田 嬌，茍德明，曾曉輝，張學民，歐雪峰，歐陽淋旭

(1.貴州省交通規(guī)劃勘察設計研究院股份有限公司，貴州 貴陽 550001；2.中南大學土木工程學院，湖南 長沙 410075；3.長沙理工大學土木工程學院，湖南 長沙 410114)

0 引言

近年來隨著工程技術的不斷革新，我國隧道建設逐漸向斷面更大、埋深更深、地應力更高、巖溶更為發(fā)育、地質條件更為復雜等條件下進行修建，給隧道建設帶來了更大難度，隨之而來也造成了更多的工程病害，如拱頂脫空、襯砌開裂、隧道滲漏水以及仰拱隆起等。其中仰拱隆起[1]會引起隧道結構受力模式發(fā)生轉變，導致出現(xiàn)隧道結構開裂、滲漏水等問題，危及隧道自身結構安全，同時底部填充開裂會造成路面平順度降低，進而影響行車安全。由于高速公路行車速度較高，對仰拱底鼓的控制有著更嚴格的要求。

相關學者對此進行了大量研究，如萬正等[2]采用現(xiàn)場實測以及數值模擬研究了富水煤系地層中仰拱隆起問題，并采取了具體的整治措施；黃華等[3]采用理論分析及數值模擬研究了隧底荷載與仰拱變形之間的關系，并提出了相應的解決措施；汪洋等[4]通過研究某隧道的仰拱破壞過程，推導出了隧道底鼓的具體計算式；杜明慶等[5]采用模型試驗和數值模擬研究了不同加載方式下仰拱可能出現(xiàn)的3種破壞類型，為不同地質荷載下仰拱薄弱點提供理論依據；Gesell M[6]，Barla等[7]采用模型試驗對仰拱底鼓的原因進行了分析和預測；鐘祖良等[8]采用現(xiàn)場調查和地質勘察研究了某隧道仰拱底鼓發(fā)生原因，并推導出不同因素下引起底鼓的具體表達式。上述調查研究為仰拱的病害治理提供了大量的研究資料，但是隧道穿越富水巖溶地層出現(xiàn)的仰拱隆起原因復雜多變，與地質環(huán)境、施工工藝、圍巖狀態(tài)以及水害巖溶等諸多因素有關，而目前對于這種地質情況下病害治理的資料較少，且大都僅涉及施工治理設計，并未進一步研究治理后仰拱在長期運營荷載作用下結構內力及水壓變化。

因此，本文依托貴州DJ隧道仰拱隆起的病害問題，進行病害原因調查分析，進而提出相應的處置措施，并對處置后的仰拱受力及隧道外側水壓進行長期監(jiān)控，以驗證處置措施的有效性，以期為相關富水巖溶地層中隧道修建提供一定參考。

1 工程概況

1.1 工程地質條件

貴州DJ隧道地處貴州高原東北部的武陵山山脈向大婁山山脈過渡的斜坡地帶。DJ隧道為分離式特長隧道，隧道進口端測設線間距約20m，出口端測設線間距約33m。左幅隧道起訖樁號為ZK6+760—ZK12+265，長5 505m，最大埋深約534m。右幅隧道起訖樁號為YK6+755—YK12+180，長5 425m，最大埋深約537m。

其中ZK9+600—ZK10+650段位于石朝向斜核部向兩翼過渡地段，水文地質條件極其復雜，洞身圍巖主要為二疊系棲霞組灰?guī)r夾泥巖、鈣質泥巖，隱伏巖溶可能性很大，若遇富集地下水、巖溶溶洞水、基巖裂隙水、松散孔隙水等影響，開挖后極易導致突水或突泥。加之隧道正上方210m處存在暗河，巖溶強發(fā)育，地下水易沿基巖節(jié)理、裂隙面下滲至洞身段落形成線狀、涌流狀涌水，致使隧道外側存在較大的水頭壓力，存在承壓水，隧道左線地質縱斷面如圖1所示。

圖1 隧道左線地質縱斷面Fig.1 Geological profile of left tunnel line

1.2 支護設計

該隧道采用復合式襯砌，隧道全段經歷多種地質構造，且圍巖從Ⅲ級到Ⅴ級分布不等，因此襯砌設計類型也有較大差異，選取其中最危險段進行分析。ZK9+896—ZK9+968段位于石朝向斜正下方，地質條件復雜，存在溶洞、裂隙，地下水發(fā)育，以該段進行分析，襯砌斷面如圖2所示。

圖2 襯砌斷面Fig.2 Lining section

1)初期支護 采用φ42×4注漿鋼花管，L=4.5m，間距為50cm×120cm(縱×環(huán))，按梅花形進行布設；20cm×20cm(雙層)布設φ6.5鋼筋網；全環(huán)采用I20b型鋼拱架，間距50cm；最后噴射28cm厚C20噴射混凝土。

2)二次襯砌 安裝350g/m2無紡土工布以及防水板；布設HRB400雙層鋼筋網；澆筑55cm厚C30鋼筋混凝土。

2 仰拱病害情況及原因分析

2.1 仰拱病害情況

受連續(xù)大雨影響，DJ隧道進口左幅ZK9+896—ZK9+955仰拱出現(xiàn)隆起、開裂，仰拱填充層中部出現(xiàn)底鼓，縱向裂縫清晰可見(見圖3a)，并不斷向外擴展；仰拱出現(xiàn)不同程度的隆起，中心排水管被擠壓上抬，二襯鋼筋嚴重彎曲變形，最嚴重地段仰拱隆起高度達40～50mm；同時隧道外側基巖中處持續(xù)涌水并存在較大水壓，伴隨著突水突泥、大量泥砂經裹挾涌出，圍巖較為破碎，仰拱病害情況如圖3所示。

圖3 ZK9+896—ZK9+955仰拱病害Fig.3 ZK9+896—ZK9+955 invert arch diseases

2.2 仰拱隆起破壞原因分析

在仰拱隆起破壞后，第一時間采用地質雷達對其進行探測，雷達灰度如圖4所示。由圖4可知，隧道襯砌外側5～8m處圍巖存在不密實，推測ZK9+910—ZK9+925左邊墻輪廓線外5～8m處存在巖溶發(fā)育區(qū)，局部有溶洞發(fā)育，地下水發(fā)育。

圖4 雷達灰度Fig.4 Radar grayscale image

仰拱隆起破壞往往并非由單一因素引起，如圍巖強度及裂隙發(fā)育程度、施工工藝、地下水發(fā)育程度以及地應力高低等都會造成仰拱出現(xiàn)問題，因此必須對其進行綜合分析處理，結合雷達探測、工程地質資料以及現(xiàn)場施工情況原因分析如下。

1)由雷達探測可知，隧道周圍圍巖存在較大溶洞，圍巖較為破碎，巖體完整性較差，抵抗變形的能力亦不足，將會導致襯砌承受較大的外部荷載。

2)隧道正上方210m處存在暗河，經過地下水長期侵蝕作用，形成貫通涌水通道，隧道襯砌外側地下水發(fā)育，存在較大水壓。在現(xiàn)場將注漿設備關閉，水壓反灌壓力達1.6MPa，說明襯砌承受較大外側水壓作用。

3)仰拱外側為泥巖，自身強度較低，經過長時間地下水浸泡，圍巖出現(xiàn)軟化，出現(xiàn)塑性變形，圍巖力學參數有所降低，抵抗外界變形能力差。

4)在修筑仰拱時曾對仰拱外側圍巖進行注漿處理，堵塞了原來的水流路徑，地下水淤積于隧底無法排出，在接連的大雨下，襯砌外部水壓不斷上升，最終導致仰拱底鼓開裂。

3 仰拱整治措施及效果

3.1 仰拱整治措施

常見的隧底仰拱處理方法是對隧底進行注漿加固、打設鎖腳錨管、進行襯砌外側引排水設計、仰拱拆換及加厚處理、鋪設型鋼對混凝土進行加固等。由于本次地質條件的復雜性，需依據本項目具體工程問題進行針對性設計。引起此段仰拱破壞的主要原因是隧底水壓較大、圍巖遇水軟化，且溶洞裂隙較為發(fā)育，經過多種方案的分析對比，綜合采用如下設計。

1)首先在隧道兩側邊墻施作φ76×5注漿鋼花管，鋼花管長9m，縱向排距150cm,注漿壓力1.5～2.0MPa，注漿采用水泥漿液，注漿后鋼管內采用M30水泥砂漿填充，以提高鋼管剛度。

2)在仰拱底部施作φ76×5注漿鋼花管進行基底加固，鋼花管長8m；橫向間距100cm，縱向排距150cm，呈梅花形布置。注漿采用1∶1水泥漿液，注漿壓力1.5～2.0MPa。且鋼花管應嵌入基巖3m，如圖5a所示，依靠基巖對仰拱進行錨固，防止仰拱上浮，同時通過鋼管向仰拱底部圍巖進行注漿處理，加固圍巖。

3)對仰拱進行拆換，同時對仰拱二襯進行加厚，由原來的50mm加厚至75mm。

4)在隧道右側增設40cm×30cm排水溝，左側增設30cm×50cm排水溝，同時加寬中心水溝尺寸為120cm×200cm，并在排水溝內每隔50m鉆取泄水孔，當仰拱外側水流較大時能通過泄水孔導入中心排水溝中。

5)同時增設排水系統(tǒng)，如圖5b所示，為減小隧道外側水壓，在ZK9+910處設置U形橫洞沉淀池，并與中心排水溝相連，便于及時將中心溝內的涌水及流砂排出，減少仰拱所受水壓。

圖5 隧道整治處理Fig.5 Tunnel treatment

6)施工中加強監(jiān)控量測，要求測點布置斷面間距≤5m，局部變形嚴重地段根據實際情況進行加密，每天監(jiān)測頻率≥3次，以便隨時掌握隧道襯砌變形情況。

3.2 仰拱整治效果

經采用“注漿鋼花管+仰拱拆換+排水溝加寬+設置泄水孔+增設排水系統(tǒng)”方案治理后，仰拱外壁較為干燥，且中心排水溝處涌水明顯減少，說明水流經排水系統(tǒng)排出隧道外；仰拱無隆起上抬現(xiàn)象，填充層及仰拱處并無形成裂縫，說明仰拱治理效果較好。同時，為了密切關注該區(qū)段的長期受力變形情況，在ZK9+910處的初支及二襯之間安裝土壓力盒以及鋼筋應變計監(jiān)測仰拱受力情況，在隧道初支外側布設水壓計進行水壓監(jiān)測，測點布置如圖6所示，監(jiān)測結果如圖7所示。

圖6 ZK9+910斷面測點布置Fig.6 Layout of ZK9+910 section measuring points

圖7 ZK9+910斷面內力監(jiān)測結果Fig.7 Internal force monitoring results of ZK9+910 Section

該隧道于10月28日通車，由圖7可知，當仰拱二襯施作后，由于混凝土硬化導致測點數據在初期發(fā)生較大變化，而后逐漸處于平緩增長。隧道處于運營階段后，在行車荷載的作用下結構內力亦無明顯變化，處于穩(wěn)定階段，鋼筋最大拉應力為15MPa，遠小于鋼筋抗拉強度設計值360MPa；接觸應力隨著初支和二襯的逐漸密貼而持續(xù)增長，但數值總體較小，在運營階段下逐漸趨于穩(wěn)定，且最大應力僅為0.12MPa；水壓計數據結果顯示隧道外側水壓幾乎為0，最大值為0.012MPa，相較于所測水壓值有明顯降低，說明本次注漿效果良好，襯砌外側無水流滲流作用，有利于保護仰拱襯砌結構，提高其承載能力，說明本次整治方案合理，結構處于安全狀態(tài)。

4 結語

1)從地質雷達探測、工程地質資料以及現(xiàn)場施工情況可以了解到，隧底水壓較大、圍巖遇水軟化以及溶洞裂隙較為發(fā)育是隧道穿越富水巖溶地層的主要影響原因。

2)通過現(xiàn)場監(jiān)測表明，采用“注漿鋼花管+仰拱拆換+排水溝加寬+設置泄水孔+增設排水系統(tǒng)”的整治措施能有效治理富水巖溶地層隧道仰拱隆起問題。

3)監(jiān)測數據表明，仰拱鋼筋混凝土受力較小，處于安全狀態(tài)；隧道外側無水壓，注漿效果及排水措施效果較好，且在行車荷載作用下亦無較大變化，有利于隧道長期健康運營。