冒天山隧道整体道床不均匀沉降病害分析

崔齐飞

(西安铁路局科学技术研究所，陕西西安　710054)



冒天山隧道整体道床不均匀沉降病害分析

崔齐飞

(西安铁路局科学技术研究所，陕西西安710054)

摘要:以包西铁路冒天山隧道整体道床垫层混凝土不均匀沉降病害为研究对象，通过折减不同范围轨底垫层及仰拱填充强度参数与模量大小，施加多次列车荷载，对该隧道病害进行模拟计算，分析了整体道床板大小主应力、沉降变形及沉降差，得出了导致整体道床板局部脱离垫层、开裂翘曲问题的主要影响因素。

关键词:隧道，整体道床，垫层，振动荷载，不均匀沉降

1　工程概况

1．1全隧道概述［1］

冒天山隧道为包西铁路通道增建二线子长至蟠龙镇段翻越冒天山的越岭隧道，为单线隧道，起讫里程为K505+132～K520+ 047，全长14 915 m。隧道进口位于子长县羊马河内冯家石咀附近，穿越冒天山至蟠龙川的支沟华阴沟右岸出洞。隧道最大埋深210 m，隧道通过地区属黄土梁峁，地面高程1 050 m～1 400 m，地形起伏，沟梁相间，坡面植被稀疏，不良地质发育，水土流失严重，多呈剥蚀梁峁与沟壑地貌，栾家沟和刘胜沟隧道埋深较小，最小埋深约0．5 m。冒天山隧道整体道床为双块式无砟整体道床结构，整体道床板每6．25 m长为一节。该隧道于2010年12月25日开始通车运营。

1．2水文地质特征

根据隧道区洞身附近及以上部分含水层的成因、岩性和含水介质特点，该区地下水类型属黄土孔隙裂隙潜水及基岩裂隙水。

黄土孔隙裂隙潜水含水层主要为风积砂质黄土或黄土、红黏土与页岩风化层接触带，红黏土为相对隔水层。沿线基岩节理裂隙不甚发育，水力联系较差，分布不均匀，水量不大。

2　隧道病害特征［2］

2012年年初设备管理部门检查发现，里程K514+750～K514+ 980段出现局部线路几何尺寸变化较大，整修后无法保持，整体道床板底部局部脱离垫层、开裂翘曲，垫层开裂、侧沟沟帮开裂错台病害。2012年8月5日隧道整体道床轨道板K514+905～K514+ 911．25段在K514+905处线路左侧道床板出现下沉，同时线路右侧出现抬高，下沉累计高度约15 mm，右侧抬高约10 mm。同时在垫层下方出现裂缝，对K514+850～K514+937段进行监控量测，随着病害的发展，K514+880处线路右侧水沟沟帮抬高，约50 mm(拱顶施工缝修补的少量混凝土掉落，边墙施工缝修补的少量混凝土目测没出现裂缝)，抬高段水沟沟帮长约10 m，K514+900～K514+850段道床板出现抬高现象，轨道最大抬高高度20 mm; K514+850～K514+937段线路地右侧水沟沟底及水沟沟帮与垫层之间出现断裂缝(大致为45°)，水沟中无水。K514+911～K514+ 895．5段两块道床板下垫层出现裂缝及碎裂现象。2012年8月16日～9月8日病害发展迅速，整体道床板产生裂缝、翘曲，垫层混凝土开裂，拱顶衬砌修补混凝土掉皮等病害处所、数量，明显增加。

2．2病害调查

通过现场物探、钻探及工程测量，对病害原因进行初步分析。边墙衬砌结构稳定，主要为道床底部病害。隧道病害地段的地质构造、地层结构相对稳定，未发现地下水，初步可排除高地应力和水的外部作用。根据前期物探、勘测结果，初步分析认为:

施工过程中仰拱与垫层之间浇筑混凝土回填层时出现部分夹泥(K514+886中心钻孔中有泥)、少灰或胶结不良等，致使该层混凝土出现一定程度的离析(K514+850～K514+980地段垫层和仰拱间出现空心夹层)，物探揭示局部地段隧道底部出现不密实，经钻孔验证，出现多次掉钻空腔。

在线路投入运营后，随着列车动荷载的周期性冲击振动和上下两层刚性较强的混凝土研磨作用，该层已离析的混凝土受力后加剧了其颗粒间的粘力分散作用，垫层逐渐出现裂缝及碎裂现象，由于病害发生发展过程极为隐蔽，养护过程中未及时发现，长期作用后即形成了道床板下混凝土垫层开裂、整体道床板错动、水沟帮翘起及开裂等病害。

1)病害地段垫层和仰拱混凝土厚度不够，强度不足，且因仰拱开挖清底，仰拱填充、垫层、整体道床混凝土施工时，对上道工序的混凝土表面清理不干净，各层混凝土间胶结力不足，呈多层板式结构，造成结构整体性较差。2)病害地段处于上坡和下坡变坡点区段，右侧和道芯隧道底部呈搓板状，基础底部在列车冲击荷载、制动力的反复作用下，多层板结构之间产生“搓板效应”。各层板间反复受力搓动，其中的软弱层板受力磨损较快，变形较大，各层板间产生空隙，导致整个多层结构错动破坏，进而导致整体道床板出现不均匀沉降，使线路的几何尺寸发生变形。

3　隧道病害数值模型建立［2，3］

从上述病害现象及初步分析结果可知，该病害主要是由于局部轨底垫层及仰拱回填不密实，出现空腔，在列车冲击荷载、制动力的反复作用下，出现不均匀沉降，进而导致整体道床板局部脱离垫层、开裂翘曲。

回用水调节池容积400m3，尺寸10.0m×10.0m×5.85m，回用水调节池配备3台Q=92m3/h，H=16m，N=11kW潜污泵，两用一备。回用水调节池容积430m3，排泥水调节池设计尺寸10.0m×10.0m×4.8m，池内配备1台独立的潜水搅拌机。排泥水调节池配备3台Q=62m3/h，H=13m，N=5.5kW潜污泵，两用一备。

为了进步一验证病害产生原因，为后期病害治理提供资料，针对隧道病害建立了数值模型，采用数值计算方法，通过折减不同范围轨底垫层及仰拱填充强度参数与模量大小，施加多次列车荷载对该隧道病害进行模拟计算，对整体道床板大小主应力、沉降变形及沉降差进行分析。

3．1模型建立

根据隧道断面设计图，建立高度10 m、跨度8 m的马蹄形隧道，隧道埋深40 m，考虑边界效应，隧道纵向长度60 m，两边土层宽度40 m，下部土层厚度41 m。由于主要讨论隧道仰拱填充部分区域强度折减，在建模过程中将该部位网格细化，设计为宽0．2 m，高0．1 m的细小网格以方便折减部位控制。模型尺寸及细部结构示意图见图1。

图1　模型尺寸及细部结构示意图（单位：m）

3．2隧道病害模拟

1)列车荷载。根据TB 10002．1—2005铁路桥涵设计基本规范附录C取列车线荷载95．4 kPa/m，作用在宽度2．8 m的整体道床板上，换算为面荷载68．14 kPa/m2，每个模型均考虑1次、3次、5次、10次列车动荷载的等效静载作用。

2)病害模拟。将道床板垫层及仰拱填充平均分为四份，取其中一份对局部进行强度参数和模量进行折减，模拟隧道基底局部空腔及部分地段垫层和仰拱混凝土厚度不够、强度不足的病害情况，折减部位及大小如图2所示。随强度参数、模量及折减部位大小的不同分为7种工况，见表1。

图2　折减部位及大小示意图

表1　隧道病害模拟不同工况参数选取

局部轨底垫层及仰拱回填不密实，出现空腔，在列车冲击荷载、制动力的反复作用下，出现不均匀沉降。折减垫层的粘聚强度和弹性模量，反映局部轨底垫层及仰拱回填不密实，出现空腔的强度与模量的变化。列车冲击荷载、制动力荷载采用拟静力法模拟。数值模拟反映在等效静力荷载作用下已经损伤或回填密实度不达标的垫层产生不均匀沉降，导致道床错位与开裂。

C20混凝土的初始粘聚强度为3 180 kPa，初始弹性模量为25．5 GPa，由于回填不密实以及孔洞的存在，混凝土整体的抗变形能力和强度大大降低，针对混凝土的变形问题，主要考虑回填不密实以及孔洞引起的混凝土整体变形模量变化，所以，混凝土整体弹性模量分别为初始模量的0．1倍、0．01倍以及0．001倍。还分别考虑了列车荷载作用引起变形，以及垫层回填不密实的区域范围变化引起变形。

4　列车荷载作用下道床板不均匀沉降计算［2，3］

每种计算工况下对道床板沉降位移及其沉降差、道床板最大拉应力、最大压应力进行分析。主要分析列车振动荷载(等效累积振动荷载)、垫层等效模量(回填不密实、出现空腔)以及垫层损伤区域(回填不密实、出现空腔的范围)三种影响因素引起的道床板拉裂与压裂破坏。

4．1道床板不均匀沉降引起的破坏方式

由于隧道仰拱底部混凝土垫层回填不密实与出现空腔，在列车荷载作用下道床板产生不均匀沉降，导致道床板发生破坏，影响列车运行安全。在回填不密实与出现空腔一侧，道床板沉降较大，造成沉降较大一侧的排水沟挤压开裂破坏。当10倍列车荷载作用下，道床板最大沉降位移148．36 mm，沉降差为68．36 mm，道床板发生扭转变形。通过计算道床板受拉为正，受压为负，所以以道床板大主应力为受拉分析，以道床板小主应力为受压分析，表明了道床板拉裂与压裂破坏方式(见表2)。

表2　不同荷载条件下道床板变形与应力最大值计算结果

4．2等效累积列车振动荷载的影响

根据TB 10002．1—2005铁路桥涵设计基本规范附录C取列车线荷载95．4 kPa/m，作用在宽度2．8 m的整体道床板上，换算为面荷载68．14 kPa/m2，每个模型均考虑1次、3次、5次、10次列车动荷载的等效累积静载作用。通过间接反映列车振动荷载循环次数引起的累积塑性变形，计算研究结果表明，列车振动荷载循环次数增多，道床板沉降差增大，不均匀沉降变得更加突出，道床板的最大拉应力与最大压应力均显著增大。因此列车振动荷载循环次数是道床板破坏的主要外在影响因素。

4．3垫层混凝土等效模量

表3　不同垫层混凝土模量条件下道床板最大变形与应力计算结果

物探揭示局部地段隧道底部出现不密实，并经钻孔验证，出现多次掉钻空腔。局部轨底垫层及仰拱回填不密实，出现空腔，在列车振动荷载作用下，道床板产生较大的压缩变形。数值模拟主要通过变化变形模量，反映轨道底部垫层回填不密实和空腔的程度导致道床板不均匀沉降。从表3中可看出，随着损伤区域模量减小，道床板的沉降、沉降差、最大拉应力、最大压应力都明显增大。因此轨道底部垫层回填不密实和空腔是道床板破坏与翘曲的主要内在影响因素。

4．4垫层损伤范围

垫层等效模量和粘聚强度的降低模拟混凝土垫层回填不密实，局部范围垫层回填不密实导致道床板不均匀沉降，那么垫层回填不密实的局部范围称为垫层损伤范围。垫层回填均匀密实，在10倍列车荷载作用下，最大沉降为70 mm，最大沉降差基本为0 mm，道床板没有不均匀沉降，应力分布较为均匀，数值较小。通过对不同损伤厚度、宽度计算，从表4中可以看出，垫层回填不密实范围的厚度相对于其宽度对道床板不均匀沉降影响较大。

表4　不同垫层损伤范围条件下道床板最大变形与应力计算结果

5　结语

数值计算通过折减不同范围轨底垫层及仰拱填充强度参数与模量大小，施加多次列车荷载对该隧道病害进行模拟计算，对整体道床板大小主应力、沉降变形及沉降差进行分析。主要得出以下结论:

1)采用垫层等效模量和粘聚强度的降低模拟混凝土垫层回填不密实，在列车荷载作用下，道床板产生较大的不均匀沉降，导致道床板发生扭转变形，这是导致整体道床板局部脱离垫层和开裂翘曲的根本原因。以道床板大主应力为受拉分析，以道床板小主应力为受压分析，指出了道床板拉裂与压裂破坏位置。

2)根据TB 10002．1—2005铁路桥涵设计基本规范附录C取列车线荷载95．4 kPa/m，作用在宽度2．8 m的整体道床板上，换算为面荷载68．14 kPa/m2，每个模型均考虑1次、3次、5次、10次列车动荷载的等效累积静载作用。通过等效累积静载间接反映列车振动荷载循环次数引起的累积塑性变形，研究结果表明，列车振动荷载循环次数增多，道床板沉降差增大，不均匀沉降变得更加突出，道床板的最大拉应力与最大压应力均显著增大。列车振动荷载循环次数是道床板破坏与翘曲的主要外在影响因素。

3)物探揭示局部地段隧道底部出现不密实，并经钻孔验证，出现多次掉钻空腔。局部轨底垫层及仰拱回填不密实，出现空腔，在列车振动荷载作用下，道床板产生较大的压缩变形。数值模拟主要通过变化变形模量，反映轨道底部垫层回填不密实和空腔的程度导致道床板不均匀沉降。轨道底部垫层回填不密实和空腔是道床板破坏与翘曲的主要内在影响因素。

4)通过垫层等效模量和粘聚强度的降低模拟混凝土垫层回填不密实，局部范围垫层回填不密实导致道床板不均匀沉降，那么垫层回填不密实的局部范围称为垫层损伤范围。依据数值分析，垫层回填不密实层的厚度相对于其宽度对道床板不均匀沉降影响较大。

参考文献:

［1］铁道第一勘察设计院．包西铁路冒天山隧道整体道床施工图及相关设计资料［Z］．2007．

［2］西安铁路局科学技术研究所．包西铁路下行线冒天山隧道垫层下沉开裂病害数值分析报告研究报告［R］．2015．

［3］西安科学技术研究发展有限责任公司．包西铁路下行线冒天山隧道整体道床变形测试报告［R］．2012．

［4］许新桩．陕北黄土地区铁路隧道基底病害机理分析及治理措施［J］．公路交通科技，2015(9):18-20．

中图分类号:U457

文献标识码:A

文章编号:1009-6825(2016)17-0180-03

收稿日期:2016-04-08

作者简介:崔齐飞(1980-)，男，工程师

Analysis on uneven settlement diseases of Maotianshan tunnel monolithic roadbed

Cui Qifei
(Xi’an Railway Bureau Science＆Technology Research Department，Xi’an 710054，China)

Abstract:Taking uneven settlement diseases of Maotianshan tunnel monolithic roadbed cushion concrete as the research target，through reducing bottom track cushion and inverted arch filling strength parameters and modulus with different scopes and implementing various trains loads，carries out the simulation computation of the tunnel diseases，analyzes majors tress，settlement deformation and settlement difference of monolithic roadbed，finally finds out major influential factors leading to monolithic roadbed separating from the cushion and cracking and warping and other problems．

Key words:tunnel，monolithic roadbed，cushion，vibration load，uneven settlement