西南地區(qū)某隧道底鼓病害原因分析

王茂靖 吳俊猛

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

1 工程及病害概況

西南山區(qū)某隧道全長 7 858 m，除出口段17.81 m位于的曲線(半徑 8 000 m)外，其余均位于直線上。隧道范圍內(nèi)線路坡度為 +4‰(4 646 m)、-4‰(3 212 m)的人子坡，于2009年6月竣工并投入使用[1]。

自2012年3月開始，工務(wù)部門發(fā)現(xiàn)隧道內(nèi) K 107～K 110段線路時(shí)常出現(xiàn)不同程度的晃車現(xiàn)象， 2012年9月18日測量發(fā)現(xiàn) K 107+950～K 108+100(對(duì)應(yīng)施工里程 DK 300+428～DK 300+578)、K 108+600～K 108+700(對(duì)應(yīng)施工里程DK 301+078～DK 301+178)、K 109+250～K 109+350(對(duì)應(yīng)施工里程 DK 301+728～DK 301+828)3段線路軌面較2012年2月精調(diào)后均有變化，其中變化較明顯的是 K 108+600～ K 108+630段，變化最大處軌面標(biāo)高較精調(diào)后抬升了近17 mm，線間溝出現(xiàn)縱向裂縫，縫寬10 mm，整體道床表面有網(wǎng)狀裂縫，最大縫寬達(dá)3 mm。對(duì)變形速率快且累積變形量較大的 K 108+598～K 108+642段隧底采用錨索+錨桿加固處理后，底鼓變形得到一定抑制，但各段底鼓變形至今仍在持續(xù)發(fā)展。貫通平導(dǎo)與正洞平行，位于正洞南側(cè)30 m，有 30個(gè)橫通道與正洞相連，平導(dǎo)內(nèi)存在更為嚴(yán)重的底鼓變形且間斷分布，無明顯的分布規(guī)律。隧道正洞及平導(dǎo)邊墻及拱頂未見明顯變形跡象。

2 隧道地質(zhì)條件

隧道區(qū)屬低山地貌，穿越龍泉山脈，進(jìn)口位于沱江峽谷西岸斜坡地帶，出口位于龍泉山西緣山麓，隧道最大埋深325 m。隧道穿越舒緩的龍泉山箱形復(fù)式背斜，無斷裂構(gòu)造。洞身位于侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組地層，巖性主要為泥巖、泥質(zhì)砂巖夾粉砂巖、砂巖，局部夾脈狀石膏，砂巖相變較大，穿插于泥巖之中，常常尖滅。基巖裂隙水微弱，對(duì)混凝土具硫酸鹽中等腐蝕至強(qiáng)腐蝕性。巖層產(chǎn)狀大多較平緩，未見斷裂構(gòu)造。

隧道穿越地層、構(gòu)造相對(duì)簡單，主要工程地質(zhì)問題為進(jìn)出口邊坡砂泥巖易風(fēng)化剝落，應(yīng)加強(qiáng)防護(hù)。此外，隧道洞身下伏 3 000 m為三疊系須家河組煤系地層，存在沿構(gòu)造裂隙瓦斯溢出風(fēng)險(xiǎn)，隧道為高瓦斯隧道。

全隧除進(jìn)口段110 m、出口段112 m為Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖外，其余 7 636 m均為Ⅲ級(jí)圍巖，占比97%。

3 隧道巖體內(nèi)殘余構(gòu)造應(yīng)力

隧道底鼓病害發(fā)生后，為分析研究病害產(chǎn)生的原因，在平行導(dǎo)坑內(nèi)進(jìn)行了兩個(gè)點(diǎn)的地應(yīng)力測試[2]。測試方法為較為成熟且可靠的應(yīng)力解除法。

地應(yīng)力1號(hào)測點(diǎn)位于平導(dǎo)洞與13號(hào)橫通道交匯處的平導(dǎo)洞右邊墻，測試深度為邊墻內(nèi)4.0 m，地應(yīng)力測試計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 隧道1號(hào)測點(diǎn)地應(yīng)力測試結(jié)果表[3]

地應(yīng)力2號(hào)測點(diǎn)位于平導(dǎo)洞與10號(hào)橫通道交匯處的平導(dǎo)洞右邊墻，測試深度為邊墻內(nèi)約6.5 m，地應(yīng)力測試計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 隧道2號(hào)測點(diǎn)地應(yīng)力測試結(jié)果表

從表1、表2的測試結(jié)果可以看出：

(1)現(xiàn)場實(shí)測原巖地應(yīng)力值較高，最大主應(yīng)力值分別為16.7 MPa和14.3 MPa。實(shí)測最大主應(yīng)力從絕對(duì)值量值上反映了隧道區(qū)測量段具有較高的地應(yīng)力。

(2)最大主應(yīng)力σ1方向分別為326°和341°，與平導(dǎo)軸線方向夾角約為49°和64°，基本呈大角度相交。

(3)最大主應(yīng)力傾角為16°和14°，以近水平為主，但主應(yīng)力與水平面一般都有一定夾角，主平面都是傾斜的。

地應(yīng)力測試表明，龍泉山褶皺帶歷史時(shí)期遭受了較大的水平構(gòu)造力作用，巖體中殘余構(gòu)造應(yīng)力較大。

4 地質(zhì)補(bǔ)勘主要成果

隧道發(fā)生底鼓病害后，設(shè)計(jì)單位先后進(jìn)行了兩次補(bǔ)勘[4]。第一次補(bǔ)勘時(shí)間為2013年5月，在隧道內(nèi)發(fā)生病害的3個(gè)段落及段落間共布置8個(gè)斷面，每個(gè)斷面布3孔，分別位于兩線間中心溝和兩側(cè)線路與側(cè)溝間回填部位，共計(jì)布孔24孔，鉆探深度為3～20 m。同時(shí)采用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)病害段隧底掃描，確定仰拱厚度。第二次補(bǔ)勘時(shí)間為2018年1-5月，共鉆探12孔，補(bǔ)勘任務(wù)主要包括在正洞內(nèi)3處底鼓病害段及2處用于對(duì)比分析的未變形段進(jìn)行地質(zhì)鉆探、孔內(nèi)物探及孔內(nèi)監(jiān)測元器件埋設(shè)等。為調(diào)查隧底圍巖變形影響深度和地下水位變化情況，布置了5個(gè)圍巖變形監(jiān)測孔和 6個(gè)地下水位監(jiān)測孔，鉆孔均布置在隧道中心處。兩次補(bǔ)勘均鉆取了大量巖樣進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)、蠕變?cè)囼?yàn)及礦物成分分析。

(1)隧底巖性

鉆孔揭示情況顯示，補(bǔ)勘范圍隧底巖性主要以泥質(zhì)粉砂巖為主，局部地段為粉砂質(zhì)泥巖，多數(shù)鉆孔揭示巖芯較為完整，呈柱狀、短柱狀，巖層近于水平狀。巖芯取出數(shù)日后一般未見風(fēng)干開裂現(xiàn)象，巖芯中局部夾石膏脈，石膏脈單層厚1～3 mm不等。

(2)隧底地下水發(fā)育情況

多數(shù)鉆孔初期孔內(nèi)未見明顯地下水，但在一段時(shí)間后，基巖裂隙水逐漸滲透并在鉆孔內(nèi)匯集。據(jù)觀測，地下水位穩(wěn)定后，水位普遍位于隧道道床頂面以下0.1～1.0 m范圍，地下水不具承壓性。隧底地下水以基巖裂隙水形式存在，圍巖透水性及富水性較弱[5]。

(3)巖石強(qiáng)度

第一次補(bǔ)勘共取38組巖樣進(jìn)行了強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：隧底基巖以泥質(zhì)粉砂巖為主，局部地段為粉砂質(zhì)泥巖。巖樣天然單軸抗壓強(qiáng)度5.07～47.30 MPa，標(biāo)準(zhǔn)值為16.65 MPa；烘干單軸抗壓強(qiáng)度13.6～59.6 MPa，標(biāo)準(zhǔn)值為29.75 MPa；飽和單軸抗壓強(qiáng)度3.51～31.23 MPa，標(biāo)準(zhǔn)值為5.27 MPa；軟化系數(shù)0.10～0.46。巖石飽和吸水率平均值為7.48%，自由膨脹率平均值為21.22%，膨脹力標(biāo)準(zhǔn)值為62.89 kPa，未達(dá)到膨脹巖的判定標(biāo)準(zhǔn)[6]。

取兩組巖樣進(jìn)行了單軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)，試樣YDBZ-5-Y-9-1的長期強(qiáng)度為5.1 MPa，是常規(guī)壓縮試驗(yàn)峰值強(qiáng)度(5.94 MPa)的85.86%；試樣YDBZ-2-Y-3-1的長期強(qiáng)度為6.4 MPa，為常規(guī)壓縮試驗(yàn)峰值強(qiáng)度(7.01 MPa)的91.29%。試驗(yàn)巖樣具有中-低蠕變性。

第二次補(bǔ)勘共取67組巖樣進(jìn)行了物理力學(xué)試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

①變形段落

巖樣天然單軸抗壓強(qiáng)度值6.40～55.10 MPa，標(biāo)準(zhǔn)值為15.40 MPa，飽和單軸抗壓強(qiáng)度值5.34～14.50 MPa，標(biāo)準(zhǔn)值為5.76 MPa；巖石飽和吸水率1.57～4.95%，平均值為3.49%，自由膨脹率3～28%，平均值為16.38%，膨脹力11.2～87.9 kPa，標(biāo)準(zhǔn)值為 33.18 kPa，未達(dá)到膨脹巖的判定標(biāo)準(zhǔn)。

②未變形段落

巖樣天然單軸抗壓強(qiáng)度值2.22～34.1 MPa，標(biāo)準(zhǔn)值為11.79 MPa，飽和單軸抗壓強(qiáng)度值6.16～12.35 MPa，標(biāo)準(zhǔn)值為4.37 MPa；自由膨脹率17～30%，平均值為26.29%，膨脹力12.7～76.6 kPa，標(biāo)準(zhǔn)值為17.59 kPa，未達(dá)到膨脹巖的判定標(biāo)準(zhǔn)。

(4)巖石礦物成分分析

X射線粉晶衍射試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，變形段與未變形段處巖石的礦物成分組合基本相同，主要物質(zhì)為石英、伊利石和綠泥石。每種礦物成分含量存在細(xì)微差異，變形段石英含量相對(duì)較高，未變形段伊利石(伊利石是形成其他粘土礦物的中間過渡性礦物)含量較高。

(5)隧底軟化層

鉆探揭示基底以下有明顯軟化層的鉆孔主要有以下幾處：YDBZ-15(K 108+665右4.1 m)鉆孔2.0～2.4 m段為厚約0.4 m的軟化層，YDBZ-17(K 108+975中心)鉆孔2.05～2.12 m段為厚約7 cm的軟化化層，YDBZ-20(K 109+285中心)鉆孔0.9～1.3 m段為厚約0.4 m的軟化層，YDBZ-21(K 109+285右4.1 m)鉆孔隧底(孔深1.3 m)處見木塊，其余鉆探揭示的仰拱底部基巖軟化層較薄或不明顯。由此可見，地下水對(duì)隧底基巖軟化作用不明顯。

(6)仰拱混凝土強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)

病害段圍巖級(jí)別為Ⅲ級(jí)和Ⅳ級(jí)，隧底仰拱為素混凝土。補(bǔ)勘共取隧底仰拱混凝土樣36組，鉆探未發(fā)現(xiàn)隧底仰拱混凝土與回填層混凝土有明顯的分層界線。巖芯多呈柱狀，總體上芯樣表面較光滑，骨料分布較均勻，混凝土較密實(shí)，氣孔分布較均勻。

隧底結(jié)構(gòu)上部混凝土抗壓強(qiáng)度值為17.6～34.5 MPa，平均值為25.21 MPa；下部混凝土抗壓強(qiáng)度值為17.9～34.5 MPa, 平均值為25.62 MPa?？梢?，隧道底部混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度值總體上滿足設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)物探資料，K 109+250～K 109+350段左側(cè)道床面以下混凝土厚1.70～2.14 m，右側(cè)道床面以下混凝土厚1.30～1.70 m。鉆探揭示左側(cè)道床面以下混凝土厚1.70 m、1.99 m，右側(cè)道床面以下混凝土厚1.30 m、1.50 m，中間仰拱及回填層混凝土厚0.90 m、1.30 m。根據(jù)鉆探資料，該段混凝土厚度較薄，且僅YDBZ-19、YDBZ-20、YDBZ-22共3個(gè)鉆孔混凝土底部見塑料防水板。

此外，鉆孔揭示，隧底仰拱結(jié)構(gòu)斷面大部分形態(tài)較平直，部分?jǐn)嗝嫔踔脸霈F(xiàn)反向形態(tài)且混凝土厚度不足，隧底實(shí)際斷面與設(shè)計(jì)拱形結(jié)構(gòu)的形態(tài)差異明顯。

(7)孔內(nèi)監(jiān)測

第二次補(bǔ)勘共設(shè)置6個(gè)水位觀測鉆孔和5個(gè)隧底圍巖變形監(jiān)測鉆孔，均通過在鉆孔內(nèi)埋設(shè)特制監(jiān)測元器件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集分析。

①地下水位監(jiān)測

地下水位在孔口以下0.5～2.7 m范圍內(nèi)，與上次勘查結(jié)果基本一致。近兩個(gè)多月的觀察顯示，水位累計(jì)變化量在2～10 mm之間，水位波動(dòng)較?。凰桓叱套兓淮?，即便是在6-7月強(qiáng)降雨時(shí)節(jié)，鉆孔中地下水位高程也基本沒有變化。隧道地下水位累計(jì)變化時(shí)態(tài)曲線和高程累計(jì)變化時(shí)態(tài)曲線如圖1、圖2所示。

圖1 隧道地下水位累計(jì)變化時(shí)態(tài)曲線圖

圖2 隧道地下水位高程累計(jì)變化時(shí)態(tài)曲線圖

②變形監(jiān)測

在5個(gè)鉆孔不同深度埋設(shè)多點(diǎn)位移計(jì)進(jìn)行分層數(shù)據(jù)監(jiān)測，5個(gè)點(diǎn)位觀測時(shí)長為80 d，孔內(nèi)位移累計(jì)變形時(shí)態(tài)曲線如圖3所示。

圖3 鉆孔孔內(nèi)位移累計(jì)變形時(shí)態(tài)曲線圖

針對(duì)5個(gè)孔內(nèi)不同深度的位移觀測數(shù)據(jù)，分析如下：

DK 106+852(YBZ-YD-04孔)圍巖上拱變形主要集中在孔口以下10 m范圍內(nèi)，10～16 m范圍內(nèi)巖層相對(duì)上拱量有一定變化，但增量相對(duì)較小。截至目前，孔口相對(duì)上拱變形量累計(jì)0.85 mm。

DK 107+652(YBZ-YD-06孔)圍巖上拱變形主要集中在孔口以下12 m范圍內(nèi)，截至目前，孔口相對(duì)上拱變形量累計(jì)0.30 mm。

DK 108+016(YBZ-YD-08孔)圍巖上拱變形主要集中在孔口以下10 m范圍內(nèi)，10～36 m范圍內(nèi)巖層相對(duì)上拱量有一定變化，但增量相對(duì)較小，已呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。截至目前，孔口相對(duì)上拱變形量累計(jì)0.74 mm。

DK 108+645(YBZ-YD-09孔)圍巖上拱變形主要集中在孔口以下10 m范圍內(nèi)，截至目前，孔口相對(duì)上拱變形量累計(jì)0.44 mm。

DK 109+266(YBZ-YD-12孔)圍巖上拱變形主要集中在孔口以下14 m范圍內(nèi)，14～26 m范圍內(nèi)巖層相對(duì)上拱量有一定變化，但增量相對(duì)較小。截至目前，孔口相對(duì)上拱變形量累計(jì)0.54 mm。

根據(jù)目前的監(jiān)測數(shù)據(jù)，隧底圍巖隆起變形量隨時(shí)間推移而增長，變形處于持續(xù)發(fā)展中，尚未見收斂趨勢。由于目前監(jiān)測周期較短，變形量值小，且部分段落監(jiān)測數(shù)據(jù)波動(dòng)相對(duì)較大，離散性大，數(shù)據(jù)未呈規(guī)律變化，因此，無法準(zhǔn)確分析隧底圍巖變形規(guī)律，需繼續(xù)進(jìn)行長期監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集。

5 隧底底鼓病害原因分析

隧道底鼓病害通常都是因隧底結(jié)構(gòu)不足以抵抗隧道開挖后引起的圍巖變形導(dǎo)致的。一般來說，主要原因有施工質(zhì)量缺陷(仰拱厚度不足、曲率不夠)、圍巖具有膨脹性、二次應(yīng)力調(diào)整引起圍巖持續(xù)變形等。結(jié)合本隧道底鼓病害補(bǔ)勘成果，病害原因分析如下：

5.1 巖石膨脹性

兩次地質(zhì)補(bǔ)勘成果資料顯示，病害段巖性主要為泥質(zhì)粉砂巖、泥巖，屬于典型四川紅層，巖石飽和吸水率平均值7.48%，自由膨脹率平均值21.22%，膨脹力標(biāo)準(zhǔn)值62.89 kPa，不屬于膨脹巖。根據(jù)筆者多年在四川地區(qū)從事勘察設(shè)計(jì)工作的經(jīng)驗(yàn)，四川紅層不屬于膨脹巖，僅局部泥巖具有微弱的膨脹性。因此，分析認(rèn)為本隧道底鼓病害不是由巖石膨脹引起的。

5.2 地應(yīng)力引起圍巖變形

自然界巖體天然存在地應(yīng)力，經(jīng)地應(yīng)力測試，龍泉山背斜褶皺帶巖體中殘余構(gòu)造應(yīng)力普遍較大，最大水平主應(yīng)力值14～16 MPa，隧道洞身巖體處于中等地應(yīng)力環(huán)境。隧道開挖引起地應(yīng)力局部集中及釋放，洞室周邊應(yīng)力一般會(huì)放大，產(chǎn)生最大壓應(yīng)力、最大拉應(yīng)力集中現(xiàn)象，若圍巖強(qiáng)度較低，則會(huì)立刻產(chǎn)生塑性變形，即通常說的軟巖變形[7]。

大量工程實(shí)踐證明，地下工程圍巖的變形破壞通常是累進(jìn)性發(fā)展的，由于圍巖內(nèi)應(yīng)力分布的不均勻性及巖體結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度的不均勻性和各向異性，那些地應(yīng)力集中程度高，而巖體強(qiáng)度相對(duì)較低的部位往往是累進(jìn)性變形破壞的突破口。在大范圍圍巖整體穩(wěn)定性較好的情況下，這些應(yīng)力—強(qiáng)度關(guān)系中的薄弱部位就會(huì)發(fā)生變形甚至破壞。尤其是軟弱圍巖，其在地應(yīng)力作用下的變形具有蠕變特點(diǎn)，即軟巖體內(nèi)應(yīng)變能釋放相對(duì)硬質(zhì)巖緩慢，存在滯后效應(yīng)。

根據(jù)巖樣試驗(yàn)資料，隧底泥質(zhì)粉砂巖、砂質(zhì)泥巖天然飽和單軸抗壓強(qiáng)度可達(dá)16.65 MPa, 強(qiáng)度應(yīng)力比Rc/σmax約為1～1.16, 巖石強(qiáng)度應(yīng)力比Rc/σmax均小于4。根據(jù)GB/T 50218-2014《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》[8],軟質(zhì)巖開挖后洞壁發(fā)生顯著位移，隧道存在底鼓隆起變形特征。但本隧道開挖中，圍巖強(qiáng)度相對(duì)較高，無地下水，整體穩(wěn)定性較好，施工中并未發(fā)生較大的形變，初期支護(hù)實(shí)施后，圍巖穩(wěn)定，拱頂、邊墻也未見明顯位移。

但隨著時(shí)間的推移，軟質(zhì)圍巖受局部基巖裂隙水浸潤軟化，巖體強(qiáng)度進(jìn)一步降低[9]，加之圍巖傾向近于水平，在殘余水平構(gòu)造應(yīng)力作用下，出現(xiàn)隧底水平層狀巖層向臨空面緩慢底鼓的蠕變變形，素混凝土仰拱結(jié)構(gòu)不足以抵抗軟巖變形，于是出現(xiàn)無砟道床板的底鼓隆起，底鼓病害呈現(xiàn)出分段、局部的特征。

5.3 隧底仰拱施工質(zhì)量

根據(jù)補(bǔ)充地質(zhì)鉆探成果，隧底仰拱混凝土強(qiáng)度、厚度大部分滿足設(shè)計(jì)要求，但仰拱曲率卻普遍與設(shè)計(jì)不吻合，結(jié)構(gòu)斷面大部分形態(tài)較平直，這導(dǎo)致隧底仰拱不能很好地承受地應(yīng)力致使的軟巖形變應(yīng)力，因而出現(xiàn)底鼓病害。因此，隧底仰拱曲率平直也是本隧道底鼓病害產(chǎn)生的原因之一。

6 結(jié)術(shù)語

本文結(jié)合隧道所處的區(qū)域地質(zhì)環(huán)境、地質(zhì)補(bǔ)充勘察成果資料，深入分析了隧道底鼓病害產(chǎn)生的主要原因，得出以下主要結(jié)論：

(1)隧底軟質(zhì)巖具有一定的蠕變特征，蠕變發(fā)生導(dǎo)致巖石強(qiáng)度下降，并在較高地應(yīng)力作用下持續(xù)發(fā)生變形，而平直曲率的素混凝土仰拱結(jié)構(gòu)不足以抵抗巖石的形變力。這是本隧道產(chǎn)生底鼓病害的原因所在[10]。

(2)隧道設(shè)計(jì)應(yīng)高度重視對(duì)區(qū)域地應(yīng)力背景值、巖石強(qiáng)度及其影響因素的研究。本隧道穿越的龍泉山背斜構(gòu)造是川東典型的北東向新華夏褶皺帶，巖體中殘余構(gòu)造應(yīng)力較大。而紅層砂泥巖強(qiáng)度較低，且具有顯著的蠕變效應(yīng)，蠕變后強(qiáng)度持續(xù)下降，在地應(yīng)力作用下持續(xù)變形。因此，研究巖石強(qiáng)度-應(yīng)力比及軟巖的蠕變效應(yīng)非常必要，同時(shí)圍巖級(jí)別劃分應(yīng)考慮地應(yīng)力折減及圍巖強(qiáng)度。

(3)隧道開挖后，應(yīng)力集中及釋放必然引起圍巖形變，采用適宜的隧底仰拱結(jié)構(gòu)能抵抗圍巖的巖體形變。因此，仰拱強(qiáng)度、曲率是設(shè)計(jì)中必須重點(diǎn)研究的參數(shù)。