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        軟弱圍巖淺埋偏壓隧道病害分析及整治技術(shù)

        2020-07-18 01:56:22楊昌宇
        四川建筑 2020年3期
        關(guān)鍵詞:拱部偏壓測點

        邸 成,黃 智,楊昌宇,張 磊,黃 華

        (1.中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司,四川成都 610031;2.云桂鐵路云南有限責(zé)任公司,云南昆明 650500)

        隨著我國高速鐵路網(wǎng)的規(guī)劃與建設(shè),尤其是西南山區(qū)高速鐵路的建設(shè),受控于地形地質(zhì)及線路走向條件,淺埋偏壓隧道越來越多。對于淺埋偏壓隧道其施工中易出現(xiàn)塌方、支護變形及地表開裂等,更甚者將引起襯砌開裂,山體滑動的災(zāi)害。近年來,淺埋偏壓隧道已成為艱險山區(qū)鐵路修建中面臨的工程難題。

        針對軟弱圍巖淺埋偏壓隧道學(xué)者們做了大量卓有成效的研究。湯競,傅鶴林[2]研究提出不同覆土深度及不同偏壓角對隧道圍巖壓力及變形規(guī)律的影響。干嘯洪,陳立平等[3]提出偏壓角的理念以實現(xiàn)對淺埋偏壓隧道的地表沉降規(guī)律及變形量進行預(yù)測。雷明峰,彭立敏等[5]通過開挖模擬不同偏壓角模型隧道,對淺埋偏壓隧道圍巖壓力、襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力的動態(tài)變化規(guī)律和分布形式以及襯砌和圍巖的破壞機制進行系統(tǒng)研究。

        雖然目前對軟弱圍巖淺埋偏壓隧道的變形規(guī)律、機理及力學(xué)行為有一定研究,但大部分研究均基于理論分析,數(shù)值模擬及模型試驗等手段進行,而基于現(xiàn)場調(diào)查、監(jiān)測、鉆探結(jié)合的分析相對較少,對控制變形的技術(shù)理念研究相對較少,本文依托西南某鐵路隧道,開展了軟弱圍巖淺埋偏壓隧道病害分析及整治技術(shù)研究,具有非常重要的現(xiàn)實意義,對類似工程具有重要的借鑒意義。

        1 工程概況

        隧道全長745 m,單洞雙線,設(shè)計時速250 km/h。隧區(qū)屬構(gòu)造剝蝕、侵蝕低中山地貌,地形起伏較大,地面高程1 220~1 305 m,相對高差85 m;隧道出口段300 m地面橫坡陡峻,自然坡度30 °,局部50 °,屬典型淺埋偏壓隧道,隧道最大埋深約58 m。

        隧道穿越地層為三疊系中統(tǒng)板納組下段泥質(zhì)粉砂巖夾泥巖。全風(fēng)化層厚5~15 m,呈土狀、砂粒樁,強風(fēng)化層厚10~20 m,破碎成塊狀、角礫土狀,其下為弱風(fēng)化層。

        隧區(qū)構(gòu)造不發(fā)育,地下水為基巖裂隙水,地下水補給主要為地表降雨。

        巖層產(chǎn)狀為N80°W/28°SE,與線路夾角43°,視傾角21°,傾向線路左側(cè)(靠山側(cè)),巖性以細砂巖夾泥巖為主,線路右側(cè)存在地質(zhì)順層。

        隧道洞身段支護采用錨網(wǎng)噴支護,C25噴射混凝土,厚28 cm或30 cm,輔以全環(huán)I20b或I22a型鋼鋼架及φ42 mm超前小導(dǎo)管支護,二次襯砌采用C35曲墻帶仰拱鋼筋混凝土襯砌,襯砌厚度50~60 cm。

        2 襯砌病害特征及監(jiān)測

        2.1 襯砌病害特征

        隧道出口段354 m二次襯砌在完成澆筑4個月后檢查發(fā)現(xiàn)襯砌拱部裂紋,其特征如下(圖1):

        圖1 二襯裂紋典型分布

        (1)二襯以縱向張性裂紋為主,裂紋最大寬度約2 mm,一般為0.2~1 mm。

        (2)裂紋位于二襯拱部約65°范圍內(nèi),其中拱部左側(cè)(靠山側(cè))35°,拱部右側(cè)(低山側(cè))30°。

        (3)裂紋的分布總體上左側(cè)多于右側(cè),但隨著隧道埋深的增大,這一特征不再有所弱化。

        (4)根據(jù)裂紋鉆孔取芯,裂紋深度一般為20~25 cm,未貫穿襯砌。裂紋深度左側(cè)大于右側(cè),未見襯砌混凝土壓潰跡象。這與裂紋的分布特征是一致的。

        2.2 地表裂縫特征

        地表主裂縫走向沿隧道線位方向,并分布于隧道高山側(cè),其特征如下(圖2):

        圖2 地表裂縫分布

        (1)地表裂縫一般分布于隧道中線左側(cè)5~25 m范圍,其分布范圍比理論計算范圍小,并隨著隧道埋深的增大其分布范圍亦隨著擴大。

        (2)主裂縫最大寬度約25 cm,平均寬度約15 cm,裂縫可見錯臺,錯臺最大高度20 cm;其余裂縫寬度3~5 cm。

        2.3 地表位移監(jiān)測

        對應(yīng)于襯砌病害范圍地表分別布置8個監(jiān)測斷面,每個監(jiān)測斷面按間距10~15 m布置1個測點,共布置78個測點對地表位移進行了監(jiān)測,其監(jiān)測結(jié)果如下:

        (1)各測點位移均較小,最大位移27.5 mm。

        (2)監(jiān)測期內(nèi)測點位移隨時間變化呈現(xiàn)波動趨勢,未見測點位移隨時間向單一方向持續(xù)增大趨勢。

        2.4 洞內(nèi)位移監(jiān)測

        對應(yīng)于地表監(jiān)測斷面于隧道內(nèi)布置8個洞內(nèi)監(jiān)測斷面,每個斷面布置2個測點,共布置16個測點對洞內(nèi)位移進行了監(jiān)測,其監(jiān)測結(jié)果如下:

        (1)各測點位移均較小,最大位移2.1 mm。

        (2)各測點位移未見向單一方向持續(xù)增大趨勢。

        2.5 地質(zhì)物探及鉆探

        病害段沿隧道縱向布置1條測線,橫向布置3條測線,布置地質(zhì)鉆孔12個,其主要結(jié)論如下:

        (1)物探解譯病害段圍巖極軟弱、極破碎或富水巖體,隧道洞身存在寬約100 m的直立的節(jié)理密集帶,節(jié)理密集帶推與隧道小角度相交。

        (2)鉆探揭示隧道洞身位于砂巖夾泥巖強風(fēng)化帶內(nèi),薄—中層狀,泥質(zhì)結(jié)構(gòu),含砂狀,泥質(zhì)膠結(jié),巖質(zhì)軟,巖芯呈碎塊、角礫狀,采取率65 %。

        3 襯砌病害分析

        3.1 數(shù)值模擬

        采用有限元數(shù)值分析軟件ANSYS建立隧道計算模型,針對病害段地形地質(zhì)條件分析了隧道頂板土柱兩側(cè)摩擦角對隧道結(jié)構(gòu)的影響,并于監(jiān)測與調(diào)查數(shù)據(jù)對比。

        3.1.1 計算模型及參數(shù)

        采用荷載-結(jié)構(gòu)模型、平面桿系有限元位移法。圍巖荷載按TB 10003-2016/J449-2016《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》偏壓隧道襯砌計算方法取值,其計算模型如圖3所示,計算工況及參數(shù)如表1所示。

        3.1.2 計算結(jié)果及分析

        各種工況下,數(shù)值計算結(jié)構(gòu)裂縫與實測裂紋對比如表2所示,工況4計算彎矩與位移如圖4、圖5所示。

        圖3 結(jié)構(gòu)計算模型

        表1 各工況計算參數(shù)

        表2 各工況計算裂紋特征與實測對比

        圖4 工況4彎矩分布

        圖5 工況4位移分布

        計算結(jié)果表明:在地形偏壓時,隨著頂板土柱兩側(cè)摩擦力的減小,其偏壓引起的水平荷載減小,自重荷載增大,結(jié)構(gòu)拱部彎矩增大產(chǎn)生裂紋,地形偏壓對其彎矩的分布有一定的影響。

        3.2 病害機理分析

        隧道出口段地面橫坡1∶1.5~1∶2.5,圍巖以強風(fēng)化薄—中層狀砂巖夾泥巖為主,圍巖整體軟弱不均,以軟為主,巖層產(chǎn)狀與地形橫坡傾向相反,其疊加作用客觀上易產(chǎn)生拱頂豎向荷載增加。淺埋隧道施工開挖支護變形形成松動圈并發(fā)展至地表,引起隧周應(yīng)力重分布,加之地表降雨增加松動圈范圍土體自重,同時降低了土柱兩側(cè)摩擦力,當隧道襯砌不足以承受拱部自重荷載時,表現(xiàn)為襯砌拱部開裂,而地形偏壓因素引起隧道豎向荷載的分布不均,其主導(dǎo)了裂紋的分布范圍。

        3.3 病害原因分析

        (1)地形因素:隧道出口段屬典型淺埋偏壓隧道,隧道開挖后引起洞周應(yīng)力場及位移場重分布,隨著洞內(nèi)位移的增大其圍巖形成的松動圈亦不斷發(fā)展與擴大,并最終發(fā)展至地表從而引起地表開裂,且地形偏壓因素對地表裂縫的分布主導(dǎo),如本文2.2所述。

        (2)地質(zhì)因素:隧道出口段圍巖為砂巖夾泥巖,圍巖破碎、結(jié)合差,圍巖整體軟弱,洞身發(fā)育豎向節(jié)理密集帶,一定程度上增加了圍巖的豎向自重荷載,減弱了圍巖的水平荷載。

        (3)地表降雨:隧道開挖后引起地表開裂,由于未及時對地表裂縫進行封堵,地表降雨后一方面引起圍巖的自重荷載增加,另一方面降雨沿裂縫下滲,降低了松動圈與基巖間的摩擦力,增加了自重荷載。

        4 襯砌病害整治

        根據(jù)病害原因分析,隧道襯砌拱部病害的主要原因是由于地形偏壓,圍巖軟弱及地表水的下滲等所致,因此隧道病害整治需從以上方面進行。一是通過清方減載減小隧道拱部所承受的豎向荷載,二是采取注漿加固措施提高圍巖的自承載能力及與基巖間的摩擦力,三是加強地表水的引排措施,減小地表降雨對圍巖的惡化作用。

        4.1 清方減載

        對隧道埋深超過40 m地段,為減小拱頂自重荷載,消除地形偏壓因素,結(jié)合地形地貌對地表按1∶10橫坡進行清方,清方后邊坡按永久邊坡設(shè)計,邊坡防護采用錨桿框架梁,主錨桿采用φ32 mm中空注漿錨桿,長8.0 m;對比表部分段落存在的人工棄土進行清除,并清除至原地表,清除后于于原地表采用錨桿框架梁防護,主錨桿采用φ32 mm中空注漿錨桿,長10 m,錨桿框架梁施作范圍為地表加固區(qū)右側(cè)邊界至線路中線右側(cè)30 m內(nèi)自然坡面。

        4.2 注漿加固改良圍巖

        通過注漿加固改良圍巖,改善襯砌周邊圍巖力學(xué)環(huán)境,提高圍巖的密實性,以阻斷地下水向隧道周邊集聚。結(jié)合隧道地形地貌條件采取地表注漿與洞內(nèi)注漿相結(jié)合的方式進行圍巖改良(圖6)。

        圖6 襯砌病害整治典型橫斷面

        (1)洞內(nèi)注漿拱墻范圍內(nèi)布置,加固深度按8 m控制,注漿材料采用1∶0.5水泥-水玻璃雙液漿。

        (2)地表注漿范圍隧道開挖輪廓線范圍內(nèi)布置,加固深度按8~20 m控制,注漿材料采用1∶1水泥漿。

        4.3 地表水引排

        (1)為防止坡腳水溝常年流水對坡腳造成沖刷,于坡腳水溝靠山側(cè)溝壁采用C20混凝土護岸,護岸厚0.5 m,高與原水溝高度一致且不能小于1.0 m,護岸基礎(chǔ)伸入溝底不小1 m;并于溝底鋪設(shè)30 cm厚M10漿砌片石。

        (2)分別于平行于線路方向設(shè)置3道縱向截排水溝,縱向截排水溝每隔50 m設(shè)置橫向引水溝并引排至坡腳既有自然溝內(nèi)。

        5 結(jié)論

        (1)軟弱圍巖淺埋偏壓隧道除應(yīng)重視巖層產(chǎn)狀與地形條件均不利條件下的偏壓側(cè)的水平荷載過大引起的支護變形及襯砌開裂問題,還應(yīng)重視產(chǎn)狀與地形條件不對稱條件下的拱部自重荷載疊加效應(yīng)引起的豎向荷載過大問題。

        (2)軟弱圍巖淺埋偏壓隧道在施工過程中應(yīng)加強對松弛荷載引起支護變形的控制,采取增加初期支護剛度、注漿加固改良圍巖等措施控制支護位移,避免支護變形引起松動圈不斷發(fā)展與擴大。

        (3)軟弱圍巖淺埋偏壓隧道在設(shè)計中應(yīng)加強對地表水的引排措施設(shè)計,及時對地表產(chǎn)生的裂縫采取封堵措施。

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