向蒲鐵路雪峰山隧道基礎(chǔ)沉降及底鼓處治技術(shù)

汪旵生

(中鐵十八局集團(tuán)有限公司，天津 300222)

向蒲鐵路雪峰山隧道基礎(chǔ)沉降及底鼓處治技術(shù)

汪旵生

(中鐵十八局集團(tuán)有限公司，天津 300222)

雪峰山隧道施工中進(jìn)口軟巖地段基礎(chǔ)出現(xiàn)不均勻沉降與底鼓，其主要原因是基底軟弱圍巖發(fā)生塑性變形及水壓力的作用。為控制隧道基礎(chǔ)不均勻沉降，采取的處治措施為:地表截排水;對(duì)已施工完的仰拱，采用長(zhǎng)10 m的微型樁+基底注漿進(jìn)行隧底加固，并對(duì)仰拱底板增配鋼筋;對(duì)于未施作仰拱地段，采用長(zhǎng)5 m小導(dǎo)管注漿加固基底。采取整治措施后基礎(chǔ)沉降穩(wěn)定，滿足無砟軌道施工條件。

隧道 沉降 底鼓 水壓力 整治措施 微型樁

隧道基礎(chǔ)的開裂、沉降和隆起等影響結(jié)構(gòu)本身及運(yùn)營(yíng)安全，特別是無砟軌道，基礎(chǔ)平順度對(duì)運(yùn)營(yíng)安全至關(guān)重要，而基礎(chǔ)的病害原因及整治也是隧道工程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題。師亞龍等［1］根據(jù)產(chǎn)生底鼓的因素，提出軟巖隧道底鼓量計(jì)算方法。鐘祖良等［2］對(duì)隧道底鼓的發(fā)生機(jī)理及主要影響因素進(jìn)行分析，并運(yùn)用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)原理對(duì)底鼓量的計(jì)算理論進(jìn)行了推導(dǎo)。陳鴻等［3］分析了錨桿及纖維混凝土在膨脹土中的作用。楊偉等［4］對(duì)公路隧道仰拱裂縫的處治進(jìn)行了詳細(xì)探討。胡蓉［5］對(duì)隧道底鼓震害及其防治措施進(jìn)行了研究。由于隧道工程的特殊性，隧道基礎(chǔ)的病害成因及處治措施也存在很大差異，需結(jié)合具體工程展開分析。

本文針對(duì)向莆鐵路雪峰山隧道進(jìn)口段的基礎(chǔ)沉降及底鼓開裂的特殊情況，在分析病害成因的基礎(chǔ)上，對(duì)整治措施進(jìn)行探討，為類似工程提供參考。

1 工程概況

向莆鐵路雪峰山隧道地處福建省西北部，穿越雪峰山主峰，單線雙洞，設(shè)計(jì)時(shí)速為200 km。左線全長(zhǎng)17 842 m，右線全長(zhǎng)17 836 m。隧道最大埋深1 000 m。左線設(shè)置一平行導(dǎo)坑，進(jìn)口段為小間距段(里程DK300+896—DK302+082)，平行導(dǎo)坑與左線中線間距為25 m，凈距為16.4 m。左右線中線間距為12.94～40.00 m，凈距為2.94～30.00 m。隧道平面如圖1所示。

雪峰山地質(zhì)復(fù)雜，隧道穿越40條斷層，進(jìn)口段具有不良地質(zhì)與特殊巖土地質(zhì)特征。小間距段覆蓋層為粉質(zhì)黏土，厚3～6 m，硬塑，遇水軟化。隧道周邊包圍石英片巖夾變粒巖，變粒結(jié)構(gòu)，條帶狀構(gòu)造，全風(fēng)化，砂黏土狀，黏土飽和含水，可塑性強(qiáng)，遇水成泥，厚度＞20 m，為隧道穿越的主要地層。下臥層未進(jìn)入弱風(fēng)化層。

圖1 雪峰山隧道平面示意(單位:m)

2 隧道變形情況

2.1 初支變形

施工過程中曾發(fā)生初支累計(jì)變形超過60 cm的情況，導(dǎo)致初支拱架大面積變形，拱架折斷，扭曲。由于初支變形持續(xù)2～5 mm/d，且遇降水期，變形迅速增加。原鐵道部相關(guān)專家在施工期間多次到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行處治方案會(huì)商，對(duì)開挖和支護(hù)方案進(jìn)行了多次優(yōu)化，克服了粉質(zhì)砂黏土高壓縮性、低強(qiáng)度、易變形的工程特點(diǎn)，避免了施工期塌方和更大的破壞。

2.2 線下基礎(chǔ)沉降與底鼓

襯砌施工完成后，對(duì)線下基礎(chǔ)沉降進(jìn)行了持續(xù)觀測(cè)，數(shù)據(jù)顯示在其后4個(gè)月基礎(chǔ)沉降逐步趨于穩(wěn)定。2011年9月后，雨水豐沛，9—10月發(fā)現(xiàn)觀測(cè)斷面的數(shù)據(jù)反向增長(zhǎng)。復(fù)核監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，DK300+900—DK301+250測(cè)量數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，底板有隆起趨勢(shì)，且連續(xù)1個(gè)月累計(jì)超過1 cm，同時(shí)發(fā)現(xiàn)二襯混凝土出現(xiàn)不均勻沉降裂縫。

襯砌施工完成后7—9月基礎(chǔ)總沉降分別為11，8，－3，－6 mm。2011年10月第1—4周的總沉降量分別為3，－5，2，－6 mm。這說明雪峰山進(jìn)口288 mⅤ級(jí)圍巖大變形段受到雨水影響，底板發(fā)生了明顯的隆起現(xiàn)象?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，在仰拱填充結(jié)構(gòu)部位，裂縫上寬下窄，呈“V”字形，局部裂縫斜向發(fā)展。多數(shù)裂縫均未到底，左線仰拱填充結(jié)構(gòu)裂縫最深約82 cm，右線最深約129 cm。隧道基礎(chǔ)的不均勻沉降及局部隆起無法滿足無砟軌道施工要求。

3 基底病害分析

隧道產(chǎn)生底鼓現(xiàn)象的原因之一是隧道底板巖層在圍巖作用下產(chǎn)生塑性變形［6］。如把隧道兩側(cè)圍巖對(duì)邊墻下部底板的壓力簡(jiǎn)化為條形荷載，則隧道底板相當(dāng)于承受條形荷載的地基。當(dāng)隧道底板巖體應(yīng)力狀態(tài)達(dá)到或超過巖體屈服條件時(shí)，底板巖體進(jìn)入塑性流動(dòng)狀態(tài)，底板滑移線場(chǎng)如圖2所示。由圖可知 ABC和DEF區(qū)為主動(dòng)滑移區(qū)，BCG和DFG區(qū)為過渡區(qū)、BDG區(qū)為被動(dòng)滑移區(qū)。在兩側(cè)圍巖垂直方向壓力作用下，隧道基底進(jìn)入塑性變形，出現(xiàn)沿滑移線(圖中 α和 β線所示)向上運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，導(dǎo)致隧道底鼓。

圖2 底板滑移線場(chǎng)

隧道產(chǎn)生沉降與底鼓的另一個(gè)原因是基底水壓力的作用。進(jìn)口段大量匯水，而水流出口只有隧道前方路基的邊溝，排水距離超過1 km。在隧道邊墻與拱部設(shè)置有排水系統(tǒng)，而底部不設(shè)地下水排導(dǎo)系統(tǒng)，導(dǎo)致地下水不能沿著仰拱與圍巖界面有效排出。同時(shí)由于襯砌混凝土等級(jí)較高，抗?jié)B性能較好，使地下水難以由仰拱及填充結(jié)構(gòu)滲入隧道內(nèi)。當(dāng)隧道施工完成后，隨著圍巖滲流場(chǎng)趨于穩(wěn)定，作用在仰拱上的水壓力也會(huì)逐漸增大并趨于穩(wěn)定，導(dǎo)致基底底鼓。對(duì)基底的水壓力進(jìn)行分析［7］，得到水壓力分布，如圖3所示。同時(shí)由于隧道圍巖及下臥巖層長(zhǎng)期浸潤(rùn)，基底局部圍巖軟化，導(dǎo)致隧道襯砌發(fā)生不均勻沉降。

圖3 作用在襯砌上的水壓力分布(單位:kPa)

4 處治措施

4.1 主要處治措施

1)地表。及時(shí)修建地表截排水溝，減小地表水對(duì)洞頂圍巖的影響。

2)基底。對(duì)變形、開裂段采用微型樁和剛性袖閥管注漿加固處理基底。

3)仰拱。對(duì)開裂嚴(yán)重地段鑿除填充層重新施作;對(duì)裂縫較小地段注漿加固;底板30 cm厚混凝土結(jié)構(gòu)改為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，并與仰拱鋼筋連接成疊合結(jié)構(gòu)，底板縱向鋼筋應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)。

4)二襯。對(duì)二襯開裂嚴(yán)重地段以及侵入設(shè)計(jì)斷面較大地段進(jìn)行拆換處理，其他開裂較小地段用壓漿(環(huán)氧樹脂)補(bǔ)強(qiáng)的方式處理。

4.2 已施工仰拱地段的處治措施

對(duì)于已施工仰拱地段，在仰拱左右墻腳各設(shè)置兩排微型樁［8］，縱向間距1.0 m，兩排樁錯(cuò)開0.5 m;中部設(shè)置3排微型樁，縱向間距1.5 m，樁徑127 mm，深度10 m，樁內(nèi)設(shè)置3根φ25鋼筋束，樁身混凝土強(qiáng)度采用C30。仰拱地段設(shè)置φ89、深3 m的注漿孔注漿加固基底，孔口管采用1 m長(zhǎng)φ76×6鋼花管，間距1.5 m(橫向)×1.5 m(縱向)。已施工仰拱段基底加固見圖4。

圖4 已施工仰拱段基底加固示意

底板配筋:底板采用單層鋼筋網(wǎng)，環(huán)向?yàn)?φ32鋼筋，間距200 mm;縱向?yàn)棣?5鋼筋，間距200 mm。植筋采用φ25@400 mm×400 mm，呈梅花形布置，植筋外側(cè)應(yīng)設(shè)置彎鉤。已施工仰拱底板配筋圖如圖5所示。

圖5 已施工仰拱底板配筋示意

4.3 未施工仰拱地段的施工方案

尚未施工仰拱地段，基底采用 φ50×5小導(dǎo)管注漿加固，間距1.0 m(環(huán)向)×1.0 m(縱向)，呈梅花形布置，加固深度5 m。未施工仰拱段基底加固如圖6所示。

圖6 未施工仰拱段基底加固示意

5 處治效果

2012年3月初，雪峰山隧道進(jìn)口變形段微型樁施工結(jié)束。沉降觀測(cè)結(jié)果表明3月總沉降量為1.5 mm，4月和5月沒有產(chǎn)生新沉降，滿足無砟軌道施工條件。

6 結(jié)語

雪峰山隧道進(jìn)口段基礎(chǔ)出現(xiàn)沉降及隆起的原因是在兩側(cè)圍巖垂直方向壓力作用下，隧道基底發(fā)生塑性變形并沿滑移線向上滑動(dòng)。此外，隧道基底未設(shè)置排水系統(tǒng)，底部水壓力導(dǎo)致基底隆起開裂，局部出現(xiàn)沉降。

處治措施主要為:地表截排水，對(duì)于已施工完仰拱地段，采用10 m深微型樁結(jié)合注漿加固，并對(duì)仰拱底板配置鋼筋;對(duì)于未施作仰拱地段，采用5 m長(zhǎng)小導(dǎo)管注漿加固。

處治后隧道進(jìn)口段基礎(chǔ)穩(wěn)定，未出現(xiàn)沉降變化，說明整治措施得當(dāng)，可供同類工程參考。

［1］師亞龍，陳禮偉，裴濤濤，等．軟巖隧道底鼓機(jī)理及底鼓量計(jì)算方法［J］．鐵道建筑，2014(5):54-56．

［2］鐘祖良，劉新榮，王道良，等．桃樹埡隧道底鼓發(fā)生機(jī)理與防治技術(shù)研究［J］．巖土工程學(xué)報(bào)，2012，34(3):471-476．

［3］陳鴻，汪大新．膨脹土隧道仰拱施工技術(shù)［J］．隧道建設(shè)，2010，30(5):582-585．

［4］楊偉，王國(guó)良．公路隧道仰拱裂縫處理技術(shù)探討［J］．公路交通科技，2014，10(5):118-122．

［5］胡蓉．隧道底鼓震害及其防治措施研究［D］．重慶:重慶交通大學(xué)，2013．

［6］賀建清，李和志，趙永清，等．底鼓隧道的底板支護(hù)錨桿長(zhǎng)度確定方法［J］．自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2012，21(6):214-220．

［7］崔連友，吳劍，鄭波．雪峰山隧道進(jìn)口段仰拱填充結(jié)構(gòu)開裂原因探討［J］．地下空間與工程學(xué)報(bào)，2015，11(1):48-55．

［8］汪旵生．微型樁整治隧底填充結(jié)構(gòu)裂損病害的原理及效果分析［J］．科學(xué)技術(shù)與工程，2013，13(20):5861-5866．

(責(zé)任審編 李付軍)

U455．4

:ADOI:10．3969/j．issn．1003-1995．2015．08．16

2015-03-11;

:2015-04-20

汪旵生(1970— )，男，安徽懷寧人，高級(jí)工程師。

1003-1995(2015)08-0055-03