三步梯隧道出口端右洞病害成因分析

王國豐

（貴州路橋集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽 550018）

1 工程概況

三步梯隧道位于貴州省桐梓縣茅石鄉(xiāng)高埡村境內(nèi)，隧道為路線斜穿越近南北向狹長山體而建設(shè)，全長2 190m。采用分離隧道形式，設(shè)計速度100km/h，雙向六車道，左右洞樁號相差15m，襯砌結(jié)構(gòu)、仰拱變形開裂主要出現(xiàn)在隧道出口端370m范圍內(nèi)，該段埋深9～111.48m。

1.1 左右洞施工時間

右洞：隧道出口端右洞先行，YK70+770—YK70+423 段于 2018 年 7 月 18 日—2020 年 3 月 12 日完成開挖，2018年11月5日—2020年6月1日完成二襯施工。

左洞：ZK70+780—ZK70+465段于2020年7月14日—2021 年 9 月 27 日完成開挖，2021 年 4 月 4 日——2021年10月10日完成二襯施工。

該隧道為三車道大斷面隧道，設(shè)計為低瓦斯隧道，開挖揭露后經(jīng)鑒定為高瓦斯隧道，出口端地質(zhì)條件異常復(fù)雜，加之采空區(qū)影響，右洞347m 歷時20 個月才完成開挖支護(hù)。

1.2 病害出現(xiàn)過程

（1） 2021 年 4 月 13 日，左洞開挖至 ZK70+645 時（出口向進(jìn)口掘進(jìn)），ZK70+680—ZK70+660 段初期支護(hù)左拱腰至拱頂部位有環(huán)向裂縫，ZK70+673處鋼拱架有變形局部扭曲，伴有剝落掉塊。監(jiān)控量測結(jié)果顯示ZK70+680—ZK70+665 段在 2021 年 4 月 9 日—4 月 12 日變形較大，累計最大沉降35.9mm，單日最大沉降9.0mm。經(jīng)測量初期支護(hù)未侵限。ZK70+645掌子面巖性為泥巖，碎塊狀結(jié)構(gòu)，層間夾炭質(zhì)頁巖薄層，節(jié)理裂隙較發(fā)育，圍巖完整性一般，自穩(wěn)能力較差。4月14日確定處治方案為：ZK70+680—ZK70+660段臨時支撐采用I18工字鋼拱架作為臨時支撐，根據(jù)監(jiān)控數(shù)據(jù)，針對持續(xù)變形部位需增設(shè)臨時仰拱。并對ZK70+680—ZK70+660 段拱部進(jìn)行注漿加固，該段落經(jīng)處治后繼續(xù)向小樁號方向掘進(jìn)。右洞已于2020年3月實現(xiàn)貫通，6月完成二襯施工。

（2） 2021 年 5 月 5 日，左洞開挖至 ZK70+607 時，ZK70+660—ZK70+630段初期支護(hù)拱頂有開裂，局部噴射混凝土剝落，ZK70+645處鋼拱架有變形局部扭曲，伴有剝落掉塊。監(jiān)控量測結(jié)果顯示，ZK70+680—ZK70+665段在5月3日—5月4日變形較大，ZK70+657監(jiān)控斷面累計最大沉降32.4mm，單日最大沉降10.4mm。初期支護(hù)未侵限。ZK70+607掌子面巖性為泥巖，碎塊～塊狀結(jié)構(gòu)，掌子面中部貫穿有煤系層，節(jié)理裂隙較發(fā)育，圍巖完整性一般，自穩(wěn)能力較差。5月6日確定處治方案為：ZK70+660—ZK70+630段設(shè)置臨時支撐，采用I18工字鋼拱架作為臨時支撐，根據(jù)監(jiān)控數(shù)據(jù)，針對持續(xù)變形部位需增設(shè)臨時仰拱，對ZK70+680—ZK70+660 段注漿加固段補充注漿加固，ZK70+660—ZK70+630段進(jìn)行注漿加固。

（3） 5 月 7 日，發(fā)現(xiàn)左洞 ZK70+655—ZK70+680 段已施工的I18 工字鋼臨時支撐拱頂發(fā)生變形扭曲，右洞YK70+635—YK70+725段二襯左側(cè)（靠近中夾巖側(cè)）拱腰開裂，YK70+676—K70+688 段最大裂縫寬度約3mm，長約12m；YK70+676、YK70+688 施工縫出現(xiàn)錯臺，最大錯臺高度12.5mm；YK70+635—YK70+660 段左側(cè)仰拱出現(xiàn)裂縫，縫寬約5mm，長約25m。還有多條小裂縫分布于YK70+688—YK70+725 位置，平均縫寬約1mm，長約7m。期間對右洞實行持續(xù)觀測記錄，左洞經(jīng)處治后繼續(xù)掘進(jìn)。

（4）截至2021 年9 月6 日，右洞二襯及仰拱開裂段落延伸至YK70+400—YK70+770（370m）。此時，左洞掌子面樁號為ZK70+500，二襯端頭樁號為ZK70+579，左洞于2021 年9 月27 日實現(xiàn)貫通。經(jīng)統(tǒng)計，右洞二襯共發(fā)現(xiàn)裂縫113 條，仰拱9 條，裂縫形式有縱向、斜向、環(huán)向及施工縫錯臺，以縱向裂縫為主。其中，右洞左側(cè)（靠近中夾巖側(cè)）共有54 條，右側(cè)18 條，拱頂41 條，裂縫寬度從 0.1～3mm 不等，長度從1～23.3m 不等；仰拱9 條縱向裂縫主要出現(xiàn)在距中夾巖側(cè)電纜溝2m位置處，長度5.9～28.5m，寬度5～13mm。

2 出口段區(qū)域工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

隧道出口段為淺切低中山構(gòu)造侵蝕－溶蝕地貌區(qū)，受構(gòu)造控制，區(qū)內(nèi)南北向山脈與山間溝 （槽） 谷相間展布，峰頂均呈似橢圓狀、饅頭狀，峰頂、脊嶺兩側(cè)臨溝坡面地形較陡，坡面植被較發(fā)育。總體屬于凹坡區(qū)，橫向坡面有起伏，微地貌有近扇形崩塌堆積區(qū)、危巖體。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

隧址區(qū)位于黔北臺隆遵義斷拱畢節(jié)北東構(gòu)造變形區(qū)和鳳岡北北東向構(gòu)造變形區(qū)過渡帶。主要褶皺構(gòu)造有三岔背斜。隧道位于三岔向斜南翼，離向斜核部較遠(yuǎn)。

2.2.1 斷層

隧址區(qū)未見斷裂構(gòu)造，鄰區(qū)發(fā)育有兩個斷層但距隧道較遠(yuǎn)，對隧道出口段無直接影響。

2.2.2 揉曲

隧道出口段龍?zhí)督M地層?xùn)|西兩側(cè)依次分布棲霞、茅口組和長興組的硬質(zhì)灰?guī)r。受本區(qū)構(gòu)造作用影響，巖質(zhì)軟弱的龍?zhí)督M地層內(nèi)部小皺曲發(fā)育，以尖狀皺褶為主，局部產(chǎn)狀變化較大。

2.2.3 地層

隧道出口段東側(cè)出露地層為二疊系茅口、棲霞組灰?guī)r，西側(cè)出露地層為二疊系長興組，中間為龍?zhí)督M煤系地層。長興組與龍?zhí)督M、龍?zhí)督M與茅口組為假整合接觸。

2.3 地層巖性

區(qū)內(nèi)地層巖性主要有：

（1）第四系殘坡積層由碎石夾黏性土構(gòu)成。

（2）二疊系長興組：灰～深灰色中層狀、中厚層狀灰?guī)r，下部夾頁巖，分布于路線右側(cè)。

（3）龍?zhí)督M：灰色、深灰色、雜色泥巖、頁巖、粉砂巖夾灰?guī)r，夾3層煤。隧道出口段洞身主要穿越該地層。

（4）茅口組：灰色、深灰色厚層塊狀含硅質(zhì)團(tuán)塊灰?guī)r。

（5）棲霞組：灰色、深灰色厚層狀含硅質(zhì)團(tuán)塊灰?guī)r。

2.4 水文地質(zhì)條件

2.4.1 地表水

受山脊分水嶺控制，區(qū)內(nèi)匯水區(qū)域較小，地表水系不發(fā)育，主要為大氣降水形成的暫時性地表面流，地表水?dāng)嗝媪髁渴芙涤炅靠刂?，大部分下滲入坡積層中，部分山體地表水通過溶蝕節(jié)理裂隙轉(zhuǎn)移至地下，通過溶洞排出坡體之外。

2.4.2地下水

出口段地下水可分為第四系松散層孔隙水、基巖裂隙水。

（1）第四系松散孔隙水：出口段崩坡積碎石質(zhì)黏土、碎（塊）石土層不均勻分布，其結(jié)構(gòu)松散，孔隙發(fā)育，具有地下水賦存與運移空間。

（2）基巖裂隙水：出口段淺部巖體構(gòu)造風(fēng)化裂隙發(fā)育，為地下水提供了存貯地下空間及運移通道，主要接受降水及上覆層下滲水補給。受裂縫開度、充填物等因素制約，地下水總體流量較小，對工程施工影響小。

2.5 不良地質(zhì)

隧道出口段洞身為煤系地層，在隧道的右側(cè)地表發(fā)現(xiàn)有3處煤洞，為地方小煤窯，采空區(qū)主要沿煤層走向采掘，無規(guī)律可循。

為查明采空區(qū)情況，主要通過調(diào)查、施工揭露、物探異常判定及鉆探驗證綜合探明，隧道右洞采空區(qū)或巷道主要分布區(qū)段為：

（1）右洞開挖輪廓線左側(cè)巷道位于YK70+670—YK70+677 段起拱線位置，右側(cè)巷道位于YK70+650—YK70+710段拱頂位置，然后向輪廓線外延伸。

（2）拱頂及拱腳部位采空區(qū)或巷道主要分布于YK70+652—YK70+712段。

（3）根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)圖像，推斷在隧道右邊墻區(qū)（YK70+723—YK70+732），其下存在采空區(qū)，深度約4～7m。

（4）隧道右洞底板采空區(qū)或巷道主要分布區(qū)段為：YK70+668—YK70+732，YK70+732—YK70+754段。

3 二次襯砌、仰拱病害原因分析

3.1 不利的地形環(huán)境

三步梯隧道出口端上方山形為人字形，左幅中線正上方約為山體中線，該山體在原小煤窯開采過程中已出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，山體正中裂縫寬度約為50cm，該山體本體呈欠穩(wěn)定狀態(tài)。隧道右幅先施工，開挖過程中山體裂縫呈加劇狀態(tài)，且坡腳、山腰出現(xiàn)不同程度開裂、塌陷。由于隧道上方山體經(jīng)歷采煤、右洞開挖、左洞開挖多次擾動，已處于松散狀態(tài)，下方隧道開挖后難以形成自然拱，襯砌結(jié)構(gòu)受力較大，易開裂、變形。

3.2 不良地質(zhì)及采空區(qū)

隧道出口段洞身圍巖為二疊系龍?zhí)督M煤系地層，主要由泥質(zhì)粉砂巖、泥巖夾煤線構(gòu)成，其巖質(zhì)軟弱，加之本區(qū)構(gòu)造作用較強，該巖組地層受揉皺作用強烈。出口區(qū)域在新中國成立前就已開始采煤，該位置共有7層煤層（隧道右洞開挖過程中發(fā)現(xiàn)其中3 層）。由于開采時間過長，采空區(qū)較多，巷道走向錯綜復(fù)雜，隧道輪廓線左右均有采煤巷道。

采空區(qū)或巷道在右洞施工過程中已采用混凝土對其進(jìn)行回填封閉，但由于空洞較大，只填充了部分洞體空間，并沒有完全填充密實?？斩磳?dǎo)致隧道拱頂和拱周圍壓力分布不均勻，拱腳受壓沉降不均勻，最終導(dǎo)致右洞二襯、仰拱開裂。

3.3 地形壓力偏轉(zhuǎn)

隧道出口端左幅左側(cè)為一沖溝，沖溝兩側(cè)山體高處應(yīng)力向溝底轉(zhuǎn)移，由于是三車道隧道，斷面大，隧道開挖卸荷后，高處應(yīng)力向隧道內(nèi)轉(zhuǎn)移，因此，出口端埋深雖然不深，上部荷載看起來不大，但是隨著山體高處應(yīng)力轉(zhuǎn)移，隧道內(nèi)豎向、側(cè)向?qū)嶋H應(yīng)力較高，導(dǎo)致隧道開挖后襯砌結(jié)構(gòu)、仰拱出現(xiàn)變形、開裂。

3.4 小凈距大斷面隧道

三步梯隧道帶仰拱斷面扁平率為0.51，隧道開挖面積170m2，屬大斷面隧道。大斷面隧道扁平率過大或過小均不利于有效利用隧道空間，隨著斷面扁平率減小，隧道開挖時所引起的松弛荷載隨之增大，拱頂趨于受拉狀態(tài)、拱腳應(yīng)力集中也趨于嚴(yán)重[1]。

另外，三步梯隧道出口端二襯開裂范圍段落，兩幅隧道線間距為1～1.6D，屬小凈距隧道，中夾巖柱巖性為煤系地層，巖體彈性模量E值較低，隧道開挖后變形較大[2]。

3.5 近接施工影響

隧道右洞二襯開裂段落主要為YK70+400—YK70+770，該段落開挖時間為2019年8月—2020年3月，二襯施工時間為2020年3月—2020年6月。截至2021年5月5 日，該段落已施工二襯、仰拱未出現(xiàn)開裂、錯臺、隆起現(xiàn)象。2021 年5 月5 日，左洞向小樁號掘進(jìn)至ZK70+607 時（埋深95m），對應(yīng)右洞樁號為YK70+592，右洞YK70+641—YK70+760 范圍內(nèi)二襯出現(xiàn)多條縱向、斜向、環(huán)向及施工縫錯臺，縱向裂縫在拱腰和拱頂較多，斜向裂縫主要在拱腰和拱腳，環(huán)向裂縫主要在拱頂向兩側(cè)拱腰延伸。該段范圍內(nèi)仰拱也出現(xiàn)開裂，裂縫主要分布于隧道中心線靠左位置（靠近中夾巖側(cè)），裂縫走向多為縱向。隨著左洞繼續(xù)向小樁號施工至2021 年9 月27日，左洞完成開挖，二襯施工于2021年10月10日完成。截至2021年9月6日，右洞二襯、仰拱開裂、錯臺等病害監(jiān)測結(jié)果顯示，病害出現(xiàn)段落主要位于YK70+400—YK70+770（370m），其中較嚴(yán)重段落為YK70+540—YK70+770（230m）。左洞2021年4月至9月底開始施工段落為ZK70+630—ZK70+465（165m），與右洞病害段落重合165m，且與右洞病害較嚴(yán)重段落重合75m。由此可以看出，右洞二襯、仰拱在左洞未掘進(jìn)至坡腳下方時無病害出現(xiàn)，在左洞掘進(jìn)進(jìn)入坡腳10d后，右洞開始出現(xiàn)病害，共計53條裂縫，左洞開挖完成后，右洞襯砌結(jié)構(gòu)、仰拱共計出現(xiàn)121條裂縫。

由此可以看出，隨著左洞（后行洞）的不斷向前開挖，右洞（先行洞）已施作襯砌結(jié)構(gòu)、仰拱也隨之出現(xiàn)開裂、施工縫錯臺等病害，此為典型近接施工力學(xué)表現(xiàn)行為，即新建工程（后行洞）將會對既有工程（先行洞）原來的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。這種影響最本質(zhì)的原因是新建工程（后行洞）的施工引起圍巖應(yīng)力狀態(tài)重新分布，從而導(dǎo)致一系列的力學(xué)行為變化[3]。

4 結(jié)論

綜上所述，總結(jié)三步梯隧道右洞二襯、仰拱病害出現(xiàn)原因，在大斷面小凈距隧道近接施工中，后行洞開挖對先行洞已施作襯砌結(jié)構(gòu)造成影響。由于左洞170m2斷面開挖卸荷后，拱頂上方豎向應(yīng)力傳遞路徑喪失，于是向拱頂兩側(cè)轉(zhuǎn)移，掌子面左側(cè)為遠(yuǎn)離隧道的山體，應(yīng)力對山體影響不大；掌子面右側(cè)為中夾巖，由于中夾巖巖體強度較低（煤系地層），應(yīng)力傳導(dǎo)至中夾巖后，超過巖體強度值，中夾巖發(fā)生變形，對右洞左側(cè)產(chǎn)生擠壓，右洞二襯呈小偏心受壓，出現(xiàn)壓剪破壞，沿隧道縱向出現(xiàn)貫穿式斜向上為主的裂縫[4]。

仰拱在受到中夾巖擠壓后，電纜溝（靠近中夾巖側(cè)）附近2m左右位置出現(xiàn)多條縱向裂縫，且通過4個月觀測數(shù)據(jù)顯示，裂縫兩側(cè)逐漸隆起，隆起高度1.1～6.4mm。

建議在位于進(jìn)、出口端，地形起伏較大（山形由緩變陡、偏壓或靠近沖溝、鞍部）、圍巖強度較低的小凈距山嶺隧道的開挖過程中，需特別注意后行洞施工對先行洞支護(hù)結(jié)構(gòu)、仰拱的影響，因此，先行洞施作初支時，可考慮在拱腳兩側(cè)增設(shè)鎖腳微型鋼管樁，管內(nèi)增加小型鋼筋籠，拱腳（靠近中夾巖測）增設(shè)樹根樁抵抗中夾巖傳導(dǎo)下來的應(yīng)力，再對鎖腳微型鋼管樁及樹根樁注漿固結(jié)，加固圍巖，避免后行洞施工期間或運營期間先行洞支護(hù)結(jié)構(gòu)、仰拱出現(xiàn)病害。