軟弱膨脹圍巖段隧道仰拱開裂成因分析及處治措施

李 勝 利

(中鐵十四局集團(tuán)第三工程有限公司，山東 濟(jì)南 250000)

1 工程概況

國(guó)家高速公路網(wǎng)昆明繞城高速公路東南段楊林隧道位于昆明市嵩明縣、宜良縣境內(nèi)。起點(diǎn)位于嵩明縣楊林鎮(zhèn)甸頭村，終點(diǎn)位于宜良縣北羊街，楊林隧道左線樁號(hào)為ZK13+250～ZK22+712全長(zhǎng)9 462 m；右線樁號(hào)K13+270～K22+680全長(zhǎng)9 410 m，為雙線分離式六車道隧道，進(jìn)口至出口方向一直為下坡施工，坡度為-1.98%。該隧道是云南省目前施工里程最長(zhǎng)的公路隧道，也是國(guó)內(nèi)在建最長(zhǎng)的三車道公路隧道。隧道區(qū)基本地震烈度為9度，隧道建設(shè)需克服巖溶地層、斷層破碎富水帶、瓦斯地層、軟弱破碎、膨脹性圍巖等不良地質(zhì)，極易發(fā)生不良地質(zhì)災(zāi)害，為全線的重難點(diǎn)工程和控制性工程。

2 地質(zhì)情況概述

楊林隧道進(jìn)口右線K14+700～K14+800段施工揭示，圍巖主要以強(qiáng)～全風(fēng)化頁(yè)巖、碳泥質(zhì)灰?guī)r、粉砂巖夾頁(yè)巖為主，同時(shí)有泥質(zhì)白云巖，泥質(zhì)砂巖、局部夾砂巖層等。灰色～灰黑色、灰白色巖層相互交錯(cuò)，從線路左側(cè)向右上方傾斜，傾角較小，單巖層厚度總體較薄，分布不均，且節(jié)理發(fā)育，破碎呈鑲嵌層狀碎裂結(jié)構(gòu)。頁(yè)巖和泥灰?guī)r層呈薄片狀、層間光滑，暴露后自行松散脫落、遇水軟化呈泥狀，且?guī)r層沿隧道縱向變化較快，有的巖層扭曲呈現(xiàn)褶皺形式，手捏即碎，部分手捏成團(tuán)，可塑性強(qiáng)。經(jīng)第三方試驗(yàn)檢測(cè)，巖體自由膨脹率為45%～68%，見圖1。

3 仰拱填充開裂情況

楊林隧道進(jìn)口右線K14+700～K14+800段設(shè)計(jì)襯砌類型SF5a1，仰拱為鋼筋混凝土，仰拱初期支護(hù)均采用與邊頂拱成環(huán)的工字鋼，施工中仰拱整體澆筑。仰拱施工典型設(shè)計(jì)參數(shù)如圖2所示。

從現(xiàn)場(chǎng)仰拱裂縫分析，具有以下特性：

1)仰拱裂縫位置多數(shù)分布在仰拱中間偏左或右側(cè)1 m，以及仰拱1/3位置，形狀不規(guī)則，裂縫寬度大小不一，基本處于0.5 cm～2 cm之間。

2)仰拱裂縫出現(xiàn)的情況有仰拱澆筑后幾天開裂，也有部分為二襯施工后開裂。

3)K14+700～K14+800段縱向范圍共有三條裂縫，三條裂縫中間有一定距離的間隔。裂縫上寬下窄，從上到下明顯減小，最長(zhǎng)一條縱向裂縫為11 m。

4)裂縫均位于圍巖軟弱破碎、膨脹性圍巖段落。

5)通過(guò)監(jiān)控量測(cè)得出，部分裂縫趨于穩(wěn)定，但部分裂縫有持續(xù)發(fā)展趨勢(shì)。

4 裂縫原因分析

根據(jù)設(shè)計(jì)資料及地質(zhì)調(diào)查，施工及監(jiān)控量測(cè)情況進(jìn)行分析，仰拱出現(xiàn)裂縫的原因主要有以下幾點(diǎn)：

1)圍巖應(yīng)力。

裂縫位于Ⅴ級(jí)圍巖段，在山體應(yīng)力及重力作用下導(dǎo)致兩側(cè)邊墻、拱腳混凝土向洞軸線擠壓，造成仰拱混凝土向上擠壓變形開裂。

2)地下水作用。

出現(xiàn)裂縫段圍巖裂隙水發(fā)育，由于反坡施工，仰拱內(nèi)積水不能全部排出，積水存在仰拱底部，導(dǎo)致碳泥質(zhì)灰?guī)r、粉砂巖、頁(yè)巖等軟化、泥化。嚴(yán)重削弱仰拱地基承載力，隧道整體結(jié)構(gòu)下沉，致使長(zhǎng)段落的仰拱變形開裂。

3)仰拱底部虛渣。

仰拱底部的虛渣清理不徹底，造成仰拱底部地基承載力下降。

4)設(shè)計(jì)問(wèn)題。

隧道跨度大，邊墻拱腳鋼拱架形成圓弧效果差，不能有效將圍巖壓力傳遞到仰拱底部。同時(shí)仰拱整體偏于平緩，中間仰拱底部設(shè)計(jì)開挖深度不足。通過(guò)仰拱下圍巖取芯情況看，底部圍巖軟硬不均且交錯(cuò)出現(xiàn)，泥巖和頁(yè)巖層泥化嚴(yán)重，取芯呈泥漿狀，手搓有較大粘性。

5 裂縫處治措施

在仰拱裂縫段橫向布設(shè)5個(gè)監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)，分別為中間一個(gè)點(diǎn)、左、右1/3以及水溝內(nèi)邊緣位置各兩個(gè)點(diǎn)。通過(guò)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)裂縫寬度、是否穩(wěn)定制定不同的處治措施。

5.1 較小且穩(wěn)定裂縫

由于裂縫穩(wěn)定，沒(méi)有持續(xù)發(fā)展且裂縫寬度較小的，清理干凈后進(jìn)行灌漿處理，不做其他措施處理。

5.2 不穩(wěn)定持續(xù)發(fā)展裂縫

對(duì)于不穩(wěn)定裂縫，無(wú)論縫寬大小均進(jìn)行如下處治：

1)沿仰拱橫斷面打設(shè)5根φ76注漿鋼管，橫向間距2 m/根，深度4.5 m/根，隧道縱向每排鋼管間距5 m。

2)采用低速低壓注漿，漿液采用P.O42.5純水泥漿，漿液水灰比為0.6∶1，注漿壓力為0.1 MPa～0.2 MPa。

3)混凝土面層澆筑時(shí)調(diào)整為鋼筋混凝土面板，鋼筋采用縱、橫向間距為25 cm的φ16鋼筋網(wǎng)。

針對(duì)以上情況，為避免仰拱裂縫向上返水影響路面質(zhì)量，在仰拱開裂段設(shè)置路面排水碎石盲溝，盲溝緊貼仰拱填充面設(shè)置，縱橫向坡度與隧道縱橫坡度一致，見圖3。

碎石由巖石或礫石軋制而成，應(yīng)潔凈、干燥，并具有足夠的強(qiáng)度和耐磨性，其顆粒形狀應(yīng)具有棱角，不得摻有軟質(zhì)和其他雜質(zhì)，粒徑宜為19 mm～63 mm，含泥量應(yīng)小于10%。

6 仰拱施工改進(jìn)措施

針對(duì)圍巖軟弱膨脹段仰拱開裂施工情況，在仰拱施工中可采取以下措施，保證施工質(zhì)量。

1)邊墻底部拱腳改為斜邊墻，并調(diào)整為條形擴(kuò)大基礎(chǔ)，增強(qiáng)圍巖壓力傳遞的有效性。

2)增大仰拱弧度，中間開挖深度加大，確?；壮休d力滿足要求。

3)在反坡施工中，嚴(yán)禁水溝內(nèi)的水流入仰拱，防止仰拱底部有積水。

4)仰拱澆筑之前必須將底部虛渣清理干凈，避免影響基底承載力。

5)嚴(yán)格控制仰拱及仰拱填充施工質(zhì)量，振搗密實(shí)，仰拱與仰拱填充應(yīng)錯(cuò)臺(tái)澆筑。

7 結(jié)語(yǔ)

楊林隧道圍巖軟弱膨脹段仰拱開裂處治施工效果十分理想，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況，得到一些認(rèn)識(shí)，以供參考。

1)楊林隧道為大跨度三車道公路隧道，巖體破碎軟弱，圍巖具有膨脹性，圍巖壓力大。

2)圍巖垂直應(yīng)力大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，應(yīng)力無(wú)法有效傳遞到仰拱底部。

3)通過(guò)開裂段處治，對(duì)仰拱及仰拱填充施工有了充分認(rèn)識(shí)，并可通過(guò)邊墻底部調(diào)整為條形擴(kuò)大基礎(chǔ)、增加仰拱弧度及控制施工質(zhì)量等措施有效控制仰拱開裂。