铁路隧道底部上拱病害机理及整治技术探讨

牛瑞强

中交一航局第三工程有限公司，辽宁 大连 116000

铁路隧道底部结构的承载能力影响着隧道中车辆的行驶安全性，隧道底部路基施工方案不佳会导致隧道底部出现上拱、裂缝等病害，进而导致隧道底部路面破碎，隧道仰拱等结构的应力分布情况也会因此发生变化，造成隧道整体稳固性下降等问题，因此必须采取措施进行整治。

1 铁路隧道底部上拱类型

不同的铁路隧道所处的环境不一样，对应的围岩性质、地质条件、应力状态天差地别，因而施工单位一定要在展开施工之前了解隧道环境，以及底部结构上拱的类别和机理。一般隧道底部结构隆起变形主要是因为塑性剪切膨胀，当底部为膨胀性翻土矿物时，含水量会显著增加，底部也会膨胀变形，并出现底部结构上拱病害。从破坏力学特征角度进行分类，一般有四种类型，分别是挤压流动性隧底上拱、遇水膨胀性隧底上拱、剪切错动性隧底上拱和挠曲褶皱性隧底上拱。（1）挤压流动性隧底上拱。当隧道底部是软弱破碎岩体时，底部就容易出现挤压流动。隧道两帮和顶板强度都比底板岩体强度大，以至于两帮岩柱挤压到了底部的软弱破碎岩体，从而引起上拱。（2）遇水膨胀性隧底上拱。一些膨胀严重、有很多亲水性成分的矿石在遇水之后会膨胀软化，然后体积迅速增大，这就让围岩出现了很大程度的变形。隧底膨胀岩会三向受压，膨胀率越大的膨胀岩受到的极限膨胀压力越大。一旦极限膨胀压力大于隧底结构抗力，就会出现隧底上拱的情况，让铁路、水利、矿山等各种工程都受到灾害性破坏。（3）剪切错动性隧底上拱。一些比较厚的整体性岩层容易出现剪切错动性隧底上拱，它们会在应力作用下形成楔块岩体，然后在水平应力挤压中上拱。（4）挠曲褶皱性隧底上拱。当隧道底板是层状岩体时，容易出现挠曲褶皱性隧底上拱，这主要是因为平行层理方向存在着应力，长期作用下，隧底岩层受压失稳，从而产生挠曲褶皱。

2 铁路隧道底部上拱的影响因素

铁路隧道基底承载力不够，非常容易受到地下水的侵蚀。长期的浸泡下，底部围岩逐渐劣化，承载力越来越低。基底存在膨胀岩则是受到高水压的长期作用，核载超过结构抗力，隧道底部出现上拱。工程上是因为设计不合理或者施工质量不达标，结构抗力不足，然后出现相关质量问题。因此，在实际应用中，一定要重视施工质量和结构匹配性，观察是否存在地下水和膨胀岩，从实际情况出发开展工作，观察是否有基底承载不足的情况，并采取有效的措施来提高底部围岩承载能力，让整体的承载能力和结构可以得到最大程度上的强化。

3 铁路隧道底部上拱整治技术

3.1 锚注一体化

在治理隧道病害时，业内常用的整治方法是注浆。从实际应用来看，注浆的施工工艺简单，造价比较低，隧底围岩整体性可以得到持续的提高，基底的承载能力也会一定程度上得到提高。在治理隧道基底上拱时可以从实际情况出发，结合隧道天窗，在有时间限制和空间限制的前提下做好施工处理，将锚固和注胶结合在一起，做好新型加固型锚杆，用高分子凝胶材料来展开施工，让铁路运营能够更加快速高效。

3.2 轻型井点降水+注浆

对于一些因为地下水而出现的上拱情况，可以通过轻型井点降水来有效降低地下水位，让基层基底可以保持干燥，更快地抽走地下水，固结碎石，使基底具有更高的完整性，提高基底的承载能力。相关单位要有针对性地做好降水工作和注浆整治，从实际应用出发控制病害发展。在进行轻型井点降水时，要做好井管上部和总管的连接工作，使用抽水设备把地下水抽出来，降低水位，确保地基证干燥。在确定方案之前，要先调查涌水量，科学计算降水量。

3.3 基底换填

整体来说，隧道基底换填操作比较简单，应用比较快速，是一种比较实用的隧道基底处理办法，在实际应用中可以广泛地应用在洞口以及洞身的浅埋段。在进行施工时，可以用C20片石混凝土来更换膨胀岩之类的不良地层。要注意的是，整个换填需要深入基岩，并且保证深度大于0.5m。在做基底换填时，要控制隧道基底厚度，从实际情况出发确定换填深度，并采取合适的防护措施。

3.4 隧道换底强化技术

有的铁路隧底上拱时已经出现了结构性破坏，整体的修复难度非常大，修复时需要从实际情况出发做好整治工作，更好地架空轨道结构，然后开展换底处理工作。对于隧道基底翻修的施工一定要重视与实际情况的结合程度，要做好换底方案，注意可以采用施工便梁架空技术来开展工作，并结合隧道特点，选择不同的病害处理技术类型。隧道的结构主要包括纵梁、横梁、连接件及支墩，在进行分析时，要注意主要受力结构，即纵梁和横梁，分析传力路径，并制订好施工方案。

4 铁路隧道底部上拱整治技术的应用案例

4.1 工程案例概述

文章以某隧道为例展开讨论，该隧道长度为3579m，是全线最长隧道，涉及的隧道地形起伏大，并且高度落差大，最大埋深120m，整个隧道横穿了山岭。运营部门在2015年年初做了隧道检查，发现某一个范围内出现了衬砌开裂及基底上拱病害，隧道基底上拱及开裂情况如图1所示。

图1 隧道基底上拱及开裂情况

4.2 隧底上拱成因

工作人员在实际调查中发现，出现隧底上拱的主要原因在于基底膨胀岩。由于隧底膨胀岩的存在，遇水会出现大变形，随之使隧道底部缺失了一部分仰拱，并且出现了填充厚度不足的情况，以至于结构抗力低下，稳定性和安全性都不够高。出现病害的地段对应的地层有很多的亲水矿物，有显著膨胀性，这让地下水活动更加活跃和频繁。亲水矿物和水接触，底部围岩逐渐软化膨胀，最终出现崩解，让围岩在膨胀压力和塑性变形条件下彻底破损开裂，最后出现了严重的病害。

4.3 隧道底部上拱整治方案

要做好整治工作，施工人员就需要用到施工便梁架空技术，在传统模式下先用上承式架空方案展开工作。混凝土结构用上承架空方案时，整体的施工难度比较大，而且重量稳定性也比较差。在进行检修时，要根据实际情况合理设计下沉式架空方案，提升纵横梁体系稳定性。对于隧道基底采用注浆加固的技术方案调整路面结构的平整性与应力协调性，加固前在路面上凿除或切割长20cm、宽20cm、深10cm的矩形槽，在矩形槽中插入小导管进行注浆，注浆后恢复原路面。多技术方案共同作用下可见隧道底部变形问题得到了解决，但具体应力分布情况还需进一步论证。

4.4 整治结果分析

由于仰拱形状对承载力非常敏感，对仰拱结构进行内力分布及安全系数进行分析可以提升隧道底部上拱问题的控制效果，该施工后的仰拱及边墙底等结构应力情况如表1所示。在进行仰拱加深后，整体结构性能得到了优化，混凝土抗压性能也得到了显著的提升，结构承载能力得到了保障，工程效果达到了预期要求，隧道结构稳定性符合运行要求。仰拱整体应力协调效果较好，且安全系数较高，拱顶拱脚的受力状态相对较好，因此采用这一整治技术方案能够提升隧道整体截面结构的应力平衡效果，防止因岩层挤压造成结构变形病害。

表1 加固处理后仰拱及底部应力及安全系数分析表

4.5 隧道底部上拱病害整治技术管控

在隧道底部变形病害整治操作中，底部上拱及裂缝问题是整治难度较大的两种，底部上拱病害处理操作中必须强化岩体结构应力平衡效果，应选择科学的支撑技术，并积极做好技术交底，施工人员先做好上拱部位的应力处理施工后,还要对隧道底部面层结构进行平整处理，以防变形结构影响隧道运行安全性。

5 结束语

总之，铁路运行中隧道底部上拱问题的发生会导致结构稳定性不佳，在具体隧道项目中运行应积极做好上拱整治操作，这样才能够提升隧道整体应力协调效果，降低隧道底部基础结构的应力集中问题的影响。在该隧道整治施工项目中，由于采取了科学的底部上拱整治技术方案，隧道仰拱、基底结构的应力分布效果及安全系数均达到了隧道运行要求。