CN108547641B - 富水软弱地层重载铁路隧道的基底加固体系及其施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种富水软弱地层重载铁路隧道的基底加固体系及其施工方法，属于隧道交通工程技术领域。本发明基底加固体系，桩梁板结构提高了道床整体刚度，承受道床和列车荷载，将其传递到底部基岩，道床、列车荷载等作用于板结构，通过纵梁、横梁、桩基础依次向下传递至基岩，从而使加固部分与原基底结构形成整体共同工作而得到强化，仰拱结构与隧道拱墙一起承受围岩压力，形成一个稳定的整体；本发明基底加固体系，在仰拱结构安装排水管道，以便于在富水软弱地层地质处将初期支护和土壤之间的积水及时排除，可以避免发生翻浆冒泥的问题；本发明施工方法成本较低、工艺简单、质量易于控制，实现免维修、少维修建造目标，经济和社会效益显著。
Description
技术领域
本发明属于隧道交通工程技术领域，具体涉及一种富水软弱地层重载铁路隧道的基底加固体系及其施工方法。
背景技术
重载铁路具有运输能力大、效率高、成本低等特点，因此重载铁路运输已成为当今铁路运输发展的重要方向，在世界范围内得到了普遍应用。我国《中长期铁路网规划》指出，加快煤运通道建设和既有线扩能改造，形成运力强大、组织先进、功能完善的重载铁路运输系统对我国经济发展有着重大意义。要保证重载铁路高效、安全地运营，组成重载铁路系统的各要素必须保持高标准，这对我国重载铁路技术提出了更高的要求。
重载铁路与既有普速及高速铁路最大的区别在于列车轴重大，已有重载运输调研表明，轴重的增加极易造成钢轨的磨损，而道床破坏与列车轴重成线性关系，同时路基破坏则也与列车轴重的2～4次方成正比，这表明重载列车对路基的破坏将更加严重。重载铁路列车轴重更大，这也使轨道下部结构承受了更大的荷载，更易出现开裂、破损、下陷、向两侧外挤以及翻浆冒泥等。隧道基底病害发生后，如不及时处理，造成线路“带病”运营，基底结构开裂、破损等病害会向上部衬砌结构发展，进而导致上部衬砌结构发生开裂、漏水等，最终致使隧道使用寿命缩短。结构强度、刚度、稳定性的降低不同程度地恶化行车条件、限制行车速度、危及行车安全、缩短隧道维护周期和使用寿命，并制约铁路安全高效服役。
特别是在富水弱胶结砾岩、泥岩和砂质泥岩等遇水易软化的第三系软弱地层中，重载条件下基底岩土的动力学效应对隧道底部结构受力状态影响显著。软弱围岩，在列车动载作用下，其物理力学性质将发生变化，加之排水不畅，岩土的物理指标和承载力将明显降低，这是引起隧道基底结构开裂、下沉以及翻浆冒泥的主要原因。
目前，针对隧道基底加固所采用的方法较多，主要有隧底注浆、更换隧底、隔离处理等常规方法，这些方法由于受浆液材料性能限制以及施工技术水平的影响，导致整治后的隧道基底病害反复出现，基底病害难以得到根治。同时随着既有线路的扩能改造，常规基底加固方法难以满足重载铁路大轴重化、高行车密度的要求，更难以适用于富水软弱地层的重载铁路隧道，常规隧道基底加固方法因不能有效提高隧道承载力、加固后刚度较差等缺陷，难以满足重载铁路大轴重化、高行车密度的要求，同时难以适用于在列车循环荷载扰动下地层将出现软化和承载力下降的第三系地层。
发明内容
本发明的目的在于提供一种富水软弱地层重载铁路隧道基底加固体系及其施工方法，以解决第三系地层遇水软化后，承载力下降引起的病害，有效地提高隧道基底结构的整体承载性能，避免出现因隧道基底承载不良而引起的沉降变形以及翻浆冒泥等病害，适用于富水软弱地层的重载铁路隧道。
本发明提供的这种富水软弱地层重载铁路隧道的基底加固体系，包括灌注桩、混凝土板、仰拱结构，所述灌注桩、混凝土板之间设置有纵梁、横梁，所述纵梁沿隧道纵向设置，所述横梁沿隧道横向设置，所述仰拱结构固定有若干排水管道，该排水管道的底端伸入到仰拱结构的下方，排水管道的顶端与隧道内的排水渠连通，用于将仰拱结构下方的积水及时排出。
在一个具体实施例中，所述灌注桩的底端与基岩连接，灌注桩的底端伸入基岩中，所述灌注桩贯穿仰拱填充层、仰拱结构和初期支护，将所述仰拱填充层、仰拱结构、初期支护和基岩连接成一个整体。
在一个具体实施例中，所述纵梁、横梁和混凝土板采用整体灌注形成，与灌注桩形成一个稳定的整体。
在一个具体实施例中，所述排水管道设置于相邻四个灌注桩的中心位置，所述排水管道的底端伸入到初期支护的下表面，所述排水管道的顶端端口通过三通管道连接排水横管，所述排水横管与隧道内的排水渠连通。
在一个具体实施例中，所述仰拱结构上表面的灌注桩桩孔边缘、排水管道安装孔边缘作防水处理，防止初期支护和土壤之间产生积水冒出。
本发明所述富水软弱地层重载铁路隧道的基底加固体系的施工方法，包括以下步骤：
A、施工灌注桩；
B、通过预埋或者钻孔安装的方式在仰拱结构上设置排水管道，排水管道的底端伸入到仰拱结构的下方，排水管道的顶端与隧道内的排水渠连通，然后在仰拱结构的上表面作防水处理；
C、以灌注桩钢筋笼的主筋为固定点绑扎纵梁钢筋骨架和横梁钢筋骨架，以及在纵梁钢筋骨架和横梁钢筋骨架上方绑扎混凝土板钢筋骨架，将灌注桩钢筋笼的主筋、纵梁钢筋骨架、横梁钢筋骨架和混凝土板钢筋骨架绑扎在一起，制作模板，整体灌注；
D、拆除模板；
E、填筑仰拱填充层，得到所述基底加固体系。
本发明提供所述富水软弱地层重载铁路隧道的基底加固体系的施工方法，包括以下步骤：
(1)清扫基面，并采用夯土机械对基面进行夯实，保证施工的安全性，同时根据施工图纸确定并定位灌注桩的位置，根据待施工灌注桩的位置对应规划泥浆排出的方式；
采用四根钢筋围绕灌注桩轴心设置并对角线连接构成十字护桩，十字护桩通过水泥砂浆固定在基面上；
十字护桩的中心位置设置护筒，护筒与十字护桩的中心同轴，采用钻头挖出护筒安装孔，并利用桩机将护筒打入护筒安装孔内，最后安装钻机；
(2)采用钻机在指定位置钻灌注桩桩孔，配合供水，使得灌注桩桩孔的深度达到基岩，以便于得到坚固的支撑面；
当钻孔完毕后，通过泥浆泵配合管道向灌注桩桩孔底部灌注沉淀池中的泥浆，通过新注入的泥浆将灌注桩桩孔中含有浮渣的泥浆替换，当溢流出的泥浆连续没有浮渣后，再利用抽吸泵将灌注桩桩孔中的泥浆抽出，然后测量孔深；
(3)向灌注桩桩孔内放置灌注桩钢筋笼，在钢筋笼的中部设置管道，钢筋笼和管道均为节状拼接结构，其中管道的拼接处需要保证密封，灌注桩钢筋笼中的竖直主筋延伸至混凝土板钢筋骨架所在的位置；
(4)将注浆管安装到灌注桩钢筋笼上方，由注浆管向桩孔内灌注混凝土，灌注桩穿透整体道床板下方的仰拱填充层、仰拱结构和初期支护，深入至稳定牢固基岩，灌注完成后将管道逐节抽出，之后待灌注桩凝固成型去除护筒；
(5)在相邻四个灌注桩的中心位置钻若干个排水管道用的安装孔，排水管道的底端伸入到初期支护的下表面，排水管道的顶端端口通过三通管道连接排水横管，排水横管连接隧道内的排水渠，然后在仰拱结构上表面的灌注桩桩孔边缘、排水管道安装孔边缘作防水处理；
(6)以灌注桩钢筋笼的主筋为固定点绑扎纵梁钢筋骨架和横梁钢筋骨架，以及在纵梁钢筋骨架和横梁钢筋骨架上方绑扎混凝土板钢筋骨架，将灌注桩钢筋笼的主筋、纵梁钢筋骨架、横梁钢筋骨架和混凝土板钢筋骨架绑扎在一起；
(7)制作模板，浇筑纵梁、横梁与混凝土板，纵梁沿隧道轴线方向整体浇筑，横梁沿垂直隧道轴线方向整体浇筑，混凝土板整体浇筑；
(8)拆除模板；
(9)填筑仰拱填充层。
在一个具体实施方式中，所述步骤(1)中，泥浆排出的方式包括：根据灌注桩的位置相邻挖设泥浆收集池，泥浆收集池通过挖沟渠联通外部独立挖设的沉淀池，沉淀池中设置用于排泥浆的泥浆泵，同时沉淀池内配备搅拌装置，用于搅拌泥浆待用。
在一个具体实施方式中，所述步骤(1)中，护筒的高度4～5m，护筒的直径为0.3～0.5m。
在一个具体实施方式中，所述步骤(2)中，在进行钻孔过程中，需要根据深度对地质进行取样，一般2～3米取样一次。
在一个具体实施方式中，所述步骤(2)中，向桩孔内注入的泥浆为人工去除沉淀池中的浮渣，并通过搅拌装置搅拌泥浆，使得泥浆的含砂率低于2％，手摸无明显的颗粒感的泥浆。
在一个具体实施方式中，所述步骤(2)中，在完成的桩孔周围砌上围墙，围墙高20～30cm，并盖上防护板，且围墙和防护板在灌注桩凝固成型后拆除。
在一个具体实施方式中，所述步骤(4)中，桩孔内灌注的混凝土为水下混凝土。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果：
本发明提供的富水软弱地层重载铁路隧道的基底加固体系，包括两个独立的受力体系，道床、列车荷载等作用于板结构，通过纵梁、横梁、桩基础依次向下传递至基岩，桩梁板结构提高了道床整体刚度，承受道床和列车荷载，将其传递到底部基岩，从而使加固部分与原基底结构形成整体共同工作而得到强化，道床承载能力大大提高，同时也减小了地下水对整体道床的影响，仰拱结构与隧道拱墙一起承受围岩压力，形成一个稳定的整体。
本发明提供的富水软弱地层重载铁路隧道的基底加固体系，在仰拱结构安装排水管道，以便于在富水软弱地层地质处将初期支护和土壤之间的积水及时排除，在隧道应用过程中，重载列车驶过后产生的震动能够使得富水软弱地层中的水析出，而析出的水会集中在两种密度相差过大的介质之间(初期支护和土壤之间)，长期作用下会导致初期支护和土壤产生积水坑，积水坑处的强度底，会发生翻浆冒泥的问题，本发明通过设置排水管道，以便时排出积水，避免进一步扩大积水坑的面积，本发明提高了隧道道床结构的整体刚度，改善了隧道基底结构的整体力学性能，能有效解决隧道基底结构隆起、沉降变形和翻浆冒泥等病害。
本发明施工方法成本较低、工艺简单、质量易于控制，克服了传统加固方法施工较困难、质量不易控制、费用较高等诸多缺点，解决了轴重在28t以上的重载列车循环荷载作用下的富水软弱地层中，传统加固方法不能有效提高道床的承载能力的问题，能保证重载铁路隧道长期运营的安全稳定，实现免维修、少维修建造目标，经济和社会效益显著。
附图说明
图1为本发明基底加固体系的结构示意图。
图2为图1的俯视图。
图3为图1的A-A剖视图。
图4为本发明施工方法的施工流程图。
图中：1—灌注桩，2—混凝土板，3—仰拱结构，4—纵梁，5—横梁，6—排水管道，7—排水渠，8—基岩，9—仰拱填充层，10—初期支护，11—排水横管，12—灌注桩钢筋笼，13—纵梁钢筋骨架，14—横梁钢筋骨架，15—混凝土板钢筋骨架。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1～3所示，本实施例提供一种富水软弱地层重载铁路隧道的基底加固体系，包括灌注桩1、混凝土板2、仰拱结构3，灌注桩1、混凝土板2之间设置有纵梁4、横梁5，纵梁4沿隧道纵向设置，横梁5沿隧道横向设置，仰拱结构3固定有若干排水管道6，该排水管道6的底端伸入到仰拱结构3的下方，排水管道6的顶端与隧道内的排水渠7连通，用于将仰拱结构3下方的积水及时排出。
灌注桩1的底端与基岩8连接，灌注桩1的底端伸入基岩8中，灌注桩1贯穿仰拱填充层9、仰拱结构3和初期支护10，将仰拱填充层9、仰拱结构3、初期支护10和基岩8连接成一个整体。
纵梁4、横梁5和混凝土板2采用整体灌注形成，与灌注桩1形成一个稳定的整体。
为了防止初期支护和土壤产生积水坑，从而导致翻浆冒泥的问题，排水管道6设置于相邻四个灌注桩1的中心位置，排水管道6的底端伸入到初期支护10的下表面，排水管道6的顶端端口通过三通管道连接排水横管11，排水横管11与隧道内的排水渠7连通。
为了防止初期支护和土壤之间产生积水冒出，仰拱结构3上表面的灌注桩桩孔边缘、排水管道安装孔边缘作防水处理。
如图4所示，本实施例提供一种富水软弱地层重载铁路隧道的基底加固体系的施工方法，包括以下步骤：
(1)清扫基面，并采用夯土机械对基面进行夯实，保证施工的安全性，同时根据施工图纸确定并定位灌注桩1的位置，根据待施工灌注桩1的位置对应规划泥浆排出的方式；
采用四根钢筋围绕灌注桩轴心设置并对角线连接构成十字护桩，十字护桩通过水泥砂浆固定在基面上；
十字护桩的中心位置设置护筒，护筒与十字护桩的中心同轴，采用钻头挖出护筒安装孔，并利用桩机将护筒打入护筒安装孔内，最后安装钻机；
(2)采用钻机在指定位置钻灌注桩桩孔，配合供水，使得灌注桩桩孔的深度达到基岩，以便于得到坚固的支撑面；
当钻孔完毕后，通过泥浆泵配合管道向灌注桩桩孔底部灌注沉淀池中的泥浆，通过新注入的泥浆将灌注桩桩孔中含有浮渣的泥浆替换，当溢流出的泥浆连续没有浮渣后，再利用抽吸泵将灌注桩桩孔中的泥浆抽出，然后测量孔深；
(3)向灌注桩桩孔内放置灌注桩钢筋笼12，在钢筋笼的中部设置管道，钢筋笼和管道均为节状拼接结构，其中管道的拼接处需要保证密封，灌注桩钢筋笼中的竖直主筋延伸至混凝土板钢筋骨架所在的位置；
(4)将注浆管安装到灌注桩钢筋笼12上方，由注浆管向桩孔内灌注混凝土，灌注桩穿透整体道床板下方的仰拱填充层9、仰拱结构3和初期支护10，深入至稳定牢固基岩8，灌注完成后将管道逐节抽出，之后待灌注桩1凝固成型去除护筒；
(5)在相邻四个灌注桩1的中心位置钻若干个排水管道用的安装孔，排水管道6的底端伸入到初期支护10的下表面，排水管道6的顶端端口通过三通管道连接排水横管11，排水横管11连接隧道内的排水渠7，然后在仰拱结构3上表面的灌注桩桩孔边缘、排水管道安装孔边缘作防水处理；
(6)以灌注桩钢筋笼12的主筋为固定点绑扎纵梁钢筋骨架13和横梁钢筋骨架14，以及在纵梁钢筋骨架13和横梁钢筋骨架14上方绑扎混凝土板钢筋骨架15，将灌注桩钢筋笼12的主筋、纵梁钢筋骨架13、横梁钢筋骨架14和混凝土板钢筋骨架15绑扎在一起；
(7)制作模板，浇筑纵梁4、横梁5与混凝土板2，纵梁4沿隧道轴线方向整体浇筑，横梁5沿垂直隧道轴线方向整体浇筑，混凝土板2整体浇筑；
(8)拆除模板；
(9)填筑仰拱填充层9。
步骤(1)中泥浆排出的方式包括：根据灌注桩的位置相邻挖设泥浆收集池，泥浆收集池通过挖沟渠联通外部独立挖设的沉淀池，沉淀池中设置用于排泥浆的泥浆泵，同时沉淀池内配备搅拌装置，用于搅拌泥浆待用。
步骤(1)中护筒的高度4～5m，护筒的直径为0.3～0.5m。
步骤(2)中在进行钻孔过程中，需要根据深度对地质进行取样，一般2～3米取样一次。
步骤(2)中向桩孔内注入的泥浆为人工去除沉淀池中的浮渣，并通过搅拌装置搅拌泥浆，使得泥浆的含砂率低于2％，手摸无明显的颗粒感的泥浆。
步骤(2)中在完成的桩孔周围砌上围墙，围墙高20～30cm，并盖上防护板，且围墙和防护板在灌注桩凝固成型后拆除。
步骤(4)中桩孔内灌注的混凝土为水下混凝土。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
Claims (4)
1.一种富水软弱地层重载铁路隧道的基底加固体系施工方法，其特征在于：
加固体系包括灌注桩(1)、混凝土板(2)、仰拱结构(3)，灌注桩(1)、混凝土板(2)之间设置有纵梁(4)、横梁(5)，所述纵梁(4)沿隧道纵向设置，所述横梁(5)沿隧道横向设置，所述仰拱结构(3)固定有若干排水管道(6)，该排水管道(6)的底端伸入到仰拱结构(3)的下方，排水管道(6)的顶端与隧道内的排水渠(7)连通，用于将仰拱结构(3)下方的积水及时排出；
所述灌注桩(1)的底端与基岩(8)连接，灌注桩(1)的底端伸入基岩(8)中，所述灌注桩(1)贯穿仰拱填充层(9)、仰拱结构(3)和初期支护(10)，将所述仰拱填充层(9)、仰拱结构(3)、初期支护(10)和基岩(8)连接成一个整体；
所述纵梁(4)、横梁(5)和混凝土板(2)采用整体灌注形成，与灌注桩(1)形成一个稳定的整体；
所述排水管道(6)设置于相邻四个灌注桩(1)的中心位置，所述排水管道(6)的底端伸入到初期支护(10)的下表面，所述排水管道(6)的顶端端口通过三通管道连接排水横管(11)，所述排水横管(11)与隧道内的排水渠(7)连通；
所述仰拱结构(3)上表面的灌注桩桩孔边缘、排水管道安装孔边缘作防水处理；
施工的具体步骤如下：
A、施工灌注桩(1)；
(A1) 清扫基面，并采用夯土机械对基面进行夯实，保证施工的安全性，同时根据施工图纸确定并定位灌注桩的位置，根据待施工灌注桩的位置对应规划泥浆排出的方式；
采用四根钢筋围绕灌注桩轴心设置并对角线连接构成十字护桩，十字护桩通过水泥砂浆固定在基面上；
十字护桩的中心位置设置护筒，护筒与十字护桩的中心同轴，采用钻头挖出护筒安装孔，并利用桩机将护筒打入护筒安装孔内，最后安装钻机；
(A2) 采用钻机在指定位置钻灌注桩桩孔，配合供水，使得灌注桩桩孔的深度达到基岩，以便于得到坚固的支撑面；
当钻孔完毕后，通过泥浆泵配合管道向灌注桩桩孔底部灌注沉淀池中的泥浆，通过新注入的泥浆将灌注桩桩孔中含有浮渣的泥浆替换，当溢流出的泥浆连续没有浮渣后，再利用抽吸泵将灌注桩桩孔中的泥浆抽出，然后测量孔深；
(A3) 向灌注桩桩孔内放置灌注桩钢筋笼，在钢筋笼的中部设置管道，钢筋笼和管道均为节状拼接结构，其中管道的拼接处需要保证密封，灌注桩钢筋笼中的竖直主筋延伸至混凝土板钢筋骨架所在的位置；
(A4) 将注浆管安装到灌注桩钢筋笼上方，由注浆管向桩孔内灌注混凝土，灌注桩穿透整体道床板下方的仰拱填充层、仰拱结构和初期支护，深入至稳定牢固基岩，灌注完成后将管道逐节抽出，之后待灌注桩凝固成型去除护筒；
B、通过预埋或者钻孔安装的方式在仰拱结构(3)上设置排水管道(6)，排水管道(6)的底端伸入到仰拱结构(3)的下方，排水管道(6)的顶端与隧道内的排水渠(7)连通，然后在仰拱结构(3)的上表面作防水处理，具体如下：
在相邻四个灌注桩（1）的中心位置钻若干个排水管道用的安装孔，排水管道（6）的底端伸入到初期支护（10）的下表面，排水管道（6）的顶端端口通过三通管道连接排水横管（11），排水横管（11）连接隧道内的排水渠（7），然后在仰拱结构（3）上表面的灌注桩桩孔边缘、排水管道安装孔边缘作防水处理；
C、以灌注桩钢筋笼（12）的主筋为固定点绑扎纵梁钢筋骨架（13）和横梁钢筋骨架（14），以及在纵梁钢筋骨架（13）和横梁钢筋骨架（14）上方绑扎混凝土板钢筋骨架（15），将灌注桩钢筋笼（12）的主筋、纵梁钢筋骨架（13）、横梁钢筋骨架（14）和混凝土板钢筋骨架（15）绑扎在一起；制作模板，浇筑纵梁（4）、横梁（5）与混凝土板（2），纵梁（4）沿隧道轴线方向整体浇筑，横梁（5）沿垂直隧道轴线方向整体浇筑，混凝土板（2）整体浇筑；
D、拆除模板；
E、填筑仰拱填充层，得到所述基底加固体系。
2.根据权利要求1所述富水软弱地层重载铁路隧道的基底加固体系的施工方法，其特征在于，所述步骤(A1)中，泥浆排出的方式包括：根据灌注桩的位置相邻挖设泥浆收集池，泥浆收集池通过挖沟渠联通外部独立挖设的沉淀池，沉淀池中设置用于排泥浆的泥浆泵，同时沉淀池内配备搅拌装置，用于搅拌泥浆待用。
3.根据权利要求1所述富水软弱地层重载铁路隧道的基底加固体系的施工方法，其特征在于，所述步骤(A2)中，在进行钻孔过程中，需要根据深度对地质进行取样，一般2～3米取样一次。
4.根据权利要求1所述富水软弱地层重载铁路隧道的基底加固体系的施工方法，其特征在于，所述步骤(A4)中，桩孔内灌注的混凝土为水下混凝土。
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