高速鐵路隧道仰拱隆起病害分析及整治方案

魏強(qiáng) 汪旵生

（中國國家鐵路集團(tuán)公司工程管理中心，北京 100844）

為改善隧道結(jié)構(gòu)受力條件，在隧道底部設(shè)置反向拱形結(jié)構(gòu)，即仰拱。仰拱對(duì)隧道的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和運(yùn)營的安全性有重要影響［1-3］。

近年來，仰拱隆起病害時(shí)有發(fā)生，對(duì)隧道的運(yùn)營和行車安全造成影響。相關(guān)學(xué)者對(duì)隧道仰拱隆起病害作了很多研究。Lee 等［4］分析了隧道仰拱病害產(chǎn)生機(jī)理，認(rèn)為地下水和高地應(yīng)力是造成隧道仰拱隆起的主要原因?？缀愕龋?］在統(tǒng)計(jì)和分析隧道仰拱病害工程實(shí)例的基礎(chǔ)上，研究了隧道仰拱隆起成因和表現(xiàn)形式，提出了相應(yīng)的處理措施。肖小文等［6］分析了高地應(yīng)力條件下隧道仰拱隆起原因，提出使用鋼管樁結(jié)合中空錨桿注漿加固方案控制隧道仰拱的隆起量。杜明慶等［7］通過對(duì)隧道仰拱結(jié)構(gòu)受力的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，對(duì)隧道仰拱隆起的原因和機(jī)理進(jìn)行了分析。陳貴紅等［8］介紹了隧道仰拱隆起病害的起因和發(fā)展過程，根據(jù)病害程度不同對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)處理。鐘祖良等［9］建立了一個(gè)利用襯砌拱腳位置水平收斂量計(jì)算仰拱隆起量的經(jīng)驗(yàn)公式。

本文通過對(duì)一高速鐵路隧道在運(yùn)營期內(nèi)出現(xiàn)仰拱隆起現(xiàn)象進(jìn)行研究，詳細(xì)分析其原因，并制定出相應(yīng)的整改措施；利用MIDAS 模擬軟件分析整治前后拱頂沉降、仰拱隆起和應(yīng)力。本文的研究成果可為同類工程提供一定的參考和借鑒。

1 基本情況

1.1 工程概況

一高速鐵路隧道位于云貴高原，全長(zhǎng)5 523 m，單洞雙線設(shè)置，左右線間距5.0 m。該隧道處于侵蝕構(gòu)造中低山區(qū)，地形特點(diǎn)為山高谷深坡陡。隧道所處山脈呈北東-南西走向，隧道由東向西穿越山脈中段，其走向與構(gòu)造線走向基本一致。隧道橫穿坡腳山體。山脊高程約1 100～1 300 m，主峰高程為1 304 m，地面高程為820～1 400 m，相對(duì)高差為0～580 m。

隧道穿越區(qū)域碳酸鹽巖分布廣泛，具有構(gòu)造剝蝕-溶蝕槽谷地貌特點(diǎn)，在大地構(gòu)造上屬于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)普安山字型構(gòu)造變形區(qū)，主要構(gòu)造為法郎向斜。

隧道穿越區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造為：①坡頭上向斜，向斜軸部大致在隧道洞身K1966+802 處穿越，與隧道的夾角約81°；②高角度的燕子巖逆斷層，斷層傾角65°～80°，斷層破碎帶10～30 m，大致相交于隧道洞身K1968+472處，與線路夾角約50°；③斷層長(zhǎng)約2 750 m，破碎帶長(zhǎng)200 m，位于隧道出口附近，大致相交于洞身K1971+732處，與隧道的夾角為44°。

1.2 仰拱隆起情況

該隧道K1968+000—K1968+100 段在運(yùn)營期內(nèi)發(fā)現(xiàn)軌道標(biāo)高異常情況，但軌向未見明顯變化。其中，軌面標(biāo)高變化最為突出的段落為K1968+044—K1968+070 段，上行最大高程點(diǎn) K1968+058.549 的軌面標(biāo)高較設(shè)計(jì)值高12.7 mm，下行最大高程點(diǎn)K1968+059.316的軌面標(biāo)高較設(shè)計(jì)值高18.2 mm。

該段上行線軌道板出現(xiàn)貫通裂紋，裂紋寬0.1～0.4 mm。上行線軌道板左右側(cè)各有1 條縱向裂紋，裂紋長(zhǎng)7 m，寬0.8～1.2 mm。下行線軌道板貫通裂紋寬0.1～0.4 mm。下行軌道板與側(cè)溝間填充層表面有1 條縱向裂紋，裂紋長(zhǎng)3 m，寬0.6～1.0 mm。中心溝側(cè)壁裂紋貫穿至溝底，并延伸至上下行填充層及軌道板形成貫通裂紋，裂紋寬0.4～1.4 mm，見圖1。

圖1 中心溝側(cè)壁裂紋

該隧道K1968+060 斷面的第4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)（隧道中心水溝旁）上拱最大。從2017年1月18日至2017年3月12 日累計(jì)上拱相對(duì)值為9.2 mm，有明顯上拱趨勢(shì)，上拱速度快，且左右線均有明顯的變化。

1.3 地層描述及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

K1968+000—K1968+100 段地層為三疊系泥頁巖、泥質(zhì)白云巖夾灰?guī)r、泥灰?guī)r，呈弱風(fēng)化。其地下水具有硫酸鹽侵蝕性，圍巖為Ⅳ級(jí)。該段采用Ⅳb 襯砌結(jié)構(gòu)。初期支護(hù)為I18鋼架，25 cm 厚C30 噴射混凝土。仰拱襯砌為55 cm 厚C35鋼筋混凝土；仰拱填充為C20混凝土，襯砌為45 cm 厚C35 鋼筋混凝土。軌道結(jié)構(gòu)采用CRTSⅡ型板式無砟軌道，結(jié)構(gòu)高510 mm。

2 隧道仰拱隆起原因分析

該隧道埋深325～345 m。巖層走向與線路大角度相交，巖層產(chǎn)狀變化大，巖芯層面傾角不等，約5°～15°。由勘探可知，地下水位0.45～0.78 m，取水樣試驗(yàn)侵蝕性為H2，未發(fā)現(xiàn)隱伏巖溶。在該地質(zhì)條件下，可能引起軌道抬升的主要因素有高地應(yīng)力、隧底存在軟弱圍巖、地下水動(dòng)荷載等。

2.1 高地應(yīng)力與隧底軟弱圍巖交互作用

仰拱下部巖體強(qiáng)度是隧道工程中非常重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，直接影響隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)所能承擔(dān)的最大荷載和隧道的整體穩(wěn)定性［6］。本段隧道埋深325～345 m，x，y，z方向的地應(yīng)力分別為 4.87，8.69，4.13 MPa；地層主要為泥頁巖和泥灰?guī)r，其飽和抗壓強(qiáng)度與最大地應(yīng)力的比值低于4，屬于極高地應(yīng)力區(qū)［10］。

高地應(yīng)力條件下，由于巖體開挖卸荷，隧道兩側(cè)墻腳附近極易出現(xiàn)應(yīng)力（剪應(yīng)力）集中現(xiàn)象。當(dāng)剪應(yīng)力超過巖體的抗剪強(qiáng)度時(shí)，隧道圍巖將發(fā)生剪切破壞；同時(shí)，隧道底部圍巖中央會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力集中區(qū)，發(fā)生拉伸破壞。由地質(zhì)鉆探資料可知，本段隧道巖層傾角5°～15°，局部呈水平狀，屬軟質(zhì)巖。隧道開挖卸荷后，底部軟巖在上述兩種機(jī)制的共同作用下將發(fā)生剪切滑動(dòng)、翻滾、旋轉(zhuǎn)以及相互分離等復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，對(duì)仰拱形成擠壓，致使隧道仰拱發(fā)生隆起變形。

2.2 地下水動(dòng)荷載反復(fù)作用

根據(jù)以往的施工資料可知，隧道底部巖體在開挖初期完整性較高。隨著時(shí)間推移，隧道底部巖體在地下水等因素作用下逐漸發(fā)生劣化，導(dǎo)致其完整性變差。

本段隧道基巖裂隙較發(fā)育，利于地下水的下滲?？碧劫Y料所顯示的是本段隧道在旱季的地下水位，而雨季地下水位會(huì)增高，通過施工縫進(jìn)入仰拱與填充層之間。高速鐵路運(yùn)營后，在動(dòng)荷載反復(fù)作用下超孔隙水壓力使施工縫逐漸貫通，地下水?dāng)y帶的泥沙進(jìn)入裂縫后難以排走，致使道床板與仰拱填充層頂面間水平施工縫逐漸貫通。同時(shí)，地下水也會(huì)作用在中心水溝側(cè)壁上，造成局部溝壁向溝心傾斜，溝壁與仰拱填充分離，形成縱向裂縫。

3 整治設(shè)計(jì)方案

3.1 設(shè)計(jì)方案

該隧道段采用拆除隧道仰拱并加深1.5 m 重構(gòu)的方案進(jìn)行整治，同時(shí)采取其他相應(yīng)強(qiáng)化措施。仰拱重構(gòu)橫斷面見圖2。

圖2 仰拱重構(gòu)橫斷面示意（單位：cm）

為改善仰拱結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，對(duì)上拱段采取仰拱拆換處理方案。通過有限元計(jì)算分析可知，當(dāng)仰拱的矢跨比在1/3～1/4時(shí)結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)最好。本方案采用1/4矢跨比，加大仰拱曲率，加深仰拱結(jié)構(gòu)，并將仰拱厚度增加100 mm進(jìn)行重構(gòu)。

仰拱拆除清理干凈后，隧底設(shè)置I18型鋼鋼架作為初期支護(hù)，鋼架縱向間距0.5 m/榀，采用C30噴射混凝土。仰拱結(jié)構(gòu)采用C40 鋼架混凝土澆筑，仰拱環(huán)向采用φ20@200 mm 雙層鋼筋，縱向采用φ12@250 mm 鋼筋，并設(shè)置φ6 箍筋，鋼筋凈保護(hù)層厚55 mm。新增型鋼鋼架與原鋼架間設(shè)置縱向HW175型鋼梁進(jìn)行連接。仰拱填充及中心水溝采用C30 混凝土澆筑，一次性澆筑成型。

為保證新澆筑的仰拱混凝土與既有拱墻襯砌混凝土連接緊密，將新舊混凝土結(jié)合處鑿毛并清理干凈，利用原有鋼筋作為搭接。該段地下水較發(fā)育，故采用干噴和潮噴法噴射混凝土?？v向和環(huán)向施工縫新舊混凝土接縫設(shè)置2 道遇水膨脹橡膠止水條，以改善其防水性能。

線路方向仰拱拆換段兩端各12 m 范圍內(nèi)，軌道板兩側(cè)增設(shè)壓力型預(yù)應(yīng)力錨桿加固；增設(shè)排水降壓孔；由泄水洞向正洞增設(shè)集水廊道，集水廊道內(nèi)向正洞方向增設(shè)集水鉆孔。

3.2 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

用MIDAS GTS/NX 對(duì)原設(shè)計(jì)及整治設(shè)計(jì)方案進(jìn)行數(shù)值模擬。圍巖以2D 實(shí)體單元模擬，本構(gòu)模型選用Mohr-Column 模型；襯砌及仰拱采用1D 梁?jiǎn)卧M，本構(gòu)模型選用彈性模型。圍巖與隧道襯砌結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)見表1。模型上表面為自由面，其余三面采用自由約束。

表1 圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)

3.2.1 原設(shè)計(jì)隧道數(shù)值模擬結(jié)果

原設(shè)計(jì)隧道在地應(yīng)力作用下的沉降位移見圖3。沉降位移為-9.3～12.2 mm；拱頂位移最大值為9.3 mm，仰拱隆起最大值為12.2 mm；沉降位移較大，仰拱隆起較為嚴(yán)重。

圖3 原設(shè)計(jì)隧道沉降位移云圖（單位：mm）

原設(shè)計(jì)隧道在地應(yīng)力作用下的彎曲應(yīng)力見圖4?？芍核淼酪r砌所受彎曲應(yīng)力普遍較大，仰拱中心處應(yīng)力高達(dá)3 321 kPa；拱腳有應(yīng)力集中現(xiàn)象；襯砌及仰拱產(chǎn)生開裂。

圖4 原設(shè)計(jì)隧道彎曲應(yīng)力云圖（單位：kPa）

3.2.2 整治方案數(shù)值模擬結(jié)果

整治后的隧道在地應(yīng)力作用下的沉降位移見圖5?？芍赫魏?，隧道沉降量控制在-2.1～1.8 mm；最大沉降在拱頂周圍，為2.1 mm；仰拱隆起最大值控制在1.8 mm。仰拱隆起現(xiàn)象得到改善。

圖5 整治后隧道沉降位移云圖（單位：mm）

整治后隧道襯砌的彎曲應(yīng)力見圖6?？芍?，加深加厚仰拱后，襯砌彎曲應(yīng)力最大值降至771 kPa，其值較低，襯砌安全。

圖6 整治后隧道彎曲應(yīng)力云圖（單位：kPa）

綜上，仰拱加厚加深方案，可使原隧道從拱頂沉降、仰拱隆起和應(yīng)力等3方面得到改進(jìn)，符合要求。

4 實(shí)施與監(jiān)測(cè)方案

4.1 實(shí)施方案

該隧道在運(yùn)營狀態(tài)下組織施工，采取全幅、分段跳槽、三循環(huán)的整治方案，在仰拱拆除重構(gòu)區(qū)段采取鋼墊梁吊軌的過渡限速通行措施。該方案施工特點(diǎn)主要有：①仰拱開挖深度大，對(duì)隧道整體結(jié)構(gòu)的安全性可能產(chǎn)生影響；②采用鋼墊梁吊軌過渡方案，運(yùn)營安全有一定的風(fēng)險(xiǎn)；③工作量大，必須在給定的天窗時(shí)間內(nèi)完成施工任務(wù)，施工風(fēng)險(xiǎn)高。具體施工工藝流程見圖7。

圖7 施工工藝流程

4.2 監(jiān)測(cè)方案

為保證施工期間運(yùn)營安全，制定整個(gè)施工過程中不同工況下的隧道及軌道監(jiān)測(cè)方案，包括檢測(cè)內(nèi)容、監(jiān)測(cè)斷面設(shè)置、檢測(cè)點(diǎn)位布置、檢測(cè)工具選定、監(jiān)測(cè)頻率、數(shù)據(jù)分析、監(jiān)測(cè)閾值及等級(jí)管理等。

4.2.1 隧道結(jié)構(gòu)斷面監(jiān)測(cè)

對(duì)施工區(qū)域及一定影響范圍內(nèi)的斷面收斂、拱頂沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分級(jí)管理措施見表2。

表2 隧道結(jié)構(gòu)斷面收斂、拱頂沉降監(jiān)測(cè)管理措施

4.2.2 隧道圍巖壓力監(jiān)測(cè)

在仰拱初期支護(hù)與圍巖之間埋設(shè)壓力盒，監(jiān)測(cè)拆換段隧道仰拱圍巖壓力情況。壓力盒布置見圖8。

圖8 壓力盒布置（單位：mm）

施工過程中實(shí)行預(yù)警分級(jí)管理，見表3。其中“雙控”指標(biāo)指變化量和變化速率。

表3 監(jiān)測(cè)預(yù)警級(jí)別的劃分指標(biāo)

4.2.3 軌道板（鋼墊梁）狀態(tài)監(jiān)測(cè)

采用光柵位移計(jì)對(duì)監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)軌道板（鋼墊梁）橫向水平位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分級(jí)管理措施見表4。

表4 橫向水平位移監(jiān)測(cè)管理措施

采用壓差式靜力水準(zhǔn)儀對(duì)監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)軌道（鋼墊梁）沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分級(jí)管理措施見表5。

表5 沉降監(jiān)測(cè)管理措施

通過監(jiān)測(cè)，施工過程中工程結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)，同時(shí)運(yùn)營安全得到了保障。

5 結(jié)論與建議

1）引起隧內(nèi)軌道抬升的主要因素為高地應(yīng)力、隧底存在軟弱圍巖、地下水動(dòng)荷載反復(fù)作用等。

2）采用拆除隧道仰拱并加深1.5 m 重構(gòu)的方案進(jìn)行整治。根據(jù)有限元計(jì)算分析結(jié)果，采用1/4 矢跨比，加大仰拱曲率，加深仰拱結(jié)構(gòu)，并將仰拱厚度增加100 mm進(jìn)行重構(gòu)。

3）整治后隧道在地應(yīng)力作用下沉降位移范圍由原設(shè)計(jì)的-9.3～12.2 mm 降至-2.1～1.8 mm，其中拱頂沉降最大值由9.3 mm 降至2.1 mm，仰拱隆起最大值由12.2 mm 降至1.8 mm；隧道襯砌所受彎曲應(yīng)力最大值由3 321 kPa 降至771 kPa。可見，仰拱加厚加深方案，可使原隧道從拱頂沉降、仰拱隆起和應(yīng)力等3方面得到改進(jìn)，符合要求。

通過本文的研究，為同類工程提出一些建議：

1）在勘察設(shè)計(jì)階段，針對(duì)軟弱巖層或地下水豐富的地段，應(yīng)對(duì)隧道穿越地層的整體構(gòu)造、軟弱圍巖狀態(tài)、地下水位在成洞前后變化等情況進(jìn)行綜合評(píng)判，合理設(shè)計(jì)隧道結(jié)構(gòu)；

2）隧道出現(xiàn)仰拱隆起病害后，應(yīng)認(rèn)真分析產(chǎn)生原因，綜合制定設(shè)計(jì)和實(shí)施方案。可參考本文方案在運(yùn)營狀態(tài)下實(shí)施病害整治。

3）制定詳細(xì)的監(jiān)測(cè)方案，對(duì)施工過程中的隧道結(jié)構(gòu)變化、受力情況和軌道狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，進(jìn)行分級(jí)預(yù)警管理，確保工程和運(yùn)營安全。