滬昆客運專線崗烏隧道K 1953+600～K 1953+710段病害原因分析

索 朗 張廣澤

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

滬昆客運專線崗烏深埋特長隧道在貴州省安順市境內(nèi)，隧道全長 13 174.0 m。隧道進口處于崗烏鎮(zhèn)彎腰樹一帶，路肩設計標高 1 177.8 m。出口位于光照電站下游約1 km處，設計路肩標高為868.9 m，全隧為一單面隧道。隧道設置4個橫通道，其中一號橫洞與正線相交點距離隧道進口 3 572 m，橫洞與大里程的夾角為70°，全長 1 595 m[1-2]。

隧道于2016年12月建成通車。2017年1月5日，隧道K 1953+600～K 1953+710段隧底發(fā)生開裂變形，開裂嚴重段主要集中在K 1953+622～K 1953+632。軌道上拱最大里程為K 1953+625，上行線軌道高程比設計高程最大高出13.3 mm，比聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間高程高出5 mm；下行線軌道高程比設計高程最大高7.4 mm，比聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間高程高出4 mm；軌向未見變化。2017年2-5月對病害段進行了工程地質(zhì)勘察，并從混凝土質(zhì)量、隧底圍巖、地下水、地應力等方面進行了病害原因分析，并根據(jù)病害原因分析進行了針對性整治，2017年12月完成整治工程。整治工程完成后，隧底變形監(jiān)測情況顯示，隧底仍在持續(xù)上拱，上行線變形大于下行線，至2018年1月，已累計上抬31.7 mm，平均變形月速率為2.8 mm。為徹底整治該段上拱變形病害，確保高速鐵路安全運營，查明該段隧道隧底上拱變形原因意義重大。

1 隧道所處地質(zhì)背景

崗烏隧道地處云貴高原，隧址區(qū)宏觀地貌為侵蝕及構(gòu)造作用形成的中低山區(qū)，具有山高谷深的特點，區(qū)內(nèi)的山脈走勢與大的地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)和走向基本保持一致，呈北東～南西向展布。隧道穿越的地層為三疊系中統(tǒng)楊柳井組(T2y)、關(guān)嶺組(T2g)及下統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組(T1yn)，巖性為塊狀白云巖、薄至中厚層狀灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r(偶夾角礫狀為云巖、石膏假晶和板柱狀石膏晶簇)、泥巖、頁巖，局部含薄層石膏。隧道洞身位于普安旋鈕構(gòu)造變形區(qū)的法郎向斜北翼。隧道區(qū)域內(nèi)發(fā)育啦戛-河頭上斷層、啦戛-紙廠正斷層、蘿卜坡-舊屋基斷層、葫蘆井-櫻桃窩斷層、扒煤斷層等多條斷裂構(gòu)造。隧道洞身穿越葫蘆井-櫻桃窩斷層，隧道縱斷面如圖1所示。

圖1 崗烏隧道縱斷面圖

2 K 1953+600～K 1953+710段病害情況

2.1 原設計情況

K 1953+480～K 1953+532、K 1953+632～K 1953+712段設計為Ⅲb型復合襯砌，K 1953+532～K 1953+632段設計采用Ⅳa型復合襯砌，通過地層為三疊系中統(tǒng)楊柳井組白云巖夾角礫狀白云巖。

2.2 施工階段變更設計情況

施工階段將K 1953+480～K 1953+532、K 1953+632～K 1953+712段襯砌由Ⅲb型復合襯砌調(diào)整為Ⅲa型復合襯砌。

2.3 整治前變形情況

2017年1月5日，崗烏隧道K 1953+600～K 1953+700段隧底發(fā)生開裂變形，開裂段落主要集中在K 1953+622～K 1953+632段，中心水溝左、右側(cè)有縱向錯臺裂紋，長5～9 m，裂紋寬度4～5 mm，錯臺高度2～3 mm，中心水溝有上窄下寬的變形特征。監(jiān)測資料顯示，上行線軌道高程比設計高程最大高出13.3 mm，比聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間高程高出5 mm；下行線軌道高程比設計高程最大高出7.4 mm，比聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間高程高出4 mm；軌向未見變化。

2.4 變形上拱整治情況

2017年1月5日發(fā)現(xiàn)該段上拱變形，隨后進行了上拱原因勘察，并根據(jù)上拱原因提出了整治措施，2017年7-9月完成了該段整治工程，主要措施有：

(1)對K 1953+610～K 1953+660、K 1953+685～K 1953+710段中心水溝進行封閉。

(2)對K 1953+610～K 1953+640段軌道板兩側(cè)增設壓力型預應力錨桿加固，設計錨固力200 kN。

(3)對K 1953+610～K 1953+640段隧底開挖輪廓線外不密實的部位進行充填注漿加固。

(4)對K 1953+610～K 1953+660、K 1953+685～K 1953+710段仰拱及仰拱填充進行充填注漿加固。

(5)對K 1953+600～K 1953+710段增設排水降壓孔。

(6)增設泄水洞1座，并于K 1953+625處泄水洞內(nèi)增設1處集水廊道，集水廊道內(nèi)向正洞方向增設集水鉆孔。

2.5 整治后變形情況

本段上拱于2017年12月完成整治，但整治完成后的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，K 1953+615～K 1953+650段上拱變形仍在持續(xù)，且右線變形大于左線，最大上拱值仍位于K 1953+625里程處，左線累計上拱14.9 mm，平均變形月速率為1.3 mm；右線累計上拱31.7 mm，平均變形月速率為2.8 mm。

3 上拱變形段落病害原因

3.1 現(xiàn)場勘探及實驗情況

3.1.1 隧底圍巖情況

先后對變形段實施了3個較深鉆孔(深度大于10 m)和6個淺孔(深度小于2 m，主要用于揭示隧底混凝土情況)。鉆探揭示，該段隧底基巖為白云巖夾角礫狀白云巖，弱風化，巖體較完整。

3.1.2 地下水情況

2017年2月，終孔24 h后孔內(nèi)采用簡易抽水試驗抽至孔底，現(xiàn)場觀察見巖溶裂隙水在2.1～3.3 m處局部富集，均有小股狀水涌入孔內(nèi)，孔內(nèi)恢復穩(wěn)定水位為0.9～1.2 m。2018年6月，K 1953+620～K 1953+630段6個降壓孔補充勘探揭示，地下水位為0.13～1.18 m，SDZ-崗1-2孔內(nèi)出水深度為1.2 m處、SDZ-崗1-3孔孔內(nèi)出水深度為 1.1 m和1.6 m處、SDZ-崗1-4孔孔內(nèi)出水深度為1.2 m處，多位于仰拱填充與仰拱間的施工縫處。分析地下水主要來源于中心水溝及側(cè)溝的常流水補給[3]。

3.1.3 物探成果

采用地質(zhì)雷達、井中攝影、聲波測井、井間電磁波層析成像和井間地震波層析成像5種方法對病害上拱段進行了綜合物探。

(1)隧底結(jié)構(gòu)厚度

該段隧底結(jié)構(gòu)厚度(素混凝土厚度+鋼筋混凝土厚度+噴射混凝土厚度)為1.77～2.15 m。

(2)欠密實帶

在K 1953+520.5～K 1953+521.5、K 1953+574.5～K 1953+575.5、K 1953+609.5～K 1953+610.7、K 1953+726～K 1953+727和K 1953+800.4～K 1953+801.4段基巖與隧底交界面附近的深度范圍存在欠密實帶，厚約0.15～0.25m。

(3)巖溶

SDZ-GW-01、SDZ-GW-02、SDZ-GW-03孔對井間電磁波層析成像的成果資料顯示，在K 1953+619深度約8 m位置和K 1953+631深度約9 m位置存在溶蝕破碎帶。

3.1.4 鉆探揭示隧底結(jié)構(gòu)情況

結(jié)合施工階段隧底圍巖揭示情況及上拱情況，在該段有針對性地布置了3個鉆孔，各孔揭示隧底結(jié)構(gòu)情況如表1所示。

表1 深鉆孔揭示隧底混凝土情況明細表

由表1可知，崗烏隧道混凝土厚1.8～1.9 m，3孔均有豎向裂縫發(fā)育，深度分別為0.25～1.1 m、0.1～1.0 m、0.3～1.2 m，其貫通性較好，巖芯均從中部斷開成兩半邊狀，且0.95～1.58 m深度均有多條水平裂縫分布。

該段病害整治結(jié)束后上拱變形仍在繼續(xù)，且趨勢明顯，因此在2018年6月再次對病害段落進行了針對性的淺孔鉆探，以揭示隧底混凝土及排水為主要目的，淺孔揭示情況如表2所示。

由表2可知，上拱病害段混凝土存在較多的水平、豎向縫缺陷，巖心局部有破損，采取率偏低，鉆出巖心成形差、表面不光滑，破損巖芯占比在25%～53%不等。

表2 K 1953+620～K 1953+630段6個淺孔揭示混凝土情況匯總表

3.1.5 地應力

采用應力解除法對病害段地應力進行了重新測試，測試點位于1號橫洞泄水洞K 1957+312左側(cè)約29 m右邊墻處。測試結(jié)果為：最大主應力值為13.2 MPa，方向為351°，最大主應力方向與隧道軸線的夾角約為62°，最大主應力傾角為29°，以近水平為主，不存在高地應力問題。

3.1.6 混凝土堿活性試驗

為了徹底查明上拱變形原因，在2017年勘察手段基礎上增加了混凝土堿活性實驗研究。在該段淺孔中取樣進行化學分析，結(jié)果如表3所示。

表3 K 1953+622～K 1953+625段混凝土堿活性情況表

由表3可知，混凝土樣品中水泥的化學成分穩(wěn)定性差，水化反應異常，侵蝕性介質(zhì)對水泥的破壞作用較大。壓汞試驗結(jié)果表明試驗樣品的孔隙率大于20%，水泥在水化反應過程中分解流失和收縮作用明顯，造成混凝土孔隙率增大，脆性增強，泥化作用明顯?；炷敛『樗唷⑻砑觿┖突炷凉橇系膲A活性反應[4-5]。

3.2 隧底分層監(jiān)測

為驗證上拱病害原因，在隧道K 1953+625處設置了隧底分層沉降觀測點，觀測點設置深度為0 m(隧道填充層)、1.3 m(隧道仰拱處)、2.3 m(隧底基巖)。2017年2月24日至2018年12月16日的觀測數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 崗烏隧道K 1953+625處分層沉降過程曲線圖

由圖2可知，在觀測期間內(nèi)，仰拱填充層(0 m觀測點)的上拱值一直在持續(xù)增加，且從2018年1月20日后仰拱填充層上拱幅度增大，至2018年12月16日累計上拱量達20.4 mm。仰拱頂(1.3 m處觀測點)上拱一直處于波動狀態(tài)，累計上拱量為3.3 mm，表明仰拱未發(fā)生上拱變形，上拱值為誤差值?；鶐r點(2.3 m觀測點)上拱觀測值與仰拱頂觀測值一致，觀測期間一直處于波動變化過程，2018年7月19日后略有增加趨勢，但基巖上拱值大于仰拱上拱值屬于不合理現(xiàn)象。結(jié)合現(xiàn)場分析，該不合理現(xiàn)象可能是由觀測誤差造成的。故由隧底分層沉降觀測可知，該段上拱變形由仰拱填充的持續(xù)上拱造成。

3.3 病害原因分析

本段隧道埋深90～155 m，地層巖性為三疊系中統(tǒng)楊柳井組中厚層狀白云巖夾角礫狀白云巖，屬硬質(zhì)巖，單斜構(gòu)造，勘探揭示地下水位0.13～1.18 m，隱伏巖溶不發(fā)育。在該地質(zhì)環(huán)境下，可能引起軌道抬升的主要因素有：

(1)隧底結(jié)構(gòu)內(nèi)存在局部超靜水壓力

本次K 1953+620～K 1953+630段補充勘探揭示地下水位為0.13～1.18 m，SDZ-崗1-2孔揭示孔內(nèi)出水深度為1.2 m處，SDZ-崗1-3孔揭示孔內(nèi)出水深度為1.1 m、1.6 m處，SDZ-崗1-4孔揭示孔內(nèi)出水深度為1.2 m處，多位于仰拱填充與仰拱間的施工縫中，分析結(jié)構(gòu)中的地下水主要來源于中心水溝及側(cè)溝的常流水補給。

當混凝土存在缺陷時，地下水通過裂縫進入結(jié)構(gòu)中，再通過施工縫進入仰拱與填充層之間，高速鐵路運營后，動荷載反復作用下的超孔隙水壓力使施工縫逐漸擴展，在地下水的反復抽吸作用下，將泥沙帶入裂縫，最終造成無砟軌道抬升，并使仰拱填充層出現(xiàn)縱橫向開裂。地下水也同時作用于中心水溝側(cè)壁上，造成局部溝壁向溝心傾斜，溝壁與仰拱填充分離，形成縱向裂縫。

(2)混凝土存在缺陷

①結(jié)構(gòu)中存在水平縫、豎向縫

本次K 1953+620～K 1953+630段補充降壓孔揭示：混凝土中存在較多的水平、豎向縫等缺陷，巖心局部有破損，采取率偏低，鉆出巖心成形差、表面不光滑，破損巖芯占比在25%～53%不等。

②混凝土骨料局部段落具堿活性

混凝土樣品中水泥的化學成分穩(wěn)定性差，水化反應異常，侵蝕性介質(zhì)對水泥的破壞作用較大，混凝土病害為水泥、添加劑和混凝土骨料的堿活性反應，具有綜合病害特征。

4 結(jié)束語

本文在全面梳理勘察設計、施工、運營階段地質(zhì)、監(jiān)測資料的基礎上，從混凝土質(zhì)量、隧底圍巖、地下水、地應力、混凝土堿活性等方面對病害段上拱原因進行了深入分析。認為崗烏隧道K 1953+600～K 1953+710段病害主要原因為隧底結(jié)構(gòu)內(nèi)存在局部超靜水壓力和混凝土本身質(zhì)量存在缺陷造成。本段病害段以硬質(zhì)巖為主，巖性為白云巖、灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r，基底巖石不會產(chǎn)生變形，但整治后仍持續(xù)上拱，且取芯揭示混凝土破損嚴重，采取率偏低，部分骨料具堿活性，建議根據(jù)監(jiān)測資料確定具體段落，采用換拱處理。