莫偉平

(貴陽市城市軌道交通集團(tuán)有限公司， 550081， 貴陽∥高級工程師)

巖溶地區(qū)承壓水水位較高，水量較大，且多儲存在巖體裂縫中，具有一定的特殊性。巖溶地區(qū)地下水由地鐵隧道的仰拱施工縫等薄弱環(huán)節(jié)涌入軌道的道床與仰拱填充層之間，使道床抬起的現(xiàn)象時有發(fā)生。目前此種病害在廣東、貴州、江蘇等省的多個城市軌道交通中已有案例。

城市軌道交通的軌道結(jié)構(gòu)主要起著列車運(yùn)行的導(dǎo)向和承載作用，其結(jié)構(gòu)狀態(tài)的優(yōu)劣直接影響行車的安全性和舒適度。道床隆起后，會極大地破壞軌道的平順性，當(dāng)列車通過時只能采取限速運(yùn)行；同時，道床與下部基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)混凝土脫開而存在較大裂縫,也會產(chǎn)生一定的安全隱患。

目前，對于巖溶地區(qū)涌水造成道床隆起的研究，均為原因分析以及整改方案研究。整改方案主要為注漿加固、設(shè)置錨桿、泄水降壓和加強(qiáng)監(jiān)測等措施[1-6]。總體上看，目前對道床隆起的認(rèn)識還處于定性分析的階段，缺少定量的計(jì)算分析以及理論支撐。在目前的軌道設(shè)計(jì)中，一般也不考慮地下水滲入的浮力作用。

本文以貴陽某項(xiàng)目為例，討論在巖溶地區(qū)涌水浮力下的軌道結(jié)構(gòu)受力變形規(guī)律，對結(jié)構(gòu)防水提出指標(biāo)要求；同時與實(shí)測數(shù)據(jù)相結(jié)合，計(jì)算出軌道結(jié)構(gòu)所受浮力的分布及大小，指出軌道結(jié)構(gòu)本身的風(fēng)險(xiǎn)和薄弱點(diǎn)，為實(shí)際工程方案的改進(jìn)提供理論依據(jù)。

1 道床隆起地段實(shí)測數(shù)據(jù)分析

貴陽某項(xiàng)目的地鐵隧道多采用礦山法施工，沿線穿越多為可溶巖，不良地質(zhì)主要有巖溶、斷層及破碎帶；沿線地下水為孔隙水、基巖裂隙水和巖溶水，地鐵所經(jīng)中心城區(qū)巖溶水較為發(fā)育。在全線軌道狀態(tài)檢查時發(fā)現(xiàn)某處道床隆起，如圖1所示。

圖1 貴陽某地鐵軌道道床隆起處實(shí)景圖

道床異常隆起范圍可分為4段，從小里程往大里程方向分別編號為1#、2#、3#、4#。圖2和圖3分別為道床隆起地段的鋼軌高程偏差和橫向偏差圖。

圖2 道床隆起地段的鋼軌高程偏差

圖3 道床隆起地段的鋼軌橫向偏差

從圖2可以看出：

1) 沿道床橫向，左、右鋼軌高程偏差不同，說明道床板下所受浮力不均勻，左側(cè)所受浮力較大。

2) 沿道床縱向，道床板隆起從1#段范圍內(nèi)開始顯著增加，在2#和3#段范圍達(dá)到峰值，然后在4#段范圍內(nèi)顯著減小;這說明板下浮力主要作用在以2#、3#段為中心的某個區(qū)間，且右側(cè)浮力的作用范圍小于左側(cè)。

3) 左軌和右軌的最大高程偏差均在2#段末端，分別為18.72 mm和8.6 mm。

從圖3可以看出：左右軌橫向變形方向基本一致，僅同一方向的變化量略有不同;這說明橫向偏差是由道床上浮引起，無外部橫向集中力，道床板受到的橫向力整體均勻,左右軌最大橫向偏差為6.36 mm。

為了使隆起道床復(fù)位，同時判斷道床下水壓的范圍及大小，對隆起道床進(jìn)行了鉆孔泄水。同側(cè)水溝泄水孔的縱向間距為5 m，對側(cè)水溝泄水孔的縱向間距為2.5 m，均呈梅花形布置。泄水孔需打穿道床水溝底板至仰拱填充層。

2 道床隆起的數(shù)值仿真分析

鉆孔后通過水頭高度來判斷道床下涌水壓力。但其準(zhǔn)確性較難保證，壓力作用范圍更是難以確定，因此需要仿真計(jì)算與實(shí)測數(shù)據(jù)相結(jié)合，用仿真模型模擬實(shí)際變形，從而計(jì)算確定軌道結(jié)構(gòu)所受浮力的分布及大小 。

2.1 數(shù)值仿真模型的建立

傳統(tǒng)仿真模型中軌道結(jié)構(gòu)一般處于受壓狀態(tài)，因此可以將其扣件和下部結(jié)構(gòu)支承層簡化為線形彈簧-阻尼單元。其彈性模量可分為扣件(主要考慮彈條和彈性墊板)的彈性模量和下部結(jié)構(gòu)混凝土的彈性模量。

在巖溶地區(qū)涌水環(huán)境下，軌道結(jié)構(gòu)受到向上的浮力影響，隆起范圍的鋼軌會對扣件產(chǎn)生拉拔作用。此時線形彈簧-阻尼單元不再適用，需對既有模型進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

根據(jù)實(shí)際工況，采用60 kg/m鋼軌，其截面面積為7 745 mm2、截面慣性矩為3.217×10-5m4、彈性模量為210 GPa；道床和下部回填層采用C35混凝土，其彈性模量為31.5 GPa；軌距為1 435 mm，其扣件間距為595 mm；兩伸縮鏈之間的道床尺寸為12.5 m×2.4 m×0.33 m。

仿真模型的邊界條件：①由于鋼軌兩端位移為零，故采用固定約束；②由于道床底部脹錨螺栓的存在，故約束水平滑移，且由于螺栓松動后抗上浮的能力可以忽略，故向上的位移不做約束計(jì)算時不考慮豎直向上的約束力；③用于模擬回填層的桿單元底部受隧道結(jié)構(gòu)約束，故采取固定約束。

由實(shí)測數(shù)據(jù)可知，道床異常隆起有4段。為保證計(jì)算結(jié)果，建立5段軌道結(jié)構(gòu)模型，即在4#段后增加1段，從而減小邊界條件對計(jì)算區(qū)域的影響。

2.2 荷載作用范圍及取值

模型所受荷載考慮為軌道結(jié)構(gòu)自重以及道床下水壓力。由檢測數(shù)據(jù)分析可知，水壓作用的縱向里程范圍為RDK0+190～RDK0+225,長度為35 m。經(jīng)計(jì)算，為了達(dá)到軌檢數(shù)據(jù)的左右軌高程偏差，需要板下水壓力的作用寬度為0.9 m,范圍如圖4所示。浮力作用面積S為道床板長度與寬度的乘積,經(jīng)計(jì)算可得,S為31.5 m2，作用范圍內(nèi)每個節(jié)點(diǎn)上力的大小為435 N。

圖4 道床板下水壓力作用范圍(陰影部分)

2.3 計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證

據(jù)探測資料顯示，道床與回填層之間存在薄弱層，在列車荷載的作用下會轉(zhuǎn)變?yōu)榭p隙，同時導(dǎo)致脹錨螺栓在道床內(nèi)的部分發(fā)生松動。裂隙的產(chǎn)生使得道床與回填層之間的粘結(jié)力可忽略不計(jì)。脹錨螺栓主要用于水平抗剪，松動后的豎向約束力也可忽略不計(jì)。

圖5為計(jì)算所得軌道結(jié)構(gòu)豎向變形云圖。從圖5可以看出:軌道結(jié)構(gòu)最大豎向變形位于2#和3#段處，與檢測結(jié)果相符;道床在不均勻浮力作用下發(fā)生了轉(zhuǎn)動，導(dǎo)致左、右鋼軌高程偏差不同。

圖5 軌道結(jié)構(gòu)豎向變形云圖截圖

提取左、右鋼軌仿真變形，如圖6所示。通過對比圖6和圖2可知，仿真計(jì)算值與高程偏差實(shí)測值基本一致,其中的差別是因?yàn)槟Ｐ椭卸闻c段之間無相互作用。但實(shí)際情況下伸縮縫處也有摩擦力等相互作用力，故實(shí)測的鋼軌變形更加平滑。

圖6 鋼軌高程偏差仿真計(jì)算值

當(dāng)浮力取圖4所示作用范圍，且節(jié)點(diǎn)浮力值取435 N時，仿真計(jì)算值與實(shí)測數(shù)據(jù)相吻合。

2.4 道床板下壓強(qiáng)計(jì)算

經(jīng)查找，浮力作用范圍內(nèi)共有1 666個節(jié)點(diǎn)，故道床板下浮力的合力F為724.7 kN;由上文可知S為31.5 m2，采用道床板下壓強(qiáng)(減去一個大氣壓后)P=F/S的計(jì)算式,可得P為0.023 MPa(即理論水頭高度為2.3 m)。

實(shí)際鉆孔后噴出的水柱由于擴(kuò)散和摩擦，會有較大水頭損失,損失的大小與噴孔的形狀尺寸、孔壁摩擦系數(shù)等因素有關(guān)。例如，曾有實(shí)際案例:內(nèi)部壓強(qiáng)為5 MPa(理論水頭高度為500 m)的輸油管道破裂，實(shí)際噴出的高度不足50 m。

本項(xiàng)目鉆孔后實(shí)際水頭高度為0.15～0.30 m，可驗(yàn)證仿真計(jì)算值基本在合理范圍內(nèi)。

2.5 結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

通過模型仿真計(jì)算涌水浮力下道床隆起變形引起的軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)力，以尋找軌道結(jié)構(gòu)本身的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)及薄弱點(diǎn)。道床最大主應(yīng)力分布如圖7所示。

圖7 道床主應(yīng)力云圖截圖

從圖7中可以看出，在板端自由的情況下，伸縮縫處發(fā)生了轉(zhuǎn)角錯臺，最大主應(yīng)力位于1#段端部扣件處(位于錯臺下方)，其值為21.8 MPa，因此該處有混凝土拉裂、扣件拔出的風(fēng)險(xiǎn)。實(shí)際情況下，伸縮縫處各段的端部不是完全自由的，兩段之間有一定的相互作用，故轉(zhuǎn)角錯臺處的應(yīng)力小于仿真計(jì)算值，扣件未出現(xiàn)拔出情況。建議加強(qiáng)道床伸縮縫處的連接，進(jìn)一步減小錯臺。

圖8為道床剪切應(yīng)力分布云圖。從圖8中可以看出，道床剪切應(yīng)力對稱分布，最大值為2.32 MPa。

圖8 道床剪切應(yīng)力云圖截圖

圖9為道床彎曲應(yīng)力分布云圖。由圖9可見，此時道床內(nèi)的局部最大拉應(yīng)力約1 MPa。進(jìn)一步核驗(yàn)其他高程偏差超過30 mm的區(qū)間，道床內(nèi)局部最大拉應(yīng)力均超過2 MPa。

圖9 道床彎曲應(yīng)力分布云圖截圖

從道床剪切應(yīng)力和彎曲應(yīng)力來看，道床異常隆起后的區(qū)間基本達(dá)到C35混凝土的極限抗拉強(qiáng)度，道床頂面有開裂風(fēng)險(xiǎn)。

3 單段道床板下理論壓強(qiáng)限值

為了得出具有一定指導(dǎo)意義的壓強(qiáng)限值，假設(shè)一段道床板下布滿浮力，由于段間連接較弱，可以忽略其它段下浮力的影響。

建模時，在需要計(jì)算的段兩端各加1段道床板，用以減小邊界條件對計(jì)算區(qū)域的影響。其數(shù)值模型以及浮力分布如圖10所示。

圖10 單段道床板數(shù)值模型以及浮力分布云圖截圖

若道床隆起限制按2 mm控制，允許節(jié)點(diǎn)最大浮力值為220 N,此時道床豎向變形如圖11所示。

經(jīng)查，浮力作用范圍內(nèi)共有1 577個節(jié)點(diǎn)，故板下浮力的合力F=220 N×1 577=346.9 kN，浮力作用面積S=12.5 m×2.4 m=30 m2，故單段道床下壓強(qiáng)(已減去一個大氣壓)P為0.01 MPa(即理論水頭高度為1 m)。此壓強(qiáng)限值具有一定的指導(dǎo)意義，可作為結(jié)構(gòu)防水控制指標(biāo)。

值得注意的是，根據(jù)設(shè)計(jì)提供相關(guān)資料，軌道在12.5 m范圍內(nèi)的質(zhì)量約為34 t，則其重力約為340 kN，與仿真計(jì)算得出的道床板下浮力的限值十分接近?？梢姷来舶逑赂×β源笥诘来仓亓r就會發(fā)生鋼軌軌面高程超限。因此，對于現(xiàn)場實(shí)際操作而言，當(dāng)上浮力超過軌道自重時，就需要加強(qiáng)警戒，注意控制道床板下的涌水上浮力。

圖11 道床豎向變形云圖截圖

4 結(jié)語

本文對貴陽某地鐵項(xiàng)目道床異常隆起處進(jìn)行了研究分析，通過實(shí)測數(shù)據(jù)分析與理論仿真計(jì)算，得出軌道結(jié)構(gòu)下薄弱層范圍及水壓大小，并通過結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算得出了結(jié)構(gòu)本身的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)及薄弱點(diǎn)。同時，通過仿真計(jì)算，得出道床板下水壓限值，可作為結(jié)構(gòu)防水的指標(biāo)要求。得出結(jié)論如下：

1) 道床板下浮力限值約等于軌道重力，超過部分需要結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)，因此需要在結(jié)構(gòu)外壁加強(qiáng)外部防水設(shè)計(jì)，以嚴(yán)格控制道床板下受到的水浮力。

2) 道床板受到的橫向力整體均勻。需要注意伸縮縫附近道床錯臺造成的扣件位置應(yīng)力集中。建議加強(qiáng)道床伸縮縫處的連接，減小錯臺。

針對地下水豐富、巖溶裂隙發(fā)育、巖體破碎和隧道斷面大等容易發(fā)生滲漏水問題的區(qū)域，給出如下建議：

1) 進(jìn)行專項(xiàng)勘察，加強(qiáng)特殊水文地質(zhì)的素描寫實(shí)工作，同時應(yīng)注重交底到位。在施工過程中應(yīng)隨時跟進(jìn)，及時了解現(xiàn)場地質(zhì)情況。

2) 加強(qiáng)巖溶發(fā)育、地下水豐富、巖體破碎地段的地下水控制措施，比如明確對巖體注漿效果的控制要求和檢測要求，并明確泄水措施。在結(jié)構(gòu)變形縫等薄弱環(huán)境，應(yīng)預(yù)設(shè)結(jié)構(gòu)排水裝置。

3) 在施工過程中，應(yīng)做好圍巖注漿堵水、初支后注漿堵水、防水板施做和二次襯砌澆筑質(zhì)量控制；對于隧道的預(yù)制構(gòu)件接縫、變形縫、施工縫、后澆帶、穿墻管和預(yù)埋件等細(xì)部防水構(gòu)造，應(yīng)按設(shè)計(jì)意圖做好各道防水體系施工；要編制防水板施工及變形縫施工專項(xiàng)方案，并重視變形縫施工前的隱蔽條件驗(yàn)收程序。

4) 運(yùn)營過程中，對結(jié)構(gòu)變形縫等易滲水地段及已發(fā)生異常隆起的地段，應(yīng)加強(qiáng)對軌道狀態(tài)的監(jiān)測。建議采用可靠的自動化監(jiān)測系統(tǒng)，以實(shí)時掌握現(xiàn)場動態(tài)。