劉 偉

（中鐵二院昆明勘察設計研究院有限責任公司，云南 昆明 650200）

0 引言

目前我國建成運營的鐵路隧道約有5 000多座，其中65.7%（計3 433座）隧道存在著各種病害，主要為襯砌開裂、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］，對鐵路運營安全不利。病害原因是復雜的，主要涉及到氣候、地貌、地層巖性、水文地質、構造、設計及施工等因素。只有在查清病害原因，并針對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90年代的南昆鐵路家竹箐隧道因高地應力和高瓦斯而聞名于世，為解決高地應力及高瓦斯等帶來的施工難題，勘察設計及施工采取了很多新技術和強措施，確保了工程的順利竣工。但是該隧道竣工運營16年來，隧道中煤系地層段卻反復發(fā)生病害，給鐵路運營及養(yǎng)護帶來了很多問題。

對家竹箐隧道的研究在設計、施工方面的文獻較多［2-5］，而關于竣工運營后研究的相關文獻相對較少。文獻［6-8］從不同的角度對鐵路隧道的病害及防治進行了研究，但是對地應力對煤系地層隧道的持續(xù)作用、發(fā)展并導致病害的研究卻很少。本文在收集、分析既有勘察、設計、施工及運營養(yǎng)護等資料的基礎上，對現(xiàn)場進行詳細的調查、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，處于貴州省盤縣境內，里程為K54+936～K59+926，隧道全長4 990 m。隧道進口端處于玄武巖地層（P2β）中，長1 143 m；之后進入煤系地層（P2d+c+1），里程為K56+079～K57+236，煤系地層段的長度為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（見圖1）。施工于1994年1月進入煤系地層，至1996年4月通過煤系地層，在煤系地層中施工超過2年，隧道于1997年5月11日竣工。針對煤層層數多、瓦斯含量高壓力大、且具突出危險的特點，系統(tǒng)開展了瓦斯排放、抽放等防突措施，為安全揭煤創(chuàng)造了條件。隧道開挖進入煤系地層埋深最大地段，由于圍巖強度低而原始地應力高，應力強度比很大，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措施后，才使大變形得到控制，并總結出“加固圍巖、改善洞形、先柔后剛、先放后抗、形變留夠、底部加強”的設計原則。

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

隧道穿過的煤系地層為二疊系上統(tǒng)大隆、長興、龍?zhí)督M（P2d+c+1），巖性以砂巖、泥巖為主夾煤層，巖質軟，較破碎，為Ⅴ級圍巖。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10.7 m，其中有5層煤層具有煤與瓦斯突出危險。在隧道施工中實測最大瓦斯壓力為1.585 MPa（17號煤層），最高瓦斯含量20.17 m3/t（17號煤層）。在揭18號煤層時，瓦斯涌出量高達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，在高地應力的作用下一直伴隨著嚴重的圍巖及襯砌擠壓變形。根據文獻［4］等資料，變形最早出現(xiàn)在K56+558～+578段，2個月后擴大到K56+546～+716段，又2個月后進一步擴大到K56+486～+781段，再經3個月后大變形最終發(fā)展為K56+486～+876段共長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；側壁內移一般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。實測隧道主應力σ1=19.62 MPa、σ2=7.8 MPa、σ3=5.48 MPa。從實測數據可以看出，地應力以水平應力為主，方向為NE向，與隧道大角度相交，且為垂直應力的2倍，即構造應力較為明顯。

大變形段開挖斷面積為82.5 m2（高10.41 m，寬9.34 m），施工根據實際變形特征采用了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，改善了襯砌結構的受力條件，加大洞徑預留變形量，同時內外層襯砌分別改用300號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。隧道襯砌右側拱肩出現(xiàn)水平開裂、掉寬塊，寬度最大為10 cm，無水平錯牙，實測隧道襯砌斷面未見明顯的變形和侵限。采取了在裂縫上下各1.5 m范圍內網噴混凝土加固，縫內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，混凝土強度無異常，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)生向洞內突出的彎曲變形現(xiàn)象（見圖2）。K56+476～+536段出現(xiàn)4處開裂現(xiàn)象，裂縫長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處開裂滲水現(xiàn)象，裂縫長0.3～5 m，寬1～2 mm，與線路方向近于垂直。對K56+319～+519段隧道凈空采用斷面儀進行了實測，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。在煤系地層段設有多個瓦斯檢測器，根據鐵路局監(jiān)測資料，該段長期可檢測到有瓦斯涌出。

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次病害最嚴重地段（K56+436～+476）則處于第1次病害處理位置分界的過渡段，該段施工期間未發(fā)生大變形，采用C型襯砌，第1次處理過范圍占8 m，未處理過的范圍占32 m?？梢姴『l(fā)生在上一次變形分界位置小里程端的過渡地段，且襯砌強或處理過的段落小于襯砌弱或非處理過的段落，病害有明顯向薄弱地段發(fā)展的趨勢。施工期間大變形段的大里程端則無病害發(fā)生。

3 病害原因分析

3.1 構造產生的地應力作用

在該隧道施工期間及之后對隧道大變形特征、成因、機制、處理措施等做過大量分析、研究，主要原因是煤系軟質巖高地應力作用造成的大變形，地應力主要為構造應力。多年后該隧道煤系地層段的病害主要仍是地應力作用的結果。

隧道施工開挖后形成的大變形讓地應力得到了明顯的釋放、緩解，但造成地應力過大的原因并未消失，地應力仍在蓄積、發(fā)展之中，并對隧道工程造成持續(xù)的影響。當地應力的作用超過襯砌等結構物的抵抗力時，襯砌混凝土將發(fā)生變形、掉塊、開裂等病害，這正是2次病害表現(xiàn)出來的特征。因此可見該隧道地應力的作用是長期存在的，其來源于區(qū)域地質構造運動產生的構造應力，說明隧道所處區(qū)域新構造運動是活躍的，地質構造一直處于運動之中。

隧道區(qū)處于楊子準地臺黔北臺隆六盤水斷陷普安旋扭構造區(qū)，為由一系列呈輻射渦輪狀分布的褶皺扭結而成的一個構造群體，也稱黔西南渦輪構造。隧道位于其中的亦資孔向斜南段的東翼南端揚起端附近，隧道軸線與向斜軸線約成30°相交。在地質歷史時期，煤系地層經歷了多期應力場的作用，該構造帶的一系列褶皺主要是由于燕山晚期近南北向的強烈擠壓、扭動所形成，新構造運動以來這種構造擠壓仍然存在。文獻［9-10］對貴州不同地區(qū)溶洞石鐘乳鈾系年齡結果的分析，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，且抬升運動自西向東進行，自晚更新世以來抬升速率逐漸減緩，差異性的隆升形成了區(qū)內構造隆起和凹陷。很明顯這種區(qū)域上的隆起和凹陷是由于東西向的構造應力擠壓所造成的，并使區(qū)內的褶皺一直處于發(fā)展之中，該力與隧道軸向大角度相交，地應力作用更為明顯，對隧道產生的破壞作用更大［11］。目前隧道洞身的擠壓變形應該是區(qū)域構造運動作用的表現(xiàn)之一，因此也可以說目前隧道的病害主要是區(qū)域構造運動作用的結果。

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

3.2 圍巖軟弱

該段隧道圍巖以砂巖、泥巖為主，夾煤層，巖質軟弱，強度低，砂泥巖單軸抗壓強度僅1.7MPa，屬極軟巖。其中所夾煤層主要為暗煤、鏡煤和糠煤，煤體的堅固系數（f）一般均小于0.55，最小僅0.15，屬不堅固巖石，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、流變性和易擾動性［12］，工程性能差，對卸荷松動、施工震動等非常敏感。

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

隧道區(qū)巖體受區(qū)域構造影響強烈，施工在煤系地層段發(fā)現(xiàn)多條次級小斷層，造成巖體構造節(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，施工擾動后易形成較大的松動圈。

同時該段地下水較發(fā)育，在地下水的浸泡、軟化、滲流等作用下，導致圍巖體力學屬性退化，變形、強度參數降低［13］。

受以上多種因素的影響，造成隧道洞身圍巖軟弱，圍巖松動圈較大，并由此產生了較大的自重壓力，這種自重應力為垂直應力，并會引起相應的水平應力，對隧道圍巖造成破壞，表現(xiàn)為重力機制起作用的擴容膨脹［14］。由于自重產生的地應力一般是持續(xù)、穩(wěn)定的，在這種持續(xù)穩(wěn)定的壓力作用下，煤系軟質巖地層的流變性等加強［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 結構偏弱

該段隧道設計及施工共采用了3種襯砌結構，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。經過約16年的運營，病害主要發(fā)生在小里程端A型襯砌與C型襯砌分界的過渡段，且經第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渡段?？梢娫撎幨墙Y構上的一個相對薄弱地段，顯然采用受力條件更好、強度更高的A，B型襯砌更能適應該隧道地應力及圍巖的作用，而C型襯砌結構的洞形邊墻曲率較小、混凝土強度一般，總體結構偏弱，難以承受長期地應力及軟弱圍巖的作用，最終導致隧道襯砌產生病害。

4 工程措施建議

造成隧道病害的主要原因是高地應力，區(qū)域上構造產生的高地應力是客觀存在的，該隧道為運營隧道，無法采用加大變形來釋放、減緩地應力的作用。同時該隧道也存在著圍巖軟弱、結構偏弱的問題，可以通過提高圍巖和襯砌的強度來抵抗地應力的作用，因此應以加強軟弱圍巖的強度和提高襯砌結構強度為該隧道病害治理的主要原則。

建議采取徑向設置注漿長錨桿（長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輪廓的處理措施，應適當加大錨桿的密度，提高混凝土的強度。

5 結論與建議

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渡段，病害以襯砌掉塊、開裂等襯砌裂損為主。

2）在區(qū)域構造應力的作用下，家竹箐隧道的地應力是持續(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為多原因綜合造成的，區(qū)域構造產生的地應力作用是主要原因，圍巖軟弱、結構偏弱是次要原因。

4）根據2次病害的發(fā)生及發(fā)展趨勢可看出該隧道構造運動造成地應力的聚集、作用并導致病害的產生存在著6～10年的周期性，因此有必要采取更強的處理措施，否則預計10年左右處理與非處理的過渡帶很有可能會再次產生病害。

5）類似地質條件下軟質巖高地應力大變形設計及施工加強措施的地段應適當擴大，不宜僅僅局限于施工區(qū)間發(fā)生大變形的地段，而應該根據地應力的特點等將加強措施地段擴展到兩側一定范圍。

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