某機(jī)場(chǎng)公路隧道隆起原因分析及處治研究

摘要：針對(duì)隧道工程中仰拱隆起開(kāi)裂問(wèn)題，文章結(jié)合某工程實(shí)際案例，剖析隧道隆起開(kāi)裂病害產(chǎn)生原因，提出仰拱襯砌、仰拱填充等工程措施，并總結(jié)了注意事項(xiàng)。通過(guò)對(duì)處治后的隧道仰拱變形進(jìn)行觀測(cè)分析，病害處治效果較好，病害段落隧道整體穩(wěn)定，隧道通車后運(yùn)營(yíng)良好。研究成果可為類似地質(zhì)隧道建設(shè)和病害處治提供借鑒。

關(guān)鍵詞：公路隧道；仰拱隆起；地應(yīng)力；鋼管樁；仰拱置換

中圖分類號(hào)：U456.3

0 引言

近十年來(lái)，隨著我國(guó)西部多山省份公路的建設(shè)與發(fā)展，出現(xiàn)了各種地質(zhì)類型的隧道。其中軟弱膨脹性圍巖是隧道建設(shè)中一種兼具風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)的地質(zhì)。膨脹性巖體一般含蒙脫石、伊利石等礦物成分［1］，在無(wú)水狀態(tài)下，巖體較為穩(wěn)定，當(dāng)巖體遇水則出現(xiàn)風(fēng)化崩解，強(qiáng)度下降明顯［2］。若隧道設(shè)計(jì)施工不當(dāng)，易因巖體膨脹效應(yīng)而出現(xiàn)隧道病害，甚至出現(xiàn)安全事故，一些學(xué)者對(duì)膨脹圍巖隧道病害進(jìn)行了研究［3-7］。為總結(jié)類似膨脹性圍巖隧道建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，解決隧道工程中仰拱隆起開(kāi)裂問(wèn)題，本文以某機(jī)場(chǎng)公路隧道為工程依托，對(duì)膨脹性圍巖隧道仰拱變形原因及病害處治方案進(jìn)行研究。

1 工程及病害概況

X線機(jī)場(chǎng)隧道項(xiàng)目位于云南省西南部，起訖樁號(hào)為XK0+965～XK2+515。隧道按60 km/h的二級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，隧道凈寬1.0+0.5+2×3.5+0.5+1=10 m。隧道采用三心圓曲墻式內(nèi)輪廓斷面，凈空斷面面積為59.755 m2。隧道進(jìn)出口位于直線上，中部為半徑500 m的圓曲線，隧道縱坡為2.5%接2.95%。隧道穿越低中山構(gòu)造侵蝕、溶蝕地形地貌區(qū)，路線呈182°～123°方位穿山而過(guò)，隧道最大埋深約為192 m。隧址區(qū)地表起伏大，沖溝發(fā)育，山體植被茂密。

隧道圍巖由二疊系下統(tǒng)拉巴組（P1l）褐灰、深灰、淺灰、黃綠色灰?guī)r、砂巖及頁(yè)巖等組成。灰?guī)r為隱-細(xì)晶結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造；巖體破碎，節(jié)理裂隙及巖溶發(fā)育。強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r呈角礫、碎石狀；中風(fēng)化灰?guī)r呈碎塊狀、短柱狀。砂巖、頁(yè)巖巖石極破碎，節(jié)理裂隙極發(fā)育。強(qiáng)風(fēng)化砂巖、頁(yè)巖，呈角礫碎石狀。中風(fēng)化砂巖、頁(yè)巖，呈碎石碎塊狀，局部短柱狀。巖層產(chǎn)狀：235°∠40°。

當(dāng)隧道掌子面掘進(jìn)至XK1+720時(shí)，隧道XK1+498～XK1+618段仰拱出現(xiàn)隆起變形，中部裂縫明顯且縱向貫通。該區(qū)段隧道初期支護(hù)、二次襯砌已施工完成，電纜溝、邊溝以及路面尚未施工。隧道變形觀測(cè)結(jié)果顯示，仰拱變形持續(xù)發(fā)展后趨于穩(wěn)定，仰拱局部裂縫貫穿至邊墻；隧道邊墻二襯拱腳收斂累計(jì)變形量約為0.3 mm，隧道二次襯砌變形較小。病害區(qū)段觀測(cè)點(diǎn)各時(shí)段累計(jì)變形曲線如圖1所示。根據(jù)觀測(cè)結(jié)果總體評(píng)估，病害區(qū)段隧道變形已收斂，總體暫時(shí)處于穩(wěn)定狀態(tài)。隧道上部結(jié)構(gòu)變形較小，下部仰拱出現(xiàn)波浪狀隆起，最大隆起量達(dá)到45 cm，下部已侵入隧道建筑限界。

2 原因分析

2.1 地質(zhì)水文因素

根據(jù)隧道地質(zhì)勘察報(bào)告可知，仰拱隆起病害段位于XK1+238～XK1+791區(qū)段，該區(qū)段為全風(fēng)化頁(yè)巖，深灰色，局部強(qiáng)風(fēng)化，呈碎石、角礫土狀及少量碎石、角礫狀。地下水類型為基巖裂隙水。隆起區(qū)段圍巖質(zhì)量指標(biāo)見(jiàn)表1，仰拱隆起段圍巖屬于Ⅴ級(jí)圍巖。鉆取隆起段仰拱底部圍巖進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果顯示巖樣遇水體積膨脹40%，屬于弱-中等膨脹巖［8］。

水是圍巖產(chǎn)生“膨脹效應(yīng)”的另一個(gè)基本要素。隧道穿越地層含基巖裂隙水，隧道開(kāi)挖過(guò)程掌子面存在滲水現(xiàn)象。在開(kāi)挖過(guò)程中，地下水未能及時(shí)排出，匯聚在隧道斷面底部。底部圍巖接觸水軟化、體積膨脹，仰拱位置初期支護(hù)鋼架接頭失效，進(jìn)而出現(xiàn)隧道仰拱隆起開(kāi)裂。由此可知，圍巖具有膨脹特性且圍巖富水是區(qū)段隧道底部產(chǎn)生變形開(kāi)裂的基礎(chǔ)原因。

2.2 施工質(zhì)量因素

XK1+490～XK1+620段仰拱隆起段隧道原設(shè)計(jì)為Ⅴ級(jí)圍巖，原設(shè)計(jì)為Sf5a曲墻復(fù)合式襯砌，仰拱設(shè)置有初支和二襯，襯砌斷面開(kāi)挖跨度為12.14 m。該段落隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

超前支護(hù)：42×3.5 mm注漿小導(dǎo)管，長(zhǎng)度為3 m，循環(huán)間距1.8 m。

初期支護(hù)：Ⅰ18工字鋼，間距為0.6 m；25 mm中空注漿錨桿，長(zhǎng)度為3.5 m；8 mm鋼筋網(wǎng)，間距為20 cm×20 cm；C25噴射混凝土，層厚25 cm。

二襯及仰拱：二襯為45 cm厚的C30、P8防水鋼筋混凝土，仰拱填充為1.35 m厚的C15混凝土。

XK1+498～XK1+618區(qū)段開(kāi)裂病害出現(xiàn)后，通過(guò)檢測(cè)隧道仰拱二襯厚度，合格率為98%；地質(zhì)雷達(dá)掃描仰拱初支，Ⅰ18工字鋼實(shí)際設(shè)置160榀，原設(shè)計(jì)200榀，合格率80%。雖然仰拱二襯混凝土厚度基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但仰拱工字鋼未按設(shè)計(jì)數(shù)量進(jìn)行施工，部分初支工字鋼未能封閉成環(huán)。因此，仰拱為隧道支護(hù)薄弱環(huán)節(jié)，在隧道底部圍巖膨脹力作用下仰拱產(chǎn)生較大變形。仰拱初支閉合成環(huán)段落，隧道則整體受力較好，可較好地抵抗隧道底部變形。該原因與如圖1所示的變形曲線呈現(xiàn)隆起變形起伏波動(dòng)規(guī)律相吻合。因此可認(rèn)為，隧道仰拱局部初支工字鋼缺失，是病害區(qū)段隧道仰拱產(chǎn)生隆起變形的直接原因之一。

2.3 原材料因素

核查混凝土配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)檢測(cè)報(bào)告及施工臺(tái)賬記錄，仰拱隆起開(kāi)裂段所采用粗集料、細(xì)集料、水泥均滿足規(guī)范技術(shù)要求，所采用建筑材料不具有膨脹性。因此可認(rèn)為，原材料并非XK1+498～XK1+618區(qū)段產(chǎn)生仰拱隆起的原因。

2.4 地應(yīng)力因素

項(xiàng)目附近主要斷裂為F19勐阿-孟連-瀾滄斷裂，斷裂呈北東70°向南西250°方向直線展布。路線于XK0+300附近呈約88°交角斜交該斷裂帶，隧道所經(jīng)區(qū)域位于該斷裂帶下盤(pán)。病害出現(xiàn)時(shí)間段內(nèi)，該斷裂構(gòu)造并未活動(dòng)，可認(rèn)為仰拱隆起與構(gòu)造應(yīng)力無(wú)關(guān)。

根據(jù)隧道地質(zhì)縱斷面，病害區(qū)段隧道埋深約為120 m，巖石重度取22 kN/m3，巖體垂向（自重）應(yīng)力P=2.64 MPa。病害區(qū)段地質(zhì)為軟巖，無(wú)地應(yīng)力實(shí)測(cè)資料，取最大地應(yīng)力P=2.64 MPa，巖石強(qiáng)度/最大地應(yīng)力＝21.20 /2.64=8.03，病害區(qū)段不存在高地應(yīng)力。因此，可認(rèn)為區(qū)段隆起開(kāi)裂與地應(yīng)力無(wú)關(guān)。

2.5 綜合分析

XK1+498～XK1+618區(qū)段圍巖具有弱-中等膨脹性，隧道開(kāi)挖地層裂隙水匯聚于隧道底部，兩者因素共同作用使得隧底圍巖軟化、體積膨脹。隧道襯砌先完成施工，隧道底部積聚向上作用力。隧道未按設(shè)計(jì)進(jìn)行施工，仰拱底部鋼拱架部分缺失，未能提供足夠抗力，進(jìn)而出現(xiàn)隧道底部隆起開(kāi)裂。巖體具備膨脹性、區(qū)段含地下水、施工質(zhì)量差等多因素疊加是仰拱隆起開(kāi)裂的原因。

3 病害處治

由上述病害原因分析可知，該病害段落隧道底部隆起釋放了一部分隧道底部圍巖膨脹力，隆起量較小的局部仰拱則仍殘存膨脹力。病害段落隧道拱部初支、二襯均已施工完成，監(jiān)控量測(cè)結(jié)果揭示，隧道僅下部結(jié)構(gòu)侵入隧道建筑限界，上部結(jié)構(gòu)不受影響。因此，病害處治僅須對(duì)病害段落仰拱進(jìn)行治理，制定病害處治設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

3.1 仰拱襯砌

為了保證隧道上部結(jié)構(gòu)以及圍巖穩(wěn)定，處治方案采用斜樁設(shè)計(jì)。在隧道起拱線以下1.3 m位置設(shè)置鋼管樁，鎖住隧道襯砌拱腳，穩(wěn)固上部襯砌結(jié)構(gòu)。鋼管樁傾斜角度為30°，鋼管尺寸為108 mm×6 mm，樁長(zhǎng)6 m，樁間距0.8 m。鋼管樁內(nèi)置3根14" mm螺紋鋼筋，管內(nèi)注水泥漿填充。

隧道仰拱隆起變形發(fā)展過(guò)程中，仰拱填充最先開(kāi)裂，二次襯砌次之，仰拱初期支護(hù)雖然與圍巖直接接觸，但卻是隧道下部結(jié)構(gòu)最后破壞部位。仰拱初支作為抵抗隧道仰拱隆起力重要組成部分，本次處治方案將其加強(qiáng)為Ⅰ22a，縱向間距0.6 m，與原設(shè)計(jì)相同，Ⅰ22a接頭在拱腳與原鋼架閉合成環(huán)。仰拱C25噴射混凝土厚度增加為26 cm，初噴厚度為4 cm。

仰拱二次襯砌環(huán)向主筋直徑、鋼筋間距、二次襯砌厚度與原設(shè)計(jì)相同。環(huán)向主筋采用直徑為22 mm HRB400鋼筋，縱向間距為20 cm，仰拱鋼筋在拱腳處與破除預(yù)留鋼筋綁扎連接，鋼筋搭接長(zhǎng)度≥1 m。

3.2 仰拱填充

破除了原仰拱后，隧道底部圍巖積聚膨脹力雖然得到釋放，但隨著隧道處治封閉成環(huán)，隧道底部仍可能殘余膨脹力。為了抵消該殘余膨脹力，本研究通過(guò)增加隧道仰拱填充量，利用增加隧道仰拱自重來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了尋求最佳仰拱填充厚度，本文運(yùn)用Midas NX軟件建立X=200 m、Y=120 m、Z=200 m的三維模型，見(jiàn)圖3。采用控制變量法，控制其他變量因素不變，分別對(duì)仰拱深度為1.35 m、1.5 m、1.65 m、1.8 m、1.95 m模型進(jìn)行計(jì)算。提取模型仰拱隆起量計(jì)算結(jié)果，繪制仰拱深度-仰拱隆起量變化曲線如圖4所示。

由圖4可知，在相同地質(zhì)和支護(hù)條件下，仰拱回填越深（即仰拱回填量越多），隆起量逐漸下降。增加隧道仰拱深度，可以利用仰拱填充自重作用抵抗隧道仰拱底部圍巖向上作用力，有利于隧道整體受力平衡。但是隧道斷面設(shè)計(jì)并不能無(wú)限增加仰拱埋深，大量增加仰拱埋深也會(huì)增加隧道開(kāi)挖量和仰拱回填量，造成浪費(fèi)。結(jié)合模型計(jì)算結(jié)果綜合分析可知，當(dāng)隧道仰拱埋深取值約為1.65 m時(shí)，可滿足病害處治和隧道穩(wěn)定性要求。

3.3 注意事項(xiàng)

（1）因隧道二次襯砌已施工完成，鋼管樁鉆孔應(yīng)避開(kāi)原初支鋼架。拱腳斜樁鉆孔前應(yīng)先采用地質(zhì)雷達(dá)等設(shè)備定位工字鋼位置，并作標(biāo)記。

（2）為了減少相鄰段落處治施工相互影響，仰拱病害處治應(yīng)分段間隔進(jìn)行。每段仰拱置換段落縱向長(zhǎng)度應(yīng)≤5 m，仰拱置換段落間隔應(yīng)＞30 m。

（3）破除原仰拱填充、仰拱初支二襯，保留拱腳位置二襯鋼筋搭接長(zhǎng)度和初支鋼架接頭。拆除過(guò)程中，應(yīng)注意保護(hù)拱腳排水管，保證隧道排水系統(tǒng)完整。

（4）每個(gè)處治段落交界處設(shè)置施工縫、縫寬2 cm。拱腳交界處和施工縫采用背貼式橡膠止水帶和中埋式橡膠止水帶進(jìn)行防水，縫隙采用瀝青麻絮填充。

4 處治效果

XK1+238～XK1+791仰拱隆起病害區(qū)段處治完成后，通過(guò)對(duì)隧道仰拱變形進(jìn)行觀測(cè)分析，仰拱底部變形觀測(cè)點(diǎn)位移總體趨于穩(wěn)定，變形＜1U0/3（U0為預(yù)留變形量），隧道仰拱未出現(xiàn)隆起開(kāi)裂。病害處治效果較好，病害段落隧道整體穩(wěn)定，隧道通車后運(yùn)營(yíng)良好。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于膨脹性圍巖地層隧道，施工階段開(kāi)挖掘進(jìn)和襯砌支護(hù)雖然已經(jīng)完成，但是在多因素疊加共同作用下，隧道也可能出現(xiàn)較大的隆起變形。通過(guò)綜合分析某機(jī)場(chǎng)二級(jí)路隧道病害產(chǎn)生原因以及具體工程處治措施，可以總結(jié)出以下結(jié)論：

（1）對(duì)于膨脹性圍巖且含地下水的隧道，隧道仰拱設(shè)置二次襯砌和初期支護(hù)可有效平衡巖體向上膨脹力，施工過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)禁取消仰拱初支和二襯。

（2）地下水是膨脹性圍巖發(fā)生劣化的重要因素，隧道施工過(guò)程中應(yīng)及時(shí)抽排隧道掌子面滲水，避免隧道膨脹性巖體長(zhǎng)時(shí)間浸泡于地下水。

（3）鋼管樁既可作為臨時(shí)支護(hù)，施工完成后也可以作為永久支護(hù)。在仰拱置換過(guò)程可為拱部襯砌提供底部支撐，避免上部圍巖襯砌出現(xiàn)較大沉降變形，具有穩(wěn)定隧道拱部圍巖襯砌作用。

（4）通過(guò)控制變量法研究可知，增加仰拱回填深度，可有效控制隧道仰拱隆起變形。對(duì)于隧道穿越軟巖地段，病害處治效果較為明顯。

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收稿日期：2024-03-30

作者簡(jiǎn)介：謝 沃（1990—），碩士，工程師，主要從事隧道及地下工程勘察設(shè)計(jì)工作。