張守成 李 哲 郭正萌

(1.山東省地礦工程勘察院，山東濟(jì)南 250014; 2.山東省物化探勘查院，山東濟(jì)南 250014)

雅瀘高速某偏壓隧道病害分析與處治研究

張守成1李 哲1郭正萌2

(1.山東省地礦工程勘察院，山東濟(jì)南 250014; 2.山東省物化探勘查院，山東濟(jì)南 250014)

以雅瀘高速公路某偏壓隧道為例，分析了該隧道偏壓段施工中發(fā)生地表塌陷、涌水、涌泥等病害的原因，探討了偏壓隧道病害的整治方案，并運(yùn)用ANSYS軟件，對(duì)偏壓隧道開挖過程中的地應(yīng)力變化情況進(jìn)行了數(shù)值模擬，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，提出了偏壓隧道施工過程中圍巖的薄弱部位，從而為偏壓隧道設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測及偏壓處置提供了依據(jù)。

偏壓隧道，監(jiān)控量測，數(shù)值模擬，隧道病害

1 工程概況

該隧道位于石棉縣栗子坪鄉(xiāng)孟獲村與冕寧縣拖烏鄉(xiāng)魯壩村交界的菩薩崗［1］，所在區(qū)為高山深切河谷地貌與高中山湖盆區(qū)地貌分界的分水嶺。隧道設(shè)計(jì)時(shí)速為80 km/h，分離式雙洞單向雙車道設(shè)計(jì)，凈寬為10.25 m，凈高為5 m;病害發(fā)生處為該隧道雅安端進(jìn)洞段，設(shè)計(jì)圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)，采用S5a偏壓襯砌類型:初期支護(hù):27 cm厚C20噴射混凝土、φ8鋼筋網(wǎng)(間距20×20，雙層)、20a普通工字鋼(縱距80 cm)、φ25中空注漿錨桿(350 cm);二次襯砌采用50 cm厚C25鋼筋混凝土。

2 隧道偏壓段病害概述及成因分析

2.1 概述

該隧道病害發(fā)生段設(shè)計(jì)圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)，地下水非常豐富，開挖過程中，圍巖無自穩(wěn)能力，2008年6月15日晚，隧道右線雅安端YK170+380～YK170+395右側(cè)拱墻底部涌水量突然增大，泥夾碎石外泄，至次日凌晨2點(diǎn)，洞內(nèi)突涌量約100 m3，致使洞外右側(cè)仰坡頂?shù)乇沓霈F(xiàn)橢圓形坍塌，直徑5.2 m～6.8 m，深約8 m，具體情形如圖1，圖2所示，監(jiān)控量測數(shù)據(jù)顯示該隧道洞段處于偏壓狀態(tài)。2008年9月3日下午6時(shí)，隧道右線雅安端YK170+381處右拱腳處再次突發(fā)涌突泥，右側(cè)洞頂突然坍塌，隧道嚴(yán)重偏壓，截止到9月12日，初期支護(hù)變形侵入二次襯砌近20 cm，用作臨時(shí)支撐右側(cè)拱架的斜撐出現(xiàn)輕微彎曲變形。

圖1 隧道右線仰坡洞頂?shù)乇硭萏?/p>

圖2 隧道右線右拱腰處涌突泥現(xiàn)狀

2.2 病害分析

1)地質(zhì)環(huán)境因素。

a.從圖1中可以看出，隧道病害發(fā)生處，地表橫斷面坡度大，約38°，左側(cè)拱肩上覆巖土層薄，易引起隧道偏壓問題;洞頂?shù)乇淼桶嗄?、雜草、樹木叢生，覆蓋濃密，造成地表排水困難，易賦存水，為隧道病害的發(fā)生埋下了隱患。

b.隧道進(jìn)口端YK170+380～YK170+395段為隧道淺埋地段，洞頂埋深淺，該段圍巖主要為洪坡積成因的碎石和昔格達(dá)地層泥質(zhì)砂巖，昔格達(dá)地層為泥質(zhì)砂巖夾粉砂質(zhì)泥巖，巖質(zhì)軟弱，局部含砂卵石較多，而洪坡積成因的碎石層透水性強(qiáng)，圍巖自穩(wěn)能力極差，易坍塌。

c.水文地質(zhì)作用。由于隧道洞口段主要為昔格達(dá)地層和碎石層，其孔隙率高，透水性好，大氣降水易滲入，且隧道地表山體地表植被覆蓋濃密，雨水滲入山體，地下水發(fā)育，由于正值雨季，水與砂石土極易一起涌出，甚至塌至地表。

2)氣候因素。

該隧道所處區(qū)屬中緯度亞熱帶濕潤氣候區(qū)，雨量充沛，植被茂密，為自然保護(hù)區(qū)范圍，因此地下水豐富，且該段施工時(shí)正值雨季，而連續(xù)幾天的強(qiáng)降雨使地下徑流明顯變大，加之在右拱腰及右拱腳處圍巖壓力大，背后管涌攜砂現(xiàn)象嚴(yán)重，墻背砂礫突發(fā)形成泥石流，在馬口薄弱處隨涌水外泄，造成拱墻背后空腔下陷，圍巖坍塌，并波及地表。

3)施工因素。

a.施工方對(duì)洞頂?shù)乇韺?dǎo)排水系統(tǒng)未完全按設(shè)計(jì)要求施作，為雨水侵入土體提供了機(jī)會(huì)。b.施工單位在隧道開挖過程中，上下臺(tái)階距離過長，初支沒有及時(shí)落地，這是造成隧道病害產(chǎn)生的一個(gè)重要原因。

3 病害處治

3.1 病害處治措施［2］

1)水害的處治。

a.進(jìn)行地表、地下水處理。塌腔周圍開挖截水溝、沖溝等排水、防滲工程，切斷地表水;b.在塌腔頂搭設(shè)雨棚，防止雨水流進(jìn)塌腔內(nèi);c.在隧道涌水處及洞口外右側(cè)拱腳處打入108帶孔鋼花管，起到引水排水作用。

2)塌腔的處治。

a.地表塌腔、仰坡處理。地表塌腔用碎石分層回填，每回填一層噴一層C20混凝土，塌腔壁穩(wěn)定后，在其周邊2 m范圍內(nèi)及孔壁施作錨桿掛網(wǎng)噴射混凝土，最終回填的混凝土比周邊原地面高出20 cm;考慮到坍腔內(nèi)為松散砂礫或泥石流體，在坍腔周圍10 m范圍內(nèi)，仰坡用直徑42 mm、長5 m小導(dǎo)管進(jìn)行地表注漿; b.內(nèi)部塌孔處理。用編織袋裝土堵住洞內(nèi)坍孔，并在隧道左右側(cè)病害段拱部及邊墻部位采用φ42小導(dǎo)管注入CS雙液漿固結(jié)松散砂礫石地層，注漿徑向長度不小于4.50 m。

3)隧道加固處治。

a.臨時(shí)支撐:病害發(fā)生后，立即在洞內(nèi)坍孔處架立臨時(shí)工字鋼護(hù)拱，并架設(shè)斜撐工字鋼以支頂右側(cè)拱架，防治隧道偏壓加劇;b.洞內(nèi)加固:初支更換:對(duì)病害段右側(cè)已變形上半端面初支進(jìn)行更換，更換過程要注意一榀拱架為一個(gè)單元，逐榀更換。病害段仰拱底部為松散地層，為保護(hù)仰拱，該段仰拱底部采用50 cm左右的C15片石混凝土換填;c.洞外加固:洞口右側(cè)邊墻增設(shè)雙排管棚，長度為34 m，以增加右側(cè)地層的穩(wěn)定性，保護(hù)初期支護(hù)安全落地。明洞施工，為了保證隧道邊仰坡的穩(wěn)定性，明洞進(jìn)口盡快施工。

4)偏壓處治。

洞口偏壓地段，采用側(cè)壁注漿及由明洞拱上反壓回填土石平衡右側(cè)偏壓力，襯砌采用偏壓襯砌。

5)二次襯砌設(shè)計(jì)變更。

YK170+380～YK170+395共15 m二次襯砌C25混凝土換為C30混凝土，襯砌鋼筋由φ22主筋換為φ25鋼筋。

為保護(hù)洞內(nèi)施工人員施工安全，需在地表水溝和注漿固結(jié)措施施作完畢后，才能開展初支落底和仰拱施作的過程，在加固處理過程中，掌子面暫停施工，直至病害處理完畢。

3.2 病害處治流程

隧道病害現(xiàn)場處治示意圖如圖3所示，具體施工順序如下:

1)洞頂?shù)乇頉_溝渠化、施作截水溝;

2)地表塌腔處理，碎石及噴射混凝土回填塌腔，鋪一層碎石立即噴一層混凝土，從下往上逐級(jí)回填;

3)坍孔處理。

隧道右側(cè)拱腰部出現(xiàn)涌泥現(xiàn)象，塌腔大小為15 m×4 m×5 m (長×寬×高)，在側(cè)墻施作φ42小導(dǎo)管注CS雙液漿，注漿縱環(huán)間距1.2 m×1.2 m，采用從下至上的順序(先下后上，逐步進(jìn)行)，為保證注漿過程中側(cè)墻部位的穩(wěn)定，注漿前可采用砂袋碼砌的方式給拱腳設(shè)置支擋;

4)隧道右側(cè)墻部位增加1號(hào)～26號(hào)管棚，長度為34 m，以增加右側(cè)地層穩(wěn)定性;

5)隧道拱頂部位增加1號(hào)～39號(hào)管棚，長度為40 m，管棚施工中，應(yīng)先打入有孔鋼花管，注漿后再打入無孔鋼管，長管棚注漿按固結(jié)管棚周圍有限范圍內(nèi)土體設(shè)計(jì)，漿液擴(kuò)散半徑不小于0.6 m，注漿采用分段注漿，注漿前應(yīng)先進(jìn)行注漿現(xiàn)場試驗(yàn)，注漿參數(shù)應(yīng)通過現(xiàn)場試驗(yàn)按實(shí)際情況確定，注漿結(jié)束后及時(shí)清除管內(nèi)漿液，并用M30水泥砂漿緊密填充，增強(qiáng)管棚的剛度和強(qiáng)度;

6)初期支護(hù)落底、施作仰拱，初期支護(hù)落底需要控制落底長度，宜控制為每一榀鋼架間距為一個(gè)單元，必要時(shí)可采用跳槽施工，隧道右側(cè)仰拱底部松散地層用50 cm左右的C15片石混凝土換填以確保仰拱穩(wěn)定性;

7)施作明洞及二次襯砌。

在病害處治過程中，一定注意涌泥段不能立即清理和開挖，需待地表沖溝處理完畢，注漿強(qiáng)度達(dá)到70%后方能進(jìn)行，在處治過程中，加大地表沉降觀測的密度，加密洞內(nèi)位移變形量測的斷面?zhèn)€數(shù)，做好監(jiān)控量測，并及時(shí)反饋。

圖3 隧道右側(cè)病害處治圖

4 隧道偏壓段開挖數(shù)值模擬

該隧道偏壓段采用兩臺(tái)階開挖法，利用ANSYS中的單元“生死”處理功能，來模擬偏壓段開挖支護(hù)過程，從而反映隧道在開挖過程中周圍巖體受力情況［3，4］，模擬結(jié)果如圖4，圖5所示。從隧道上、下導(dǎo)坑開挖后圍巖等效應(yīng)力云圖中，我們可以得出，該隧道偏壓段在開挖過程中右拱腳、右拱腰危巖應(yīng)力最大，左拱肩圍巖應(yīng)力次之，均為危險(xiǎn)部位，而本該偏壓隧道病害發(fā)展位置為右拱腳位置，與模擬結(jié)論相吻合，因此在偏壓隧道開挖過程中，務(wù)必加強(qiáng)右拱腳、右拱腰及左拱肩的監(jiān)測，及時(shí)為隧道病害的發(fā)生作出預(yù)警。

圖4 隧道上導(dǎo)坑開挖后圍巖等效應(yīng)力云圖

圖5 隧道下導(dǎo)坑開挖后圍巖等效應(yīng)力云圖

5 結(jié)語

通過對(duì)該隧道偏壓段施工過程發(fā)生的病害分析研究，可以得到如下結(jié)論:

1)由地形因素引起的隧道偏壓，在采用兩階段開挖的時(shí)候，當(dāng)上導(dǎo)坑開挖完畢后，近邊坡的一側(cè)拱肩和遠(yuǎn)邊坡一側(cè)拱腰是危險(xiǎn)部位;下導(dǎo)坑開挖時(shí)，近邊坡的拱肩及遠(yuǎn)邊坡拱腰及拱腳處為危險(xiǎn)部位。因此隧道偏壓段開挖過程中，一定要加強(qiáng)這幾處位置的監(jiān)控量測，并在監(jiān)測過程中，仔細(xì)檢查拱肩、拱腰處的初期支護(hù)情況，一旦發(fā)現(xiàn)有裂隙、小股涌水(渾濁)、底鼓等現(xiàn)象，應(yīng)立即對(duì)其分析、研究，并加大監(jiān)測頻率，從而確定病害危害程度，必要時(shí)暫停施工，處治偏壓引起的病害。

2)偏壓隧道病害的預(yù)防。

偏壓隧道病害的預(yù)防主要是針對(duì)地下水的處理，要消除或降低偏壓病害的發(fā)生概率，一定要做好地表截、排水工程和隧道圍巖的排水工程。

3)整治偏壓隧道的措施。

整治隧道偏壓病害主要有3個(gè)方面［5］:平衡圍巖壓力;減輕隧道偏壓;增強(qiáng)支護(hù)參數(shù)。

4)不管何種隧道病害，處治的首要原則是:加固已有支護(hù)設(shè)施，阻止病害進(jìn)一步擴(kuò)展。

［1］四川省交通廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院.雅安至瀘沽高速公路23合同段施工圖設(shè)計(jì)［R］.成都:四川省交通廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，2006.

［2］湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院.雅安至瀘沽高速公路23合同段涌泥、涌水、塌方處治設(shè)計(jì)［R］.長沙:湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，2008.

［3］李 權(quán).ANSYS在土木工程中的應(yīng)用［M］.北京:人民郵電出版社，2005.

［4］李 圍.隧道及地下工程ANSYS實(shí)例分析［M］.北京:中國水利水電出版社，2008.

［5］關(guān)寶樹，趙 勇.軟弱圍巖隧道施工技術(shù)［M］.北京:人民交通出版社，2011.

文章編號(hào):1009-6825(2016)36-0185-02

Diseases analysis of unsymmetrical loading tunnel in Ya-Lu highway and study of its treatments

Zhang Shoucheng1Li Zhe1Guo Zhengmeng2
(1.Shandong Provincial Geo-Mineral Engineering Exploration Institute，Jinan 250014，China; 2.Geophysical and Geochemical Exploration in Shandong Province，Jinan 250014，China)

By taking the Ya-Lu highway tunnel for example，this paper focus on three aspects which is based on the main reasons of the defects occurrence such as surface subsidence，the gushing water or mud and the bias tunnel diseases.First of all，we try to analysis the reason of the diseases in three factors:the geological environmental factors，the climate factors and the constructional factors.And then，we come up with and describe the solution of this diseases.In addition we simulated the situation of the in-sti stress during the excacation for the tunnel with the ANSYS software.At last，we try to come up with the weakness part of the construction of the tunnel，which could be the reference for the further design and construction of the tunnel.

unsymmetrical loading tunnel，monitoring and measurement，numerical simulation，tunnel diseases

U457

:A

1009-6825(2016)36-0183-03

2016-10-16

張守成(1984-)，男，工程師