劉 偉

（中鐵二院昆明勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，云南 昆明 650200）

0 引言

目前我國(guó)建成運(yùn)營(yíng)的鐵路隧道約有5 000多座，其中65.7%（計(jì)3 433座）隧道存在著各種病害，主要為襯砌開(kāi)裂、漏水、腐蝕、疏松、表面脫落或者掉塊、襯砌裂損屈服、基底翻漿及底鼓等［1］，對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)安全不利。病害原因是復(fù)雜的，主要涉及到氣候、地貌、地層巖性、水文地質(zhì)、構(gòu)造、設(shè)計(jì)及施工等因素。只有在查清病害原因，并針對(duì)性地采取工程措施才能有效地治理各種病害。

修建于20世紀(jì)90年代的南昆鐵路家竹箐隧道因高地應(yīng)力和高瓦斯而聞名于世，為解決高地應(yīng)力及高瓦斯等帶來(lái)的施工難題，勘察設(shè)計(jì)及施工采取了很多新技術(shù)和強(qiáng)措施，確保了工程的順利竣工。但是該隧道竣工運(yùn)營(yíng)16年來(lái)，隧道中煤系地層段卻反復(fù)發(fā)生病害，給鐵路運(yùn)營(yíng)及養(yǎng)護(hù)帶來(lái)了很多問(wèn)題。

對(duì)家竹箐隧道的研究在設(shè)計(jì)、施工方面的文獻(xiàn)較多［2-5］，而關(guān)于竣工運(yùn)營(yíng)后研究的相關(guān)文獻(xiàn)相對(duì)較少。文獻(xiàn)［6-8］從不同的角度對(duì)鐵路隧道的病害及防治進(jìn)行了研究，但是對(duì)地應(yīng)力對(duì)煤系地層隧道的持續(xù)作用、發(fā)展并導(dǎo)致病害的研究卻很少。本文在收集、分析既有勘察、設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)等資料的基礎(chǔ)上，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查、分析，以期找到病害原因，確保治理措施合理、有效。

1 工程概況

家竹箐隧道位于南昆鐵路威舍至紅果段魯番站與上西鋪站區(qū)間，處于貴州省盤(pán)縣境內(nèi)，里程為K54+936～K59+926，隧道全長(zhǎng)4 990 m。隧道進(jìn)口端處于玄武巖地層（P2β）中，長(zhǎng)1 143 m；之后進(jìn)入煤系地層（P2d+c+1），里程為K56+079～K57+236，煤系地層段的長(zhǎng)度為1 157 m，最大埋深為404 m；其后為碎屑巖地層（T1f）和可溶巖地層（T1yn）段（見(jiàn)圖1）。施工于1994年1月進(jìn)入煤系地層，至1996年4月通過(guò)煤系地層，在煤系地層中施工超過(guò)2年，隧道于1997年5月11日竣工。針對(duì)煤層層數(shù)多、瓦斯含量高壓力大、且具突出危險(xiǎn)的特點(diǎn)，系統(tǒng)開(kāi)展了瓦斯排放、抽放等防突措施，為安全揭煤創(chuàng)造了條件。隧道開(kāi)挖進(jìn)入煤系地層埋深最大地段，由于圍巖強(qiáng)度低而原始地應(yīng)力高，應(yīng)力強(qiáng)度比很大，造成的圍巖大變形非常突出，在采取了以系統(tǒng)長(zhǎng)錨桿為主、雙層模注混凝土（鋼纖維配筋混凝土）、可縮式鋼架等一系列技術(shù)措施后，才使大變形得到控制，并總結(jié)出“加固圍巖、改善洞形、先柔后剛、先放后抗、形變留夠、底部加強(qiáng)”的設(shè)計(jì)原則。

圖1 家竹箐隧道工程地質(zhì)縱斷面Fig.1 Longitudinal profile of engineering geological conditions of Jiazhuqing tunnel

隧道穿過(guò)的煤系地層為二疊系上統(tǒng)大隆、長(zhǎng)興、龍?zhí)督M（P2d+c+1），巖性以砂巖、泥巖為主夾煤層，巖質(zhì)軟，較破碎，為Ⅴ級(jí)圍巖。該地層中厚度大于0.5 m的煤層共有26層，層厚一般為1～4 m，最厚煤層厚達(dá)10.7 m，其中有5層煤層具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)。在隧道施工中實(shí)測(cè)最大瓦斯壓力為1.585 MPa（17號(hào)煤層），最高瓦斯含量20.17 m3/t（17號(hào)煤層）。在揭18號(hào)煤層時(shí)，瓦斯涌出量高達(dá)10.56 m3/min，5層突出煤層共涌出瓦斯100×104m3。

在煤系地層的施工中，在高地應(yīng)力的作用下一直伴隨著嚴(yán)重的圍巖及襯砌擠壓變形。根據(jù)文獻(xiàn)［4］等資料，變形最早出現(xiàn)在K56+558～+578段，2個(gè)月后擴(kuò)大到K56+546～+716段，又2個(gè)月后進(jìn)一步擴(kuò)大到K56+486～+781段，再經(jīng)3個(gè)月后大變形最終發(fā)展為K56+486～+876段共長(zhǎng)390 m的范圍。大變形造成隧道拱頂一般下沉0.8～1 m，最大2.4 m；側(cè)壁內(nèi)移一般0.6～0.8 m，最大1.6 m；底部上鼓一般0.6～0.8 m，最大1.0 m。且隧道拱頂方向變形自始至終均明顯大于水平方向變形。實(shí)測(cè)隧道主應(yīng)力σ1=19.62 MPa、σ2=7.8 MPa、σ3=5.48 MPa。從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，地應(yīng)力以水平應(yīng)力為主，方向?yàn)镹E向，與隧道大角度相交，且為垂直應(yīng)力的2倍，即構(gòu)造應(yīng)力較為明顯。

大變形段開(kāi)挖斷面積為82.5 m2（高10.41 m，寬9.34 m），施工根據(jù)實(shí)際變形特征采用了A，B型2種襯砌，其中K56+486～+639段為A型襯砌、K56+639～+796段為B型襯砌、K56+796～+876段為A型襯砌，大變形前后段的煤系地層均采用C型襯砌。A，B型襯砌主要是加大了邊墻曲率，改善了襯砌結(jié)構(gòu)的受力條件，加大洞徑預(yù)留變形量，同時(shí)內(nèi)外層襯砌分別改用300號(hào)鋼纖維混凝土和鋼纖維鋼筋混凝土。

2 病害的發(fā)生及特征

隧道初次病害發(fā)生于建成6年后的2003年，位置為K56+468～+496。隧道襯砌右側(cè)拱肩出現(xiàn)水平開(kāi)裂、掉寬塊，寬度最大為10 cm，無(wú)水平錯(cuò)牙，實(shí)測(cè)隧道襯砌斷面未見(jiàn)明顯的變形和侵限。采取了在裂縫上下各1.5 m范圍內(nèi)網(wǎng)噴混凝土加固，縫內(nèi)填充氣密性混凝土等措施，整治后病害得到了控制。

隧道第2次病害發(fā)生于2013年，在隧道K56+319～+519段發(fā)現(xiàn)有多處病害，主要為開(kāi)裂、掉塊、滲水等。K56+436～+476段出現(xiàn)4處混凝土剝落、掉塊現(xiàn)象，位置處于拱頂及上拱腰，平行線路，長(zhǎng)1～10 m，寬0.2～0.8 m，混凝土呈片狀及塊狀剝落，厚1～5 cm，剝落的混凝土斷面新鮮，混凝土強(qiáng)度無(wú)異常，部分鋼筋外露并具腐蝕現(xiàn)象，其中K56+446～+456處掉塊后外露鋼筋發(fā)生向洞內(nèi)突出的彎曲變形現(xiàn)象（見(jiàn)圖2）。K56+476～+536段出現(xiàn)4處開(kāi)裂現(xiàn)象，裂縫長(zhǎng)0.5～2 m，寬1～2 mm，與線路方向呈近于45°斜交。K56+336～+396段出現(xiàn)5處開(kāi)裂滲水現(xiàn)象，裂縫長(zhǎng)0.3～5 m，寬1～2 mm，與線路方向近于垂直。對(duì)K56+319～+519段隧道凈空采用斷面儀進(jìn)行了實(shí)測(cè)，發(fā)現(xiàn)K56+446～+486段右邊墻2.0～5.7m高處向線路方向位移為3～26 mm，其中K56+466處變形最大，位移為17～26 mm，目前未侵限，其他地段變形位移不明顯。在煤系地層段設(shè)有多個(gè)瓦斯檢測(cè)器，根據(jù)鐵路局監(jiān)測(cè)資料，該段長(zhǎng)期可檢測(cè)到有瓦斯涌出。

圖2 隧道病害照片F(xiàn)ig.2 Tunnel defects

第1次病害是發(fā)生在大變形小里程端的起始位置附近（K56+468～+496），為大變形處理與非處理及A型襯砌與C型襯砌分界的過(guò)渡段，A型襯砌段占10 m，C型襯砌段占18 m。第2次病害最嚴(yán)重地段（K56+436～+476）則處于第1次病害處理位置分界的過(guò)渡段，該段施工期間未發(fā)生大變形，采用C型襯砌，第1次處理過(guò)范圍占8 m，未處理過(guò)的范圍占32 m?？梢?jiàn)病害均發(fā)生在上一次變形分界位置小里程端的過(guò)渡地段，且襯砌強(qiáng)或處理過(guò)的段落小于襯砌弱或非處理過(guò)的段落，病害有明顯向薄弱地段發(fā)展的趨勢(shì)。施工期間大變形段的大里程端則無(wú)病害發(fā)生。

3 病害原因分析

3.1 構(gòu)造產(chǎn)生的地應(yīng)力作用

在該隧道施工期間及之后對(duì)隧道大變形特征、成因、機(jī)制、處理措施等做過(guò)大量分析、研究，主要原因是煤系軟質(zhì)巖高地應(yīng)力作用造成的大變形，地應(yīng)力主要為構(gòu)造應(yīng)力。多年后該隧道煤系地層段的病害主要仍是地應(yīng)力作用的結(jié)果。

隧道施工開(kāi)挖后形成的大變形讓地應(yīng)力得到了明顯的釋放、緩解，但造成地應(yīng)力過(guò)大的原因并未消失，地應(yīng)力仍在蓄積、發(fā)展之中，并對(duì)隧道工程造成持續(xù)的影響。當(dāng)?shù)貞?yīng)力的作用超過(guò)襯砌等結(jié)構(gòu)物的抵抗力時(shí)，襯砌混凝土將發(fā)生變形、掉塊、開(kāi)裂等病害，這正是2次病害表現(xiàn)出來(lái)的特征。因此可見(jiàn)該隧道地應(yīng)力的作用是長(zhǎng)期存在的，其來(lái)源于區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的構(gòu)造應(yīng)力，說(shuō)明隧道所處區(qū)域新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)是活躍的，地質(zhì)構(gòu)造一直處于運(yùn)動(dòng)之中。

隧道區(qū)處于楊子準(zhǔn)地臺(tái)黔北臺(tái)隆六盤(pán)水?dāng)嘞萜瞻残?gòu)造區(qū)，為由一系列呈輻射渦輪狀分布的褶皺扭結(jié)而成的一個(gè)構(gòu)造群體，也稱黔西南渦輪構(gòu)造。隧道位于其中的亦資孔向斜南段的東翼南端揚(yáng)起端附近，隧道軸線與向斜軸線約成30°相交。在地質(zhì)歷史時(shí)期，煤系地層經(jīng)歷了多期應(yīng)力場(chǎng)的作用，該構(gòu)造帶的一系列褶皺主要是由于燕山晚期近南北向的強(qiáng)烈擠壓、扭動(dòng)所形成，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以來(lái)這種構(gòu)造擠壓仍然存在。文獻(xiàn)［9-10］對(duì)貴州不同地區(qū)溶洞石鐘乳鈾系年齡結(jié)果的分析，發(fā)現(xiàn)貴州西部（包含隧道所在地區(qū)）地殼仍處于間歇性抬升之中，且抬升運(yùn)動(dòng)自西向東進(jìn)行，自晚更新世以來(lái)抬升速率逐漸減緩，差異性的隆升形成了區(qū)內(nèi)構(gòu)造隆起和凹陷。很明顯這種區(qū)域上的隆起和凹陷是由于東西向的構(gòu)造應(yīng)力擠壓所造成的，并使區(qū)內(nèi)的褶皺一直處于發(fā)展之中，該力與隧道軸向大角度相交，地應(yīng)力作用更為明顯，對(duì)隧道產(chǎn)生的破壞作用更大［11］。目前隧道洞身的擠壓變形應(yīng)該是區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用的表現(xiàn)之一，因此也可以說(shuō)目前隧道的病害主要是區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用的結(jié)果。

從現(xiàn)在病害發(fā)生于小里程端處理過(guò)渡段而在大里程端不明顯的特征分析可以看出，小里程端過(guò)渡帶是地應(yīng)力的主要聚集、作用區(qū)，同時(shí)該處也是一個(gè)相對(duì)薄弱的地段，最終造成該段隧道產(chǎn)生病害。

3.2 圍巖軟弱

該段隧道圍巖以砂巖、泥巖為主，夾煤層，巖質(zhì)軟弱，強(qiáng)度低，砂泥巖單軸抗壓強(qiáng)度僅1.7MPa，屬極軟巖。其中所夾煤層主要為暗煤、鏡煤和糠煤，煤體的堅(jiān)固系數(shù)（f）一般均小于0.55，最小僅0.15，屬不堅(jiān)固巖石，抵抗外力的能力差。這種巖煤交互沉積形成的煤系地層具有可塑性、膨脹性、崩解性、流變性和易擾動(dòng)性［12］，工程性能差，對(duì)卸荷松動(dòng)、施工震動(dòng)等非常敏感。

巖體呈薄中層狀構(gòu)造，巖層真傾角約18°，視傾角為10°～12°，呈緩傾斜狀，施工開(kāi)挖后易發(fā)生層狀剝落、坍塌，自穩(wěn)性差。

隧道區(qū)巖體受區(qū)域構(gòu)造影響強(qiáng)烈，施工在煤系地層段發(fā)現(xiàn)多條次級(jí)小斷層，造成巖體構(gòu)造節(jié)理及層間褶皺發(fā)育。節(jié)理主要有2組，一組走向近東西向傾東，另一組走向近南北向傾西。在層理與節(jié)理的共同作用下，巖體被切割呈碎塊狀，整體性差，施工擾動(dòng)后易形成較大的松動(dòng)圈。

同時(shí)該段地下水較發(fā)育，在地下水的浸泡、軟化、滲流等作用下，導(dǎo)致圍巖體力學(xué)屬性退化，變形、強(qiáng)度參數(shù)降低［13］。

受以上多種因素的影響，造成隧道洞身圍巖軟弱，圍巖松動(dòng)圈較大，并由此產(chǎn)生了較大的自重壓力，這種自重應(yīng)力為垂直應(yīng)力，并會(huì)引起相應(yīng)的水平應(yīng)力，對(duì)隧道圍巖造成破壞，表現(xiàn)為重力機(jī)制起作用的擴(kuò)容膨脹［14］。由于自重產(chǎn)生的地應(yīng)力一般是持續(xù)、穩(wěn)定的，在這種持續(xù)穩(wěn)定的壓力作用下，煤系軟質(zhì)巖地層的流變性等加強(qiáng)［15］，并作用于襯砌上，造成襯砌裂損。因此圍巖軟弱也是造成隧道病害的原因之一。

3.3 結(jié)構(gòu)偏弱

該段隧道設(shè)計(jì)及施工共采用了3種襯砌結(jié)構(gòu)，其中大變形段采用A，B型襯砌，大變形前后段采用C型襯砌。經(jīng)過(guò)約16年的運(yùn)營(yíng)，病害主要發(fā)生在小里程端A型襯砌與C型襯砌分界的過(guò)渡段，且經(jīng)第1次病害處理后第2次病害仍然發(fā)生在處理與非處理的過(guò)渡段?？梢?jiàn)該處是結(jié)構(gòu)上的一個(gè)相對(duì)薄弱地段，顯然采用受力條件更好、強(qiáng)度更高的A，B型襯砌更能適應(yīng)該隧道地應(yīng)力及圍巖的作用，而C型襯砌結(jié)構(gòu)的洞形邊墻曲率較小、混凝土強(qiáng)度一般，總體結(jié)構(gòu)偏弱，難以承受長(zhǎng)期地應(yīng)力及軟弱圍巖的作用，最終導(dǎo)致隧道襯砌產(chǎn)生病害。

4 工程措施建議

造成隧道病害的主要原因是高地應(yīng)力，區(qū)域上構(gòu)造產(chǎn)生的高地應(yīng)力是客觀存在的，該隧道為運(yùn)營(yíng)隧道，無(wú)法采用加大變形來(lái)釋放、減緩地應(yīng)力的作用。同時(shí)該隧道也存在著圍巖軟弱、結(jié)構(gòu)偏弱的問(wèn)題，可以通過(guò)提高圍巖和襯砌的強(qiáng)度來(lái)抵抗地應(yīng)力的作用，因此應(yīng)以加強(qiáng)軟弱圍巖的強(qiáng)度和提高襯砌結(jié)構(gòu)強(qiáng)度為該隧道病害治理的主要原則。

建議采取徑向設(shè)置注漿長(zhǎng)錨桿（長(zhǎng)6～8 m）加固襯砌背圍巖，并間隔鑿槽嵌入型鋼鋼架，模筑混凝土至原襯砌內(nèi)輪廓的處理措施，應(yīng)適當(dāng)加大錨桿的密度，提高混凝土的強(qiáng)度。

5 結(jié)論與建議

1）家竹箐隧道的2次病害均發(fā)生在大變形處理與非處理的過(guò)渡段，病害以襯砌掉塊、開(kāi)裂等襯砌裂損為主。

2）在區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力的作用下，家竹箐隧道的地應(yīng)力是持續(xù)發(fā)展、聚集、提高的，既有大變形段的小里程端是地應(yīng)力的主要聚集、作用區(qū)。

3）家竹箐隧道煤系地層段的病害應(yīng)為多原因綜合造成的，區(qū)域構(gòu)造產(chǎn)生的地應(yīng)力作用是主要原因，圍巖軟弱、結(jié)構(gòu)偏弱是次要原因。

4）根據(jù)2次病害的發(fā)生及發(fā)展趨勢(shì)可看出該隧道構(gòu)造運(yùn)動(dòng)造成地應(yīng)力的聚集、作用并導(dǎo)致病害的產(chǎn)生存在著6～10年的周期性，因此有必要采取更強(qiáng)的處理措施，否則預(yù)計(jì)10年左右處理與非處理的過(guò)渡帶很有可能會(huì)再次產(chǎn)生病害。

5）類似地質(zhì)條件下軟質(zhì)巖高地應(yīng)力大變形設(shè)計(jì)及施工加強(qiáng)措施的地段應(yīng)適當(dāng)擴(kuò)大，不宜僅僅局限于施工區(qū)間發(fā)生大變形的地段，而應(yīng)該根據(jù)地應(yīng)力的特點(diǎn)等將加強(qiáng)措施地段擴(kuò)展到兩側(cè)一定范圍。

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