高速铁路运营隧道基底下沉整治与分析.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 23 日 作者简介：刘永刚（1985），男，汉族，甘肃漳县人，硕士研究生，中级职称，研究方向为铁路桥隧设备运行管理。-178-高速铁路运营隧道基底下沉整治与分析 刘永刚 兰州高铁基础设施段，甘肃 兰州 730050 摘要：摘要：随着目前高铁铁路网的快速发展和不断完善，高速铁路运营数量日益增加，由于高速铁路具有标准高、行车速度快，对线路线型平顺度要求高的特点，多数高速铁路途径区域地形地貌起伏变化大，地质岩性特征跨度明显，在穿越方式上多以隧道形式通过，且数量占比较大，虽然施工期为遵循少扰动，早进洞的原则，在隧道进洞时均考虑了设置明洞方案，但由于隧道进口地层较浅，错落、断层、湿陷黄土、滑坡带等不良地质发育，处置不当后期往往会造成明洞下沉，影响线路平顺性，进一步发展将对行车安全造成威胁，需及时采取措施进行处置，因运营线路日常处置时间极为有限，整治难度大，不但在整治技术方案要合理可行，同时还需充分考虑形成带了的影响，对实施方案进行反复优化和论证，尚能达到整治过程持续、整治效果明显、且对正常运营的影响降至最低的预期和目的。现以黄土隧道为分析对象，对运营期某隧道存在的明洞下沉病害采取的方案及整治效果进行归纳和分析，从而在方案选取上、施工工艺流程上以及施工组织方面为明洞下沉整治提供方法和思路，同时也为建设期明洞设置措施的制定提供参考。关键词：关键词：高速铁路；运营；明洞；分析 中图分类号：中图分类号：U459.2 1 隧道明洞设置原则与必要性 隧道是埋置于地层中的工程建筑物，是利用地下空间的一种形式，而隧道在施工开挖掘进时难免对山体造成破坏以及确保不良地质影响造成滑坡、塌方造成的危害，按照隧道“早进晚出”的施工原则，隧道进洞时在山体坡脚洞口提前设置明洞以防止对山体坡面造成扰动影响其稳定，同时对施工过程安全防范提供了可靠保证，也为后期运营防治落石、泥石流等危害提供了安全保障，一般在明洞设置时应充分考虑周围地形地貌及地层岩性，采取综合措施在保证结构稳定的前提下确定明洞长度，且需在施工结束后对周边环境进行详细踏勘，探明是否存在落石、滑坡、泥石流等潜在隐患，必要以接长明洞进行防治，尤其对于石质山体采用接长明洞是较为合理的方案之一。2 明洞病害类型及特点 在隧道明洞施工及明洞接长过程中，由于措施的不到位以及施工不当将导致隧道明洞出现各类病害，其形成机理也各不相同，常见病害类型有明暗交接处渗漏水、衬砌裂纹、明洞偏压、基底不均匀沉降、洞内排水不良及排水设施冻结等，不同的病害对结构及运营安全影响也不尽相同，其中结构性病害具有影响范围广、发展变化缓慢，影响周期长及整治难度大的特点，而非结构性病害则随时间的推移加速设备的劣化，降低其使用寿命和耐久性，甚至发展诱导结构性病害的产生，影响设备及行车安全。对于明洞基底不均匀沉降病害，多发生在不良地质段落，因地质的变化或前期措施的考虑不周所致，此类病害一旦出现则需要长期观测其变化发展，并根据变化情况随时对线路进行精调恢复，以确保运营安全，当在对轨道无法进行调整时，工程措施的制定和实施则难以避免。3 明洞下沉整治与效果分析 黄土隧道地层岩性主要以第四系上更新统风积砂质黄土为主，具有湿陷性，围岩等级多为 V 级，施工难度大，施工过程难以控制，在进行隧道明洞下沉病害整治时必须遵循确保整治施工和结构安全，使用功能不低于原设计，整治工法、工艺迅捷，便于操作的原则进行。3.1 整治方案的选取和实施 通过对地质岩性的深入分析，在对结构物下沉处理时一般通过基底注浆、刚性加固方案进行处理，并能取得一定的效果。现以西北运营高铁某隧道明洞出现下沉病害后的整治为例，分析说明不同的整治方案中国科技期刊数据库 工业 A-179-对其产生的不同效果响应。图 1 下沉明洞段平面变形观测情况 图 2 下沉明洞段高程变形观测情况 问题概况 地质情况。该沉降明洞段处于隧道出口靠山脊侧，坡面残留厚层第四系坡积黏质黄土及碎石土，且坡面冲沟支离破碎，前沿堆积体较厚，多呈锥型，但在季节性降雨或暴雨的冲刷下，容易冲刷，对隧道出口影响较大，另一侧为一泥石流洪积扇堆积区边缘，该泥石流沟位于当地村落南面，泥石流为典型的沟谷型泥石流，堆积区物质主要为洪积黏质黄土和角砾土，厚度约 1535m。该区域坡积黏质黄土具级自重湿陷性，湿陷土层厚度约 58m，地下水位较浅。原地层处理措施。由于洞口所处地形原因，明洞处于单压状态，为确保山侧边坡稳定，一是打设 16根挡土桩，截面 2*3m（宽*高），桩高 24m，二是对基础进行加深，同时防止基础发生不均匀沉降，对该段地基采用30cm 水泥挤密桩进行处理，桩间距60cm*60cm。后为了提高坡面稳定性及地基承载力，又进一步加强了边墙基础处理，增加 CFG 桩，桩径 0.4m，间距 1.4*1.4m，正三角形布置，CFG 桩进入断层角砾大于 0.5m，桩长 2.320m。对左侧超过原设计格梁锚索加固范围的施工刷方边坡采取预应力锚索格构梁进行加固。问题情况。自线路开通运营以来，截止 2019 年7月该处线路轨道最大变形处为洞口累计下沉34.9mm，水平位移 18.9mm，且当时仍有发展趋势，期间同时采用水准测量与轨道相对测量数据进行了对比，经水准测量发现该段明洞最大累计沉降量为 28.9mm，与日常运营测量数据基本一致，此时轨道变形量已超出了调整件的允许限值，已无法对该段轨道通过精调进行平顺，为确保行车安全不得不采取限速通过，严重影响列车正常运行。表 1 水准测量沉降数据统计表 测点 编号 与 2018 年 1 月20日对比沉降量（mm）与 2019 年 7 月10 日对比沉降量（mm）自 2017 年 9 月1日起累计沉降量（mm）1 8.7 2.3 21.0 2 10.8 2.2 18.9 3 9.6 1.8 16.4 4 13.6 3.3 26.8 5 14.6 3.0 21.8 6 11.9 1.9 17.5 7 17.0 4.0 28.9 8 8.7 2.3 21.0 整治措施 现场补勘情况。为确保行车安全，对该处明洞沉降问题进行了现场会勘及采取了整治措施。经现场补勘钻孔揭示隧道出口上部黏性土层厚度为 1114.1m，黏性土底面高程在 1005.4998.3m 之间，比线路中心黏质黄土底面高程低 810m。出口明洞段位于山体斜坡脚，勘察钻孔位于左线上，地貌为坡面型洪积扇上，地层上部为黏质黄土，下部以角砾土为主，底部基岩为渭河大断裂的断层角砾，线位右侧 20m（紧邻防护栅栏外侧）实施 3 个钻孔，地层结构上部为第四系全新统冲积黏质黄土厚约 1114.1m，中部夹有细砂及砾砂层约 3.95.5m，以下为细角砾土及粗圆砾土层约 311m 不等，底部基岩为断层角砾，地貌为渭河一级阶地后缘与洪积扇结合部，因而基岩埋深有变化地层略有差异；钻孔内地下水位从小里程向大里程埋深增大，综合探坑揭示的地下水现象说明：明洞接长段地下水位较勘察时上升 68 米，地下水位来源主要为左侧山体沿坡洪积角砾土的下渗及隧道明洞顶部渡槽散排形成地下水；根据钻探孔内取样，黏性土剪切试验黏聚力 c=20kPa、内摩察角=19；角砾土剪切建议值黏聚力 c=15kPa、内摩察角=28。袖阀管注浆整治 根据现场踏勘情况，拟在线路右侧挡墙外侧 10m范围内采用竖向垂直袖阀管注浆，袖阀管采用65中国科技期刊数据库 工业 A-180-5mmPVC 袖阀管和双向皮碗式止浆塞，采用25 镀锌钢管做芯管分段进行注浆，钻孔横向间距 2m，纵向间距1.5m；钻孔深度按深入断层角砾层至少 0.5 米进行控制，钻孔范围内均需进行注浆加固，在第一阶段注浆加固完成后，在线路右侧对基础下部采用斜孔袖阀管注浆加固，外侧倾斜袖阀管纵向间距 1.5m，钻孔深度基底上部为靠山侧基础外侧 1m，基底下部采用深度到角砾层至少 0.5m 进行控制，钻孔范围内除第一阶段已加固范围外均进行注浆加固。斜向注浆措施在钻孔完成后下设76mm 钢性袖阀管。袖阀管采用76mm*6mm无缝钢管加工，每根 2 米，地面以下部分每 100cm 钻 4个1cm 溢浆孔，两两对称，并在溢浆孔处开槽，开槽宽度为 30mm，深度为 2.5mm，开槽处安置特制橡胶套；每根钢管采用套接并焊接。图 3 垂直、斜向注浆布置图 期间在此方案实施完成 60%时，通过现场不设点位的观测发现，该明洞基地变化量又在继续增加，变化速率较大，同时停止了该方案的实施。高压旋喷桩整治 经对现场再次调研踏勘，结合现场实际选取了旋喷桩方案进行加固，在线路右侧挡墙外侧 6m 范围内进行旋喷桩处理其钻孔纵向间距 1m，横向间距 1m，总共布置 2 排/56 根旋喷桩，旋喷桩桩径 800mm，桩长以桩端进入断层角砾层至少 1 米进行控制，材料早强硫铝酸盐水泥；水灰比 1:1，每米 300kg，为提高早期强度，水泥中添加早强剂三乙醇胺，参量为水泥量的 0.3%，旋喷桩喷浆压力 20-24MPa。提升速度 15-20cm/分钟。旋喷桩桩顶应严格控制停降面，停浆面为地坪向下500mm，并在孔口下 1.5m 深度进行复喷。由于该线路已处于开通运营状态，实施前需进行工艺性试验，并及时进行了总结，以便指导后继施工，在试验过程发现因该处底下水位较浅，施工时高压旋喷桩并不成桩，效果不明显，同时线路对线路变化异常段观测数据分析发现仍存在变化趋势，从而对该方案再次进行了优化。图 4 高压旋喷桩布置图 刚性抗滑桩整治 经现场研究分析和充分论证，对该段轨道变化异常段进一步采取刚性措施进行整治。在变化明洞边墙外侧 1.5 及 5m 处各设置 1 排/23 根直径 1.5m 钻孔灌注桩，桩间距 3.5m。桩顶设置 1.5*1m 冠梁加强纵向连接。图 5 下沉明洞外侧钻孔桩布置图 整治方案总结。在出现明洞沉降变化后，经分析研究采用了袖阀管注浆方案对明洞外侧采用了注浆整治，过程中要根据不同位置区域下沉量大小和注浆范围确定注浆区段，并结合天窗时间合理划分注浆的先后顺序，同时对注浆材料配比、单孔注浆量、注浆压力等参数进行实施前的试验，在常用参数的基础上对其进行修正和确定，通过以上环节可保证从施工的可行性上提供了理论支撑和依据。期间先从沉降变形小的地段进行打孔和注浆，同时通过注浆压力和注浆量双重指标进行控制，过程中及时对线路变化情况进行监测，出现异常情况及时采取措施，确保线路运营安全。在对该区段采取注浆整治期间，通过监测数据分析线路进一步出现了下沉现象，并在后期一段时间的持续观测中线路变化有继续发展趋势，同时及时采取了轨道精调作业短期内保持了线路的平顺性。从注浆整治效果来看，下沉病害并未完全消除。随着时间的推移，仅通过轨道精调当时调整料已无法满足精调需要，为确保病害得到彻底根治，现场再次对该段地质情况进行补勘，发现该区段地层与原设计吻合，表层为黄土地层，下部主要为河道冲积而成的砂砾层，有较强的透水性，进而采取了旋喷桩+袖阀管注浆方案进行整治，依据整治原则，在实施前对旋喷桩进行了现场试验，结果发现旋喷桩在砂砾层、QQQQQQQQ中国科技期刊数据库 工业 A-181-角砾层不成桩，且在注浆确定注浆参数时注浆量与注浆压力失真，随着注浆量的增大注浆压力无明显增加，从而判定了该方案可行性有待进一步研究。通过进一步研究分析，后采取了于明洞外侧施作钻孔灌注桩方案进行抗滑加固，同时于抗滑桩间采用袖阀管注浆进行整治。轨道纠偏拟合。在对明洞基础部分采取刚性工程措施后，通过对线路变化的检测情况，对轨道部分采取了切割仰拱填充层抬升纠偏方案进行整治。图 6 轨道整治高程、平面拟合示意图 3.2 方案效果分析 在明洞轨道变化异常段的整治过程中，为及时跟踪施工过程对地层造成的干扰，同时确保行车安全及方案的可行性，在明洞段外侧、洞内地表及周边区域均设置了沉降观测点进行监测盯控，监测方式分为自动和人工两种，人工分为水准测量及轨道小车测量，并对结果进行对比分析和参考。图 7 洞外人工观测点布置图（1）袖阀管注浆方案 通过对第一阶段袖阀管注浆方案的实施后，发现线路轨道高程、平面持续有变化，月均变化 1.3mm，汛期变化明显，整治效果不理想。图 8 下沉明洞段高程-时间曲线图（2）旋喷桩方案 在进行袖阀管注浆后，为进一步采取措施，现场进行旋喷桩试验参数确定时，旋喷桩未成桩，方案可行性有待论证。（3）抗滑桩方案 在后续采取的抗滑桩方案实施完成后，轨道变化基本趋于稳定，在轨道进行台升纠偏前 3 个月内，经对检测数据分析，月均变化量约为 0.1mm 左右，整治效果明显。3.3 综合评价分析 隧道明洞下沉整治过程共经历了四个阶段，整治时间近 3 年，通过不断的优化措施，最终使得病害得以彻底消除，由于地层岩性的差异，对其进行研究分析时具有一定的局限性，期间在首次方案制定上也存在考虑不周、调研不全面情况，导致整治效果不佳，后期通过及时的深入研究分析，对方案进行了优化，最终确定了有效的整治措施，取得了良好效果。最后通过轨道板的抬升纠偏，恢复了线路，目前根据动态检测、车载仪数据分析，施工整治区段线型明显好转，线路几何尺寸综合指标 TQI 值明显降低，轨道高低、平面、三角坑、水平、轨距均大峰值，设备状态良好。图 9 整治后高程、平面对比分析图 4 结束语 通过对隧道明洞下沉段采取的不同整治方案的实施，反映出隧道结构性病害整治的难点，特别是在方案制定时需清晰的对病害形成的原因进行分析研究，并采取可行有效方案方可取得良好效果，同时要对既定方案根据现场实施情况及时进行修正和论证，以确保病害进一步发展而影响运营安全。对于明洞下沉整治方案，特别是针对湿陷性黄土地层采取刚性支挡措施较为有效和彻底。最后，该明洞下沉整治的实施过程和工程实践不但为营业线施工积累了经验，也为建设期病害预防提供了参考。K1343+350K1343+400K1343+450K1343+500K1343+550K1343+600-20-100102030405060下行K1343+380-530段高程对比图施工前累计沉降量2020年12月18日测量累计沉降量扣除垫板高程1343+499施工后最大垫厚14mm施工后最大垫厚14mm1343+453施工区段K1343+350K1343+400K1343+450K1343+500K1343+550K1343+600-40-35-30-25-20-15-10-50510下行K1343+380-530平面对比图施工前累计偏移量2020年12月18日测量平面位置扣除挡块平面施工后最大挡块+6/-61343+498施工区段中国科技期刊数据库 工业 A-182-参考文献 1高志兵.浅谈某隧道明洞段下沉加固处治技术J.山西交通科技,2020(5).2李金聚.铁路隧道明洞门可靠度研究J.中国高技术企业,2018(9).3郝文广.路堑偏压式明洞结构安全及基地承载力研究J.现代隧道技术,2020(11).4马伟斌,柴金飞.运营铁路隧道病害检测 监测 评估及整治技术发展现状J.隧道建设,2019(9).5刘鹏飞.高速铁路黄土隧道明洞段地基处理方法研究J.岩土工程技术,2017(5).6肖君枝.铁路运营隧道病害现状及检测评估J.四处水泥,2017(12).