玄真觀隧道結(jié)構(gòu)開裂原因分析

趙建軍（蘭渝鐵路有限責任公司，甘肅蘭州730000）

?

玄真觀隧道結(jié)構(gòu)開裂原因分析

趙建軍
（蘭渝鐵路有限責任公司，甘肅蘭州730000）

摘要：蘭渝鐵路玄真觀隧道DK623+180～DK623+808段開挖后陸續(xù)發(fā)生圍巖縱向開裂、支護變形、已施工的二次襯砌開裂、仰拱填充隆起等病害。通過補充勘探、地應(yīng)力測試，發(fā)現(xiàn)玄真觀隧道地應(yīng)力存在局部集中現(xiàn)象，主應(yīng)力方向變化較大；又采用計算模型進行了模擬分析，表明高地應(yīng)是造成病害的原因。

關(guān)鍵詞：隧道圍巖；襯砌開裂；仰拱隆起；初支變形；地應(yīng)力；計算模型；整治

1　工程概況

玄真觀隧道位于四川廣元境內(nèi)，屬構(gòu)造侵蝕低山區(qū)，單面山迭嶺地貌。進口里程為DK623+672，出口里程為DK631+119，全長7447m。隧道穿越區(qū)下伏基巖為白堊系下統(tǒng)劍閣組、劍門關(guān)組K1j泥巖夾砂巖，以泥巖為主，泥巖厚度遠大于砂巖。巖層以中厚層狀為主。巖層產(chǎn)狀平緩，巖層傾角2°～4°。地下水不發(fā)育。隧道于DK627+220穿越梓潼向斜核部，向斜走向N20°W，與線路夾角約20°，為寬緩向斜，向斜核部寬2～3km；北東翼巖層產(chǎn)狀N15°～80°E/2～7°S，南西翼產(chǎn)狀近E-W/2°～8°N，未見斷層構(gòu)造。

根據(jù)中國地震局地殼應(yīng)力研究所在附近埋深大于400m的梅嶺關(guān)隧道洞身段（DK609+160）實測地應(yīng)力結(jié)果為：SH =15.23MPa，Sh =9.87MPa，Sv = 10.26MPa；最大水平主應(yīng)力方向為N25°W～N33°W，平均約N30°W；本段隧道軸線走向約為N10°W；最大主應(yīng)力方向與隧道軸線呈小角度斜交，對隧道穩(wěn)定性影響不大。同時，在其《蘭渝線鐵路隧道地應(yīng)力測量分析報告》中（中國地震局地殼應(yīng)力研究所2008年11月），給出該地區(qū)主應(yīng)力隨深度變化的線性回歸方程（深度域：200～400m）：SH =-5.77+ 0.053D（D為鉆孔深度，單位為m；主應(yīng)力單位為MPa）。玄真觀隧道與梅嶺關(guān)隧道處于相同的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境，DK626+180～DK627+808段埋深一般位于260m左右，據(jù)此分析其與隧道呈小角度斜交（20～300），對隧道穩(wěn)定性影響不大。全隧以III級圍巖為主，各級圍巖長度：V級圍巖137m、IV級圍巖920m、III級圍巖6390m?？傮w來講，工程地質(zhì)條件較好。

2　現(xiàn)場施工及病害情況

2011年12月底，玄真觀隧道斜井工區(qū)掌子面開挖至為DK626+846、下臺階里程施工至DK626+ 814、仰拱施工至為DK626+808、二襯施工至DK626+795，當時因多種原因停工，停工至2012年后發(fā)現(xiàn)上臺階底部圍巖縱向開裂、支護變形、已施工的二次襯砌開裂、仰拱填充向上隆起。

2012年3月發(fā)現(xiàn)DK626+808～+846段上臺階面底板圍巖縱向開裂、掌子面圍巖開裂。2012年12月發(fā)現(xiàn)掌子面（DK626+846）一殘留超前鉆孔橫斷面變?yōu)闄E圓形，其短軸垂直隧道中心線、長軸垂直隧道底填充面。DK626+795～DK626+846段初期支護噴射混凝土開裂，開裂位置在隧道中心線右側(cè)2～5m處，裂縫沿縱向貫通，裂縫寬度10～30mm，裂縫周圍混凝土成塊狀剝落，大部分格柵鋼架鋼筋在裂縫位置扭曲。2012年3～5月期間，發(fā)現(xiàn)DK626+ 400～DK626+795段二襯混凝土有縱斜向開裂、拱頂剝落掉塊現(xiàn)象。

2011年9月發(fā)現(xiàn)DK626+400～+440段隧道仰拱填充砼頂面向上隆起，并逐漸向大里程方向延伸，2012年1月調(diào)查發(fā)現(xiàn)仰拱填充向上隆起開裂由DK626+440延伸至DK626+584，2012年3月發(fā)現(xiàn)仰拱填充開裂并向上隆起已由DK626+604發(fā)展到DK626+690，仰拱向上隆起最嚴重，中心水溝側(cè)墻處仰拱填充頂面最大隆起高度達72cm。

2012年12月初在對該段進行補勘時，對該段斷面進行掃描，測量結(jié)果顯示DK626+180～+400段仰拱填充也隆起，隆起高度1～42cm，暫未發(fā)現(xiàn)襯砌開裂。如圖1～2所示。

圖1　上臺階底部圍巖開裂照片

3　補勘情況

現(xiàn)場地質(zhì)補勘工作主要以地質(zhì)鉆探為主，與室內(nèi)外試驗相結(jié)合的方法。DK626+400～+846段補充鉆探18孔，進尺160.4m；取擾動土1組、巖樣21組，砼樣16組。DK626+180～+400段補充鉆探6孔，進尺49.0m；取巖樣5組，砼樣6組。

該段進行了地應(yīng)力測試。分別測試了DK626+ 510邊墻內(nèi)5m處、邊墻外14.5m處及DK626+840邊墻外14.5m處的地應(yīng)力，對DK626+180～+400僅仰拱填充隆起段，也布置了鉆孔進行地應(yīng)力測試。從測出的膨脹力（“楔裂擴張力”）來看，8組巖樣“楔裂擴張力”（膨脹力）平均43.6kPa，圍巖整體上看不是膨脹巖。

泥巖樣11組、砂巖樣4組進行巖芯試驗，基本與原設(shè)計一致?；炷翉姸仍囼炛袃H個別芯樣強度及平均強度低于設(shè)計值（因?qū)儆诮Y(jié)構(gòu)破壞后強度試驗，故該結(jié)果不作為參考）。

總體上施工及補勘揭示地質(zhì)情況與施工圖設(shè)計基本一致。

圖2　襯砌開裂掉塊照片

4　地應(yīng)力測試分析

4.1地應(yīng)力測試結(jié)果

結(jié)合該隧道DK626+808～+846段上臺階面底部圍巖發(fā)生縱向開裂和掌子面（DK626+846）一殘留超前鉆孔變形特征，分析考慮可能存在局部地應(yīng)力集中情況。因此，有必要進行地應(yīng)力測試。

故分別在DK626+510、DK626+840邊墻布置測點，經(jīng)過一個月的工作，采用國內(nèi)外公認精度較高的應(yīng)力解除法進行測試，使用澳大利亞的空心包體應(yīng)力傳感計，獲得了三個測點的地應(yīng)力測試數(shù)據(jù)。

1）S01地應(yīng)力測點。測點里程樁號DK626+510，測試深度為邊墻外5m處，鉆孔方位角為85°，地應(yīng)力測試計算成果見表1。

表1　S01測點地應(yīng)力測試成果表

2）S02地應(yīng)力測點。該測點里程樁號DK626+ 510，測試深度為邊墻內(nèi)約14.5m處，鉆孔方位角為85°，其地應(yīng)力測試計算成果見表2。

3）S03地應(yīng)力測點。

該點測試里程樁號DK626+840，測試深度為邊墻內(nèi)約14.5m處，鉆孔方位角為85°，地應(yīng)力測試計算成果見表3。

表3　S03測點地應(yīng)力測試成果

S02、S03地應(yīng)力測點測試深度為邊墻外約14.5m處，測試結(jié)果代表圍巖原始地應(yīng)力；S01地應(yīng)力測點測試深度為邊墻外5m處，測試結(jié)果為圍巖部分地應(yīng)力釋放后二次地應(yīng)力。

4.2地應(yīng)力測試結(jié)果與原設(shè)計分析對比

原設(shè)計根據(jù)中國地震局地殼應(yīng)力研究所在臨近的埋深大于400m的梅嶺關(guān)隧道地應(yīng)力測試結(jié)果，推測本段最大主應(yīng)力約為8.01MPa，最大主應(yīng)力方向與隧道軸線小角度斜交（10°～20°）。

本次實測最大主應(yīng)力14.8～18.9MPa，地應(yīng)力值偏高（一般認為最大主應(yīng)力達到20～30MPa時，巖體處在高地應(yīng)力狀態(tài)），但從巖石單軸抗壓強度和最大主應(yīng)力的比值為1.5～3，巖體處在極高地應(yīng)力狀態(tài)；最大主應(yīng)力方向與隧道軸線夾角40°～90°，其傾角為仰角，對隧道工程不利，特別是對隧底不利；無論主應(yīng)力值，還是主應(yīng)力方向均在不同位置變化較大。

綜上所述，實測地應(yīng)力絕對值大于根據(jù)梅嶺關(guān)隧道主應(yīng)力隨深度變化的線性回歸方程計算埋深約260m處的地應(yīng)力值；玄真觀隧道主應(yīng)力方向與梅嶺關(guān)隧道比較變化較大，說明玄真觀隧道地應(yīng)力存在局部集中現(xiàn)象，主應(yīng)力方向變化較大，具有特殊性。

5　地應(yīng)力對隧道的影響計算分析

5.1計算模型

計算采用FLAC3D有限差分軟件，模擬地應(yīng)力對隧道結(jié)構(gòu)的影響。

圍巖本構(gòu)模型采用采用摩爾-庫倫準則、隧道開挖采用零本構(gòu)模型。

模型尺寸為：100m×80m×50m（寬×高×厚）。模型由21050個實體單元組成。隧道開挖三維數(shù)值模型如圖3所示。

圖3　三維數(shù)值模擬模型圖

模型四周及上、下邊界均為位移約束邊界，施加測試得到地應(yīng)力場。采用三向應(yīng)力狀態(tài)圖解法對測試得到的地應(yīng)力進行分解得到正交與隧道軸線，平行于隧道軸線6個面的正應(yīng)力和剪應(yīng)力。如圖4所示。

圖4　正交與隧道軸線圖

5.2計算參數(shù)

計算分析主要采用的DK626+510的地應(yīng)力測試數(shù)據(jù)，見表4。

表4　地應(yīng)力參數(shù)表

分解得到結(jié)果如下sxx=-8.8（Mpa）；syy=-11.23 （Mpa）；szz=-11.57（Mpa）；sxy=2.19e6（Mpa）；sxz=-1.09e6（Mpa）；syz=-1.02e6（Mpa）

模型圍巖力學參數(shù)見表5。

表5　圍巖力學參數(shù)表

隧道初期支護、二次襯砌均采用實體單元模擬，圍巖力學參數(shù)見表6。

表6　初支二襯力學參數(shù)表

5.3位移分析

隧道開挖后，豎向沉降云圖如圖所示。由圖可知，圍巖結(jié)構(gòu)變形較大，開挖后，洞周圍巖拱頂下沉最大值為24cm，仰拱隆起最大值為39.7cm。位移分析與現(xiàn)場變形趨勢一致，拱頂下沉、仰拱上隆。

5.4塑性區(qū)

隧道開挖后塑性如下圖所示，由圖可知圍巖塑性區(qū)在拱部及邊墻為2～3m在仰拱達到3～4m如圖5～6所示。

圖5　豎向沉降云圖

圖6　塑性區(qū)圖

5.5開挖施作襯砌后地應(yīng)力場

橫向二次應(yīng)力Sxx在隧道頂部和仰拱部位出現(xiàn)應(yīng)力集中，最大達到-48MPa，豎向二次應(yīng)力Syy在隧道邊墻出現(xiàn)應(yīng)力集中，最大值為-46.3MPa，主應(yīng)力表現(xiàn)為沿洞周的切向應(yīng)力，均為壓應(yīng)力，其值較大，造成巖體剪切破壞。在襯砌邊墻外5m處，Sxx= 9.5MPa,Syy=7.4Mpa,與實測Sxx=8.8MPa,Syy=6.7MPa較為接近，如圖7～9所示。

圖7　二次應(yīng)力場Syy應(yīng)力云圖

圖8　水平二次應(yīng)力Sxx云圖

圖9　二次應(yīng)力場主應(yīng)力矢量圖

5.6襯砌受力

隧道二襯結(jié)構(gòu)拱部受力如圖10～13所示。

圖10　拱部橫向Sxx應(yīng)力圖

圖11　拱部豎向Syy應(yīng)力圖

圖12　仰拱橫向Sxx應(yīng)力圖

圖13　仰拱豎向Sxx應(yīng)力圖

結(jié)合單元切向角度，典型單元受力見表7。

表7　典型單元受力表

由上表結(jié)合襯砌受力圖可知，襯砌拱部和仰拱均為外側(cè)受壓，內(nèi)側(cè)受拉，左右邊墻外側(cè)受拉，內(nèi)側(cè)受壓，最大壓應(yīng)力發(fā)生在右邊墻角為25.4MPa，接近C35砼極限抗壓強度。最大拉應(yīng)力發(fā)生在仰拱中部，為4.53MPa，拱部內(nèi)側(cè)拉應(yīng)力為3.15MPa，均超過C35砼極限抗拉強度，造成拱部仰拱襯砌張裂破壞。整個結(jié)構(gòu)受力較大，仰拱大部分區(qū)域受拉，受力最為不利。因此造成現(xiàn)場多處出現(xiàn)襯砌開裂現(xiàn)象。

6　變更設(shè)計原因

根據(jù)地應(yīng)力測試結(jié)果，最大主應(yīng)力為14.8～18.9MPa，方位角為81°～199°，最大主應(yīng)力與水平面夾角（仰角）為13°～26°，與隧道軸線夾角40°～90°，從地應(yīng)力絕對值看，地應(yīng)力偏高，相對于巖石單軸抗壓強度巖體處在極高地應(yīng)力狀態(tài)。局部地應(yīng)力集中主要與構(gòu)造、微地貌、巖層等有關(guān)，其大小、方向在不同位置變化較大。本段隧道位于中低山向低山過渡段，西北面60km左右為龍門山斷裂，東北面約150km為大巴山斷裂，受構(gòu)造影響相對強烈（見區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造圖）；同時隧道于DK627+220穿越梓潼向斜核部，向斜軸線走向N20°W，與線路夾角約20°，向斜軸線走向從交匯點沿小里程方向逐漸偏離隧道且轉(zhuǎn)為NWW向或近EW向，DK626+180～+846段位于向斜軸線東側(cè)，地表為一山脊，而該段向斜軸線西側(cè)地表為一斜坡，所以該段出現(xiàn)局部地應(yīng)力集中，其最大主應(yīng)力方向?qū)λ淼啦焕?，特別是對隧底不利。

本段巖性為泥巖、砂質(zhì)泥巖夾砂巖，泥巖屬較軟巖(既不特別硬),砂巖屬硬巖(也不特別軟),地層結(jié)構(gòu)軟硬相間；最大主應(yīng)力與隧道中線大角度相交,且與水平面有夾角（仰角），對于呈近水平產(chǎn)出的隧道圍巖的穩(wěn)定性構(gòu)成較大的威脅；隧道開挖后，隧道周邊地應(yīng)力重新分布的過程較為緩慢，二次應(yīng)力的量值隨時間的延續(xù)而不斷增大，在初期階段圍巖與應(yīng)力處于暫時的平衡狀態(tài)，監(jiān)控量測數(shù)據(jù)顯示支護穩(wěn)定證明了這一點；地應(yīng)力對近水平巖層產(chǎn)生擠壓，巖層通過變形積聚應(yīng)力，同時使拱部巖層出現(xiàn)向下、底部巖層出現(xiàn)向上彎曲的趨勢；隨二次應(yīng)力量值的不斷增大，或因巖體風化強度減小，當量值超過巖體極限強度時應(yīng)力突然短時間釋放，出現(xiàn)張拉破壞、張剪破壞（如下示意圖）。從隧道施工至發(fā)現(xiàn)變形開裂的時間相對較長，一般在3個月以上，說明隧道開挖后，圍巖二次應(yīng)力調(diào)整需要一定時間才能完成，這使得隧道變形和開裂具有明顯的滯后，增加了及時認識這種病害的難度，因而這種病害具有很強的特殊性。

7　結(jié)論

根據(jù)補勘及地應(yīng)力計算結(jié)果，該隧道在開挖及襯砌后發(fā)生的開裂變形是地應(yīng)力引起的，且隨著時間的推移變形更加明顯。另一方面，高地應(yīng)力狀態(tài)下隧道圍巖結(jié)構(gòu)變形的時間特性，對我們鐵路設(shè)計、施工提出了新的要求。為了控制變形，應(yīng)根據(jù)圍巖地質(zhì)情況考慮提前進行應(yīng)力釋放，以減少地應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的破壞；同時，應(yīng)考慮利用監(jiān)控量測數(shù)據(jù)監(jiān)控變形情況，合理確定襯砌施作時機和施作參數(shù)，以控制病害發(fā)生，節(jié)約工程投資。

參考文獻：

[1]朱永全，李文江.烏鞘嶺隧道嶺脊地段復雜應(yīng)力條件下的變形控制技術(shù)研究（大變形機理及位移管理基準成果報告）[R].石家莊：石家莊鐵道學院，2004.

[2]姜云，李永林，李天斌，等.隧道工程圍巖大變形類型與機制研究[J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護，2004（4）：46-51.

[3]劉高，張帆宇，李新召，等.木寨嶺隧道大變形特征及機理分析[J].巖土力學與工程學報，2005，24（2）：5521-5526.

[4]王毅東.木寨嶺高地應(yīng)力大變形施工技術(shù)[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2004，41（Z3）：246-249.

[5]張祉道.關(guān)于擠壓圍巖隧道大變形的探討與研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2003，40（2）：5-12，40.

[6]孫明磊，李文江，賈曉云.高地應(yīng)力條件下軟巖大變形隧道極限位移計算模擬[J].石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學院學報，2006（1）：6-11.

[7]王明勝.高地應(yīng)力大變形隧道臺階法開挖過程中圍巖變形分析[J].隧道建設(shè)，2009，29（增2）：24-28.

[8]蘇國韶，馮夏庭，江權(quán)，等.高地應(yīng)力下地下工程穩(wěn)定性分析與優(yōu)化的局部能量釋放率新指標研究[J].巖土力學與工程學報，2006，25（12）：2543-2460.

中圖分類號：U25