山西中南部铁路通道重载铁路隧道隧底加固方案研究

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双线隧道仰拱（ 底板） 设计参数 二衬厚度 / cm 30 * （ 底板） 45 （ 仰拱） 10 /22 20 /23 45 /45 * （ 仰拱） 45 * /45 * （ 仰拱） 45 * /45 * （ 仰拱） 50 * （ 仰拱） 18@ 200 18@ 200 / 20@ 200 20@ 200 / 22@ 200 22@ 200 / 22@ 200 配筋情况 （ 环向主筋） 18@ 200
3 CＲTS Ⅰ 次计算取 18 kN / m ； l0 为换算土柱分布宽度，
型双块式无砟轨道 l0 = 3. 4 m， 有砟轨道 l0 = 3. 4 m。 30 t 轴重条件下， 由上述公式计算可得， 隧道内采
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铁
道
建
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December， 2014
用 CＲTS Ⅰ 型 双 块 式 无 砟 轨 道， 等效土柱高度 h = 10. 6 m， 有砟轨道条件下 h = 11. 3 m， 普通轴重列车活 载等效土柱高度 h = 9. 4 m。 开行 30 t 轴重列车等效 净荷载 较 普 通 轴 重 增 加 了 20% ， 对隧道结构影响 较大。 2. 2 隧道施工图设计概况 山西中南部铁路通道隧道施工图设计中对隧道轨 下结构进行了加强， 仰拱厚度满足且大于《重载铁路 （ 征求意见稿 ） 中的设计参数。隧道仰拱参 设计规范》 数见表 1 。
结论
山西中南部铁路通道列车轴重提高后， 对已建隧 道基底应力影响较大。 通过数值模拟计算， 分析重载 条件下隧道的基底应力变化规律和衬砌结构的安全 性， 从而证明对于富水软弱围岩和土质地层加固的必 要性， 结论如下： 1 ） 列车轴重提高后， 对于富水软岩、 软弱不均地 段的隧道基底加固是必要的。 2 ） 根据地层结构模型分析， 基底下 3 ～ 5 m 范围 应力变化幅度较大， 应进行地基加固处理。 3 ） 隧道加固采用注浆方案是合理可行的， 注浆参 数总结了试验段经验， 有实践依据。
表1 围岩级别 Ⅱ Ⅲ Ⅳ /Ⅳ
+
4 ） 现场注浆施工工艺是决定隧底加固处理成败 的关键， 应对已开展的基底加固试验进行充分的分析 总结， 以指导实施方案的进一步完善。 根据确定的隧底加固原则， 明确了全线隧道加固 对象， 因此选择合理可行的加固措施是达到加固目的 的重要环节。
3
隧底受力平面分析
通过选取Ⅴ级围岩加强复合式衬砌断面进行地层 结构计算， 模拟分析重载条件下的隧底应力变化 ， 确定 隧底加固范围和衬砌结构的安全性 。 3. 1 隧道断面的选取 考虑货运列车轴重提高后， 通过数值模拟分析隧 道基底围岩的应力与塑性区域变化， 指导隧底加固范 围。选取Ⅴ 级围岩加强复合式衬砌断面 进行二维 平面分析， 断面如图 2 所示。隧道初期支护采用 25 cm I20 型钢钢架 0. 75 m / 榀。 二衬采 厚 C25 网喷混凝土， 用 C35 钢 筋 混 凝 土， 厚 45 cm， 二衬配筋参数为 25 mm@ 200 mm。
针对不同地质条件， 总结试验段的工程经验， 设计 单位提 出 了 土 质 条 件 加 固 方 案 与 软 岩 地 层 加 固 方 ［6-9 ］ 。土质地层采用 42 小导管注浆加固， 案 小导管 长 5 m， 间距 1. 5 m × 1. 5 m。 注浆浆液材料采用 （ 0. 6 ～ 0. 8 ） ∶ 1 水 泥 浆 液 加 速 凝 剂， 注 浆 压 力 按 0. 5 ～ 1. 0 MPa。注浆完毕后， 用干稠水泥浆将注浆孔填满 捣实。对于富水软弱不均、 遇水变软的石质地层， 小导 管长 3. 5 m， 间距 2 m × 2 m。 注浆浆液材料采用 （ 0. 6 ～ 0. 8 ） ∶ 1 水 泥 浆 液 加 速 凝 剂， 注 浆 压 力 按 0. 5 ～ 1. 0 MPa。注浆完毕后， 用干稠水泥浆将注浆孔填满 捣实。具体加固方案见图 4 。
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软弱围岩的隧底加固措施 5
图4
土质地层加固方案横剖面 （ 单位： cm）
铁路隧道软弱地基加固措施主要有桩基加固和注 桩基加固须在 浆加固两种。结合现场隧道建成现状， 已建成的隧道仰拱填充与二衬、 初期支护上钻孔， 会截 断衬砌钢筋与初支钢架， 影响衬砌结构的整体性； 采用 桩基对隧底的浮渣， 仰拱与基岩间空隙不能有效包裹 和填充； 桩基方案不能有效阻断地下水对地基的影响 ； 桩基较大孔径现场施作难度大。 采用注浆加固， 可以 ， ， 利用浆液扩散至隧底缝隙 充填围岩裂隙 加固围岩， 对隧底虚渣也可有效包裹， 提高基底强度； 注浆可以有 效阻止地下水对隧底围岩颗粒的冲刷， 避免隧底空洞 的形成； 注浆后仰拱与围岩可以紧密接触 ， 更符合数值 模拟计算的假定条件。因此推荐采用注浆加固隧底软 弱地层。
图2 Ⅴ级加强衬砌断面示意
隧道计算模型
［4 ］ 计算模型采用 MIDAS GTS 平面计算模型， 模型 上边界取隧道拱顶上方 30 m， 底部边界距隧底 30 m，
左右侧边界取边墙外 50 m。 隧道初期支护和二次衬 砌设置不同的释放荷载分担比。采用平面单元模拟岩 体， 梁单元模拟隧道结构， 列车活载等效为静荷载， 岩 石本构关系采用摩尔—库伦模型。 本次模拟， 通过将列车静荷载加载至仰拱后， 分析 隧道地层的应力变化。 按 2 种工况模拟， 工况 1 为按 《铁路桥涵设计基本规范》 中普通列车活载加载， 工况 2 为按 30 t 轴重列车活载加载。 3. 3 围岩应力分析 通过计算软件模拟计算， 对不同轴重引起的隧道周 （ ， ， ） 边应力 σ1 σ2 σ3 进行统计分析， 具体对比见图 3。
2014 年第 12 期
铁 道 建 筑 Ｒailway Engineering
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文章编号： 1003-1995 （ 2014 ） 12-0043-04
山西中南部铁路通道重载铁路隧道隧底加固方案研究
肖凯刚
（ 中铁第四勘察设计院集团有限公司 ， 湖北 武汉 430063 ）
荷载计算与有限元数值分析表明， 列车轴重增加后位 摘要： 山西中南部铁路通道将开行 30 t 轴重列车， 于富水软弱围岩及土质地层段隧道基底应力增大 ， 在列车活载反复作用下隧道底部易形成病害。 本文 论述了对已先期建成的隧道进行基底加固的必要性 ， 论证了采用隧底注浆方案进行基底加固合理可行 。 关键词： 重载铁路 列车活载 隧底加固 注浆
2014 年第 12 期
肖凯刚： 山西中南部铁路通道重载铁路隧道隧底加固方Hale Waihona Puke Baidu研究
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图3
不同工况下主应力（ σ1 ， σ2 ， σ3 ） 对比
根据以上计算结果分析， 有如下结论： 1 ） 隧道未行车时， 隧道仰拱底部的地层应力远小 于列车运行时。地应力变化幅度大， σ1 应力在仰拱底 部变化幅度为 40% ， 因此列车活载作用下， 隧底的应 力变化幅度大， 在列车活载反复作用下易疲劳。 2 ） 30 t 轴重下列车静载引起的地应力与普通轴重 相比变化不大， 仰拱处地应力增幅在 5% 左右， 差别不 是很明显。 3 ） 随着列车轴重的增加， 仰拱下方地应力呈增加 趋势， 仰拱与边墙连接处的应力呈减少趋势 。 4 ） 仰拱与边墙连接处的应力集中明显， 衬砌设计 应采用圆弧过渡， 缓解应力过于集中。 5 ） 隧道仰拱底部 5 m 范围内地应力变化幅度较 ， 大 应进行加固以提高隧底围岩的力学性能 。 3. 4 隧道二衬受力分析 对 30 t 轴重下隧道结构内力进行分析， 根据破损 ［5 ］ 阶段法 进行隧道二衬结构的安全系数计算。 通过 计算分析， 铁路隧道在重载条件结构安全系数满足规 范要求， 结构受力安全。隧道衬砌除左、 右侧边墙处受 力为大偏心， 其余构件均为小偏心， 受力合理。
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山西中南部铁路通道概况
客运高速铁路和货运重载技术是目前世界铁路发 展的两大趋势。高速铁路经过近十年的飞速发展已形 成完整技术， 相比国外具有技术和经济优势。 货运重 载铁路在我国起步较晚， 目前国内主要是大秦铁路、 朔 黄铁路可开行较大轴重列车， 一般通过多编组提高运 输能力。对于轴重 30 t 的货车铁路建设配套技术处于 研究阶段， 总结国外重载铁路发展经验， 提高轴重可以 有效降低铁路运行成本， 国外主要货运通道采用 30 t 轴重之重载列车。 山西中南部铁路通道横穿山西、 河南和山东三省， 新建正线长约 1 267 km。沿线途径临汾盆地、 太行山、 太岳山构造侵蚀山地、 豫北太行山前洪积倾斜平原等 地貌单元， 横穿的主要山脉有太岳山、 太行山， 总体上 地势西高东低。中南部铁路通道为一次建成 1 000 km 以上， 以运送大宗煤炭为主的大能力通道 ， 路网位置重 要， 运力需求巨大， 战略意义突出。主要设计标准为国 铁Ⅰ级， 正线为双线， 行车速度 120 km / h。 因此， 山西 中南部通道采用 30 t 轴重列车很有必要。 根据初步设计批复山西中南部铁路通道桥涵工程 按 30 t 轴重标准进行设计。 而对于路基、 隧道及轨道 结构未按 30 t 轴重进行验算设计， 仅对部分结构措施 进行了加强。 根据对大秦线、 朔黄线等既有重载铁路隧道的调 ， 查 在列车的反复荷载、 地下水以及受当时施工工艺、 施工质量的影响， 部分隧道出现了铺底开裂、 损坏、 翻 浆、 冒泥等现象。 当铁路列车轴重增加、 运量提高以
+ 中图分类号： U457 ． 3
文献标识码： A
DOI： 10． 3969 / j． issn． 1003-1995． 2014． 12． 12 后， 隧道基底结构与基岩之间更易产生空洞 。 尤其对 于有水的软弱围岩地层， 在列车活载的作用下， 其物理 力学性质将发生变化， 物性指标和承载力将明显降低， 加剧了隧底结构开裂、 下沉以及翻浆冒泥等病害的发 生。因此山西中南部铁路通道列车轴重提高后 ， 须对 含水的软弱围岩及土质隧道底部进行地基加固以减少 病害， 保证运营阶段行车安全。
初支厚度 / cm
Ⅳ/ + Ⅳ （ 黄土） Ⅴ /Ⅴ
+
23 /25
Ⅴ/ （ Ⅴ 黄土）
+
25
注： 加* 表示采用钢筋混凝土 ， 不加* 表示采用素混凝土。
隧道施工图设计中对于新黄土及承载力不足段地 基进行了加固处理。 洞口基础置于新黄土不足 1 m 时， 采用三七灰土换填； 加固深度不超过 12 m 时， 采用 灰土（ 水泥土） 挤密桩加固， 挤密孔直径 40 cm， 梅花形 布置， 间距 1 m × 1 m； 加固深度超过 12 m 的， 采用柱 锤冲扩桩。其他基底软弱承载力不满足要求的， 采用 换填、 旋喷桩等措施进行地基处理。 通过列车活载计算对比， 轴重提高后列车活载增 加明显， 富水软弱地基段存在加固的必要性。 全线隧 道已建成 90% 以上， 合理的划分加固段落和确定加固 措施可以保证工程质量， 节省投资， 减少对隧道衬砌结 。 构的扰动 通过全线地质状况和施工阶段地质资料的 梳理， 经专家论证确定了如下隧底加固原则 ： 1 ） 基底加固处理段落应主要根据隧底围岩特征 及地下水赋存状态， 并考虑隧道支护形式等综合确定。 2 ） 对施工图阶段已采取灰土挤密桩或柱锤冲扩 桩处理的地段， 以及无水的老黄土地段原则上可不做 处理； 土石界面、 有水的土质地基的隧道仰拱可采用注 浆、 钢管桩加固处理措施。 3 ） 对于富水软岩、 软弱不均地段的隧道仰拱， 可 采用注浆的处理措施。 3. 2
收稿日期： 2014-09-10 ； 修回日期： 2014-10-11 作者简介： 肖凯刚（ 1982 — ） ， 高级工程师。 男， 陕西眉县人，
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2. 1
隧道结构受列车活载的受力分析
30 t 轴重受力分析
山西中南部铁路通道列车轴重提高后， 根据铁道 ［1 ］ ， 30 t 科学研究院的研究成果 轴重的列车活载图 如 图 1 所示。
图1
30 t 轴重列车活载图式（ 距离单位： m）
轨道及列车活载 通过将列车活载等效为静荷载， 转化为作用到隧道仰拱填充上的换算土柱高度 。分别 计算中南部通道采用的 CＲTS Ⅰ 型双块式无砟轨道与 2］ 6. 1. 2 条文 有砟轨道换算土柱高度 h。根据文献［ h = P +Q γ l0
CＲTS Ⅰ 型双块式无砟轨道 P = 式中： P 为轨道荷载， 38. 85 kN / m， 有砟 轨 道 P = 54. 4 kN / m； Q 为 列 车 活 Q = 300 /1. 6 = 187. 5 kN / m； γ 为换算土体重度， 载， 本