成昆鐵路保安營1號隧道底鼓病害整治技術(shù)

鄧 波

（中國鐵路成都局集團(tuán)有限公司 610082）

0 引言

隨著中國鐵路網(wǎng)的建設(shè)，穿越復(fù)雜地形與軟弱巖層的隧道越來越多，隧道施工過程中極易發(fā)生初期支護(hù)剝落、鋼架扭曲、仰拱底鼓等病害。仰拱底鼓是一種常見病害，嚴(yán)重影響隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定，對隧道施工及運(yùn)營安全造成極大威脅。張恒等[1]總結(jié)和分析了隧底隆起破壞的 3種基本外在表現(xiàn)形式，提出了隧底隆起分類的4種基本形式，并總結(jié)歸納了隆起控制的一般原則及技術(shù)途徑。汪洋等[2]依托云嶺隧道探討了影響隧道底鼓的多種因素并推導(dǎo)了隧道由底板壓彎引起的底鼓的表達(dá)式，針對云嶺隧道仰拱底鼓變形的問題提出了整治措施。周森[3]針對某高速公路隧道仰拱底鼓破壞等病害，通過現(xiàn)場調(diào)查、破損檢測等方式探明了隧道排水不暢、仰拱圍巖深部破壞、仰拱施工質(zhì)量不足是該隧道仰拱發(fā)生整體底鼓的原因。張建等[4]采用了現(xiàn)場變形觀測、數(shù)值模擬等方法對某黃土隧道仰拱底鼓病害機(jī)理及發(fā)展過程進(jìn)行了分析，得出了仰拱結(jié)構(gòu)中部產(chǎn)生的拉應(yīng)力過大導(dǎo)致仰拱產(chǎn)生裂縫。高登[5]以福建省某高速公路隧道底鼓為例，通過地質(zhì)雷達(dá)掃描和鉆孔取芯方式確定了仰拱施工不到位是導(dǎo)致隧道底鼓病害的主要原因。鄧濤等[6]通過對石林隧道現(xiàn)場地質(zhì)情況的調(diào)查及底鼓災(zāi)害的特征分析，表明石林隧道底鼓災(zāi)害是一種集遇水膨脹性和擠壓流動性為一體，且極具時(shí)效變形特性的綜合型底鼓，其中隧道底板巖層彎曲失穩(wěn)引起的底鼓量起控制作用。鐘祖良等[7]依托桃樹埡隧道，利用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)原理對底板巖層壓曲、膨脹和流變引起的底鼓量計(jì)算理論進(jìn)行推導(dǎo)，并通過現(xiàn)場監(jiān)測證明了該理論的正確性。張文濤[8]等提出3個(gè)假設(shè)條件對薄板壓曲微分方程進(jìn)行簡化，并歸納出影響隧道仰拱底鼓的七個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。陳鴻[9]等介紹了錨桿對控制膨脹土隧道底鼓的作用和效果，并提出了膨脹土隧道仰拱施工的相關(guān)建議。胡勝強(qiáng)[10]針對某高速公路隧道出現(xiàn)的仰拱底鼓破壞，采用全面疏通排水設(shè)施的方法，利用導(dǎo)管注漿+鎖腳+錨桿加固措施進(jìn)行整治，并通過有限元軟件驗(yàn)證了加固措施的可行性。

上述研究分別對隧道底鼓產(chǎn)生的機(jī)理與整治方法進(jìn)行了探討，但研究針對的隧道通常仰拱底鼓段圍巖巖性較差，大多為軟弱圍巖且具有一定的膨脹性，對于成昆鐵路保安營1號隧道此類地質(zhì)條件較好，圍巖等級較高卻發(fā)生較大程度仰拱底鼓的隧道破壞機(jī)理與整治方法是否相似尚未可知。本文針對成昆鐵路保安營1號隧道施工期間出現(xiàn)的底鼓開裂現(xiàn)象，分析底鼓病害產(chǎn)生原因并對已出現(xiàn)的隧道仰拱開裂及底鼓段落進(jìn)行整治，調(diào)整未施工段支護(hù)方案，為類似工程提供參考。

1 工程概況

成昆鐵路保安營 1號隧道為單線隧道，地處四川省攀枝花市，全長13326m，設(shè)計(jì)時(shí)速為80km/h。由野外調(diào)查、鉆探和物探資料可知，隧址區(qū)屬構(gòu)造剝蝕高中山地貌單元，地形起伏較大，地面高程980～2010.8m，相對高差 200～1000m，自然坡度 15～55o不等，局部形成陡崖。地表溝谷總體不發(fā)育，本隧道為越嶺隧道，最大埋深約887m。主要地質(zhì)構(gòu)造以南北向和北東向斷裂構(gòu)造為主，褶皺構(gòu)造次之，且具有明顯的繼承性和多期活動性特點(diǎn)。隧區(qū)出口工區(qū)為第三系昔格達(dá)組（N2x）頁巖夾砂巖，元古界康定群大田組上段（Pt1d2）混合巖、角閃巖夾云母片巖、花崗巖，晉寧期（δo2）花崗閃長巖；進(jìn)口工區(qū)主要為晉寧期（δo2）花崗閃長巖。埋深大于400m地段隧道通過地層以晉寧期花崗閃長巖及三疊系上統(tǒng)寶鼎組（T3bd1）砂巖、頁巖互層夾炭質(zhì)頁巖、礫巖及煤為主。

隧道采用新奧法原理設(shè)計(jì)與施工。施工全環(huán)設(shè)置I20b型鋼架，初期支護(hù)拱部采用Φ8mm鋼筋網(wǎng)，間距為20×20mm；噴射混凝土為C25混凝土，全環(huán)厚度為 27cm；二襯采用 C35鋼筋混凝土。復(fù)合式襯砌的具體情況如圖 1所示。

圖1 復(fù)合式襯砌設(shè)計(jì)圖Fig.1 Design diagram of composite lining

保安營1號隧道在隧道掘進(jìn)過程中，部分段落出現(xiàn)拱部初支混凝土的剝落、掉塊和開裂現(xiàn)象，局部型鋼鋼架變形，如圖2所示。正洞多個(gè)段落出現(xiàn)隧底仰拱開裂的現(xiàn)象，包括 LXD4K4+873～+988、LXD4K4+218～+252、LXD4K+257～+267、LXD4K4+285～+303、LXD4K4+340～+375、LXD4K4+400～+414、LXD4K4+833～+873、LXD4K4+988～LXD4K5+022共 8段總長293m仰拱填充層出現(xiàn)裂紋，如圖3所示。底鼓段落地層巖性為三疊系上統(tǒng)寶鼎組下段（T3bd1）砂巖、頁巖互層夾炭質(zhì)頁巖及煤線，薄層～中厚層狀，位于舒緩向斜，巖層近水平狀緩傾，如圖4所示。

圖2 隧道初支剝落、鋼架變形扭曲Fig.2 Spalling of initial support of tunnel and deformation and distortion of steel frame

圖3 LXD4K4+218～+252段仰拱填充裂紋Fig. 3 Cracks in concrete filling layer of inverted arch at section LXD4K4 + 218～+252

圖4 LXD4K4+892～+955掌子面Fig. 4 Tunnel face of LXD4K4 + 892～+ 955

保安營1號隧道在隧道掘進(jìn)過程中，多個(gè)段落出現(xiàn)仰拱底板隆起的現(xiàn)象，其中1號斜井X1DK1+342～+255段仰拱隆起現(xiàn)象較為嚴(yán)重，底板最大隆起高度約1m，且該段邊墻出現(xiàn)開裂，部分地段邊墻噴射混凝土出現(xiàn)剝落，如圖5所示。正洞LXD4K4+873～+988段（115m）仰拱于施工完成后7天左右表面出現(xiàn)縱向開裂，裂紋基本沿隧道中心線混凝土填充層縱向發(fā)展，表面呈閉合～微張狀，寬度0～5mm，肉眼觀察隆起不明顯。進(jìn)口工區(qū)LXD4K4+218～+252、LXD4K4+257～+267、LXD4K4+285～+303、LXD4K4 +340～+375、LXD4K4+400～+405、LXD4K4+412～+414和 1號斜井工區(qū) LXD4K4+833～+873、LXD4K4+988～LXD4K5+000、LXD4K5+000～+022段正洞工區(qū)存在隧道底鼓現(xiàn)象，隧道底鼓長度總計(jì)178m。1號斜井隧底隆起段巖性以薄層狀頁巖、炭質(zhì)頁巖為主，偶夾薄～中厚層狀粉砂巖，屬軟質(zhì)巖。正洞開裂段巖性為三疊系上統(tǒng)寶鼎組下段（T3bd1）砂巖、頁巖互層夾炭質(zhì)頁巖、礫巖及煤，緩傾巖層，Ⅲ級圍巖，采用Ⅲh型復(fù)合襯砌（二襯采用素混凝土40cm厚、拱墻鋼架、仰拱矢跨比1/12）。

圖5 X1DK1+342～+255段底板隆起、邊墻開裂Fig. 5 Floor heave and side wall cracking of X1DK1 + 342～+ 255

2 底鼓發(fā)育及原因分析

針對保安營1號隧道出現(xiàn)的底鼓及仰拱開裂情況，在上述底鼓及仰拱開裂段落內(nèi)，以不同間距共布置19個(gè)監(jiān)測斷面，每個(gè)監(jiān)測斷面布置2個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，測量點(diǎn)位置分別位于仰拱裂紋的左、右側(cè)0.1m處。根據(jù)對開裂段落監(jiān)測斷面的長期監(jiān)測及分析，其中LXD4K4+230斷面為底鼓開裂最大處，開裂寬度達(dá)到47.82mm，該斷面監(jiān)測點(diǎn)仰拱開裂底板隆起趨勢如圖5所示。

圖5 LXD4K4+230觀測點(diǎn)仰拱開裂（張開）底板隆起趨勢圖Fig. 5 Heave tendency of inverted arch cracking (opening) floor at LXD4K4 + 230 observation point

為了分析隧道仰拱開裂與底板隆起的原因，對仰拱底鼓斷面圍巖進(jìn)行試驗(yàn)分析，并于保安營 1號隧道入口 LXD4K3+770、1號斜井 X1DK0+580、X1DK0+920和2號斜井LXD4K8+460、LXD4K8+190處設(shè)置地應(yīng)力測點(diǎn)，采用應(yīng)力解除法對該5個(gè)測點(diǎn)的地應(yīng)力測試工作，地應(yīng)力測試鉆孔位置如表1所示。

仰拱開裂段為砂巖夾頁巖、局部夾炭質(zhì)頁巖的Ⅲ級圍巖，薄層狀～中厚層，巖層產(chǎn)狀N20～30°W/2～7°SW，為近水平狀的緩傾巖層，線路標(biāo)高處于竹木山（保安營）“碗狀”舒緩向斜“碗底”一帶。根據(jù)巖樣試驗(yàn)可得，砂巖取樣試驗(yàn)巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rc平均值50.9MPa，屬硬質(zhì)巖，鉆孔分層砂巖占比85～94%，頁巖單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rc平均值27.8MPa，屬較軟巖，占比 6～15%。隧底鉆孔和掌子面揭示圍巖較完整為主，局部較破碎，無地下水發(fā)育，圍巖符合Ⅲ級圍巖條件。

地應(yīng)力測試結(jié)果如表1所示。根據(jù)地應(yīng)力測試可得，保安營1號隧道地應(yīng)力水平相對較高，屬于高應(yīng)力區(qū)，保安營1號隧道2號斜井（LXD4K8+190）附近地應(yīng)力水平相對較高，屬于極高地應(yīng)力區(qū)。

表1 各測點(diǎn)地應(yīng)力測試結(jié)果Tab.1 In-situ stress evaluation of measuring point

正洞隧底仰拱開裂段隧道埋深 500m～640m，埋深較大。隧道實(shí)測最大水平主應(yīng)力為21.69MPa，垂直主應(yīng)力15.24MPa，最小水平主應(yīng)力12.68MPa，地應(yīng)力狀態(tài)以水平向的構(gòu)造應(yīng)力為主。水平向的構(gòu)造應(yīng)力水平明顯偏高，最大主應(yīng)力方向與隧道走向接近垂直（87°），對隧道穩(wěn)定性最為不利，埋深及較高應(yīng)力具備產(chǎn)生圍巖變形的地質(zhì)條件，這是導(dǎo)致局部區(qū)段產(chǎn)生緩傾巖層隧底開裂及輕微隆起變形的力學(xué)原因。施工過程中出現(xiàn)的拱頂噴射混凝土剝落、鋼架扭曲變形、隧底隆起等病害，主要原因是高地應(yīng)力環(huán)境下近水平、中薄和軟硬相間巖層的彎曲變形。

3 底鼓整治措施

針對已出現(xiàn)的仰拱開裂段落，先進(jìn)行邊墻、仰拱一起拆除，調(diào)整仰拱曲率，按新仰拱曲率施作仰拱鋼架，并對仰拱、邊墻重新進(jìn)行配筋，恢復(fù)邊墻、仰拱二襯。

仰拱整治施工工序：邊墻腳打設(shè)錨桿→跳槽拆除局部溝槽、邊墻底并設(shè)置 I20b支頂型鋼→跳槽拆除仰拱填充及仰拱→清除基底軟化巖體→及時(shí)施作仰拱封閉噴混凝土→恢復(fù)瓦斯隔離層→施做仰拱襯砌及養(yǎng)護(hù)→恢復(fù)溝槽、仰拱填充并養(yǎng)護(hù)。仰拱整治具體工序如下：

（1）在隧道兩側(cè)的水溝蓋板頂面下方施做拱墻鎖腳錨桿，錨桿采用Φ32精軋螺紋鋼筋。

（2）采用機(jī)械拆除隧道兩側(cè)的水溝電纜槽。

（3）左右側(cè)邊墻底跳槽開挖采用機(jī)械破碎，每次跳槽長度不大于4m。跳槽開挖后，設(shè)置I20b型鋼支頂邊墻底臨空面，按I20b鋼架縱向間距1m/榀進(jìn)行設(shè)置。

（4）開挖圍巖調(diào)整仰拱曲率為1/6，隧底虛渣必須清理干凈。

（5）拆除舊混凝土后，應(yīng)將新舊混凝土結(jié)合處鑿毛并采用高壓水沖洗干凈，鋪設(shè)邊墻、仰拱閉孔型泡沫塑料墊層、防水板，保證搭接長度不小于15cm。

（6）邊墻底部植入Φ22鋼筋作為邊墻與仰拱的接茬，縱向間距25cm；相鄰段仰拱填充層底部植入Φ22鋼筋,長度1m，穿過接縫50cm作為接；采用鉆孔植筋的方式，植筋埋入既有二襯長度不少于500mm，以保證新舊混凝土之間連接良好。

（7）安裝型鋼鋼架，封閉噴混凝土。安裝過程中鋼架定位要準(zhǔn)確，靠圍巖側(cè)利用砌塊楔緊，縱向連接筋將各榀鋼架連接牢靠。

（8）施工鋼筋混凝土仰拱、仰拱填充（仰拱和仰拱填充應(yīng)分層澆筑）。

針對隧道未施工段落，為了避免出現(xiàn)隧道底鼓的現(xiàn)象，采用調(diào)整支護(hù)參數(shù)及斷面形式等加強(qiáng)方案。

由于正確分析了保安營隧道底鼓病害產(chǎn)生的原因，采取相應(yīng)措施對已出現(xiàn)的仰拱開裂與底鼓段落進(jìn)行整治，并調(diào)整支護(hù)方案避免未施工段出現(xiàn)此類現(xiàn)象，有效地控制了隧道底鼓的發(fā)生，確保了保安營1號隧道的施工運(yùn)營安全。

4 結(jié)論及建議

（1）基于保安營隧道仰拱底鼓段落地應(yīng)力測試可知，保安營 1號隧道地應(yīng)力水平較高，符合高地應(yīng)用和極高地應(yīng)力條件。

（2）在高地應(yīng)力條件下，近水平、中薄和軟硬相間巖層的彎曲變形是保安營隧道施工過程中產(chǎn)生仰拱底鼓的主要原因。

（3）基于本隧道底鼓原因的分析，針對已經(jīng)施工仰拱段采用拆除重建方案；對未施工段隧道支護(hù)參數(shù)及仰拱曲率進(jìn)行調(diào)整。結(jié)果表明，采取處治措施有效解決了底鼓問題