黃葛樹隧道出口左幅仰拱開裂原因分析及處治措施

趙明飛

（云南省昭通市交通建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督局，云南 昭通 657000）

0 引言

仰拱開裂是隧道施工過程中破壞了原有的應(yīng)力結(jié)構(gòu)，改變了土體和地層中應(yīng)力平衡狀態(tài)，加上卵石、漂石、黏性土受雨水稀釋，降低自穩(wěn)力，造成應(yīng)力重新分布仰拱發(fā)生開裂的過程。隧道施工中遇到仰拱開裂會對工程建設(shè)及后期運營造成較大的負面影響，需要投入巨大的人力、物力，以確保工程安全和運營安全。仰拱開裂的原因和地質(zhì)水文條件密不可分，本文結(jié)合黃葛樹隧道左幅仰拱開裂案例，分析本次仰拱開裂的發(fā)生機理，并提出對應(yīng)的處治措施，為類似工程提供參考和借鑒。

1 工程概況

黃葛樹隧道為分離式—小凈距隧道，隧道呈直線形展布，電光照明、機械通風(fēng)；該隧道總體軸線方向約270°，左線隧道起訖樁號ZK62+430～ZK63+627，全長1197m，隧道最大埋深約94m，位于ZK63+340 處；右線隧道起訖樁號K62+460～K63+653，全長1193m，隧道最大埋深約102m，位于K63+380 處。進口左右線間距19.28m，出口左右線間距5.09m。隧道左幅平面線形參數(shù)（R-1350/L-954.708；A-393.162/L-150；R-∞；A-583.095/L-200；R-1700/L-261.431；A-583.095/L-200；R-∞），右幅平面線形參數(shù)（R-1030/L-1901.309；A-395.105/L-150；R-∞；R-4100/L-1003.154）；隧道設(shè)計縱坡結(jié)合隧道內(nèi)排水、通風(fēng)及隧道施工條件等因素綜合比選確定，左右幅為-2.37%。

隧址區(qū)第四系覆蓋層厚度大，主要為含碎石粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、碎石、角礫等，下伏基巖為奧陶系灰?guī)r夾砂巖。隧道主要為Ⅴ級圍巖，主要為卵石，含漂石、夾黏性土，圍巖自穩(wěn)能力差，無支護時拱部易產(chǎn)生坍塌，側(cè)壁易失穩(wěn)、掉塊。該類地層自穩(wěn)能力不強，雨水浸泡后承載力降低，抗沖刷能力弱，在支護不夠或超挖、擾動的情況下，易破壞原有膠結(jié)狀態(tài)，形成松動圈[1]。

2 仰拱開裂事故

2020 年6 月6 日，工人清掃填充面時發(fā)現(xiàn)出口左洞ZK63+567～ZK63+502（65m）仰拱存在裂縫，裂縫位置在行車方向左側(cè)，裂縫寬度2～5mm。

2020 年6 月6 日～2020 年6 月15 日仰拱裂縫縱向持續(xù)往兩邊發(fā)展。開裂至ZK63+460（共107m），仰拱裂縫寬度擴大到2cm。

2020 年7月3 日，仰拱裂縫發(fā)展至ZK63+585～ZK63+314（271m），仰拱裂縫最大寬度3cm 左右。

2020 年8 月28 日，出口左幅仰拱ZK63+622～ZK63+113（509m）。

2020 年9 月11 日，統(tǒng)計裂縫發(fā)展情況：出口左幅仰拱ZK63+622～ZK63+112（510m）。

3 地質(zhì)勘察分析及仰拱開裂原因分析

3.1 地質(zhì)勘察分析

3.1.1 隧道區(qū)域地形地貌穩(wěn)定性分析

隧道接近山頂，山坡頂部呈渾圓狀，并無大的山體與之連接，無形成滑坡體物質(zhì)成分來源。

3.1.2 掌子面揭示地層與勘察地層對比分析

從掌子面開挖情況看，隧道的圍巖主要為卵石（含黏性土、卵石），含碎石粉質(zhì)黏土、含礫黏土，其母巖成分為砂巖、灰?guī)r等，空隙間為黏土充填，為沖積、洪積成因地層，與勘察期間鉆孔揭示地層一致，因此：隧址區(qū)排除所在山體為大型古滑坡的可能性，該區(qū)域主要地層為沖、洪積成因的堆積體，現(xiàn)階段隧址區(qū)所在山體整體穩(wěn)定[2]。

3.2 隧道仰拱開裂主要原因

根據(jù)地質(zhì)補充詳勘資料顯示，結(jié)合掌子面開挖提示的地質(zhì)圍巖，黃葛樹隧道區(qū)域地質(zhì)圍巖主要為卵石（含黏性土、卵石），含碎石粉質(zhì)黏土、含礫黏土。由于隧道埋深較淺（仰拱開裂段最淺20m），掌子面開挖后改變了原來地層應(yīng)力平衡，發(fā)生應(yīng)力重新分布，形成松弛圈，應(yīng)力重新分布產(chǎn)生裂縫輻射到地面，加上連續(xù)降雨，雨水順地表裂縫下滲稀釋卵石（含黏性土、卵石），碎石粉質(zhì)黏土、含礫黏土黏結(jié)力稀釋，自穩(wěn)力降低，隧道初期支護、二次襯砌荷載增大，產(chǎn)生不均勻沉降導(dǎo)致仰拱開裂。

4 方案探討

為了保證黃葛樹隧道施工安全完及后期運營安全，消除施工安全隱患，采用“加強原設(shè)計初期、二次襯砌支護參數(shù)，在拱腳左右兩側(cè)設(shè)置鋼管樁加固，仰拱曲率加大，路面混凝土增設(shè)鋼筋網(wǎng)”原則進行綜合措施治理。具體措施如下：

4.1 已開裂仰拱處治措施

（1）對已開裂仰拱段在左右兩側(cè)邊墻腳底部各施作兩根φ108mm×6mm 鋼管樁并注水泥漿，鋼管長L=9m，縱向間距1.2m。鋼管內(nèi)增設(shè)鋼筋籠加強抗剪能力。

（2）在仰拱下方施作φ42×4mm 鋼花管注漿固結(jié)，提高地基承載力。

（3）混凝土路面基層增設(shè)φ820cm×20cm 鋼筋網(wǎng)，增強防裂效果。

4.2 對后期開挖施工的初期支護及仰拱施工措施

（1）加強初期支護參數(shù)，由原設(shè)計I18 鋼拱架加強為I20鋼拱架閉合成環(huán)，加強初期支護承載能力。

（2）初期支護工字鋼分別于兩側(cè)拱腰、邊墻、拱腳處各設(shè)置2 根共計12 根φ42×4mm 鎖腳小導(dǎo)管，L=4.5m。加強仰拱開挖時初期支護抗下沉能力。

（3）加大仰拱曲率，內(nèi)輪廓仰拱半徑由1800cm 調(diào)整為1200cm，仰拱回填深度由145cm 調(diào)整為206.4cm，使初期支護封閉成環(huán)受力環(huán)效果更好。

（4）于仰拱底部施做30cm 碎石墊層并夯實，提高地基承載力，降低不均勻沉降。

（5）混凝土面基層增設(shè)φ820cm×20cm 鋼筋網(wǎng)，增強防裂效果。

圖1 仰拱開裂處治方案設(shè)計圖

5 結(jié)語

在隧道地質(zhì)圍巖較差，地基承載較低，隧道開挖后發(fā)生應(yīng)力重新分布地表水下滲降低圍巖自穩(wěn)力時，有可能發(fā)生初期支護變形、二次襯砌變形，導(dǎo)致仰拱開裂事故發(fā)生。應(yīng)加強地質(zhì)超前預(yù)報及前期隧道內(nèi)監(jiān)控量測及洞外地表觀測，根據(jù)監(jiān)控量測結(jié)果及時調(diào)整初期支護及二襯砌支護參數(shù)。當(dāng)仰拱發(fā)生開裂事故時可采取鋼管樁注漿拱腳加固，仰拱徑向注漿加固提高地基承載力及路面混凝土基層增設(shè)鋼筋網(wǎng)等措施綜合進行處治。