列车动载-水力耦合作用下铁路隧道道床隆起机理多尺度模拟与整治对策研究

Multi-Scale Simulation and Remediation Strategies for the Mechanism of Heave on Railway Tunnel Bed under Train Dynamic Load and Hydraulic Coupling

摘要

某高原铁路隧道穿越富水燕山期闪长岩断层带段引发道床出现隆起，对轨道平顺性影响极大。为揭示列车动载-水力耦合作用下铁路隧道道床隆起的宏-细观驱动机制，在考虑隧底结构可能面临的列车动载-水力耦合条件下，提出1种多尺度数值分析方法。结果表明：在6 s的列车动载和地下水耦合作用下，隧底虚渣孔隙率由0.4逐渐增大至0.7，地下水水头高度由50 m升高至100 m，隧底孔隙水压力增加141%，隆起位移增加212%；虚渣孔隙率保持不变时，隧底孔隙水压力增长率与水头高度的增长率保持相同，但虚渣孔隙率增大也会导致隧底孔隙水压力升高，加剧隆起病害；采取“钻孔泄压、注浆固结”整治措施后，隧底孔隙水压力峰值降低79.7%，隆起位移峰值降低至0.08 mm，隆起病害得到显著改善。多尺度数值分析方法可为类似病害整治研究提供参考。

Abstract

The ballast bed of a high-altitude railway tunnel, which crosses a water-rich Yanshanian diorite fault zone, has triggered upheaval, adversely affecting track smoothness. Considering the train's potential dynamic load and hydraulic coupling conditions at the tunnel base, a multi-scale numerical analysis method is proposed to reveal the macro- and micro-driven mechanisms of ballast bed upheaval under coupled train dynamic load and hydraulic effects. The results indicate that, within 6 seconds of coupled train dynamic load and groundwater action, the porosity of the ballast bed gradually increases from 0.4 to 0.7. As the groundwater head rises from 50 m to 100 m, the pore water pressure at the tunnel base increases by 141%, and the uplift displacement increases by 212%. When the ballast porosity remains constant, the growth rate of pore water pressure at the tunnel base is consistent with that of the water head, yet an increase in ballast porosity intensifies pore water pressure, further exacerbating the upheaval issue. After adopting the remediation measures involving “borehole pressure relief and grouting consolidation”, the peak pore water pressure at the tunnel base is reduced by 79.7%, and the peak uplift displacement is reduced to 0.08 mm, substantially mitigating the upheaval problem. The proposed multi-scale simulation method serves as a reference for similar studies.

Graphical abstract

关键词

铁路隧道 / 列车动载 / 地下水 / 流固耦合 / 道床隆起病害 / 多尺度模拟

Key words

Railway tunnel / Train vibration / Groundwater / Fluid-structure coupling / Ballast bed upheaval defect / Multi-scale simulation

我国铁路隧道数目日益增长，铁路隧道底部结构隆起变形、结构失稳等病害也时有发生。对于运营铁路隧道而言，一旦发生隧道底部隆起病害，将严重影响轨道平顺性，导致轨道变形移位，致使线路限速甚至停运，造成不良社会影响。

目前，针对铁路隧道底部结构隆起问题，国内外学者已经开展一系列研究。肖小文等^［1］分析了高地应力作用下缓倾互层岩体无砟轨道底部隆起的成因并给出整治方案。许召强等^［2］开展高地应力型隧道底隆的案例调研，总结出构造型高地应力隧道底部隆起的预判条件。周保安等^［3］研究了水平构造应力为主导的高地应力作用下，页泥岩隧道底部隆起机理，并给出病害预防与整治建议。以上学者们主要从高地应力角度对隧道底部隆起机理进行研究，此外，还有学者探讨了地下水对隧道底部隆起的影响。李林毅等^［4-5］采用3D打印技术，构建典型案例的高铁隧道模型及排水设施，开展隧道底部隆起的可视化模型试验，研究隧道排水量、结构外水压力和结构位移的变化规律。Fang等^［6］基于模型试验和数值模拟，研究岩溶地区运营铁路隧道仰拱结构隆起原因，并分析外水压力、排水系统堵塞程度与隧道底部结构隆起位移和内力之间的关系。

上述研究主要探讨水力或应力条件单因素影响下隧底结构隆起的机理。然而，近年来的部分研究及报道指出，在复杂地质环境与运营期荷载的影响下，隧底结构病害往往是多因素共同作用的结果。杜明庆等^［7］开展隧道仰拱底鼓机理有限元模拟研究，将铁路隧道底鼓原因概括为围岩静载、列车动载以及仰拱填充自身特征3部分。李自强等^［8］依托瓦日铁路太行山隧道基底结构病害问题，研究了地下水和列车荷载长期作用下重载铁路隧道底部围岩损伤规律。薛继连^［9］依托朔黄铁路隧道底部不密实病害，采用有限元模拟分析隧底病害的主要成因。上述研究指出隧底环境的局部劣化是驱动上部结构病害的重要原因，然而多在假定局部劣化已产生的基础上展开，尚无研究揭示多因素条件下隧底局部劣化的发生机制，以及局部劣化驱动隧底结构变形病害的过程。

以某铁路隧道为工程背景，结合隧道道床隆起病害特征和地质调查结果，考虑隧底结构可能面临的列车动载-水力耦合条件，提出1种多尺度数值分析方法。该方法采用离散元法分析细观尺度下动载-水力耦合作用隧底虚渣颗粒流失特征，采用有限差分法建立宏观尺度隧道-地层数值模型并在水力边界下计算分析道床隆起特征。分析计算结果，揭示列车动载-水力耦合作用下铁路隧道道床隆起的宏-细观驱动机制，提出相应的整治对策，为类似病害整治提供参考。

1 工程概况

1.1　设计概况

某铁路隧道为国铁Ⅰ级客货共线单线非电气化铁路，设计速度120 km · h^—1，山体高程为3 780~4 530 m，地势陡峻，地表冲沟发育^［10］。隧道K128+700—K128+800段埋深约98 m，位于逆断层带间，地下水以浅部风化裂隙网状水和深部构造裂隙脉状水形式存在，岩体裂隙为发育-较发育，利于地下水补给。

图1为Ⅲ级围岩衬砌断面图。隧道仰拱厚度35 cm，采用CRTS Ⅰ型双块式无砟轨道，道床板为现浇C40钢筋混凝土结构，设计宽度2.9 m，轨下部位设计厚度为27.5 cm，整体道床内轨顶面至道砟底设计高度51.5 cm，距仰拱距离146 cm^［10］。锚杆长2.5 m，环、纵向间距均为1.5 m。初期支护C25喷射混凝土设计厚度10 cm，2次衬砌采用C30混凝土，设计厚度35 cm。

1.2　现场查勘概况

2018年9月，K128+700—K128+800段存在道床隆起，此间正值汛期，沿线降雨频繁，道床隆起最大值达12 mm。

2018年10月，K128+728—K128+765里程段共选取7处进行钻孔勘察和排水泄压。钻孔结果表明，混凝土芯样骨料完整性和胶结性较好，底部为完整性较好的闪长岩（试验单轴抗压强度达150 MPa），但K128+728处钻孔芯样混凝土与底部基岩之间存在约15 cm厚虚渣，粒径均在5 cm以下，钻孔芯样如图2所示，钻孔后地下水均逐渐溢出至道床板表面。

2019年5月，对K128+700—K128+800段再次查勘，地下水位与道床板持平，隧底结构处于饱水状态。泄压孔附近存在大量细砂，粒径在0.1~1.0 cm之间，存在混凝土碎块等不同尺寸细小颗粒物，粒径均在5 cm以下，现场勘查情况如图3所示。

2019年7月，发现病害段局部侧沟底部有杂物及水质结晶物，堆积高度约25 cm，清理后发现沟内流水由此窜入道床下部，致使道床下部处于饱水状态。

现场勘察和钻孔揭露地层结果表明，隧道病害段围岩条件良好，基岩完整且强度高，洞周未揭示高水平地应力与高水压力，隧道仰拱混凝土完整性和胶结性较好。然而，段落内仰拱与隧底基岩之间普遍存在一定厚度虚渣，且该段落线路上行揭示节理密集带，汛期易与地表降水贯通形成高水头径流通道，沿地层节理汇入下游虚渣层内，在道床与仰拱下方形成1个饱水层。在此基础上，若长时间经受列车循环动载等外力作用，虚渣结构有可能逐渐趋于松散，水压力逐渐作用于仰拱及道床底部，最终出现道床隆起病害。

2 隧道道床隆起机理多尺度分析模型

2.1　分析方法

采用数值模拟方法分析动载-水力耦合作用下铁路隧道道床隆起病害成因。由于该问题涉及水力与动力等外界条件，涵盖工程尺度下连续介质变形特征与细观尺度下非连续介质的结构演化，采用单一的数值计算方法很难准确描述。提出1种离散元与有限差分计算方法相结合的多尺度分析方法，分析流程如下。

（1）建立大尺度地层-隧道有限差分模型，计算与地表降水贯通形成径流通道的水头高度，并施加在隧底虚渣外边界。在初始状态下，由于细颗粒未流失，虚渣层较为密实，计算隧底结构孔隙水压力和隆起位移。

（2）建立列车动载和渗流耦合作用下隧底局部离散元模型，分析列车动载-水力耦合作用下隧底虚渣颗粒迁移情况，若列车动载和水压力等外力导致虚渣结构趋于松散，则虚渣结构孔隙率会增大，渗透系数也会变化^［11］。松散虚渣的孔隙率通过离散元数值模拟监测得到，再根据Korzeny^［12］和Carman^［13-14］提出的K-C方程确定松散虚渣渗透系数。

k=\frac{n^{\mathrm{3}}}{\mathrm{5}{(\mathrm{1}-n)}^{\mathrm{2}}}{(\frac{D_{\mathrm{e}\mathrm{f}\mathrm{f}}}{\mathrm{6}})}^{\mathrm{2}}（1）

式中：k为渗透系数，m · s^—1；n为孔隙率；D_eff为多孔介质的平均有效粒径，m。

（3）根据离散元计算得到列车动载和渗流耦合作用下虚渣趋于松散状态时的孔隙率，根据K-C方程求得松散虚渣的渗透系数，通过修改有限差分模型中虚渣区域渗透系数和孔隙率，计算隧底虚渣层细颗粒迁移后（即虚渣趋于松散状态）隧底结构的孔隙水压力和隆起位移。

2.2　地层-隧道有限差分模型

结合病害段钻孔资料，选取典型断面K128+728，采用有限差分软件FLAC^3D建立地层-隧道有限差分模型，如图4所示。该模型横向（X轴）和竖向（Z轴）长度均为100 m，隧道纵向（Y轴）长度为1 m。该断面隧道埋深约为100 m，因此在模型顶部施加等效竖向均布应力1.425 MPa。

模型中岩体和虚渣采用摩尔库伦本构模型；初支、二衬、仰拱填充、道床板以及钢轨等实体单元采用弹性本构模型。闪长岩的物理力学参数依据地勘资料确定，混凝土和钢轨等结构物理力学参数依据相关规范^［15-16］确定。虚渣层可以看作大量破碎岩渣和少量混凝土的混合物，因此密实虚渣的物理力学参数依据标准TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》推荐的Ⅴ级围岩物理力学指标确定^［17］。由于虚渣内部存在空隙，虚渣的密度按照堆积密度计算，根据密实虚渣和松散虚渣对应的不同孔隙率，对完整闪长岩岩体的密度折减计算可得到不同密实状态虚渣的密度。此外，孔隙率改变会导致堆积材料的强度和模量发生改变^［18］，参考杜修力等^［19］提出的含孔隙材料有效弹性模量与孔隙率之间的定量关系式，计算得到松散虚渣的弹性模量。有限差分模型物理力学参数见表1。

2.3　隧底-道床板离散元模型

选取K128+728处典型断面，采用离散元软件PFC^3D建立隧底-道床板离散元模型，如图5所示。模型长、宽、高分别取3.8，0.2和1.1 m，包括轨道、道床板、仰拱及填充层、隧底虚渣以及底部基岩5个部分。

结合现场勘察情况，综合考虑计算效率，模型中的轨道、道床板、仰拱及填充层、基岩区域颗粒直径取0.05 m。将虚渣区域颗粒级配设定为间断级配，粒径范围0.004~0.005 m的颗粒体积占比0.10，粒径范围0.01~0.02 m的颗粒体积占比0.30，粒径范围0.02~0.03 m的颗粒体积占比0.60。虚渣区域颗粒接触本构采用线性接触模型，轨道、道床板、仰拱及填充层、基岩区域颗粒接触本构采用平行黏结模型。参考已有研究^［20-21］，确定模型颗粒细观参数见表2。

2.4　列车振动荷载

选取具有周期特征的激振力来模拟不平顺轨道上的列车振动荷载^［22］，其表达式为

F_{\mathrm{v}}(t)=F_{\mathrm{0}}+F_{\mathrm{1}}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}(w_{\mathrm{1}}t)+F_{\mathrm{2}}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}(w_{\mathrm{2}}t)+F_{\mathrm{3}}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}(w_{\mathrm{3}}t)（2）

其中，

w_i=\frac{\mathrm{2}\mathrm{\pi }v}{l_i} i=\mathrm{1,2},\mathrm{3}

F_i=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}{m}_{\mathrm{0}}{a}_i{w_i}^{\mathrm{2}}

式中：F_{\mathrm{v}}(t)为t时刻作用在单根钢轨上的列车竖向振动荷载，N；F_{\mathrm{0}}为单边静轮重，N；F_i为第i个频率的振动荷载幅值，N；w_i为第i个频率的振动圆频率，rad · s^—1；v为列车通过时的实际最高速度，m · s^—1；m_{\mathrm{0}}为列车簧下质量，kg；l_i为第i个频率的轨道几何不平顺波长，m；a_i为第i个频率的轨道高低不平顺矢高，m。

参考GB/T 51228—2017《建筑振动荷载标准》^［22］，计算得到列车振动荷载各参数取值见表3。

列车振动荷载施加在离散元模型中的2根钢轨上，由于1组列车通过计算断面时间为6 s，综合考虑离散元数值计算效率，数值模拟中列车振动荷载施加时间也为6 s，模拟1组列车通过计算断面的过程。速度120 km · h^—1列车振动荷载时程曲线如图6所示。

2.5　离散元动力边界

采用PFC^3D中推荐的黏滞透射边界作为离散元模型的动力边界，通过对模型边界处颗粒施加与颗粒运动速度方向相反的接触力，吸收模型边界处入射波产生的动能。由于入射振动荷载方向为Z轴方向，仅在模型底部设置黏滞透射边界。施加在边界颗粒的接触力F可由下式计算^［23］。

F=-\mathrm{\pi }{R}^{\mathrm{2}}C\rho \mu（3）

其中，

C=\sqrt[]{\frac{E}{\rho }}

E=\frac{k_{\mathrm{n}}}{\mathrm{\pi }R}

式中：R为颗粒半径，m；\rho为介质密度，kg · m^—3；\mu为边界处颗粒运动速度，m · s^—1，在数值模拟中通过监测获得；C为波速，m · s^—1；E为杨氏模量，GPa；k_{\mathrm{n}}为颗粒法向接触刚度，GPa。

动力边界条件参数取值见表4。

2.6　流体场与水力边界

1）离散元法流体场模拟方法

PFC^3D内置计算流体动力学CFD模块，该模块基于体积平均的粗网格方法来解决流体-颗粒相互作用问题。该方法需要在流体区域划分流体网格，通过在流体网格中求解相应方程来模拟流体对颗粒作用^［23］。

图7为隧底结构离散元流体网格划分示意图，每个正方体流体网格边长均为0.1 m，网格数量共684个，流体区域设置为模型底部至道床板顶部。通过赋予流体流速，CFD模块能够自动计算每个流体网格内单个颗粒所受拖曳力，并分配到每个颗粒上，模拟流体对颗粒的作用。

在离散元模拟中，流体流速根据隧底仰拱填充层与虚渣层接触面处监测到的振动速度设定^［24］，隧底仰拱填充与虚渣层接触面处监测点振动速度时程曲线如图8所示。由图8可知：在列车振动荷载作用下监测点颗粒振动速度最大值为1.85 m · s^—1，3 s后振动速度逐渐趋于稳定。

2）有限差分法水力边界

FLAC^3D中提供4种渗流边界条件：孔压边界、流量边界、透水边界和不透水边界^［25］。为分析水头高度上升过程中隧底结构孔隙水压力和隆起位移变化规律，模拟中在隧底虚渣外边界分别设置初始大小为0.50，0.75和1.00 MPa的孔压边界，模拟水头高度分别为50，75和100 m，其余边界均设置为不透水边界。

现场查勘情况表明，高水压力仅出现在隧底区域，因此在流固耦合计算过程中，仅将隧底仰拱填充层、道床板、虚渣层、轨枕等区域设置为渗流区域，采用各向同性渗流本构模型，其余区域不发生渗流。闪长岩和混凝土的渗透系数根据文献［26-27］中的试验研究取值；虚渣可看作多孔堆积材料，其初始渗透系数通过式（1）求得。渗流计算参数见表5，流体体积模量和流体初始张力极限值均取FLAC^3D默认值^［25］，分别为2×10⁹和-1×10¹⁵ Pa。

3 隧道道床隆起机理多尺度分析

3.1　数值模拟结果

1）细颗粒迁移位移

图9为隧底虚渣层颗粒位移计算云图。由图9可知：多数颗粒沿着两侧泄水孔向上不断迁移至轨道表面，少数颗粒沿着隧底结构间隙流向隧底结构深部；随着细颗粒的不断流失，泄水孔底部附近出现“脱空”区域，致使虚渣层中其他区域的颗粒不断向脱空区补给，进一步沿泄水孔向上迁移；随着细颗粒的不断流失，虚渣层颗粒趋于松散，脱空区域更为显著。

由于模拟是在短时间的列车动载作用下完成的，因此保留泄水孔作为细颗粒的流失通道，可以在短时间内模拟出细颗粒流失的效果。实际上，在未经人工钻孔揭示时，细颗粒仍会在长期的循环动载作用下由施工缝与细小裂隙中逐渐流失，本模拟适当加速、放大这一进程。

2）虚渣孔隙率

图10为监测点孔隙率变化曲线。由图10可知：在6 s的列车动载和地下水耦合作用下，左右泄水孔底部的孔隙率均不断增大，并最终趋于稳定；颗粒的不断流失导致虚渣由密实状态趋于松散，松散虚渣对应的孔隙率最大值为0.7，根据K-C方程计算得到松散虚渣渗透系数为3.45×10^—7 m · s^—1。

3）隧底结构孔隙水压力

通过修改有限差分数值模型中虚渣区域的孔隙率、渗透系数以及孔压边界处的水头高度，分析不同参数对隧底结构孔隙水压力的影响。由于虚渣的渗透系数是根据孔隙率求得，仅分析孔隙率对隧底结构孔隙水压力的影响。根据前文离散元数值模拟计算结果，虚渣区域孔隙率由0.4逐渐增大至0.7，因此将虚渣孔隙率分别设置为0.4，0.5，0.6和0.7，模拟细颗粒迁移后隧底虚渣由密实逐渐趋于松散状态的过程。水头高度分别取50，75和100 m，模拟水头逐渐上升的过程。在左侧轨道下方0.05 m处设置监测点，监测道床板孔隙水压力变化趋势。图11为监测点位置示意图。

图12为隧底孔隙水压力云图，图中h为水头高度。由图12可知：在虚渣密实且水头高度为50 m时，隧底结构孔隙水压力最大值为238 kPa；当虚渣趋于松散且水头高度升高至100 m时，对应孔隙水压力最大值为573 kPa，增长率达141%。

图13为孔隙水压力监测曲线。由图13可知：在不同水头高度作用下，不同密实状态虚渣对应的隧底孔隙水压力均呈现先增大后稳定的趋势。

不同水头高度监测点孔隙水压力计算结果见表6。由表6可知：在恒定高度的水头作用下，虚渣由密实状态（n=0.4）趋于松散状态（n=0.7）会引起隧底监测点孔隙水压力明显增长，并且在3种恒定水头作用下的孔隙水压力增长率均为20%左右；水头高度的升高也会导致隧底孔隙水压力明显增长，以虚渣孔隙率恒定为0.4为例，当水头高度为50，75和100 m时，对应孔隙水压力分别为238，357和476 kPa，隧底结构孔隙水压力增长率与水头高度的增长率保持一致。

4）隧底结构位移

隧底结构孔隙水压力变化也会导致隆起位移发生改变。图14为隧底位移云图。由图14可知：密实虚渣在水头高度较低时对应的隧底结构隆起位移最大值为1.19 mm，而随着虚渣趋于松散并且水头高度不断升高，对应隧底结构最大隆起位移值达到3.71 mm，增长了约212%。

图15为道床隆起位移监测曲线。由图15可知：以50 m恒定水头高度为例，随着虚渣孔隙率由0.4增大至0.7，对应的隧底监测点隆起位移最大值由0.982 mm增长至1.280 mm，增长了约30.3%。

不同水头高度监测点隆起位移计算结果见表7。由表7可知：在3种恒定高度水头作用下，虚渣孔隙率的改变均会引起隆起位移显著变化，隆起位移增长率均超过20 %，明显大于孔隙水压力的增长率；水头高度的增长也会导致道床隆起位移增大，以虚渣孔隙率为0.4为例，当恒定水头高度由50 m升高至100 m时，对应监测点隆起位移最大值由0.982 mm增大至2.470 mm，增长率达152 %，增长幅度明显大于水头高度的增长幅度。

3.2　隧底病害机理

综合现场勘查和多尺度数值模拟结果可知：在较高恒定水头作用下，初始状态时的隧底虚渣层较为密实，渗透系数较小，地下水难以与密实虚渣直接形成水力联系，此时道床隆起量较小；在列车动荷载和地下水耦合反复作用下，虚渣层中的细颗粒沿着隧底结构中的缝隙不断流失，致使虚渣层的孔隙率逐渐增大，渗透系数也相应变大；随着地下水位逐渐上升，虚渣层孔隙水压力不断增大，地下水与松散虚渣直接形成水力联系，致使较高的地下水压力直接作用于隧底结构，隧底结构孔隙水压力显著提高，受力状态发生明显改变，道床板最终出现较为严重的隆起病害。

4 隧道道床隆起整治对策

4.1　整治对策

基于前文揭示的道床隆起病害机理，提出钻设泄水孔降压、虚渣层注浆加固和锚杆锚固组合整治措施，降低道床板孔隙水压力，抑制虚渣层颗粒流失，提高隧底结构的完整性和连续性，达到病害整治目的。

4.2　数值模拟验证

为了验证组合整治措施合理性，在离散元数值模拟中，对虚渣层颗粒注浆固结，计算分析泄水孔底部孔隙率变化规律；在有限差分数值模型中增设泄水孔，并模拟相应注浆加固措施，计算得到隧底结构孔隙水压力和隆起位移的变化规律。在有限差分计算中，通过提高虚渣区的弹性模量和黏结强度模拟注浆加固效果^［28］；在离散元计算中，加固后的虚渣颗粒采用平行黏结接触模型描述^［21］。

1）细颗粒位移

图16为注浆加固后隧底虚渣层颗粒位移云图。由图16可知：对虚渣层注浆固结后，细颗粒迁移数量显著降低，虚渣层颗粒流失得到改善，但由于泄水孔的存在，仍有极少数细颗粒随水流迁移至道床板表面。

2）虚渣孔隙率

图17为注浆加固后监测点孔隙率变化情况。由图17可知：在列车动载和地下水耦合作用下，左右泄水孔底部颗粒孔隙率均稳定在0.528和0.498，说明注浆固结强化了虚渣颗粒间的连接，颗粒黏结效果较好，能够有效抑制虚渣层的颗粒流失，维持虚渣层颗粒的密实状态。

3）颗粒接触力

为了进一步分析虚渣层注浆加固前后隧底结构的受力状态，对比离散元模型中虚渣层注浆加固前后列车动载和地下水耦合作用6 s后的颗粒接触力链，如图18所示。由图18可知：注浆加固前，虚渣层颗粒间接触力较大，力链稀疏；注浆加固后，颗粒间接触数量显著增加，力链分布密集，接触力也有所降低。因此，注浆加固提高了隧底结构的完整性，改善了隧底结构的受力状态。

4）隧底结构孔隙水压力

离散元数值模拟无法直接得到隧底结构孔隙水压力变化情况，因此通过在有限差分数值模型中修改泄水孔处孔压边界条件，模拟泄水孔排水泄压效果，判断增设泄水孔前后的隧底监测点孔压变化规律。仅模拟100 m水头高度下，即模型初始孔压边界值为1.00 MPa时的整治效果，整治前后隧底监测点孔隙水压力监测曲线如图19所示。由图19可知：增设泄水孔后隧底监测点的孔隙水压力达到峰值后均明显下降，设置3个泄压孔后对应监测点的孔隙水压力峰值由573 kPa降至116.5 kPa，能够达到良好泄压效果。

5）隧底结构位移

图20为整治前后隧底监测点位移监测曲线。由图20可知：采取道床板钻孔泄压和注浆固结虚渣层颗粒措施后，道床隆起位移最大值由3.06 mm降至0.08 mm，说明提出的组合整治措施能够较好抑制道床隆起，达到病害整治的目的，保证隧道运营期间安全性。

4.3　现场应用

针对某隧道K128+700—K128+800段底部结构病害情况，为保证隧道运营安全，使隧道结构恢复至正常使用状态，提出以下整治对策：首先，核实隧道底部结构病害段范围，在道床板表面钻孔泄压；其次，对仰拱与基岩之间虚渣和孔隙进行注浆固结，同时布置锚杆锚固病害段道床板；然后，通过重建病害段排水通道将水排出隧道外；最后，同步监测注浆段道床板标高，进行线路顺接处理。图21为整治处理横断面布置图，图22为整治处理平面布置图。

2019年8月对病害段采取“仰拱钻孔泄压+注浆固结+道床板植筋锚固+重建排水通道+线路顺接”组合措施进行病害整治施工，隧道未再次出现底部隆起病害，运营正常，整治措施合理可行。

5 结论

（1）在6 s的列车动载和地下水耦合作用下，隧底虚渣孔隙率由0.4逐渐增大至0.7，地下水水头高度由50 m升高至100 m，隧底孔隙水压力峰值由238 kPa增大至573 kPa，增长率达141%，隆起位移峰值由0.982 mm增大至3.060 mm，增长率达212%，因此列车动载和地下水升高会改变虚渣层孔隙率和道床受力状态，导致道床出现隆起病害。

（2）虚渣孔隙率保持不变时，隧底孔隙水压力增长率与水头高度的增长率保持相同；在3种恒定水头高度作用下，虚渣孔隙率由0.4增大至0.7时，隧底孔隙水压力增长率均约为20%，隆起位移增长率均超过20%，虚渣孔隙率增大也会导致隧底孔隙水压力升高，加剧隆起病害。

（3）采取“钻孔泄压、注浆固结”病害整治措施后，隧底孔隙水压力峰值由573 kPa降低至116.5 kPa，隆起位移峰值由3.06 mm降低至0.08 mm，隆起病害得到显著改善，整治措施实施效果良好，多尺度分析方法可为类似病害整治提供参考。

参考文献

[1] 肖小文，王立川，阳军生，等.高地应力区缓倾互层岩体无砟轨道隧道底部隆起的成因分析及整治方案［J］.中国铁道科学，2016，37（1）：78-84.

[2] XIAO Xiaowen， WANG Lichuan， YANG Junsheng， et al. Cause Analysis and Treatment Scheme for Bottom Heave of Ballastless Track Tunnel in Nearly Horizontally Interbedded Rock Mass with High Geostress ［J］. China Railway Science， 2016， 37 （1）： 78-84. in Chinese

[3] 许召强，阳军生，陶伟明，等.高地应力型隧道底隆案例调研与发生机理研究［J］.现代隧道技术，2021，58（增1）：265-276.

[4] XU Zhaoqiang， YANG Junsheng， TAO Weiming， et al. Study on Relevant Cases and Occurrence Mechanism of Bottom Heave in Tunnel under High Geo-Stress ［J］. Modern Tunnelling Technology， 2021， 58 （）： 265-276. in Chinese

[5] 周保安，吴剑，王立川，等.基于行车安全的ZJY高铁隧道底隆致无碴轨道变形处置实践与探讨［J］.隧道建设：中英文，2021，41（3）：474-482.

[6] ZHOU Baoan， WU Jian， WANG Lichuan， et al. Practice and Discussion on Treatment of Ballastless Track Deformation of a High-Speed Railway Tunnel Caused by Floor Heave Based on Traffic Safety ［J］. Tunnel Construction， 2021， 41 （3）： 474-482. in Chinese

[7] 李林毅，阳军生，王树英，等.高铁隧道水压致灾型轨道隆起模型试验与处置对策［J］.中南大学学报（自然科学版），2022，53（4）：1341-1351.

[8] LI Linyi， YANG Junsheng， WANG Shuying， et al. Experimental Study and Treatment Measure of Track-Uplift Disease Caused by Water Pressure in High-Speed Railway Tunnel ［J］. Journal of Central South University （Science and Technology）， 2022， 53 （4）： 1341-1351. in Chinese

[9] 李林毅，阳军生，王立川，等.3D打印技术在高铁隧道仰拱隆起病害模拟试验中的应用与研究［J］.岩石力学与工程学报，2020，39（7）：1369-1384.

[10] LI Linyi， YANG Junsheng， WANG Lichuan， et al. Application and Research of 3D Printing Technology in Simulation Test of Invert Heaving Diseases of High-Speed Railway Tunnels ［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2020， 39 （7）： 1369-1384. in Chinese

[11] FANG X H， YANG J S， XIANG M L， et al. Model Test and Numerical Simulation on the Invert Heave Behaviour of High-Speed Railway Tunnels with Rainstorm ［J］. Transportation Geotechnics， 2022， 37： 100891.

[12] 杜明庆，张素磊，张顶立，等.隧道仰拱底鼓机理及列车振动荷载影响研究［J］.振动工程学报，2020，33（1）：128-138.

[13] DU Mingqing， ZHANG Sulei， ZHANG Dingli， et al. Study on Mechanism of Tunnel Invert Floor Heave and the Effect under Vibration Load of Train ［J］. Journal of Vibration Engineering， 2020， 33 （1）： 128-138. in Chinese

[14] 李自强，王明年，于丽 等.重载铁路隧道底部围岩损伤机理研究［J］.铁道学报，2019，41（7）：162-170.

[15] LI Ziqiang， WANG Mingnian， YU Li， et al. Study on Damage Mechanism of Surrounding Rock at Bottom of Heavy Haul Railway Tunnel ［J］. Journal of the China Railway Society， 2019， 41 （7）： 162-170. in Chinese

[16] 薛继连.30 t轴重下隧底密实度对隧底结构受力的影响及隧底加固效果分析［J］.中国铁道科学，2015，36（1）：90-95.

[17] XUE Jilian. Analysis of the Influence of Tunnel Bottom Compactness on Structure Stress and Strengthening Measures under 30 t Axle Load Train ［J］. China Railway Science， 2015， 36 （1）： 90-95. in Chinese

[18] 中铁第一勘察设计院集团有限公司.新建铁路拉日线拉萨至日喀则段施工图［R］.西安：中铁第一勘察设计院集团有限公司，2011.

[19] China Railway First Survey and Design Institute Group Co.， Ltd. Construction Drawings of the Lhasa-Rhikaze Section of the New Railroad Lhasa-Rhikaze Line ［R］. Xi'an： China Railway First Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， 2011. in Chinese

[20] 邓永锋，刘松玉，章定文，等.几种孔隙比与渗透系数关系的对比［J］.西北地震学报，2011，33（增1）：64-66，76.

[21] DENG Yongfeng， LIU Songyu， ZHANG Dingwen， et al. Comparison Among Some Relationships between Permeability and Void Ratio ［J］. Northwestern Seismological Journal， 2011， 33 （）： 64-66， 76. in Chinese

[22] KOZENY J. Über Kapillare Leitung Des Wassers Im Boden ［J］. Sitzungsberichte der Akademie der Wissenschaften in Wien， 1927， 136： 271-306.

[23] CARMAN P C. The Determination of the Specific Surface of Powders： I. Transactions ［J］. Journal of the Society of Chemical Industries， 1938， 57： 225-234.

[24] CARMAN P C. Flow of Gases through Porous Media ［M］. London： Butterworths Scientific Publications， 1956.

[25] 中华人民共和国住房和城乡建设部. GB 50010—2010 混凝土结构设计规范 ［S］.北京：中国建筑工业出版社，2015.

[26] Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People's Republic of China. GB 50010—2010 Code for Design of Concrete Structures ［S］. Beijing： China Architecture & Building Press， 2017. in Chinese ）

[27] 中华人民共和国住房和城乡建设部. GB 50017—2017 钢结构设计标准 ［S］.北京：中国建筑工业出版社，2015.

[28] Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People's Republic of China. GB 50017—2017 Standard for Design of Steel Structures ［S］. Beijing： China Architecture & Building Press， 2017. in Chinese ）

[29] 国家铁路局. TB 10003—2016 铁路隧道设计规范 ［S］.北京：中国铁道出版社，2017.

[30] National Railway Administration of the People's Republic of China. TB 10003—2016 Code for Design of Railway Tunnel ［S］. Beijing： China Railway Publishing House， 2017. in Chinese ）

[31] 徐卫卫，石北啸，陈生水，等.孔隙率对堆石料强度与变形的影响规律［J］.岩土工程学报，2018，40（增2）：47-52.

[32] XU Weiwei， SHI Beixiao， CHEN Shengshui， et al. Effects of Porosity on Strength and Deformation of Rockfill Materials ［J］. Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 2018， 40 （）： 47-52. in Chinese

[33] 杜修力，金浏.含孔隙混凝土复合材料有效力学性能研究［J］.工程力学，2012，29（6）：70-77.

[34] DU Xiuli， JIN Liu. Research on Effective Mechanical Properties of Concrete Composite Material with Pores ［J］. Engineering Mechanics， 2012， 29 （6）： 70-77. in Chinese

[35] 高亚楠，王云龙，张垚，等.基于连续-离散方法的微波照射下花岗岩力学行为与破裂特征［J］.煤炭学报，2023，48（2）：693-713.

[36] GAO Yanan， WANG Yunlong， ZHANG Yao， et al. Mechanical Behavior and Fracture Characteristics of Granite under Microwave Treatment Based on Continuous-Discrete Method ［J］. Journal of China Coal Society， 2023， 48 （2）： 693-713. in Chinese

[37] 谢亦朋，张聪，阳军生，等.基于局部粗粒化离散元的冰水堆积体隧道围岩破坏特征与加固措施研究［J］.岩石力学与工程学报，2021，40（3）：576-589.

[38] XIE Yipeng， ZHANG Cong， YANG Junsheng， et al. Study on Failure Characteristics and Reinforcement Measures of Surrounding Rock of Glacial Deposit Tunnels Based on Coarse-Grained DEM ［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2021， 40 （3）： 576-589. in Chinese

[39] 中华人民共和国住房和城乡建设部. GB/T 51228—2017 建筑振动荷载标准 ［S］.北京：中国建筑工业出版社，2018.

[40] Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People's Republic of China. GB/T 51228—2017 Standard for Vibration Load of Buildings ［S］. Beijing： China Architecture & Building Press， 2018. in Chinese ）

[41] ITASCA. PFC^3D 5.0 Documentation ［M］. Minneapolis： Itasca Consulting Group， 2017.

[42] 王明年，江勇涛，于丽，等.重载铁路隧道隧底围岩劣化的CFD-DEM模拟研究［J］.铁道工程学报，2020，37（7）：63-68，105.

[43] WANG Mingnian， JIANG Yongtao， YU Li， et al. Research on the CFD-DEM Simulation of Tunnel Bottom Rock Deterioration in Heavy Haul Railway Tunnels ［J］. Journal of Railway Engineering Society， 2020， 37 （7）： 63-68， 105. in Chinese

[44] ITASCA. FLAC^3D 6.0 Documentation ［M］. Minneapolis： Itasca Consulting Group， 2019.

[45] 曹瑞琅，贺少辉，齐法琳，等.基于流固耦合超大规模地下车站环境影响分析［J］.北京交通大学学报，2012，36（4）：66-71.

[46] CAO Ruilang， HE Shaohui， QI Falin， et al. Environmental Effects of Large Underground Station Based on Coupled Fluid-Solid Analysis ［J］. Journal of Beijing Jiaotong University， 2012， 36 （4）： 66-71. in Chinese

[47] 梁敏飞，封坤，肖明清，等.基于材料试验和细观模型的混凝土渗透性研究［J］.建筑材料学报，2020，23（4）：801-809.

[48] LIANG Minfei， FENG Kun， XIAO Mingqing， et al. Water Permeability of Concrete Based on Materials Experiment and Mesoscale Model ［J］. Journal of Building Materials， 2020， 23 （4）： 801-809. in Chinese

[49] 李慎刚，赵文，王成，等.隧道开挖中注浆效果的FLAC^3D研究［J］.东北大学学报（自然科学版），2010，31（3）：440-443.

[50] LI Shengang， ZHAO Wen， WANG Cheng， et al. Research on Grouting Effect on Tunneling with FLAC^3D ［J］. Journal of Northeastern University （Natural Science）， 2010， 31 （3）： 440-443. in Chinese

基金资助

国家自然科学基金资助项目(U1934211)

重载铁路工程结构教育部重点实验室（中南大学）开放课题基金(2022JZZ02)