軟弱圍巖淺埋偏壓隧道病害分析及整治技術(shù)

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(dāng)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。