代仲宇，寇 昊，扶親強(qiáng)，肖龍鴿，楊文波，郭德平

(1.中國(guó)建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施有限公司，北京 100029；2.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610031；3.中建隧道建設(shè)有限公司，重慶 401320；4.敘鎮(zhèn)鐵路有限責(zé)任公司，云南 昭通 657900)

0 引言

隧道仰拱隆起破壞是一個(gè)極為復(fù)雜的力學(xué)演化過(guò)程[1]。引起仰拱隆起的原因有外部環(huán)境因素和人為因素，其中外部環(huán)境因素主要是隧址區(qū)地應(yīng)力、巖體巖性及構(gòu)造、水文地質(zhì)條件等；人為因素主要是施工工藝及技術(shù)，如仰拱的結(jié)構(gòu)形式、支護(hù)參數(shù)、施工質(zhì)量等[2-3]。

有關(guān)隧道仰拱隆起問題，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者通過(guò)數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試等手段研究了水文地質(zhì)環(huán)境、圍巖巖性及產(chǎn)狀、地應(yīng)力等一種或多種因素造成仰拱隆起病害的發(fā)生機(jī)理，通過(guò)采取相應(yīng)的治理措施得到了一些有益的解決方案。李林毅等[4-5]研究了強(qiáng)降雨作用下隧道仰拱隆起原因及整治措施，得到復(fù)雜地質(zhì)條件導(dǎo)致地層富水連通以及防排水系統(tǒng)部分失效是仰拱隆起病害發(fā)生的主要原因，且隧底的隆起量最大，在現(xiàn)場(chǎng)采取“施作降壓孔+隧底注漿錨固+增設(shè)泄水洞+地表處理”的綜合整治措施后得到有效控制。杜明慶等[6]、馬曉文等[1]、高震等[7]分析了圍巖膨脹特性及軟化特性引起隧道仰拱底鼓破壞模式及過(guò)程，表明泥巖遇水膨脹及遇水軟化是引起仰拱破壞及力學(xué)行為變化的主要原因。陳洋宏[8]、肖小文等[9]對(duì)高地應(yīng)力緩傾互層巖體隧道底鼓機(jī)理與控制技術(shù)進(jìn)行了研究，得出側(cè)壓力系數(shù)和巖性對(duì)隧道底鼓影響較大，巖層傾角和厚度影響較小，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明預(yù)應(yīng)力錨索加固方案不能顯著改善隧底結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，而隧底鋼管樁結(jié)合中空錨桿注漿加固方案可以有效抑制隧道底部的隆起。施成華等一些學(xué)者[10-12]對(duì)隧底仰拱進(jìn)行長(zhǎng)期變形及內(nèi)力監(jiān)測(cè)，分析了仰拱破壞機(jī)理并提出了相應(yīng)的治理方案。

目前針對(duì)隧道仰拱隆起的治理措施還不夠系統(tǒng)，尤其針對(duì)不同病害情況的處治措施還不夠完善。本文依托蓉麗高速東馬場(chǎng)1號(hào)隧道工程，分析進(jìn)口段泥巖地層仰拱隆起病害的原因，對(duì)不同開裂程度的仰拱采取與之相適應(yīng)的處治措施，并分析了處治效果。本文提出的仰拱隆起處治措施可為類似工程提供參考。

1 工程概況

東馬場(chǎng)1號(hào)隧道為蓉麗高速(華坪—麗江段)控制性工程。左幅隧道起點(diǎn)里程ZK70+180，止點(diǎn)里程ZK75+278，隧道全長(zhǎng)5 097m，最大埋深621.481m；右幅隧道起點(diǎn)里程K70+130，止點(diǎn)里程K75+330，全長(zhǎng)5 210m，最大埋深619.6m。其中設(shè)計(jì)Ⅲ級(jí)圍巖3 204m(占比31.1%)，Ⅳ級(jí)圍巖3 359m(占比32.6%)，Ⅴ級(jí)圍巖3 740m(占比36.3%)。隧道進(jìn)口方向?yàn)槟鄮r、泥質(zhì)粉砂巖，出口方向?yàn)榛規(guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r。施工過(guò)程中，隧道進(jìn)口右幅K71+150—K71+190段仰拱發(fā)生嚴(yán)重隆起破壞，如圖1所示。因此，本文對(duì)該段泥巖地層仰拱隆起段進(jìn)行處治措施研究，地質(zhì)縱斷面如圖2所示。隧道圍巖級(jí)別為V級(jí)，泥質(zhì)砂巖，強(qiáng)～中風(fēng)化，中～厚層狀，受構(gòu)造影響，裂隙發(fā)育，巖體破碎；地下水位位于洞身上部，以基巖裂隙水為主，涌水量較大，富水性強(qiáng)，施工過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)淋雨?duì)畛鏊?。圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)BQ=200～260，圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)修正值[BQ]=170～210，兩側(cè)巖體電阻率值變化較大，為異常區(qū)域。圍巖情況如下：③泥巖 紫紅、紅褐色，砂泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄～中厚層狀，強(qiáng)風(fēng)化，節(jié)理裂隙極發(fā)育，多呈碎石土狀，少量呈碎塊狀；④石英砂巖 黃褐色，細(xì)粒結(jié)構(gòu)，強(qiáng)風(fēng)化，節(jié)理裂隙發(fā)育，多呈碎石～碎塊狀；⑤泥質(zhì)砂巖 黃褐色，中粒結(jié)構(gòu)，強(qiáng)風(fēng)化，節(jié)理裂隙發(fā)育，呈碎石狀～碎塊狀，局部夾薄層泥巖；⑥泥質(zhì) 黃褐色，中粒結(jié)構(gòu)，強(qiáng)風(fēng)化，節(jié)理裂隙發(fā)育，局部夾薄層泥巖，多呈大塊狀，部分呈碎塊狀；⑦泥質(zhì)粉砂巖 黃褐色，中粒結(jié)構(gòu)，中風(fēng)化，節(jié)理裂隙發(fā)育，局部夾薄層泥巖，多呈大塊狀，部分呈碎塊狀。

圖1 仰拱隆起Fig.1 Inverted arch

圖2 地質(zhì)縱斷面Fig.2 Longitudinal section

2 隧道仰拱隆起的成因機(jī)制

2.1 隧址區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)與圍巖強(qiáng)度

根據(jù)隧道現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)1(K71+898，埋深約232m)地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，最大水平主應(yīng)力為12.48MPa，垂直應(yīng)力為5.97MPa，側(cè)壓力系數(shù)為2.09。測(cè)點(diǎn)處的最大主應(yīng)力以水平構(gòu)造應(yīng)力為主，與隧道軸向夾角較大，不利于隧道穩(wěn)定。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取芯制作φ50×100的標(biāo)準(zhǔn)巖樣，進(jìn)行巖石力學(xué)性質(zhì)測(cè)試，得到泥質(zhì)粉砂巖單軸飽和抗壓強(qiáng)度為12.78MPa(見圖3,4)。根據(jù)GBT50218—2014《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》，計(jì)算得到測(cè)點(diǎn)處的強(qiáng)度應(yīng)力比為1.02，屬于極高應(yīng)力區(qū)，隧道容易引起大變形失穩(wěn)。

圖3 泥質(zhì)粉砂巖破壞前后巖樣Fig.3 Rock samples before and after failure of the argillaceous siltstone

圖4 泥質(zhì)粉砂巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curve of the argillaceous siltstone

2.2 施工方案及支護(hù)參數(shù)

隧道進(jìn)口右幅K71+150—K71+190段的設(shè)計(jì)襯砌類型為SF5b，襯砌斷面如圖5所示，采用三臺(tái)階法開挖。超前支護(hù)采用φ42×4熱軋無(wú)縫鋼管的超前小導(dǎo)管形式，長(zhǎng)4.5m，環(huán)向間距30cm，在拱部約120°范圍布設(shè)。初期支護(hù)采用φ25mm中空注漿錨桿，長(zhǎng)300cm，間距100cm×80cm；噴25cm厚C25混凝土，雙層φ8鋼筋網(wǎng)，間距20cm×20cm；鋼拱架采用I18，間距80cm；在上臺(tái)階和中臺(tái)階開挖后兩側(cè)腳部采用φ42×4小導(dǎo)管進(jìn)行鎖腳。二次襯砌采用50cm厚C30鋼筋混凝土，預(yù)留變形量12cm。仰拱采用C15混凝土回填。

圖5 SF5b襯砌斷面Fig.5 Section of the lining SF5b

2.3 仰拱隆起變形分析

2018年12月10日發(fā)現(xiàn)進(jìn)口右幅K71+150—K71+200段(共計(jì)50m)仰拱隆起約40～50cm，位于線路右側(cè)側(cè)溝與填充接觸面，裂縫寬度5～10cm。開始對(duì)隆起段仰拱進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其中K71+173段和K71+190段監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 仰拱隆起監(jiān)測(cè)Fig.6 Monitoring of the invert uplift

截至2019年8月7日，K71+173斷面的線路右側(cè)隆起884.2mm，線路左側(cè)隆起69.3mm。K71+192斷面的線路右側(cè)隆起491.3mm，線路左側(cè)隆起80.7mm。仰拱隆起開裂向兩側(cè)大小里程方向延伸，從K71+022斷面發(fā)展至K71+270斷面，新增仰拱隆起段落達(dá)208m。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，本段仰拱隆起段日均隆起2.0～3.0mm，仍處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

2.4 仰拱隆起原因分析

為深入探究隧道仰拱隆起的原因，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)仰拱進(jìn)行破檢，發(fā)現(xiàn)仰拱鋼架已發(fā)生屈曲破壞，失去承載能力。根據(jù)隧址區(qū)地應(yīng)力、圍巖巖性以及現(xiàn)場(chǎng)仰拱病害情況的綜合分析，得出仰拱隆起的原因?yàn)椋河捎谒淼绹鷰r以泥質(zhì)粉砂巖為主，且仰拱下部巖性更差，在強(qiáng)大水平構(gòu)造應(yīng)力作用下，仰拱鋼架承載能力逐漸達(dá)到極限，因而導(dǎo)致仰拱上拱。

3 仰拱隆起病害處治措施

3.1 處治原則

仰拱隆起病害段落處治遵循“臨時(shí)加固+永久處治+運(yùn)營(yíng)期間病害預(yù)防措施”相結(jié)合的原則，針對(duì)既有病害段落按照“先易后難、分段實(shí)施、兩頭擠壓”的原則進(jìn)行處治。

3.2 仰拱開裂段處治

仰拱開裂段有隆起失效、隆起未失效、已穩(wěn)定、持續(xù)發(fā)展未穩(wěn)定等情況，針對(duì)不同的仰拱病害采用以下相應(yīng)措施。

1)對(duì)于仰拱失效且變形已穩(wěn)定段落，采用拱腳加固+拆除重置措施，如圖7所示。

圖7 拱腳加固+拆除重置Fig.7 Arch feet reinforced and removed to reset

2)對(duì)于仰拱失效且變形未穩(wěn)定段落，采用拱腳基底加固+拆除重置措施，如圖8所示。

圖8 拱腳基底加固+拆除重置Fig.8 Arch feet and base reinforced and removed to reset

3)對(duì)于仰拱未失效且變形未穩(wěn)定段落，采用拱腳基底加固措施，并加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，如圖9所示。

圖9 拱腳基底加固Fig.9 Arch feet and base reinforced

4)對(duì)于仰拱填充開裂未隆起且變形已穩(wěn)定段落，進(jìn)行灌漿封縫，并持續(xù)監(jiān)測(cè)。

拱腳加固在兩側(cè)拱腳處各打設(shè)2排φ108×6鋼花管，交叉角度30°，每根長(zhǎng)6.0m，縱向間距100cm，對(duì)拱腳進(jìn)行注漿加固?；准庸滩捎忙?9×6鋼花管注漿，每根長(zhǎng)6.0m，間距100cm×100cm梅花形布置。對(duì)于仰拱開裂段拆除重置的仰拱，拱架均采用I22b，間距60cm，并加深1m，填充層頂面增設(shè)抗裂網(wǎng)，采用φ16鋼筋網(wǎng)片，鋼筋網(wǎng)間距20cm×20cm，并植筋與仰拱連接。

4 處治效果分析

根據(jù)上述仰拱隆起病害的處治措施，按照不同的病害段落進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)處治，其中K71+020—K71+120，K71+220—K71+270段主要為仰拱隆起或填充層開裂，而K71+120—K71+220段落主要為仰拱隆起失效段。在左右側(cè)各布設(shè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)處治后仰拱的隆起位移，根據(jù)監(jiān)測(cè)的位移信息動(dòng)態(tài)調(diào)整處治措施。

處治前隧道仰拱隆起最為嚴(yán)重段落(K71+150—K71+200)采用了拱腳基底加固+拆除重置措施，其中K71+180斷面處治后仰拱隆起的位移監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖10a所示。仰拱斷面在處治后第9天位移開始穩(wěn)定，線路右側(cè)隆起位移約為22.11mm，線路左側(cè)隆起位移約為19.51mm，整體表現(xiàn)為右側(cè)隆起位移略大于左側(cè)位移。

K71+020—K71+270段處治后仰拱的累計(jì)位移如圖10b所示?？梢娧龉奥∑鸲翁幹蔚玫搅擞行Э刂疲畲舐∑鹞灰莆挥贙71+160—K71+200斷面，線路左側(cè)隆起位移的平均值約為12.35mm，線路右側(cè)隆起位移的平均值約為14.22mm。

圖10 處治后監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.10 Monitoring results after treatment

5 結(jié)語(yǔ)

1)由于隧道圍巖以泥質(zhì)粉砂巖為主，且仰拱下部巖性更差，在強(qiáng)大水平構(gòu)造應(yīng)力作用下，仰拱鋼架承載能力逐漸達(dá)到極限，導(dǎo)致仰拱隆起。

2)提出了仰拱隆起病害處治應(yīng)遵循“臨時(shí)加固+永久處治+運(yùn)營(yíng)期間病害預(yù)防措施”相結(jié)合的原則，既有病害段落應(yīng)按照“先易后難、分段實(shí)施、兩頭擠壓”的原則進(jìn)行處治。

3)針對(duì)仰拱開裂段，仰拱失效且變形已穩(wěn)定段落，采用拱腳加固+拆除重置措施；仰拱失效且變形未穩(wěn)定段落，采用拱腳基底加固+拆除重置措施；仰拱未失效且變形未穩(wěn)定段落，采用拱腳基底加固措施并加強(qiáng)監(jiān)測(cè)；仰拱填充開裂未隆起且變形已穩(wěn)定段落，采用灌漿封縫，并持續(xù)監(jiān)測(cè)。

4)現(xiàn)場(chǎng)位移監(jiān)測(cè)表明仰拱開裂段處治后仰拱得到了有效控制，該仰拱病害處治方案切實(shí)可行。