论文重载铁路隧道基底荷载效应与加固技术，该文是铁路隧道方面有关专科开题报告范文与重载和加固技术研究和荷载相关论文范本.
重载铁路隧道基底荷载效应及加固技术研究
苏江
（铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津300251）
摘 要：文章通过三维有限元软件模拟30t轴重列车以120km/h的速度经过隧道的情况,分析了在移动荷载作用下,隧道基底产生的附加沉降、附加动应力效应及影响范围,并介绍了重载铁路隧道基底检测流程和加固设计计算的基本原则,对隧道基底需处理的岩土类型、特性以及相应的加固处理技术进行总结,归纳出各加固方案在不同隧道施工环境中的适用性.
关键词：重载铁路；铁路隧道；基底荷载效应；动应力；加固技术文献标识码：A
中图分类号：U457文章编号：1009-2374（2017）03-0096-04DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.03.043
随着社会经济的持续发展和科学技术水平的不断提升,我国铁路技术正在朝着旅客运输高效化、货物运输重载化的方向发展.重载铁路在运量、速度、能耗等方面的综合优势使之能有效降低运输成本.因此,重载铁路成为大宗货物运输的最佳选择之一,也是我国铁路发展的一个重要趋势.
我国既有重载铁路隧道设计标准偏低,基础承载能力差,运营过程中重载对隧道结构的损伤问题逐步显现出来,隧道基底在长期循环振动荷载作用下出现开裂、破损、下沉、向两侧外挤及翻浆冒泥等病害.目前,国内外对在长期持续动载作用下,重载铁路隧道基底力学性能影响的研究还较少.李自强通过模拟分析动载对重载铁路隧道基底的影响并与现场实测数据对比分析,研究了隧道基底结构的动压力响应规律.林森斌通过模拟重载列车的动应力作用,分析重载铁路对隧道结构形式及基底地层的影响.侯军红结合既有铁路隧道病害调查整治情况提出了隧底承载力标准的建议值,隧道仰拱填充表面加强和隧道基底加固方案.赵晋友认为隧道修建是原岩土应力卸载与重分布的过程,探究了列车动荷载引起的附加竖应力对隧道基底围岩影响.
鉴于重载铁路隧道实际情况复杂,且目前研究多是关于重载铁路对隧道结构产生的影响,针对隧道基底岩土层特性及相应加固技术的研究较少.本文主要通过数值模拟,研究重载铁路隧道基底的荷载效应,结合计算结果和既有项目工程经验,总结归纳需进行基底加固处理的岩土类型、特性以及相应的评价指标和加固技术.
1隧道基底荷载效应研究
1.1模型的建立
计算断面取标准单、双线隧道断面,衬砌形式为复合式衬砌,周围地层为均质Q3砂质黄土地层,V级围岩,粘聚力为19.7kPa,内摩擦角26.4°,隧道埋深45m.重载铁路隧道有限元模型物理力学参数取值及模型分别见表1、图1所示,其中双线隧道考虑左、右线同时过车的最不利情况进行计算.
表1模型材料物理力学参数取值
计算场地特征值时边界条件设定为弹性边界,线性时程分析时边界条件设定为粘性边界,围岩本构模型采用莫尔-库伦模型,其余材料采用弹性模型.30t轴重列车荷载时程曲线如图2所示,动力系数取1.3.
1.2附加沉降和动应力
整理单线、双线隧道的基底附加沉降结果见图3、图4所示：
图2荷载时程曲线
图3单线隧道基底附加沉降
图4双线隧道基底附加沉降
由图3、图4可知,在30t重载列车动荷载作用下,附加沉降在隧道中心隧底0m位置处最大,单线隧道约－0.78mm,双线隧道约－1.33mm,在允许范围内.且附加沉降随着距隧底距离的增加逐步减小,在同一土层深度处,随着距隧道中线距离的增加,附加沉降亦逐步减小.说明重载铁路仅对隧道中心两侧约2B（B为隧道宽度）范围内的基底土体产生一定影响,距隧道越远,影响越弱,直至影响消失.
不同围岩弹性模量的附加动应力云图见图5所示：
（a）弹性模量100MPa（b）弹性模量10MPa图5单线隧道基底附加动应力影响范围由图5可知：围岩弹性模量越大,阻尼越小,附加动应力衰减速率越慢,从而导致重载列车移动荷载对隧道基底产生的影响范围越大；弹性模量越小,变化规律则相反.
取单、双线隧道中心和拱脚处基底的附加动应力进行研究,见图6所示.将上图中附加动应力最大值以及现场实测的结果整理见表2所示：
表2隧道基底附加动应力最大值
注：实测数据见晋中南重载铁路太行山隧道.
结合图6和表2可知,基底附加动应力在隧道中心隧底位置处最大,单线隧道最大值约－12.2kPa,实测最大值－13.9kPa,计算结果略小于实测结果,双线隧道约－20.2kPa,且随土体深度的增加不断减小,直至影响消失.在0～2m范围内衰减迅速,从隧道基底深度1m左右向下,附加动应力开始小于土体自重应力,且自重应力急剧增加,附加动应力逐渐减小,因此重载铁路移动荷载产生的附加动应力对隧底深层土体的影响可以忽略不计.同时,单线隧道拱脚处最大值约－10.7kPa,现场实测最大值约－8.7kPa,计算结果略大于实测结果,双线隧道拱脚处最大值约－19.3kPa.动应力最大值表现为由拱脚到中心逐渐增大,数值差别不大,曲线变化规律同隧道中心处基本保持一致.
2重载铁路隧道基底加固处理技术
重载铁路在列车长期持续动载作用下,基底岩土尤其是含水软弱围岩地层的基底岩土动力学效应显著,物理指标和承载力明显降低,从而引起隧道基底结构开裂、下沉以及翻浆冒泥等病害的发生.因此,为了防止由重载列车的长期持续振动引起隧道基底疲劳破坏.对于重载铁路隧道,应首先进行隧道基底情况检测,充分了解基底软弱地层的特性,并采取有效的基底加固措施.
2.1隧道基底检测
对于软土、湿陷性黄土、盐渍土及膨胀性土（岩）等软弱地层,隧道开挖、排水将对基底地层产生扰动,降低其承载力.此时应将隧道基底检测作为一项重要工序,测线原则上沿隧道轴线和边墙脚布置,分段检测,具体流程如图7所示.
图6隧道中心轴线处基底附加动应力
图7隧道基底检测流程图
2.2隧道基底处理岩（土）类型
通过对既有运营项目的调研,结合在建项目中基底加固设计方案,初步判定以下软弱不良地层进行加固处理,具体岩（土）判别、加固标准见表3所示：
除上述岩土类型外,若存在隧道开挖对基底产生影响的岩土层：（1）粉质黏土、黏土：施工期间土体受水浸泡软化,呈流塑状态,承载力降低；（2）砂泥岩：岩体浸泡后软化较快,呈现泥状,承载力下降；
（3）蚀变性岩石：受地下水和风化作用,岩石风化程度高,崩解软化快,致使承载力下降,均需通过地基承载力修正后,根据地基土的孔隙率和含水率等情况综合分析评价,考虑是否进行隧道基底加固.
2.3加固设计计算基本原则
根据《建筑地基基础设计规范》,经加固处理后的隧道地基应满足承载力、变形和稳定性要求.总结如下：在对隧道基底承载力的计算时,应对地基承载力特征值fa进行修正.在对承载力进行修正后,在轴心荷载作用下,应满足基底压力pk≤fa.而当偏心荷载作用时,还应满足下基底压力最大值pkmax≤1.2fa.
隧道基底的变形量则可根据各向同性均质线形变形体理论确定.
基础的稳定性主要包括滑移稳定性和抗浮稳定性,滑移稳定性采用圆弧滑动面法进行验算.最危险的滑动面上各个力对滑动中心所产生的抗滑力矩MR与滑动力矩MS之比应大于1.2；建筑基础须考虑浮力作用时,应验算抗浮稳定性,即建筑物自重和压重合力值与浮力作用值大于抗浮安全稳定系数.当抗浮不满足要求时,则需要根据实际情况采取适当的抗浮措施.
2.4加固技术及适用性分析
2.4.1加固技术研究.（1）换填法.换填法是指在基础底面下一定范围内,使用质地坚硬的强度较高的材料置换掉原有的软弱土层,常用的材料有砂石、素土、粉煤灰、矿渣和混凝土等,进行分层充填,并对其进行压实、夯实,以减小地基沉降；（2）注浆法.注浆法可根据注浆压力和加固机理的不同分为渗入性注浆法、劈裂注浆法、挤密注浆法等.同时注浆法还可以注入部分化学浆液,从而改变原土体的性质,消除部分特殊土体的有害性质,如采用单液硅化法和碱液法可用于消除黄土的湿陷性；（3）灰土、水泥土挤密桩.在地基中按一定间距成孔,然后填入水泥与土的混合物,分层夯实,通过冲击紧实周边土体,形成水泥土桩复合地基,提高地基承载力同时可消除湿陷性黄土的湿陷性；（4）水泥土搅拌桩.水泥土搅拌桩是基于水泥加固土的物理化学反应,通过在土中进行水泥水解和水化反应,使得水泥土硬化后强度提高,从而起到加固的作用的加固技术；（5）高压旋喷加固.高压旋喷一般有单管法、二重管法、三重管法等,随着旋喷工法的大面积应用和不断优化,在原有工法的基础上又开发出一系列新的工法.其机理主要是在地基中利用高压喷射流冲切土体,用浆液置换部分土体,形成水泥土增强体的复合地基.广泛应用于淤泥、软弱黏性土、砂土甚至砂卵石等多种土质；（6）微型桩.通过压力注浆在土中形成微型桩复合地基.在静力压浆下,桩壁与周围土层胶结力和摩擦力不足的区域被水泥浆充填,使得桩土间的胶结力与摩擦力得到增强和提高,从而提高地基土的承载力以及提高桩间土体的侧向约束力.经过对已有工程的实践资料分析后认为,经微型桩处理后的地基桩间土的强度一般会提高10%～30%；在微型桩复合地基中,由于桩体的变形模量远大于土,上部基底应力作用下,主要由微型桩承担.根据静载荷试验的统计资料,当微型桩占承压板面积约10%时,其所承受的荷载为总荷载的50%～60%.
2.4.2适用性分析.重载铁路隧道基地加固方法及适用性如表4所示：
表4重载铁路隧道基底加固方法及适用性分析
3基底加固处理其他方法和材料
3.1伸缩搅拌桩机
水泥搅拌桩在我国各行业软基处理中应用广泛,而现有的搅拌桩机架高度为18～21m,在目前的重载铁路暗挖隧道内没有空间使用常规的搅拌桩设备.针对目前搅拌桩设备的情况,相关厂商已初步开发出一类用于狭小空间的搅拌桩设备—可伸缩搅拌桩机.该可伸缩搅拌桩设备施工所需空间为5m×4.6m×4m,目前双线隧道开挖后施工断面约6m×10m×5m,基本能满足要求.可伸缩搅拌桩机作业深度达到15m,扭矩60kN·m,搅拌转速80r/min,作业进尺速度0.8～1.3m/min,纵向单步行程0.7m,横向单步行程0.5m,成桩效率较高.
3.2高聚物注浆
高聚物注浆技术采用的注浆材料为新型非水反应类不敏感型自膨胀闭孔高分子聚合物,原材料为两种预聚体液体,当这两种液体混合在一起时,迅速发生聚合反应,膨胀形成泡沫状固体.高聚物作为一种新型的地基加固材料,具有密度小、膨胀力大、隔水和耐久性能好以及环保安全、施工快速等优点,可用于湿陷性黄土、膨胀土等地层的加固处理.其反应机理及预期强度见图8所示：
图8高聚物注浆技术机理及预期强度
3.3微生物注浆
微生物注浆加固技术利用了微生物成矿学的最新进展,即微生物诱导碳酸钙沉淀技术MICP,通过向原位砂土中传输菌液以及尿素和钙源等营养盐,使砂土孔隙被填充和胶凝,从而降低渗透性,提高承载力,起到加固软弱砂土地基的作用.MICP灌浆材料都是溶液或悬浊液,其粘性低、流动性好,故要求的灌浆压力较低,但传输与影响半径大,是一种低压、非扰动、经济的原位灌浆方式.在隧道施工过程中,能在加固基底的同时最大程度地降低对周边围岩的扰动,充分发挥围岩的自承能力.
4结语
本文通过分析移动荷载对重载铁路隧道基底的荷载效应,发现重载对隧道基底的影响深度为0～2m,水平影响范围约2B.因此应适当提高影响范围区域内隧道基底的承载力,防止在列车长期持续振动荷载作用下,基底出现下沉、开裂以及翻浆冒泥等病害,主要总结归纳了以下重载铁路隧道基底加固处理技术：（1）重载铁路隧道开挖后,应首先进行基底检测,确定地层分类,并根据评价指标判断是否进行基底加固；（2）明确了重载铁路隧道基底加固设计的原则,并提出隧道基底承载力计算时应根据基底埋深、基础宽度等情况对地质提供承载力进行修正；（3）介绍了常用的隧道基底加固方法,换填法、注浆法、水泥土挤密桩、水泥土搅拌桩和微型桩等的加固机理及在不同隧道施工环境中的适用性,为合理选择隧道基底加固方法提供一定的借鉴和参考作用；（4）介绍了几种隧道基底加固处理的其他方法和材料,如伸缩搅拌桩机、高聚物注浆和微生物注浆等.
本文根据既有重载铁路隧道基底加固处理经验,结合数值分析软件的计算结果,得到了一些对重载铁路隧道基底加固有益的结论和建议.但是基于重载铁路长期持续振动作用下隧道基底结构的荷载效应和相应的加固处理技术研究较初步,后续尚需进行大量的理论分析和现场测试,以补充现有理论和技术的不足.
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基金项目：中国铁路总公司科技研究开发计划项目-重载铁路隧道设计施工关键技术研究（2014G005-A）.
作者简介：苏江（1983-）,男,铁道第三勘察设计院集团有限公司工程师,研究方向：隧道及地下工程设计.
（责任编辑：王波）
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参考文献：
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