一种无砟轨道铁路隧道底部隆起变形风险等级的分级方法

技术领域

本发明涉及隧道工程地质勘察领域，特别涉及一种无砟轨道铁路隧道底部隆起变形风险等级的分级方法。

背景技术

我国高速铁路主要采用无砟轨道结构，但由于无砟轨道对轨道地基的变形灵敏度极高，即轨道地基毫米级的变形就会影响无砟轨道的平顺性，出现安全隐患，从而对高速铁路的正常运营（无砟轨道的状态直接影响高速铁路列车运行的速度、安全性和舒适度）造成影响，因此，无砟轨道的施工对轨道地基结构的变形控制要求也就十分严格。尤其是对无砟轨道隧道底部的隆起变形控制问题，因其受隧道边墙、拱顶和拱腰等多个部位和因素的综合影响，导致其在进行安全性判断时，难度更大，成为了目前无渣轨道铁路隧道工程施工过程中需要面对的一个棘手难题。

同时，随着近十年来我国已经建成或准备新建的铁路隧道逐渐向着断面更大、速度更快、埋深更大、地应力更高、地质条件更复杂的趋势发展，导致隧道建设难度也越来越大。特别是在西部复杂地质的山区，随着更多复杂地质条件以及更高地应力环境下的长、大、深埋隧道工程的开挖，为了降低围岩可能出现的位移大、变形量大、持续时间长的软岩大变形特征的影响，给出更多能够有效控制隧道大变形问题的针对性施作措施，国内学者对隧道底部隆起变形破坏机理、上拱原因及整治措施开展了大量研究并取得了一些研究成果，也提出了多种隧道底部隆起大变形的判识方法与控制技术，如：专利公开号CN111425252A 隧道构造软岩大变形分级方法；专利公开号CN112832863A 适用于超高地应力作用下软岩隧道变形等级的分级方法；专利公开号CN110513146A 一种勘察设计阶段隧道围岩大变形分级方法等。

然而，上述变形分级方法虽然也属于是对隧道变形的判识，但均是针对隧道大变形的判识；并且，几毫米到几厘米（5-100mm）的隆起变形量在上述分级方法中，属于小变形范畴，也不会对隧道结构和普通的列车运营造成影响，但几毫米到几厘米（＞5mm）的隆起变形量却会对无砟轨道造成显著影响，影响高铁的正常运营，其中5~20mm可通过调整轨道扣件消除隆起变形的影响，但＞20mm的变形量则需进行病害专项整治。因此，现有的隧道变形等级的分级方法并不适用于无砟轨道铁路隧道底部隆起变形风险的判识，即现有的隧道底部隆起变形分级方法，不能针对无砟轨道铁路隧道底部隆起变形的风险进行准确的分级，导致隧道开挖或者后期隧道维护过程中采用的支护结构安全性和稳定性不足，致使无砟轨道铁路隧道存在隧道底部隆起变形灾害的风险。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的隧道变形分级方法不能根据无砟轨道对隧道地基的变形要求而对隧道底部隆起变形进行准确的分级的缺陷，提出了一种无砟轨道铁路隧道底部隆起变形风险等级的分级方法，该分级方法根据无砟轨道对铁路地基的要求，针对性的选择和调整能影响隧道底部隆起变形的因素，从而能更准确的对待研究隧道段的底部隆起变形进行分级，也更适合用于无砟轨道铁路隧道底部隆起变形的判识，进而为采取更加有利于提高待研究隧道段安全性及稳定性的支护结构提供技术支持，对降低隧道可能出现影响无砟轨道正常运行的底部隆起变形灾害的概率和保证高铁的正常运营具有积极作用。

为了实现上述发明目的，本发明提供了一种无砟轨道铁路隧道底部隆起变形风险等级的分级方法，包括以下步骤：

S1、获取待研究隧道段落的设计开挖跨度、水平最大初始地应力、岩层厚度、岩层倾角和岩石单轴饱和抗压强度；

S2、根据步骤S1获取的设计开挖跨度、水平最大初始地应力、岩层厚度、岩层倾角和岩石单轴饱和抗压强度对待研究隧道进行筛选，得到可能存在底部隆起变形的隧道段落；

其中，所述的可能存在底部隆起变形的隧道段落筛选条件为：设计开挖跨度为中等、大或特大跨度，岩层厚度不大于1.0m，岩层倾角不大于30°，岩石单轴饱和抗压强度不大于30Mpa，水平最大初始地应力不小于8MPa；

S3、根据步骤S2中筛选得到的可能存在底部隆起变形的隧道段落的水平最大初始地应力和岩石天然饱和抗压强度，计算出可能存在底部隆起变形的隧道段落的岩石强度应力比，再根据可能存在底部隆起变形的隧道段落的岩石强度应力比和岩层厚度对可能发生底部隆起变形段落的风险等级进行划分。

本发明一种无砟轨道铁路隧道底部隆起变形风险等级的分级方法，以无砟轨道对轨道地基的要求和隧道底部隆起变形的影响因素为依据，通过针对性的选择从开挖跨度、水平最大初始地应力、岩层厚度、岩层倾角及岩石单轴饱和抗压强度对隧道段落进行初判断，在确定隧道段落存在对无砟轨道造成显著影响的底部隆起变形的可能性的情况下，再根据岩石强度应力比和岩层厚度确定底部隆起风险等级，使得对待研究隧道段的底部隆起变形的风险等级分级准确性显著提高，分级效率也显著提高，同时也更适合用于无砟轨道铁路隧道底部隆起变形的判识，从而为采取更加有利于提高待研究隧道段安全性及稳定性的支护结构提供技术支持，能有效降低隧道出现底部隆起变形灾害的可能性，保证高铁的正常运营。

其中，步骤S1中所述的设计开挖跨度是指隧道开挖横断面的水平最大宽度，参照《铁路隧道设计规范》TB10003-2016进行划分；具体的划分标准如下：开挖跨度大于5m且小于等于8.5m为小跨度；开挖跨度大于8.5m且小于等于12m为中等跨度；开挖跨度大于12m且小于等于14m为大跨度；开挖跨度大于14为特大跨度。根据对已发生底部隆起（变形量≥5mm）隧道的开挖跨度进行统计分析发现小跨度隧道整体结构更为稳定，底部变形很小，不会对无砟轨道的运营造成影响，底部隆起变形均发生在中等跨度及以上，因而，排除小跨度隧道存在底部隆起变形而对无砟轨道造成显著影响的可能。

其中，步骤S1中所述的水平最大初始地应力是指在施加所考虑的荷载之前土体中已存在的最大水平应力，其是引起隧道底部隆起变形的因素之一。对于水平层状软质岩层，当地应力场以自重应力为主时，隧道仰拱底部隆起变形较小，在正常变形范围内，不会导致仰拱底部隆起变形。当地应力场以水平构造应力为主，隧道仰拱底部隆起变形随着水平初始应力增大而增大，风险等级也相应增高。当水平初始应力在8MPa以下时，不会出现隧道底部隆起变形（变形量≥5mm）的可能；当水平初始地应力不小于8MPa时，就有发生隧道底部隆起变形（变形量≥5mm）的可能。可见，对于水平层状岩体，水平初始地应力因素对隧道底部隆起变形具有较大影响，且当最大水平初始地应力不小于8MPa时，隧道存在底部隆起变形并对无砟轨道造成显著影响的可能。所述的水平最大初始地应力采用实测方法或者数值反演方法获得，所述实测方法包括水压致裂法、声发射法和扁千斤顶法；优选的，所述的水平最大初始地应力优先采用实测方法获取，若不能采用实测方法获得水平最大初始地应力，则采用数值反演方式获取；通过实测方法获取的水平最大初始地应力更准确，对可能发生底部隆起变形段落的风险等级的分级也更准确。

其中，步骤S1中所述的岩层厚度是指岩层的两个平行界面之间的垂直距离；隧道底部的水平层状岩体可以看成组合梁结构，组合梁结构的刚度影响其弯折效应，在水平构造应力作用下，隧道仰拱表现为底部隆起变形现象，且隧道仰拱中部底部隆起变形量最大，两侧墙脚处底部隆起变形最小。在高地应力条件下，层状岩层类型对仰拱最大压应力的影响大小为：薄层>中厚层>厚层>巨厚层，且层状岩层单层厚度越小，仰拱所受压应力越大，且最大压应力均出现在仰拱中部。发生隧道底部隆起变形现象（变形量≥5mm）岩层厚度多为薄层～中厚层，少量为较厚层～厚层，巨厚层岩层发生隧道底部隆起变形的可能性小（变形量＜5mm）。岩层厚度参照《岩土工程勘察规范》GB50021-2001进行划分，具体的划分标准如下：岩层厚度大于1.0m为巨厚层；岩层厚度大于0.5m小于等于1.0m为厚层；岩层厚度大于0.1m小于等于0.5m为中厚层；岩层厚度小于等于0.1m为薄层；因此，当岩层厚度不大于1.0m时，隧道存在底部隆起变形并对无砟轨道造成显著影响的可能。

其中，步骤S1中所述的岩层倾角是指岩层层面的倾斜线与水平面所投影的锐角,表示岩层在空间倾斜角度的倾斜程度；层状岩层倾角不同，隧道破坏模式也不同，顺隧道轴线的陡倾斜岩层易在边墙部位发生劈裂后弯折外鼓变形；倾斜岩层在开挖卸荷失去支撑，易在隧道拱部发生沿结构面剪切滑移或另一侧的顺层偏压；缓倾岩层易在开挖后拱顶或仰拱发生下沉或上拱。通过对多座（不少于10座）底部隆起变形（变形量≥5mm）的隧道基底岩层倾角的统计，岩层倾角多为近水平或小于15°产出，一般不超过30°，因此，当隧道岩层倾角不大于30°时，隧道存在底部隆起变形并对无砟轨道造成显著影响的可能。

其中，步骤S1中所述的岩石单轴饱和抗压强度是指按照标准规定（《工程岩体试验方法标准》GBT 50266-2013），岩石试样达到饱和含水状态下的单轴抗压强度；发生隧道底部隆起变形（变形量≥5mm）地层岩性主要为白垩系（K）、侏罗系（J）、三叠系（T）泥页岩、砂岩等软质岩，岩石单轴饱和抗压强度8.4～26.75MPa，平均值为14.90MPa，标准值为12.86MPa。可见，隧道底部隆起变形岩石主要为软岩或较软岩，即隧道岩石单轴饱和抗压强度不大于30MPa时，隧道存在底部隆起变形并对无砟轨道造成显著影响的可能。

其中，优选的，步骤S2中对待研究隧道段落进行筛选的具体方法包括以下步骤：

S21、判断待研究隧道段落的设计开挖跨度是否为中等、大或特大跨度，若是，则进行步骤S22；若否，则待研究隧道段落没有发生底部隆起变形的可能，结束筛选；

S22、判断待研究隧道段落沿隧道轴线的岩层厚度是否不大于1.0m，若是，则进行步骤S23；若否，则待研究隧道段落没有发生底部隆起变形的可能，结束筛选；

S23、判断待研究隧道段落的岩层倾角是否不大于30°，若是，则进行步骤S24；若否，则待研究隧道段落没有发生底部隆起变形的可能，结束筛选；

S24、判断待研究隧道段落的岩石单轴饱和抗压强度是否不大于30MPa，若是，则进行步骤S25；若否，则待研究隧道段落没有发生底部隆起变形的可能，结束筛选；

S25、判断待研究隧道段落的水平最大初始地应力是否不小于8MPa，若是，则进行步骤S3；若否，则待研究隧道段落没有发生底部隆起变形的可能，结束筛选。

其中，步骤S2对待研究隧道段落进行筛选的优选方法中，各步骤的顺序对筛选的结果没有影响，也不会影响可能发生底部隆起变形段落的风险等级分级结果，但优选方法中的顺序，是根据待研究隧道段落的特征对隧道底部隆起变形的影响重要程度而进行的，越前面的筛选特征，越容易获取，也更容易筛选，从而可以更快的排除没有发生底部隆起变形的可能的隧道段落，节约筛选时间，分级速度更快。

其中，步骤S3中，所述的岩石强度应力比是岩石单轴饱和抗压强度与初始地应力大小的相对关系的定量指标；岩石强度应力比能很好的表征岩体相对初始应力场情况，反映隧底岩石抵抗挤压变形的能力，一般岩石强度应力比越小，发生隧道底部隆起变形的风险越大，根据对多座（不少于10）隧道底部隆起变形（变形量≥5mm）的案例分析，岩石强度应力比均小于4，一般位于0.5～2，属极高应力，并可划分为4～2、2～1、1～0.5，≤0.5共四个区间。

其中，步骤S3中，通过岩石强度应力比和岩层厚度对可能发生底部隆起变形段落的风险等级进行分级的原理是：岩石强度应力比表征岩体相对初始应力场情况，发生底部隆起变形隧道（变形量≥5mm）的初始地应力场均在高地应力区间（岩石强度应力比小于4），且地应力高低直接影响隧道底部隆起变形风险高低和变形量大小；在高地应力条件下，岩层厚度对仰拱最大压应力的影响大小为：薄层>中厚层>厚层>巨厚层，且层状岩层单层厚度越小，仰拱所受压应力越大，底部隆起变形风险越高，变形量也可能会越大，且最大压应力均出现在仰拱中部，底部隆起变形也更大概率的出现在仰拱中部。发生隧道底部隆起变形现象（变形量≥5mm）岩层厚度多为薄层～中厚层，少量为较厚层～厚层，巨厚层岩层发生隧道底部隆起变形的可能性最小。因此，隧道底部隆起的风险等级与岩石强度应力比和岩层厚度强直接相关，是作为隧道底部隆起风险等级分级的两项关键指标。

其中，步骤S3中，风险等级的具有划分方法包括以下步骤：

步骤S31：对岩层厚度和岩石强度应力比进行分级赋值；

步骤S32：分别以岩层厚度和岩石强度应力比的赋值作为指标因子

其中，步骤S31中通过对岩层厚度和岩石强度应力比进行分级赋值，能更准确和更直观的对隧道底部隆起变形风险进行分级，具体分级赋值如下表：

其中，步骤S32中，具体风险等级分级如下表：

其中，优选的，风险等级的具体划分方法还包括步骤S33：根据风险等级以及基底岩石内部积聚应变能的强弱程度，判断得到相应的隧道底部隆起的变形程度、围岩及变形特征和处理预案；具体内容如下表：

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明隧道底部隆起变形风险等级的分级方法能根据岩石强度应力比和岩层厚度确定底部隆起风险等级，使得对待研究隧道段的底部隆起变形风险等级的评估准确性显著提高，更适合用于无砟轨道铁路隧道底部隆起变形的判识。

2、本发明隧道底部隆起变形风险等级的分级方法以无砟轨道对轨道地基的要求和隧道底部隆起变形的影响因素为依据，通过针对性的选择从开挖跨度、水平最大初始地应力、岩层厚度、岩层倾角及岩石单轴饱和抗压强度对隧道段落进行初判断，能有效减少工作量，缩短分级时间，提高分级效率。

3、本发明隧道底部隆起变形风险等级的分级方法精度高、针对性强、分级方法简单、可靠，为无砟轨道隧道工程的安全施工提供技术保障，尤其是能有效降低隧道出现底部隆起变形灾害的可能性，保证高铁的正常运营。

附图说明：

图1为本发明无砟轨道铁路隧道底部隆起变形风险等级的分级方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1：

S1：西成客专设计时速250km/h，赵家岩隧道为双线隧道。获取待研究隧道段落的相关资料，其中待研究段地层岩性为三叠系下统铜街子组二段钙质页岩夹泥灰岩、泥质灰岩，围岩级别为III~IV级，岩层厚度以极薄层为主，层厚多为1-5mm，一般层间结合较好，岩层倾角最小为10°，钙质页岩、泥灰岩、泥质灰岩单轴饱和抗压强度标准值分别为13.0 MPa、21.3 MPa、17.9MPa，水平最大初始地应力平均为11.3MPa，并与隧道轴线垂直；

S2：根据步骤S2中可能存在底部隆起变形的隧道段落筛选条件对赵家岩隧道待研究段是否发生底部隆起变形进行初步筛选判定：（1）隧道为250km/h双线隧道，隧道属于特大跨度；（2）水平最大初始地应力11.3MPa＞8MPa；（3）岩层厚度为1-5mm＜1m；（4）岩层倾角最小为10°＜30°；（5）岩石单轴饱和抗压强度最大为21.3MPa＜30MPa；因此，判断赵家岩隧道待研究段为可能存在底部隆起变形的隧道段落；

S3:根据隆起变形的分级标准对赵家岩隧道待研究段进行底部隆起变形分级：（1）岩层厚度为1-5mm，属于薄层，岩层厚度因子

实施例2

S1:遂成铁路设计时速200km/h，云顶隧道为双线隧道。获取待研究隧道段落的相关资料，其中待研究段地层岩性为侏罗系上统蓬莱镇组泥岩、泥岩夹砂岩,含脉状石膏1-3mm，围岩级别为III级，岩层为中厚层，岩层近水平，岩石单轴饱和抗压强度4.4MPa，水平最大初始地应力为9.5-13.7MPa，与轴线夹角49°-90°；

S2:根据步骤S2中可能存在底部隆起变形的隧道段落筛选条件对云顶隧道待研究段是否发生底部隆起变形进行初步筛选判定：（1）隧道为200km/h双线隧道，隧道属于大跨度；（2）水平最大初始地应力9.5-13.7MPa＞8MPa；（3）岩层为中厚层，岩层厚度为0.1~0.5m＜1m；（4）岩层近水平，倾角＜30°；（5）岩石单轴饱和抗压强度最大为4.4MPa＜30MPa。因此，判断云顶隧道为可能存在底部隆起变形的隧道段落；

S3: 根据隆起变形的分级标准对云顶隧道待研究段进行底部隆起变形分级：（1）岩层厚度中厚层，岩层厚度因子

在实际工程中，西成客专赵家岩隧道和遂成铁路云顶隧道的上述段落在施工中的底部隆起变形现象参照风险等级的分级描述可判定的风险等级分别为极强和强烈，采用本发明分级方法得到的底部隆起风险等级与实际情况完全吻合，可见本方案能够较为准确地对待研究隧道的底部隆起变形情况进行确认，进而保证了隧道修建和维护过程中根据底部隆起风险等级采取准确的支护方式，保证隧道的安全性。

对比例1

采用《隧道设计规范》TB 10003-2016中的规定，赵家岩隧道待研究段落围岩岩层为薄层，根据表B.1.3-1，岩体完整程度指数取0.35，由钙质页岩、泥灰岩、泥质灰岩的岩石强度应力比分别为1.2、1.9、1.58换算岩体强度应力比为0.42、0.67、0.55；根据表12.5.3，岩体强度应力比为0.25~0.5划分为I级大变形，0.15~0.25划分为II级大变形，小于0.15划分为III级大变形，仅少部分岩性为钙质页岩的岩体强度应力比为0.42的待研究段落可认定为I级大变形，其余可能发生底部隆起的段落认定为无大变形风险。

对比例2

采用《隧道设计规范》TB 10003-2016中的规定，云顶隧道待研究段落围岩岩层为中厚层，根据表B.1.3-1，岩体完整程度指数取0.55，由岩石强度应力比分别为0.9-1.0换算岩体强度应力比为0.5~0.55；根据表12.5.3，岩体强度应力比为0.25~0.5划分为I级大变形，0.15~0.25划分为II级大变形，小于0.15划分为III级大变形，待研究段落认定为无大变形风险。

通过实施例和对比例的风险评估过程和结果进行对比分析可以发现，采用现有大变形分级方法对西成客专赵家岩隧道和遂成铁路云顶隧道进行分级判断的结果为大部分段落无大变形风险，即不需采用针对性的变形防控措施，但实际上这些段落均有底部隆起现象，且对无砟轨道的正常运营造成显著影响：云顶隧道共6段发生晃车、衬砌开裂等，其中变化最大的轨面标高较精调后抬升了近17mm，采用锚索和锚杆加固措施进行病害整治处理后，减缓了上拱速率，变形仍在发展，后续监测到的最大累积变形量69.75mm；赵家岩隧道共7段351m发生底部隆起现象，最大变形量近60mm，采用更换仰拱、增预应力锚杆、重置无砟轨道等措施进行处置后基本控制变形。

可见，本发明隧道底部隆起变形的分级方法能更精确的评估隧道底部隆起变形的等级，更适合用于对地基精度要求更高的无砟轨道隧道底部隆起变形的评估，能为采取更加有利于提高待研究隧道段安全性及稳定性的支护结构提供技术支持，有效降低隧道出现底部隆起变形灾害的可能性，评估的结果与实际情况的吻合程度更高。

以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。