铁道建筑 ２０１３年第８期 Ｒａｉｌｗａｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ８５ 文章编号：１００３—１９９５（２０１３）０８—００８５－０４ 水泉湾隧道病害成因分析与整治措施 程建平 ，马伟斌 （１．朔黄铁路发展有限责任公司原平分公司，山西原平０３４０００；２．中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京１０００８１） 摘要：随着朔黄铁路运量的增加，铁路基础设施病害日益显现，分析各种病害形成机理及整治措施，对于 保证运输安全非常重要。本文以朔黄铁路水泉湾隧道病害为研究对象，采用现场调研、现场检测、数值 模拟等多种手段，分析隧道衬砌及基底围岩基本状况，研究各种病害产生的原因，并提出病害整治措施。 关键词：水泉湾隧道基底病害渗漏水整治措施 中图分类号：Ｕ４５７ ．２文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００３—１９９５．２０１３．０８．２７ １工程概况 检测，包括隧道内道床厚度、道床污染程度、道床的含 水情况、道床病害（基底脱空、回填不实、衬砌厚度不 水泉湾隧道位于山西省五台县神西乡境内，起讫 足等）情况，并对水泉湾隧道病害归类进行原因分析 里程为Ｋ１４２＋４２９．Ｏ７一Ｋ１４７＋３５４．０７，全长４ ９２５ ｍ， 并整治。 隧道地处剥蚀中山区及滹沱河高级阶地，山势陡峻，地 形起伏较大，相对高差３００～４００ ＩＴＩ，隧道进出口端山 ２ 数值分析 坡自然坡度３０。～４５。。隧道洞身以寒武系，奥陶系为 针对隧道基底完好的地段，采用“荷载一结构”法 主，呈整合接触，受构造接触的影响，地层构造节理发 计算隧道结构的安全性。为了明确结构内力状况，衬 育，裂隙多为高角度构造裂隙，岩层主要有页岩、泥灰 砌采用梁单元模拟，而围岩与衬砌的相互作用采用 岩、石灰岩等，穿过Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ｖ级围岩，采用复合式衬 “无拉链杆”模拟，计算模型示意图及网格划分情况如 砌，如图１所示。 图２所示。 图１隧道设计断面（单位：ｃｍ） 通过对水泉湾隧道状态进行检测，以检测结果为 基础，结合隧道前期勘察、设计、施工及运营维修资料， 采用地质雷达法、高密度电法对衬砌及基底进行无损 收稿日期：２０１２－１２－１５；修回日期：２０１３—０５－２０ 基金项目：国家科技支撑项目（２０１３ＢＡＧＢＨ００）；铁道部科技研究开发计 划项目（２０１２Ｇ００２－２，２０１２Ｇ０１１－Ｂ） 作者简介：程建平（１９６５一），男，山西晋城人，工程师。 图２ 围岩与列车荷载耦合作用计算模型 ８６ 铁道建筑 拱墙、仰拱及仰拱填充为Ｃ１８素混凝土，计算中 衬砌厚度Ｖ级围岩取为５０ ｃｍ，混凝土衬砌的弹性模 道结构自重×１．０＋列车荷载×１．０，列车荷载为８０ ｋＰａ，由ＡＮＳＹＳ程序计算。 Ｃ８０列车作用下Ｖ级围岩区衬砌变形及其受力如 图３所示。基底填充层变形及内力如图４和图５及表 １所示。 量２７ ＧＰａ，围岩重度１８．５ ｋＮ／ｍ ，弹性抗力系数１５０ ＭＰａ／ｍ，侧压力系数０．３，衬砌混凝土重度２５ ｋＮ／ｍ ， Ｃ８０列车轴重为２５ ｔ，计算荷载＝围岩压力×１．０＋轨 （ａ）衬砌变形（单位：ｒａｍ） （ｂ）受力（单位Ｐａ） 图３ Ｃ８０列车作用下Ｖ级围岩区衬砌变形及其受力 （ａ）变形（单位ｍｍ） （ｂ）最大主应力（单位：Ｐａ） 图４基底填充层变形和内力 表１填充层表面拉应力分布 表面主要呈受压状态，压应力幅值小于填充混凝土实 ／ — — ——、杂１ ５００ 通１ ０ｏ０ ５００ 测强度；拱顶位移为４．０７ ｍｍ，墙脚处变形为１．２８ ｍｍ，在理想的状况下位移变形均较小。由此可知相对 于列车荷载，围岩压力以及施工质量对隧道结构破坏 的贡献更大，但隧道基底结构出现破损后，在列车振动 －２ ０ ２ 冲击作用下，破损基底结构病害将进一步恶化。 距隧道中心距离，ｍ ３隧道病害类型 ３．１基底下沉及翻浆冒泥 图５ 围岩填充层横向断面应力 从计算后图及表中可以看出，Ｃ８０列车通过没有 病害的隧道Ｖ级围岩区时，填充层表面横断面方向呈 现出受拉状态，最大拉应力值出现在线路轨道中心处， 列车作用下双线中心受拉部位拉应力较小，未超过 Ｃ１８混凝土抗拉强度设计值；围岩压力小，轨下填充层 基底下沉及翻浆冒泥是水泉湾隧道主要的病害， 由于地下水作用、基底围岩节理发育含有夹层、仰拱填 充层施工质量，围岩结构面胶结层或软弱夹层以及岩 石本身在地下水作用下的物理化学反应，形成流态的 液体，经过列车活载作用的“拍击一水锤效应”导致基 ２０１３年第８期 程建平等：水泉湾隧道病害成因分析与整治措施 ８７ 底下沉、翻浆冒泥等病害的发生，影响重载铁路的运营 安全，隧道在Ｋ１４４＋１ｏ０一Ｋ１４４＋５００区段内有基底 出，长期浸泡侵蚀道床再加上列车的碾压致使护底和 基床岩石面分离，间隙逐渐被侧挤并掏空，会发生道床 横向断裂、下沉。 ４．１．２施工质量 下沉与翻浆冒泥现象，在两侧避车洞里设置２９处集水 井排水，基本控制了基底下沉。 ３．２ 衬砌质量 在施工过程中使用弃渣回填超挖部分，在隧底混 凝土与基底问形成不密贴夹层，夹杂物受地下水浸泡 后在动载反复作用下很快风化成淤泥，流失后在基床 通过现场检测发现水泉湾隧道衬砌厚度不足长度 占测线总长度的平均百分比为２１．４％，其中靠上、下 行拱顶厚度不足占近５０％，下行边墙及拱腰次之，上 行病害较少，隧道拱顶衬砌背后存在较普遍的脱空、回 填不密实现象，其中，上、下行空洞共计３６７处，所占测 线平均百分比为６．６％，拱顶空洞较为严重；回填不密 实带主要分布在靠上、下行拱顶、拱腰及边墙，共计 ６７９处，除靠下行拱顶较少外，其他部位分布均较多； 脱空在上、下行各部位都有分布，各部位所占比例仍是 拱顶居多，拱腰次之。相比较而言，边墙衬砌病害较 轻。拱顶、拱腰部位的衬砌背后都存在脱空区，脱空区 深度达到２５ ａｍ，衬砌厚度３０ ｃｍ。 ３．３ 渗漏水 渗漏水在水泉湾隧道相对较轻，衬砌个别地段有 渗漏水现象，Ｋ１４２＋４３５进口拱顶存在交叉裂缝和环 向裂缝，由此导致衬砌腐蚀、冻胀开裂以及基底翻浆冒 泥等病害。 ４原因分析及整治措施 ４．１原因分析 ４．１．１ 水的影响 防水设计中只采取了拱墙衬砌外敷设防水板措 施，而隧底结构一般不增设防水措施，仅靠结构混凝土 自防水。隧底结构细部变化多，施工接缝多，一旦施工 缝处理不好，极易在接缝处产生渗水。而在碎石道床 中，这些接缝渗水一般又很难发现，致使基床长期有积 水而形成道床板结。当基岩为石灰岩时，由于碳酸盐 微溶于水的特性及水中各种游离酸的作用，使与道床 混凝土胶结面处的基岩呈化学破坏而出现溶孔，进而 被蚀空而使基岩与道床间产生缝隙，从而改变了道床 的受力状态；当基岩为泥灰岩及页岩时，基岩被水浸泡 而变软，力学强度显著降低，甚至形成浆糊状物而使基 岩基本失去承载力。特别在地下水的影响下，动水作 用易产生冲刷，泥质页岩和炭质页岩浸水会产生体积 膨胀。在严寒地区，基底岩土有水会使隧底及整体道 床产生冻害。隧道的排水系统不完善不能有效降低地 下水位，平行导洞内的附属排水沟经常被养护人员当 成清理弃渣的场所，养护维修不好，普遍存在中心水沟 堵塞，侧沟被污物堆满，平导坍方落石未清理和未进行 必要的支护等失去正常工作功能，地下水不能及时排 下形成空洞，使基床产生不均匀下沉；铺底混凝土、仰 拱或道床混凝土与基岩之间处理不好，应当整体浇注 的混凝土而分层或分开浇注，造成过车时发生层问拍 打作用；对施工排水不够重视，在流水的基岩面上浇注 混凝土而不进行施工排水或施作碎石垫层，致使水泥 浆流失，在道床下产生空隙，平导处理不当，未进行必 要的支护和疏通水沟，造成平导坍塌，堵塞水路；施工 质量不好，混凝土养护不良或早期受振而形成裂纹，混 凝土搅拌不均，捣固不实，降低了混凝土强度；整体道 床的灌注段过长，易使混凝土产生横向裂缝；混凝土结 构尺寸不符合设计要求等。此外，经过物探检测结果 得知，部分隧底存在不少破碎压溃地段。这些地段既 有施工厚度不足的处所，也有施工厚度完全符合设计 要求的区域，显然目前的列车轴重和年通过能力已大 大超出当初的设计标准，也是造成病害的重要原因。 ４．１．３ 列车动荷载 水泉湾隧道病害集中段的围岩级别为Ⅲ、Ⅳ级，围 岩级别较高，地质条件较差。在调查时，发现该段基床 病害分布也比较密集。加之该段涌水量大，道床受地 下水浸泡，使基床变软，列车通过时轮子下压，使变软 的泥、水从裂缝中挤出，形成翻浆冒泥，轮子过后，轨枕 复位上抬，基床下空隙形成吊空，迅速由四周泥水补 充，如此反复的抽吸作用，隧底开裂与翻浆冒泥之间形 成恶性循环，基底与围岩之间空隙不断扩大，造成道床 下沉、吊空，威胁行车安全。列车振动对基底和基底下 部围岩影响很大，隧道铺底结构长期在这样的冲击荷 载作用下，必然会逐步产生疲劳破坏。 ４．２整治措施 ４．２．１ 基底下沉及翻浆冒泥 对水泉湾隧道基底下沉可以采用注浆钢花管设计 方案，使用钢花管桩来加固基底，减小基底的变形及列 车动荷载作用，同时采用避车洞定点排水来降低隧道 基底承压水位及水压力的作用，注浆加固基底围岩，小 导管也能起到微型桩的作用。钢花管桩加固断面见图 ６，钢花管桩长度为５ ｍ，钻孔直径为１５ ｃｍ。钢花管直 径为８９ ｍｍ，壁厚５ ｍｍ。沿横断面在４根钢轨下布置 ４根桩，钢花管伸人基岩不少于１ ｍ。 翻浆冒泥可先切断隧道内的地表水源供给，要理顺 ８８ 铁道建筑 ４．２．３渗漏水 水泉湾隧道有一处严重渗漏水，可在衬砌背后和 衬砌内部先采用注浆止水或引水等措施，待基面干燥 后用掺外加剂防水砂浆、聚合物水泥砂浆、挂网水泥砂 浆或防水涂层等进行处理，引水孔最后封闭，必要时采 用贴壁式混凝土衬砌加强。 ５ 结束语 朔黄铁路运煤量大，隧道病害的整治要先调查病 害的表现形式，分析其成因，再采取相应的整治措施。 隧道中架空线路重设仰拱的方法还不成熟，在繁忙的 运输中不宜采用。 参 考 文 献 图６钢花管桩加固断面（单位：ｃｍ） ［１］卓益平．某隧道病害原因分析及整治加固技术［Ｊ］．公路交 地表水沟，使其排水顺畅，重点部位要用片石混凝土修 补，防止形成冲沟，使洞外的雨水不能进入隧道，再引排 地下水，隧道中排水沟要及时疏通，保证内部水能流向 隧道外部，同时对基底破碎地段先加固再注浆充填。 ４．２．２ 衬砌空洞 通技术，２０１０（８）：１１４—１１６． ［２］赖金星，张骞，董自超．梁家山隧道病害成因综合勘察分析 与处治措施［Ｊ］．工程勘察，２０１０（７）：２７—２９． ［３］朱万听，李兰勤．隧道基底病害现状及成因分析［Ｊ］．现代隧 道技术，２００１，３８（５）：４２—４４． 衬砌背后空洞严重区，采用注膨胀型泡沫混凝土， ［４］刘春和．铁路隧道防排水工程病害整治［Ｊ］．铁道建筑，２０１０ （５）：６９—７１． 必须严格控制其工艺及其参数，既要做到密度小又要 有一定的抗力性能，在一些地段，必要时要打锚杆锁住 衬砌，以防掉落。对于围岩级别较高的岩体，锚桩及注 浆加固，在基底均匀布置孔位进行注浆，再打入金属锚 杆，可以使基底岩体相互粘结，形成一定厚度的承载 拱，水平层状岩石层串联成组合梁，与基底共同受力， 防止衬砌变形和裂损。 ［５］马伟斌，史存林，张千里．循环载荷作用下基床力学特性对道 床影响的动态模型试验研究［Ｊ］．铁道学报，２００６（８）：１０２—１０８． ［６］牛亚彬，张千里，马伟斌，等．重载铁路隧道病害产生机理及 其治理措施［Ｊ］．铁道建筑，２０１２（７）：３４—３７． ［７］陈志强，岳华．老营盘隧道病害整治技术［Ｊ］．铁道建筑， ２０１１（１１）：５１—５３． （责任审编 王红） 来稿中“参考文献”范例（部分） 参考文献来源分类：期刊文章一［Ｊ］，普通图书、 铁道分会场论文集．北京：中国科学技术出版社，２００４： ３０—３５． 专著一［Ｍ］，论文集、会议录一［ｃ］，学位论文一［Ｄ］， 规范、标准一［ｓ］，报告一［Ｒ］，未说明文献类型或资 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