选

4.2.1 地基处理

拟定3 种方案：方案1 是保留轨道板及中心水沟；方案2 是保留轨道板，拆除中心水沟；方案3 是拆除轨道板及中心排水沟。方案对比见表3。

表3 地基处理方案对比

4.2.2 疏排自由水

拟定2 种方案：方案1 是洞外设置泄水洞；方案2是仰拱底设置泄水管。疏排自由水2 种方案对比见表4。

表4 疏排自由水方案对比

经充分比选和论证，地基处理和疏排自由水均选用方案2。具体实施方案为：保留轨道板；采用旋喷桩加固、拆除洞门段中心水沟重做；同时在仰拱底设置泄水管作为后续疏排自由水的补充措施。

5 现场处理及效果评价

5.1 现场处理

轨道板上拱处理流程：轨道板沉降监测→测量放线→搭建作业平台→引流、拆除中心排水管→钻机钻孔至设计深度→高台喷车就位，内插钢管→待凝24 h后扫孔→旋转提升，搅拌浆液→下喷浆杠→灌浆、封孔。

1）将处理段（K219+547—K219+562 段）需要拆除的中心水沟中流水进行引排。封堵暗洞第1 个中心水沟检查井，铺设临时排水管，在检查井内安装潜水泵，抽水排入洞外既有排水沟渠，确保处理段无水施工。

2）拆除处理段的中心排水管，沿现状仰拱填充面纵向梯形开槽，拆除中心排水管，槽底面宽1.0 m，顶面宽1.7 m，采用分段蓄水措施查找渗漏点。K219+562接口位置应保留的原中心排水管长度不小于1 m，便于后期施作排水管。拆除过程中应避免破坏预留的中心排水管，保护好轨道板。

3）施作旋喷桩+内插φ89 钢管。旋喷桩分别布设在轨道板与电缆槽之间和左右线轨道板间，梅花状布设，沿线路方向桩间距1 m，桩径800 mm，钻孔直径110 mm。据此要求进行桩位放样，搭设钻机作业平台。平台采用相对柔质材料进行防护，以免损伤钢轨和轨道板。

4）桩长控制及桩顶细部处理

旋喷桩纵向长度12 m，加固范围为K219+547—K219+562。仰拱填充面至旋喷桩桩底内插φ89 钢管，并采用微膨胀混凝土回填密实（轨道板范围内钻孔回填C40 混凝土，其余钻孔回填C35 混凝土）。φ89 钢管桩桩顶设φ22 高强螺栓及钢板，锚固在既有仰拱填充面及轨道板顶面。

5）旋喷桩主要参数

现场施工前对黄土进行取样试验，测定天然重度、土粒相对密度、孔隙比、饱和度、天然含水率、液（塑）限、渗透系数、标准贯入击数、无侧限抗压强度等参数。根据试验所得黄土参数和试桩成果确定最终的旋喷桩相关参数。注浆材料采用425号普通硅酸盐水泥，水灰比1︰1～1.5︰1.0，并掺入适当的速凝剂和3%膨润土，成桩后桩体抗压强度为5～10 MPa；旋喷压力15～20 MPa。

6）恢复中心排水管及施作泄水管

沿φ600 中心排水管两侧施作7 处φ100PVC 泄水孔，间距3 m，两侧交错布置，泄水孔深入隧道仰拱底不小于50 cm，仰拱底钻孔采用无砂混凝土回填。PVC泄水管顶采用L 形弯头接入中心排水管，以便排泄隧道仰拱底积水，减少仰拱底水压力。

5.2 效果评价

对上拱地段采用φ800旋喷桩加固基底，同时拆除变形段中心水沟，重新施作中心排水管，并对之前上鼓地段的轨道扣件进行3～5 mm的精调。自2017年11月20 日处理完毕至今，经过2 年的持续变形监测，效果较好。施工前后左右线路中心监测点累计变形量见图3。可见轨道整治前上拱现象明显，整治后于2018年6月和2019年7月对轨道左右线路中心进行检测，沉降值为0。洞门结构稳定，轨道平顺性符合运营要求。泄水孔未发现渗水溢至中心水沟，说明渗漏自由水已在旋喷时消化吸收。

图3 施工前后左右线路中心监测点累计变形量

6 结论与建议

本文分析了南山上黄土隧道内轨道板上拱原因，通过方案比选采取了保留轨道板，拆除中心水沟、设置泄水管、旋喷桩加固基底、调整上拱轨道扣件的整治措施，取得了较为明显的效果。主要结论如下：

1）石灰遇水熟化膨胀是产生上拱的主要原因，当地基土中存在三七灰土时，应重点防范地下水泄漏，预防上拱病害发生。

2）重视隧道洞身在明暗洞交接处、软弱围岩变化处变形缝防水的设计和施工质量；在洞身变形缝处的排水设施可采用弹性管材提供抗变形能力。

3）目前仰拱填充在仰拱混凝土终凝后分次施作，而先行浇筑的仰拱混凝土弧形曲面的终凝时间因受气温、施工时间、工序等因素影响，现场实施难以控制，导致混凝土出现冷缝或不密实。因此，应进一步研究仰拱与填充一次性整体浇筑技术，以提高混凝土质量。