富水炭質(zhì)板巖地層隧道底部結(jié)構(gòu)破損原因分析及防治措施探討

張海太，沈東，陳潔金，陳維，王康云

(1.云南麗香高速公路投資開發(fā)有限公司，云南 昆明 650217；2.天津市市政工程設(shè)計研究院；3.長沙理工大學 土木工程學院)

1 引言

隨著中國交通基礎(chǔ)設(shè)施事業(yè)的發(fā)展，長大、深埋隧道數(shù)量日益擴大。深埋、長大隧道圍巖條件復雜多變，當隧道穿越炭質(zhì)板巖等軟弱圍巖時，極易發(fā)生底部結(jié)構(gòu)破損、大變形、拱頂坍塌等地質(zhì)災(zāi)害。隧道底部結(jié)構(gòu)破損是隧道工程中常見的一種病害現(xiàn)象，其具有持續(xù)性，難以自穩(wěn)，隨著底部結(jié)構(gòu)破損的發(fā)展，將會對工程施工以及后期運營帶來極大的安全隱患。

國內(nèi)外眾多學者對隧道底部結(jié)構(gòu)破損原因及防治措施進行了研究，取得了一定的成果，較為典型的有：王立川等通過現(xiàn)場測試和數(shù)值計算指出西南地區(qū)某隧道底部結(jié)構(gòu)破損的地質(zhì)原因是存在極高的水平構(gòu)造應(yīng)力和隧道底部下伏薄～中厚傾斜圍巖，施工、設(shè)計原因是仰拱曲率、仰拱建材剛度不能滿足地質(zhì)環(huán)境條件；王樹英等對三聯(lián)隧道底部結(jié)構(gòu)破損問題展開了研究，指出高地應(yīng)力狀態(tài)是造成其破損的主要原因，并采用了加深仰拱深度的方法對仰拱破損段進行整治，效果良好；鄭波、崔連友等通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場測試的方法研究了外水壓力對隧道底部結(jié)構(gòu)破損的影響，結(jié)果顯示當僅考慮圍巖壓力時，仰拱填充物未開裂，當綜合考慮圍巖壓力和外水壓力時，仰拱填充產(chǎn)生張拉裂縫；康濤等采用鉆芯取樣、地質(zhì)雷達掃描等方法對槽箐頭隧道底部結(jié)構(gòu)破損原因進行了研究，指出由于破碎圍巖遇水泥化，且伴有膨脹性，加之地下水壓過大，最終造成仰拱填充縱向開裂，并采取了打設(shè)豎向錨桿與注漿管注漿加固的整治措施，路面采用鋼纖維混凝土修復；丁冬冬等通過現(xiàn)場測試與數(shù)值模擬計算等手段，指出上莊隧道仰拱底鼓開裂主要是由于隧道底部圍巖遇水軟化后，隧道底部結(jié)構(gòu)受力不均勻?qū)е隆?/p>

綜上所述，底部結(jié)構(gòu)破損的主要原因可分為地應(yīng)力過高、水壓力過大和基底圍巖軟化3類。以上研究成果對隧道底部結(jié)構(gòu)破損機理及防治技術(shù)奠定了較好的基礎(chǔ)，但由于隧道圍巖條件復雜多變，不同圍巖下隧道底部結(jié)構(gòu)破損類型不同，因此底部結(jié)構(gòu)破損機理具有獨特性，而各種破損機理的適用范圍有限，針對炭質(zhì)板巖隧道底部結(jié)構(gòu)破損機理及防治措施研究較少。

該文以香麗高速公路典型炭質(zhì)板巖地層隧道為工程背景，通過現(xiàn)場調(diào)查測試和數(shù)值計算，對隧道底部結(jié)構(gòu)特性進行研究，重點分析基底圍巖軟化、仰拱曲率等因素對隧道底部結(jié)構(gòu)破損的影響，并以此提出隧道底部結(jié)構(gòu)破損整治措施，為后續(xù)工程施工以及類似工程提供參考。

2 工程概況

2.1 地質(zhì)概況

云南省香格里拉至麗江高速公路(簡稱香麗高速)是國家高速公路網(wǎng)G0613西寧～麗江聯(lián)絡(luò)線的重要組成段落，位于云南省西北部，沿線地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，新構(gòu)造運動激烈。工程地質(zhì)區(qū)域處在環(huán)喜馬拉雅構(gòu)造帶滇西北小中甸～龍蟠～喬后斷裂帶，受地質(zhì)構(gòu)造作用，多分布炭質(zhì)板巖等變質(zhì)軟巖。

通過X射線熒光光譜分析法對香麗高速公路典型炭質(zhì)板巖礦物組成進行分析，結(jié)果表明炭質(zhì)板巖主要由石英、綠泥石、云母、鈉長石、方解石和白云石組成，由于黏土類礦物(綠泥石)和碳酸鹽類礦物(方解石、白云石)等成分較高，圍巖整體強度較低，水理性質(zhì)較差，遇水易軟化、崩解，自穩(wěn)性極差，隧道施工難度較大。

2.2 支護結(jié)構(gòu)類型

香麗高速公路全線隧道工程設(shè)計圖階段單幅Ⅲ級圍巖11 989 m、Ⅳ級圍巖37 891 m、Ⅴ級圍巖29 026 m，在施工過程中，根據(jù)開挖揭露圍巖以及現(xiàn)場施工情況進行了動態(tài)設(shè)計，實際隧道單幅圍巖分級為Ⅲ級圍巖126 m、Ⅳ級圍巖30 573 m、Ⅴ級圍巖48 207 m。其中，底部結(jié)構(gòu)破損段落大多為Ⅴ級圍巖，主要采用的支護結(jié)構(gòu)類型為SF5c(圖1)。

圖1 SF5c支護結(jié)構(gòu)斷面圖(單位：cm)

SF5c復合式襯砌支護參數(shù)為4 m長φ42 mm×4 mm注漿小導管，C25噴射混凝土厚27 cm，φ8 mm鋼筋網(wǎng)20 cm×20 cm，I20a鋼拱架，間距60 cm，預(yù)留變形量為20 cm，二次襯砌采用C30鋼筋混凝土，厚度為60 cm，襯砌底部結(jié)構(gòu)由仰拱初期支護、仰拱、仰拱填充層、水泥混凝土基層和瀝青混凝土路面組成。

2.3 隧道施工過程

SF5c襯砌類型段主要采用三臺階(預(yù)留核心土)法施工，其主要施工步驟為：① 上弧形導坑開挖，預(yù)留核心土；② 拱部初期支護；③ 核心土開挖；④ 中臺階開挖；⑤ 邊墻初期支護；⑥ 下臺階開挖；⑦ 仰拱初期支護；⑧ 仰拱及仰拱填充；⑨ 邊墻、拱部模筑混凝土澆筑。分步開挖示意圖如圖2所示，施工工序如圖3所示。

現(xiàn)場仰拱和仰拱填充同時澆筑，隧道底部結(jié)構(gòu)施工主要步驟為：① 仰拱全斷面一次性開挖，對開挖面虛渣、積水進行清理；② 噴射4 cm厚C25早強混凝土，按設(shè)計架設(shè)鋼拱架，并噴射混凝土至設(shè)計厚度；③布設(shè)仰拱鋼筋；④ 澆筑仰拱及仰拱填充混凝土，并采用插入式振搗器振搗密實；⑤ 在隧道貫通后，統(tǒng)一鋪設(shè)混凝土基層及瀝青混凝土路面。

圖2 SF5c型襯砌開挖斷面示意圖

圖3 SF5c型襯砌開挖工序圖(單位：m)

3 隧底結(jié)構(gòu)破損情況

香格里拉至麗江高速公路在施工過程中，發(fā)現(xiàn)大范圍穿越強～全風化炭質(zhì)板巖地層的隧道有11條，其中，隧道底部結(jié)構(gòu)破壞較為嚴重的隧道有以下7條：阿普洛隧道、排壩隧道、海巴洛隧道、上補洛隧道、昌格洛隧道、古那灣1號隧道、古那灣2號隧道，各隧道底部結(jié)構(gòu)破損情況見表1。

各隧道底部結(jié)構(gòu)裂縫寬度一般為2.9～23.2 mm，于仰拱填充混凝土中部沿隧道中線附近縱向開裂，鉆孔取芯資料顯示，裂縫上寬下窄，呈“V”字形，部分裂縫從仰拱填充混凝土表面延伸至仰拱附近，隧底軟化圍巖深度達2～3 m。裂縫擴展示意圖如圖4所示。

圖4 香麗高速隧道仰拱填充裂縫示意圖

表1 香麗高速隧道底部結(jié)構(gòu)破損情況統(tǒng)計(截至2018年12月31日)

其中，海巴洛隧道底部結(jié)構(gòu)破損情況最為嚴重。海巴洛隧道左幅全長2 289 m(ZK65+505～ZK67+794，右幅全長2 262 m(YK65+495～YK67+757)。自2016年4月進場施工至2018年12月，左幅ZK65+570～ZK65+806、ZK67+410～ZK67+770仰拱填充混凝土均出現(xiàn)不同程度開裂，裂縫寬度為5～23.2 mm；右幅YK65+573～YK65+644、YK65+644～YK65+760、YK67+395～YK67+740仰拱填充混凝土均出現(xiàn)不同程度開裂，裂縫寬度為4.2～18.3 mm。

4 隧道底部結(jié)構(gòu)破損原因分析

4.1 地質(zhì)特征及其施工影響作用

根據(jù)現(xiàn)場圍巖條件、圍巖變形和施工情況分析，香麗高速公路各隧道底部結(jié)構(gòu)破損主要由水文地質(zhì)條件和隧道設(shè)計施工情況等多因素綜合影響造成。

(1) 圍巖巖性差

香麗高速公路底部結(jié)構(gòu)嚴重破損隧道隧址區(qū)地質(zhì)條件類似，均主要穿越灰色、黑色強風化炭質(zhì)板巖地層，節(jié)理裂隙、層理面發(fā)育，巖體松散破碎，呈層狀、碎裂結(jié)構(gòu)，圍巖自穩(wěn)性差，當施工擾動時，極易失穩(wěn)，圍巖變形量大，加之仰拱虛渣未完全清理，隧道底部結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)發(fā)生改變。

(2) 隧道底部排水不暢

隧址區(qū)水系分布較多，且炭質(zhì)板巖節(jié)理裂隙、層理面發(fā)育，使地下水的流通具有較好的路徑，掌子面滴漏水現(xiàn)象嚴重。施工期間仰拱積水現(xiàn)象較為嚴重，炭質(zhì)板巖遇水易軟化，巖體強度將大幅度降低，隧道基底圍巖長期遭水浸泡，軟化深度達2～3 m；隧道采用于邊墻與拱部位設(shè)置盲管和無紡布排水系統(tǒng)，隧道底部未設(shè)置排水系統(tǒng)，導致隧道底部水壓力過大。在隧底圍巖軟化和過大水壓力的綜合作用下，隧道底部結(jié)構(gòu)中心位置拉應(yīng)力大于混凝土抗拉強度極限值，從而導致張拉開裂。

(3) 隧道仰拱曲率影響

香麗高速公路部分隧道設(shè)計仰拱較為平緩，仰拱受力條件較差等也是造成隧道底部結(jié)構(gòu)開裂破損的因素。

4.2 隧道底部結(jié)構(gòu)破損原因數(shù)值分析

針對香麗高速公路炭質(zhì)板巖隧道底部結(jié)構(gòu)破損情況以及現(xiàn)場圍巖情況，選取海巴洛隧道YK67+450斷面為典型斷面，采用Abaqus軟件擴展有限元法(XFEM)建立計算模型，從隧道基底軟化、外水壓力和仰拱曲率3個方面分別研究炭質(zhì)板巖隧道底部結(jié)構(gòu)破損原因。

根據(jù)地勘資料及隧道輪廓形狀建立平面應(yīng)變計算模型，計算模型左右范圍距離隧道中心線60 m，上表面距離拱頂70 m、外加1.2 MPa豎向應(yīng)力，下表面距離拱頂60 m，總體尺寸為130 m×120 m。模型邊界條件為頂部自由面，底部固定約束，左、右兩側(cè)水平約束。將模型中仰拱填充部位設(shè)置為具有擴展有限元性質(zhì)的富集單元，并以最大主應(yīng)力失效準則作為損傷起始的判據(jù)，取值為C15混凝土極限抗拉強度值1.4 MPa。根據(jù)地質(zhì)勘查資料和相關(guān)規(guī)范標準，模型中各材料物理參數(shù)如表2所示，計算模型示意圖如圖5所示。

(1) 基底軟化對底部結(jié)構(gòu)破損的影響

海巴洛隧道隧址區(qū)地下水豐富，在施工過程中，巖體中有較大的滴滲水和局部涌水現(xiàn)象，現(xiàn)場未采取有效的排水措施，仰拱開挖后，基底圍巖長期遭積水浸泡，軟化現(xiàn)象嚴重，鉆芯取樣結(jié)果顯示基底軟化層厚2～3 m。

表2 圍巖參數(shù)基準值

圖5 計算模型示意圖(單位：m)

此次數(shù)值模型以隧底圍巖彈性模量降低來模擬隧底圍巖軟化，軟化范圍為拱圈下部3 m圍巖。模擬分析主要分為3個工況：工況1：隧底圍巖彈性模量未折減，即彈性模量為0.47 GPa；工況2：隧底圍巖彈性模量折減至0.35 GPa；工況3：隧底圍巖彈性模量折減至0.20 GPa。計算結(jié)果如圖6、7所示。

不同工況下仰拱填充混凝土最大隆起值和裂縫擴展深度如圖8所示。

由圖6、7、8可知：隨著隧底圍巖軟化程度的加重即隧底圍巖彈性模量的降低，仰拱填充混凝土隆起值和裂縫擴展深度不斷加大。當隧底圍巖彈性模量未折減時，仰拱豎向位移值、主應(yīng)力值均處于安全范圍內(nèi)；當隧底圍巖彈性模量折減至0.35 GPa時，仰拱中線位置表面最大主應(yīng)力值已超過C15混凝土極限抗拉強度，仰拱中線位置表面出現(xiàn)裂縫，但裂縫未貫通至仰拱中線底部，此時仰拱隆起值為12.56 mm；當隧底圍巖彈性模量折減至0.2 GPa時，仰拱中線位置裂縫已由表面貫通至仰拱，與現(xiàn)場鉆芯取樣結(jié)果一致，且仰拱出現(xiàn)明顯隆起，最大隆起值達40.00 mm，位于仰拱中線位置，此時仰拱結(jié)構(gòu)破壞明顯，對隧道施工與后期運營造成巨大的安全隱患。

(2) 外水壓力對底部結(jié)構(gòu)破損的影響

海巴洛隧道隧址區(qū)地下水豐富，地下水類型為基巖裂隙水，主要為強風化帶裂隙富水、導水，地勘報告顯示，洞身段隧道底部地下水最大埋深約40 m。隧底未設(shè)置防水板以及排導透水層，仰拱混凝土直接與圍巖接觸。

圖6 仰拱填充混凝土豎向位移云圖(單位：m)

圖7 仰拱填充混凝土最大主應(yīng)力云圖(單位：Pa)

圖8 隧道基底軟化與底部結(jié)構(gòu)破損關(guān)系折線圖

此次模擬分析主要分為3個工況：工況1：未考慮外水壓力；工況2：隧道底部水頭H=20 m；工況3：隧道底部水頭H=40 m。圍巖滲透系數(shù)ks取5×10-6m/s，襯砌不透水。計算結(jié)果如圖9、10所示。

圖9 仰拱填充混凝土豎向位移云圖(單位：m)

不同工況下仰拱填充混凝土最大隆起值和裂縫擴展深度如圖11所示。

由圖9～11可知：隨著外水壓力的增大，仰拱填充混凝土隆起值和裂縫擴展深度不斷加大。當未考慮外水壓力時，仰拱豎向位移值、主應(yīng)力值均處于安全范圍內(nèi)；當隧底作用水頭H=20 m時，仰拱中線位置表面最大主應(yīng)力值已超過C15混凝土極限抗拉強度，仰拱中線位置表面出現(xiàn)裂縫；當隧底作用水頭H=40 m時，仰拱中線位置裂縫已擴展至仰拱填充中部位置。

圖10 仰拱填充混凝土最大主應(yīng)力云圖(單位：Pa)

圖11 外水壓力與底部結(jié)構(gòu)破損關(guān)系折線圖

(3) 仰拱曲率對底部結(jié)構(gòu)破損的影響

仰拱可抑制隧底圍巖變形，改善隧道受力狀態(tài)，提供足夠的抗力以保證隧底結(jié)構(gòu)的安全性。計算以原設(shè)計仰拱曲率為基礎(chǔ)，共設(shè)置4個工況，分別為原設(shè)計仰拱曲率、仰拱加深0.5 m、仰拱加深1.0 m和仰拱加深1.5 m，通過改變仰拱曲率半徑即改變仰拱深度，分析仰拱結(jié)構(gòu)形式對隧底結(jié)構(gòu)破損的影響，所獲得的不同工況條件下仰拱位移和壓力分布如圖12、13所示。

圖12 仰拱填充混凝土豎向位移云圖(單位：m)

不同工況下仰拱填充混凝土最大隆起值和最大主應(yīng)力值如圖14所示。

由圖12～14可知：隨著仰拱深度的增加，仰拱填充物最大隆起值和最大主應(yīng)力值均有所減小。由此可得減小仰拱曲率半徑即增加仰拱深度可有效抑制隧底結(jié)構(gòu)破損。

5 隧道底部結(jié)構(gòu)破損防治措施

由前文分析結(jié)果可知，隧道基底軟化、仰拱曲率、外水壓力過大是造成炭質(zhì)板巖地層隧道底部結(jié)構(gòu)破損的主要原因。因此，富水炭質(zhì)板巖地層隧道底部結(jié)構(gòu)破損的防治主要從以下3個方面考慮：

圖13 仰拱填充混凝土最大主應(yīng)力云圖(單位：Pa)

圖14 仰拱曲率與底部結(jié)構(gòu)破損關(guān)系折線圖

(1) 針對軟弱炭質(zhì)板巖地層，隧道仰拱結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)地應(yīng)力水平和圍巖體結(jié)構(gòu)進行針對性分析，在此基礎(chǔ)上進行隧道底部結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計，確定合適的仰拱矢跨比和剛度，對于香麗高速公路隧道，在現(xiàn)有仰拱基礎(chǔ)上加深1.0～1.5 m可以有效降低仰拱破損發(fā)生。

(2) 加強隧道防排水。由于炭質(zhì)板巖具有遇水易軟化的特性，隧底積水排放不暢不僅加劇了隧底圍巖的軟化，同時導致隧道底部結(jié)構(gòu)受到過大的水壓力，對隧道底部結(jié)構(gòu)的安全性造成極大的影響。因此，應(yīng)當及時排除隧道底部積水以及完善隧道底部排水系統(tǒng)。

(3) 隧底軟弱圍巖的加固。由于隧底圍巖軟化程度的加重，仰拱填充混凝土隆起值和裂縫擴展深度不斷加大，對于隧底圍巖進行加固顯得非常必要。可在隧道仰拱填充開裂破損段落設(shè)置隧底錨桿或注漿管，根據(jù)現(xiàn)場隧底軟化圍巖深度達2～3 m的實際情況，對于隧道底部炭質(zhì)板巖軟弱圍巖進行加固，加固圈一般為4～5 m，注漿材料可以采用超細水泥。

6 結(jié)論

以云南香麗高速公路炭質(zhì)板巖地層隧道為工程背景，現(xiàn)場調(diào)查了隧道底部結(jié)構(gòu)破損情況，并以底部結(jié)構(gòu)破損最為嚴重的海巴洛隧道為典型研究對象，通過Abaqus軟件擴展有限元法(XFEM)建立數(shù)值計算模型，對炭質(zhì)板巖地層公路隧道底部結(jié)構(gòu)特性及破損機理、破損影響因素和破損整治措施展開研究，主要得出以下結(jié)論：

(1) 香麗高速公路富水炭質(zhì)板巖地層隧道底部結(jié)構(gòu)破損主要是由于基底圍巖遇水軟化，導致隧道底部結(jié)構(gòu)所受拉應(yīng)力過大，出現(xiàn)張拉裂縫。

(2) 仰拱曲率和水壓力是造成炭質(zhì)板巖地層隧道底部結(jié)構(gòu)破損的重要原因。

(3) 在富水炭質(zhì)板巖地層，可采取加固隧底軟弱圍巖和加強隧底排水、調(diào)整仰拱曲率加深仰拱等措施綜合防治隧道底部結(jié)構(gòu)破損。