茜陽(yáng)隧道出口病害處治技術(shù)研究

吳啟勇

(福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，福州 350004)

0 引言

茜陽(yáng)隧道位于福建省龍巖市上杭縣內(nèi)，為高速公路分離式隧道，隧道開(kāi)工70多m后洞身出現(xiàn)嚴(yán)重的變形情況，總體來(lái)看茜陽(yáng)隧道出現(xiàn)的變形具有突然、變形速率高且難以控制、最終變形量大等特點(diǎn)。文獻(xiàn)［1］進(jìn)行了隧道病害原因分析，提出了原有襯砌侵限處理施工工藝和注意事項(xiàng)，總結(jié)了施工方案、監(jiān)控量測(cè)要求，闡述了施工安全措施，確保了施工質(zhì)量。文獻(xiàn)［2］介紹了內(nèi)昆鐵路龍洞灣隧道進(jìn)口裂縫病害原因，并對(duì)其跳槽方法處理措施進(jìn)行了分析和探討。文獻(xiàn)［3］敘述了病害產(chǎn)生的原因和相應(yīng)的處理措施，并采用有限元程序和條分法對(duì)整個(gè)巖堆體的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析檢算。文獻(xiàn)［4］主要介紹了產(chǎn)生病害的工程環(huán)境，分析了病害產(chǎn)生的原因及機(jī)制，介紹了病害處理的具體工程措施和具體施工方法，總結(jié)了淺埋、偏壓、破碎圍巖條件下隧道施工的綜合技術(shù)。文獻(xiàn)［5］主要闡述了隧道二次襯砌混凝土產(chǎn)生變形、開(kāi)裂的原因，提出病害處理原則和預(yù)防措施，并根據(jù)混凝土產(chǎn)生的各種變形、開(kāi)裂實(shí)際情況提出相應(yīng)的處理方案。文獻(xiàn)［6］主要從國(guó)內(nèi)施工現(xiàn)狀與存在的問(wèn)題入手，分析了引起隧道大變形的原因，總結(jié)出控制隧道大變形方法。文獻(xiàn)［7］針對(duì)隧道病害情況，采用儀器對(duì)隧道病害進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)合隧道圍巖地質(zhì)條件，對(duì)出現(xiàn)原因進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算分析，提出了內(nèi)輪廓侵限處理方案。文獻(xiàn)［8］對(duì)隧道發(fā)生侵限的原因進(jìn)行了分析，提出了采用注漿加固、加強(qiáng)超前支護(hù)、處理時(shí)施作臨時(shí)內(nèi)襯、逐榀拆除侵限段初期支護(hù)等處理措施。目前在建或已建的隧道均存在襯砌侵限、裂縫問(wèn)題，也是國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。本文以土質(zhì)淺埋偏壓茜陽(yáng)隧道為研究對(duì)象，借鑒以往經(jīng)驗(yàn)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)襯砌侵限、裂縫處理方案進(jìn)行優(yōu)化研究。

1 工程概況

茜陽(yáng)隧道為分離式平行雙洞隧道，設(shè)計(jì)行車(chē)速度為100km/h，單洞建筑界限:凈高5m、凈寬10.75m (行車(chē)道寬2×3.75 m，左側(cè)路緣帶0.5 m，右側(cè)路緣帶0.75 m，左、右側(cè)檢修道各1.00 m)。全長(zhǎng)450 m，進(jìn)出口均采用端墻式洞門(mén)。隧道右洞進(jìn)口樁號(hào)為YK24+ 795、出口樁號(hào)YK25+245;隧道左洞進(jìn)口樁號(hào)為ZK24+ 774、出口樁號(hào)ZK25+231。兩洞軸線(xiàn)之間的線(xiàn)間距為33.15 m。

茜陽(yáng)隧道出口位于山脊上，右洞橫向地面線(xiàn)坡率為30°(即偏壓30°)，如圖1所示。隧道區(qū)屬構(gòu)造－剝蝕低山地貌，地形起伏較大，山坡較陡，自然坡度35～50°，上覆坡殘積土(Qd1+r1)和強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)砂巖，厚度為30～50m，下伏基巖為震旦系樓子壩組變質(zhì)粉砂巖，其產(chǎn)狀為180°∠40°。隧道區(qū)上部地下水主要為風(fēng)化基巖中的裂隙－孔隙水，水量貧乏，受大氣降水的補(bǔ)給，主要對(duì)出洞口圍巖及施工有影響。

2 病害情況

2010年3月20日成洞面樁號(hào)YK25+240～+ 238洞頂?shù)乇碛形⑿×芽p;2010年3月28日YK25+ 240～+228洞頂?shù)乇砹芽p稍明顯;2010年4月4日連降雨水，洞頂?shù)乇砹芽p明顯并延伸;2010年4月7日地表裂縫已延伸至掌子面。茜陽(yáng)隧道右洞出口至掌子面YK25+170初期支護(hù)均發(fā)生變形和裂縫，最大侵限約25.19 cm，詳見(jiàn)圖2，具體裂縫位置如圖3所示。根據(jù)相關(guān)資料:地表裂縫寬度為5～15cm，襯砌裂縫寬度約為0.2 mm，地表沉降約15 mm。

圖1 茜陽(yáng)隧道出口平縱面圖Fig.1 Plan and longitudinal profile of exit section of Xiyang tunnel

3 病害原因分析

1)在坡積粉質(zhì)黏土圍巖基礎(chǔ)上采用上下臺(tái)階法開(kāi)挖，同時(shí)上下臺(tái)階錯(cuò)臺(tái)30 m，洞口至掌子面從未施作二次襯砌;出口排水系統(tǒng)未完善。

2)出口偏壓段在未采取反壓回填措施情況下開(kāi)挖進(jìn)洞，同時(shí)在右洞YK25+193～+220右邊山坡坡體被開(kāi)挖10 m高當(dāng)作生活區(qū)，擾動(dòng)了山體。

3)4月初連降大雨，地表水經(jīng)未鋪砌的截水溝滲入隧道圍巖，使圍巖軟化，降低了軟弱面的強(qiáng)度。

4 隧道襯砌變形和裂縫處治方案

由于茜陽(yáng)隧道出口地質(zhì)較差，施工工期較緊，為保證施工進(jìn)度和結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定，本文采用換拱法和明挖法2種方法進(jìn)行比較，選出最合理的處治方案。

4.1 明挖方案處理措施

4.1.1 邊坡加固

已施工的右洞開(kāi)挖為邊坡，其邊坡采用5階高邊坡預(yù)應(yīng)力錨索格子梁+排水的設(shè)計(jì)方案，第1階、第3階和第4階邊坡坡率分別為1∶0.75，1∶1和1∶1.25，分別采用20，22，26，28和30 m不等長(zhǎng)度預(yù)應(yīng)力錨索加固;第2階邊坡坡率為1∶1，由于邊坡距隧道過(guò)近，無(wú)法采用預(yù)應(yīng)力錨索加固，采用錨桿鍍鋅網(wǎng)+小導(dǎo)管注漿加固植草防護(hù);第5階邊坡坡率為1∶1.25，采用液壓噴播植草(灌)。YK25+170左側(cè)橫斷面路基加固示意見(jiàn)圖4。錨索采用公稱(chēng)直徑為15.2 mm的高強(qiáng)度低松弛鋼絞線(xiàn)6根，鋼絞線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度不小于1 860 MPa，鉆孔直徑為150 mm，與水平夾角為20°;橫向間距為3.0 m，垂直間距為3.0 m，格子梁間植草。

圖4 YK25+170左側(cè)橫斷面路基加固示意圖Fig.4 Sketch of reinforcement of subgrade on the left side at YK25+170

4.1.2 仰坡加固

隧道仰坡采用6階高邊坡預(yù)應(yīng)力錨索格子梁+排水的設(shè)計(jì)方案，第2階、第3階、第4階和第5階邊坡坡率分別為1∶0.5，1∶0.75，1∶1和1∶1，分別采用20，22，24，26，28，30 m不等長(zhǎng)度預(yù)應(yīng)力錨索加固;第1階邊坡坡率為1∶0.25，為成洞面，距隧道洞身過(guò)近，無(wú)法采用預(yù)應(yīng)力錨索加固，采用小導(dǎo)管注漿和洞門(mén)墻加固;第6階邊坡坡率為1∶1，采用液壓噴播植草(灌)。YK25+170仰坡基加固示意見(jiàn)圖5。錨索采用公稱(chēng)直徑為15.2 mm的高強(qiáng)度低松弛鋼絞線(xiàn)6根，鋼絞線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度不小于1 860 MPa，鉆孔直徑為150 mm，與水平夾角為20°;橫向間距為3.0 m，垂直間距為3.0 m，格子梁間植草。

圖5 YK25+170仰坡基加固示意圖Fig.5 Sketch of reinforcement of front slope at YK25+170

4.2 換拱方案處理措施

4.2.1 地表加固

對(duì)地表裂縫進(jìn)行灌注水泥漿密封，防止地表水流入裂縫;右洞YK25+240～+140右側(cè)回填反壓，減少隧道偏壓，防止山體裂縫擴(kuò)展，如圖6所示。

圖6 右洞山體反壓回填處理示意圖Fig.6 Artificial overburden of right tube

4.2.2 臨時(shí)加固處理

出口左洞ZK25+206～+226和右洞YK25+170～+ 240初期支護(hù)采用滿(mǎn)堂架臨時(shí)加固，并在鋼支撐拱腳未打入鎖腳小導(dǎo)管處補(bǔ)設(shè)鎖腳小導(dǎo)管，防止隧道初期支護(hù)下沉，影響變形裂縫擴(kuò)展，如圖7所示。

圖7 滿(mǎn)堂架臨時(shí)加固圖Fig.7 Temporary support by means of full house frame

4.2.3 初期支護(hù)變形處理

支護(hù)厚度由原來(lái)24 cm改為28 cm，二次襯砌厚度由原來(lái)45 cm改為55 cm;該段鋼支撐間距保持不變，鋼支撐由工18改為工20 b，徑向采用長(zhǎng)度為5 m，直徑為50 mm的小導(dǎo)管注漿加固，間距為100 cm×100 cm，梅花型布置。具體施工工序如下:

1)拆除右矮邊墻初期支護(hù)、二次襯砌以及矮邊墻基礎(chǔ);2)在右矮邊墻基礎(chǔ)處打入直徑108 mm鋼管樁并注漿;3)右矮邊墻基礎(chǔ)采用C25混凝土回填;4)待右矮邊墻墻基礎(chǔ)C25混凝土強(qiáng)度達(dá)到70%后，掛鋼筋網(wǎng)噴射4 cm C25混凝土并立型鋼支撐，再?lài)?0 cm厚C25混凝土;5)澆注右矮邊墻二次襯砌;6)拆除左矮邊墻初期支護(hù)、二次襯砌以及矮邊墻基礎(chǔ);7)在左矮邊墻基礎(chǔ)處打入直徑108 cm鋼管樁并注漿;8)左矮邊墻基礎(chǔ)采用C25混凝土回填;9)待左矮邊墻墻基礎(chǔ)C25混凝土強(qiáng)度達(dá)到70%后，掛鋼筋網(wǎng)噴射4cm厚C25混凝土并立型鋼支撐;再?lài)?0 cm厚C25混凝土;10)澆注左矮邊墻二次襯砌;11)拆除拱部初期支護(hù)并開(kāi)挖至設(shè)計(jì)線(xiàn);12)掛鋼筋網(wǎng)噴射4 cm厚C25混凝土并立型鋼支撐，再?lài)?0 cm厚C25混凝土;13)跳槽法施工逐榀換拱完成4榀后，再整體掛直徑12mm鋼筋網(wǎng)，最后再?lài)? cm厚C25混凝土，完成1個(gè)循環(huán)后方能施作下個(gè)循環(huán);每換拱8～10 m，應(yīng)立即模筑二次襯砌，待二次襯砌混凝土強(qiáng)度達(dá)到80%后，方能施作下一個(gè)循環(huán)。換拱施工工序如圖8所示。

施工順序由洞口向掌子面方向采用跳槽法逐榀施工，施工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，確保施工人員安全。

5 施工工序模擬分析

5.1 計(jì)算條件

1)圍巖級(jí)別:Ⅴ級(jí)圍巖。

2)隧道埋深:淺埋。

3)計(jì)算軟件:同濟(jì)曙光。

4)計(jì)算模式:“地層－結(jié)構(gòu)”彈塑性模式，計(jì)算考慮以承受自身重力應(yīng)力場(chǎng)為主，考慮毛洞與初期支護(hù)各自承擔(dān)50%圍巖壓力。

圖8 換拱施工工序圖Fig.8 Procedure of arch replacing

5)計(jì)算邊界條件:在模型左、右邊界施加水平X方向約束，在底面施加垂直Y方向約束，頂部為自由面，橫向范圍的有效水平方向計(jì)算寬度為148 m，左右邊界距開(kāi)挖輪廓外邊緣均大于4倍的主洞開(kāi)挖寬度;上邊界為地表自由面，下邊界距主洞開(kāi)挖輪廓底邊緣40 m，大于3倍的主洞開(kāi)挖高度，消除邊界效應(yīng)對(duì)結(jié)果的影響。

6)計(jì)算準(zhǔn)則采用D－P準(zhǔn)則。

5.2 計(jì)算參數(shù)取值

初期支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1，根據(jù)截面換算原則，對(duì)計(jì)算截面的初期支護(hù)進(jìn)行截面換算，其換算后的支護(hù)物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

洞室周?chē)团R時(shí)導(dǎo)洞周?chē)┐蝈^桿的區(qū)域采用提高圍巖參數(shù)的方法來(lái)模擬。參考文獻(xiàn)［9］，在施加噴錨支護(hù)后將相應(yīng)圍巖的彈性模量、黏聚力c及摩擦角φ提高20%，泊松比降低20%。

表1 Ⅴ級(jí)圍巖初期支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)表Table 1 Design parameters of primary support of grade V surrounding rock

表2 換算后計(jì)算物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters for calculation

5.3 換拱方案模擬

5.3.1 計(jì)算斷面選取

取茜陽(yáng)隧道右洞樁號(hào)YK25+180斷面為計(jì)算斷面，隧道左洞埋深最深為26 m，右洞埋深最深為3.8 m，如圖9所示。

圖9 計(jì)算斷面圖Fig.9 Calculation cross-section

5.3.2 計(jì)算結(jié)果分析

5.3.2.1 塑性

換拱后塑性圖見(jiàn)圖10，由圖10(a)，(b)和(c)分析可知:右洞隧道左右矮邊墻開(kāi)挖并加固過(guò)程中洞室周?chē)鷩鷰r塑性區(qū)范圍幾乎沒(méi)有變化，故左右矮邊墻開(kāi)挖不影響圍巖穩(wěn)定。

由圖10(d)可得:右洞隧道拱部初期支護(hù)換拱過(guò)程中，右洞拱頂塑性區(qū)范圍變大，但徑向范圍塑性區(qū)均未超過(guò)設(shè)計(jì)的小導(dǎo)管和系統(tǒng)錨桿加固范圍;中間巖體塑性區(qū)未貫通，說(shuō)明換拱過(guò)程中圍巖擾動(dòng)范圍較小，滿(mǎn)足圍巖自穩(wěn)能力要求。

5.3.2.2 初期支護(hù)內(nèi)力和安全系數(shù)

在模擬計(jì)算過(guò)程中通過(guò)對(duì)左右洞初期支護(hù)的內(nèi)力和安全系數(shù)分析，判定隧道支護(hù)的安全和穩(wěn)定，具體的跟蹤點(diǎn)位置為拱頂、拱腰、仰拱等，如圖11和表3—6所示。

由表3和表5，圖11(a)，(b)，(c)，(d)知:上下臺(tái)階開(kāi)挖、原初期支護(hù)安全系數(shù)均大于2.0，因此，原初期支護(hù)參數(shù)滿(mǎn)足隧道結(jié)構(gòu)受力安全要求。

由表4和圖11(g)，(h)可得:右洞原支護(hù)換拱后，右洞新初期支護(hù)的內(nèi)力減少，其新的支護(hù)安全系數(shù)均高于原初期支護(hù)安全系數(shù)，說(shuō)明換拱后對(duì)初期支護(hù)受力更有利。

圖10 換拱后塑性圖Fig.10 Plasticized zone after arch replacing

由表6和圖11(e)，(f)可知:右洞原支護(hù)換拱后，左洞初期支護(hù)內(nèi)力有所增加，但增幅不大;左洞初期支護(hù)安全系數(shù)略有降低，但其安全系數(shù)均大于2，滿(mǎn)足隧道結(jié)構(gòu)受力安全要求。

圖11 左右洞初期支護(hù)內(nèi)力圖Fig.11 Internal forces of support of left tube and right tube

表3 原右洞支護(hù)內(nèi)力Table 3 Internal forces of support of right tube before arch replacing

表4 換拱后右洞支護(hù)內(nèi)力Table 4 Internal forces of support of right tube after arch replacing

表5 原左洞支護(hù)內(nèi)力Table 5 Internal forces of support of left tube before arch replacing

表6 換拱后左洞支護(hù)內(nèi)力Table 6 Internal forces of support of left tube after arch replacing

5.4 明挖法數(shù)值模擬

5.4.1 計(jì)算斷面選取

選取Ⅴ級(jí)圍巖斷面進(jìn)行計(jì)算分析，取茜陽(yáng)隧道右洞樁號(hào)YK25+180斷面為計(jì)算斷面，隧道左洞埋深最深為26 m，右洞埋深最深為3.8 m。計(jì)算模型見(jiàn)圖12。

5.4.2 開(kāi)挖順序

開(kāi)挖右洞上臺(tái)階—右洞上臺(tái)階支護(hù)—開(kāi)挖右洞下臺(tái)階—右洞下臺(tái)階支護(hù)—開(kāi)挖左洞上臺(tái)階—左洞上臺(tái)階支護(hù)—右洞隧道開(kāi)挖為路基—開(kāi)挖左洞下臺(tái)階—左洞下臺(tái)階支護(hù)。

圖12 計(jì)算模型Fig.12 Calculation model

5.4.3 結(jié)果分析

5.4.3.1 塑性

路基方案圍塑性屈服區(qū)見(jiàn)圖13。

當(dāng)右洞開(kāi)挖為路基后，左洞周邊圍巖塑性屈服區(qū)范圍迅速擴(kuò)大，第1階路基邊坡坡腳發(fā)生塑性屈服區(qū)與左洞隧道周邊圍巖塑性區(qū)貫通，左洞右側(cè)塑性屈服區(qū)與第2和第3階路基坡面貫通。

圖13 路基方案圍塑性屈服區(qū)圖Fig.13 Plasticized yield zone in case the right tube is replaced by subgrade

當(dāng)左洞下臺(tái)階開(kāi)挖并支護(hù)完畢，路基邊坡處、左洞拱腰處及兩側(cè)拱腳處塑性屈服區(qū)范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，第1階路基基礎(chǔ)發(fā)生塑性屈服區(qū)深度擴(kuò)大為7 m，左洞左邊墻塑性區(qū)擴(kuò)展至10 m，故右洞隧道開(kāi)挖為路基對(duì)邊坡及左洞穩(wěn)定性極其不利。

5.4.3.2 初期支護(hù)內(nèi)力和安全系數(shù)

路基方案左洞支護(hù)內(nèi)力見(jiàn)表7和圖14，由圖14和表7知:已開(kāi)挖的右洞室變更為路基方案，左洞初期支護(hù)內(nèi)力劇增，原初期支護(hù)安全系數(shù)減少，拱腰和拱腳安全系數(shù)減少更為明顯，其值小于2，拱腳處安全系數(shù)小于1，不滿(mǎn)足隧道結(jié)構(gòu)受力安全要求，故路基方案不合理。

表7 路基方案左洞支護(hù)內(nèi)力Table 7 Internal force of support of left tube in case the right tube is replaced by subgrade

6 監(jiān)控量測(cè)分析

6.1 地表下沉

在地表沉降監(jiān)測(cè)過(guò)程中，茜陽(yáng)隧道地表沉降最大累計(jì)變化量出現(xiàn)在YK25+235斷面B測(cè)點(diǎn)，累計(jì)變化量為－271.2 mm，如圖15所示。2010年3月28日地表開(kāi)始迅速下沉，2010年4月10日經(jīng)過(guò)滿(mǎn)堂架臨時(shí)加固處理后，地表下沉基本趨于穩(wěn)定。

6.2 周邊收斂分析

在洞邊收斂及拱頂沉降監(jiān)測(cè)過(guò)程中，茜陽(yáng)隧道拱頂沉降及洞周收斂斷面最大日變化量出現(xiàn)在YK25+ 185斷面上2日H測(cè)線(xiàn)，日變化量為－1.0 mm;拱頂沉降及洞周收斂的最大累計(jì)變化量出現(xiàn)在YK25+185斷面的H測(cè)線(xiàn)，累計(jì)變化量為－202.2 mm，如圖16。2010年4月19日經(jīng)過(guò)滿(mǎn)堂架臨時(shí)加固處理后，拱頂沉降及洞周收斂趨于穩(wěn)定。

7 結(jié)論與討論

在施工前制定切實(shí)可行的施工方案是必要的，工程針對(duì)地質(zhì)和地形條件，制定了換拱方案和路基方案，通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)病害處理進(jìn)行比較。得出換拱方案可行、安全、可靠。同時(shí)從施工工序上引入一些新方法、新工藝，為今后類(lèi)似的公路隧道病害處理提供參考。

圖14 路基方案左洞支護(hù)內(nèi)力圖Fig.14 Internal force of support of left tube in case the right tube is replaced by subgrade

圖15 2010年YK25+235斷面地表下沉位移曲線(xiàn)圖Fig.15 Curves of ground surface settlement in 2010

圖16 2010年YK25+185斷面收斂位移曲線(xiàn)圖Fig.16 Curves of convergence in 2010

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