■　袁川峰（三明湄渝高速公路有限責(zé)任公司，三明　365000）

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石林隧道仰拱底鼓原因分析及處治方法研究

■袁川峰
（三明湄渝高速公路有限責(zé)任公司，三明365000）

摘要隧道仰拱底鼓破壞是隧道工程的重大問題，針對三明市永寧高速公路石林隧道仰拱底鼓破壞病害以及相關(guān)加固措施，采用有限元軟件對施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析，結(jié)果表明造成該隧道仰拱底鼓產(chǎn)生主要有地質(zhì)水文和施工缺陷方面的因素，采用徑向小導(dǎo)管注漿加置換仰拱加固措施能起到較好的效果。

關(guān)鍵詞仰拱底鼓原因分析處治方法

0　引言

福建省是一個(gè)多山地區(qū)，地質(zhì)條件特別復(fù)雜，隧道施工難度大。當(dāng)隧道穿越軟弱圍巖或地質(zhì)環(huán)境惡劣的高地應(yīng)力區(qū)時(shí)，經(jīng)常發(fā)生隧道拱頂坍塌、底鼓和圍巖大變形等地質(zhì)災(zāi)害［1］。隧道底鼓的變形一般是持續(xù)性的，會導(dǎo)致仰拱破壞嚴(yán)重，從而對隧道的二次襯砌形成危害。國內(nèi)外學(xué)者對底鼓進(jìn)行了研究，為底鼓的處理積累寶貴的經(jīng)驗(yàn)［2］。本文以三明市永寧高速公路石林隧道為例，在分析產(chǎn)生隧道底鼓各個(gè)因素的基礎(chǔ)上，進(jìn)行數(shù)值模擬，并根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測情況，指導(dǎo)并驗(yàn)證仰拱底鼓處理措施。研究的過程和結(jié)果可為其他類似工程提供應(yīng)用參考。

1　工程病害概況

三明市永寧高速公路沿線地質(zhì)較為復(fù)雜，其中石林隧道全長2865m。右洞YK14 + 260～YK14+ 320段處于設(shè)計(jì)Ⅴ、Ⅳ級圍巖交界地段，設(shè)計(jì)圍巖為弱～微風(fēng)化灰?guī)r，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎，采用Z5型及Z4型支護(hù)形式。實(shí)際開挖過程中該段圍巖揭露為突泥涌水的特殊地質(zhì)段，圍巖無自穩(wěn)能力，且拱部出現(xiàn)塌方。根據(jù)現(xiàn)場情況，業(yè)主、監(jiān)理、設(shè)計(jì)、施工等四方人員對支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了變更加強(qiáng)。仰拱施工1個(gè)月后，YK14+ 260～YK14+290段沿仰拱填充縱向施工縫出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，裂縫最大發(fā)展至4～5cm。YK14+260～YK14+320段共60m仰拱底部底鼓嚴(yán)重，最大鼓起量36cm，且地下滲水較為嚴(yán)重。對起拱段變形量測至趨于穩(wěn)定后，為確保該段初期支護(hù)安全及時(shí)開始施工二次襯砌。3個(gè)月后，YK14+270～+290段二襯邊墻范圍出現(xiàn)細(xì)微裂縫，裂縫斜向發(fā)展，長2m左右。

2　病害原因分析

2.1地質(zhì)水文原因

施工中該段仰拱兩端的圍巖呈流沙或強(qiáng)風(fēng)化泥巖，下部以沙土狀強(qiáng)風(fēng)化泥巖為主，中夾砂土狀強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖，圍巖無自穩(wěn)能力；涌水的存在進(jìn)一步導(dǎo)致圍巖軟化嚴(yán)重［3］?；A(chǔ)承載力嚴(yán)重不足。

2.2施工缺陷因素

在仰拱施工過程中隧道中心線兩側(cè)鋼拱架的連接不牢固，在二次襯砌施做不久由于圍巖壓力由剛性結(jié)構(gòu)變?yōu)殂q接結(jié)構(gòu)，加之基礎(chǔ)承載力不足，仰拱底部圍巖產(chǎn)生塑形大變形和體積膨脹，引起原本有變形的仰拱底鼓進(jìn)一步加大，并且底鼓是不可回逆的。

3　加固方案

經(jīng)探討論證，采用徑向小導(dǎo)管注漿加置換仰拱加固方案，仰拱跳槽置換，一循環(huán)為2m，即4榀鋼拱架，具體加固措施如下：

（1）鏟除置換仰拱段落2m范圍內(nèi)仰拱回填的C15片石混凝土。

（2）穿過原仰拱二襯對仰拱基礎(chǔ)進(jìn)行徑向小導(dǎo)管注漿加固，小導(dǎo)管長6m、直徑為Φ50、間距80cm×80cm，待小導(dǎo)管注漿達(dá)到強(qiáng)度后方可進(jìn)行置換。

（3）進(jìn)行仰拱轉(zhuǎn)換：初期支護(hù)厚度還是采用原來的單層28cm厚型工20b型鋼砼，鋼支撐間距保持不變，均為0.5m；仰拱二次襯砌采用C30砼，厚度還是原來的45cm，主筋直徑由原來的Φ16改為Φ20；換拱后的仰拱二襯主筋應(yīng)保證與隧道主筋的焊接長度不小于30cm。

（4）仰拱置換完成后采用C25砼進(jìn)行仰拱回填，并在仰拱回填面上布置一層Φ16的HRB335鋼筋網(wǎng)。

（5）仰拱回填完成后該段路面采用雙層連續(xù)配筋。

4　數(shù)值模擬分析

本文數(shù)值模擬采用FLAC3D程序，可以反映地下工程圍巖的應(yīng)力場、位移場等分布情況［4］。

計(jì)算模型中圍巖采用實(shí)體單元模擬，Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則及彈塑性增量本構(gòu)關(guān)系；初襯和二次襯砌采用實(shí)體單元模擬，彈性本構(gòu)；注漿小導(dǎo)管采用cable單元模擬，假定鋼管與注漿加固區(qū)之間黏結(jié)性很強(qiáng)，二者無相對滑移，計(jì)算時(shí)按自重應(yīng)力場考慮。模型共劃分39380個(gè)單元，35360個(gè)節(jié)點(diǎn)，建立的模型如圖1所示，具體的圍巖、注漿加固區(qū)及支護(hù)結(jié)構(gòu)物理、力學(xué)參數(shù)如表1所示。在FIAC3D中，壓應(yīng)力為正值，拉應(yīng)力為負(fù)值，且σ1≤σ2≤σ3。首先對仰拱未置換情況下周邊圍巖及仰拱回填部分的位移、應(yīng)力分布情況進(jìn)行計(jì)算分析。然后對采取加固方案中6m注漿小導(dǎo)管及換仰拱后的位移、應(yīng)力分布情況進(jìn)行比較研究。

4.1仰拱未置換條件下的隧道穩(wěn)定性分析

圖1　計(jì)算模型

表1　圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

4.1.1位移分析

隧道開挖及襯砌支護(hù)完成后，在仰拱隆起并未置換條件下石林隧道軟巖大變形段圍巖、仰拱回填部分的豎向位移分布如圖2所示。

由圖2所示，仰拱未置換條件下，隧道頂部圍巖最大豎向位移為-51.69mm，沉降較大，隧道仰拱位置圍巖的最大豎向位移為60.60mm，隆起量較大；仰拱回填部分其豎向位移在-1.0mm～-5.03mm之間。

4.1.2應(yīng)力分析

隧道開挖及襯砌支護(hù)完成后，既有隆起仰拱未置換條件下，隧道圍巖、仰拱回填部分的主應(yīng)力分布如圖3、4所示。

由圖3、4可知：

圖2　仰拱未置換條件下的豎向位移分布云圖

圖3　仰拱未置換條件下的圍巖應(yīng)力分布云圖

圖4　仰拱未置換條件下仰拱回填部分的應(yīng)力分布云圖

整個(gè)模型范圍內(nèi)圍巖的最小主應(yīng)力基本為壓應(yīng)力，量值為-2.42MPa～-0.25MPa；隧道圍巖的最大主應(yīng)力也以壓應(yīng)力為主，量值為-1.34MPa～-0.25MPa；隧道邊墻、拱腳和仰拱位置的圍巖存在拉應(yīng)力集中，最大為0.80MPa。

隧道仰拱回填部分的最小主應(yīng)力以壓應(yīng)力為主，其最小主應(yīng)力的峰值為-0.19 MPa，且拱腳部位的最大主應(yīng)力存在拉應(yīng)力集中，最大為0.63MPa。

4.2注漿小導(dǎo)管（6m）加置換仰拱對隧道穩(wěn)定性的影響

4.2.1位移分析

注漿小導(dǎo)管長度為6m加置換仰拱加固條件下，隧道圍巖、仰拱回填部分豎向位移分布如圖5所示。

圖5　加固方案條件下的豎向位移分布云圖

由圖5所示，隧道頂部圍巖最大豎向位移為-6.28mm，沉降有較大減小，隧道仰拱位置圍巖的最大豎向位移為35.22mm，隆起量也有較大減小；仰拱回填部分其豎向位移在-0.18mm～-0.91mm之間。

總體來說，實(shí)施該加固方案后，仰拱回填部分及圍巖豎向位移均較小。

4.2.2應(yīng)力分析

注漿小導(dǎo)管長度為6m加置換仰拱加固條件下，隧道圍巖、仰拱回填部位的主應(yīng)力分布如圖6、7所示。

由圖6、7可知：

圖6　加固方案條件下的圍巖應(yīng)力分布云圖

圖7　加固方案條件下仰拱回填部位的應(yīng)力分布云圖

整個(gè)模型范圍內(nèi)圍巖的最小主應(yīng)力均為壓應(yīng)力，量值為-2.86MPa～-0.25MPa；隧道圍巖的最大主應(yīng)力也以壓應(yīng)力為主，量值為-1.06MPa～-0.20MPa；隧道仰拱位置的圍巖存在拉應(yīng)力集中，最大為0.40MPa。

隧道仰拱回填部分的最小主應(yīng)力以壓應(yīng)力為主，其最小主應(yīng)力峰值為-0.07MPa，但拱腳部位的主應(yīng)力存在拉應(yīng)力集中，最大為0.44MPa。

總體來說，施加該加固方案后，隧道襯砌及圍巖的主應(yīng)力分布情況均有所改善。

5　現(xiàn)場監(jiān)控量測驗(yàn)證

由于石林隧道所處的地質(zhì)條件及應(yīng)力環(huán)境的復(fù)雜性，為確保隧道建設(shè)及后期運(yùn)營的安全，須對隧道底鼓變形段進(jìn)行監(jiān)控量測以便驗(yàn)證加固措施實(shí)施前后和實(shí)施過程中隧道穩(wěn)定性。由福州大學(xué)監(jiān)測組對YK14+ 260～YK14+320段60m范圍進(jìn)行二襯表面應(yīng)變、二襯裂縫及仰拱起拱觀測。二襯結(jié)構(gòu)表面應(yīng)變監(jiān)測點(diǎn)主要布置在YK14+250～YK14+325里程襯砌存在裂損的區(qū)段內(nèi)，測點(diǎn)沿內(nèi)輪廓在拱頂、左右拱腰和左右邊墻處布置。裂縫監(jiān)測主要是跟蹤各時(shí)段裂縫寬度變化速率，累計(jì)寬度和新增裂縫。仰拱起拱監(jiān)測共布置9個(gè)斷面，每斷面3個(gè)測點(diǎn)，共計(jì)27個(gè)測點(diǎn)。

5.1二次襯砌表面應(yīng)變監(jiān)測和裂縫觀測結(jié)果

二次襯砌表面應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果表明，在隧道底板施加注漿小導(dǎo)管并換拱回填后，由于隧道仰拱成環(huán)使整個(gè)受力體系由非穩(wěn)定結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，襯砌的應(yīng)變—時(shí)間曲線有逐漸趨于穩(wěn)定的趨勢，這說明底板注漿及仰拱更換之后，整個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)性能得到進(jìn)一步改善。

隧道二襯表面裂縫監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析表明，由于受施工擾動的影響，隧道圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力發(fā)生重分布，在注漿換拱作業(yè)期間二襯混凝土表面局部應(yīng)力集中導(dǎo)致二襯開裂；但隨著施工的完畢，換拱段內(nèi)二襯表面裂縫已無明顯擴(kuò)張狀態(tài)且曲線趨于平穩(wěn)，說明支護(hù)結(jié)構(gòu)已漸趨穩(wěn)定。

5.2仰拱填充層起拱監(jiān)測分析

換拱前個(gè)別斷面路基隆起較明顯，路基隆起速率可達(dá)1.50mm/d，表明該段圍巖內(nèi)部二次應(yīng)力在此期間處于調(diào)整狀態(tài)。但換拱施工完畢后，軟巖大變形段內(nèi)隧道路基鼓起變化急劇減小，累計(jì)鼓起均不足0.9mm，路基表面填充層也未出現(xiàn)明顯的隆起，且隆起的時(shí)間曲線基本穩(wěn)定，因此判斷路基及填充層已趨于穩(wěn)定。

6　結(jié)論和展望

（1）隧道仰拱底鼓變形主要原因是隧道仰拱底部圍巖差，無自穩(wěn)能力，加之長期受水浸泡，圍巖遇水軟化嚴(yán)重，發(fā)生膨脹變形。施工缺陷造成底鼓變形進(jìn)一步加劇。

（2）通過數(shù)值模擬結(jié)果表明：未置換仰拱的情況下，拱頂及仰拱的位移量較大，且隧道邊墻、拱腳和仰拱位置的圍巖存在拉應(yīng)力集中的情況。采用對仰拱基礎(chǔ)進(jìn)行小導(dǎo)管注漿并更換仰拱鋼拱架后，拱頂及仰拱的位移量很小，隧道仰拱回填部位及圍巖的主應(yīng)力分布情況均有所改善。現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析后表明數(shù)值模擬的結(jié)果基本符合現(xiàn)場實(shí)際，所以加固方案是可行的。

（3）在隧道修建過程中必須重視仰拱的施工，一定要確保初支鋼拱架成環(huán)，形成受力整體。

（4）隧道病害整治可以利用數(shù)值模擬得出較客觀的結(jié)果后，指導(dǎo)現(xiàn)場施工，具有很強(qiáng)的可行性、適用性。

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