玄真觀隧道結構開裂原因分析

趙建軍（蘭渝鐵路有限責任公司，甘肅蘭州730000）

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玄真觀隧道結構開裂原因分析

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段開挖后陸續發生圍巖縱向開裂、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、地應力測試，發現玄真觀隧道地應力存在局部集中現象，主應力方向變化較大；又采用計算模型進行了模擬分析，表明高地應是造成病害的原因。

關鍵詞：隧道圍巖；襯砌開裂；仰拱隆起；初支變形；地應力；計算模型；整治

1　工程概況

玄真觀隧道位于四川廣元境內，屬構造侵蝕低山區，單面山迭嶺地貌。進口里程為DK623+672，出口里程為DK631+119，全長7447m。隧道穿越區下伏基巖為白堊系下統劍閣組、劍門關組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。巖層產狀平緩，巖層傾角2°～4°。地下水不發育。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；北東翼巖層產狀N15°～80°E/2～7°S，南西翼產狀近E-W/2°～8°N，未見斷層構造。

根據中國地震局地殼應力研究所在附近埋深大于400m的梅嶺關隧道洞身段（DK609+160）實測地應力結果為：SH =15.23MPa，Sh =9.87MPa，Sv = 10.26MPa；最大水平主應力方向為N25°W～N33°W，平均約N30°W；本段隧道軸線走向約為N10°W；最大主應力方向與隧道軸線呈小角度斜交，對隧道穩定性影響不大。同時，在其《蘭渝線鐵路隧道地應力測量分析報告》中（中國地震局地殼應力研究所2008年11月），給出該地區主應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；主應力單位為MPa）。玄真觀隧道與梅嶺關隧道處于相同的地質構造環境，DK626+180～DK627+808段埋深一般位于260m左右，據此分析其與隧道呈小角度斜交（20～300），對隧道穩定性影響不大。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。總體來講，工程地質條件較好。

2　現場施工及病害情況

2011年12月底，玄真觀隧道斜井工區掌子面開挖至為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年后發現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月發現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月發現掌子面（DK626+846）一殘留超前鉆孔橫斷面變為橢圓形，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，發現DK626+ 400～DK626+795段二襯混凝土有縱斜向開裂、拱頂剝落掉塊現象。

2011年9月發現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月調查發現仰拱填充向上隆起開裂由DK626+440延伸至DK626+584，2012年3月發現仰拱填充開裂并向上隆起已由DK626+604發展到DK626+690，仰拱向上隆起最嚴重，中心水溝側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，測量結果顯示DK626+180～+400段仰拱填充也隆起，隆起高度1～42cm，暫未發現襯砌開裂。如圖1～2所示。

圖1　上臺階底部圍巖開裂照片

3　補勘情況

現場地質補勘工作主要以地質鉆探為主，與室內外試驗相結合的方法。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。

該段進行了地應力測試。分別測試了DK626+ 510邊墻內5m處、邊墻外14.5m處及DK626+840邊墻外14.5m處的地應力，對DK626+180～+400僅仰拱填充隆起段，也布置了鉆孔進行地應力測試。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，基本與原設計一致。混凝土強度試驗中僅個別芯樣強度及平均強度低于設計值（因屬于結構破壞后強度試驗，故該結果不作為參考）。

總體上施工及補勘揭示地質情況與施工圖設計基本一致。

圖2　襯砌開裂掉塊照片

4　地應力測試分析

4.1地應力測試結果

結合該隧道DK626+808～+846段上臺階面底部圍巖發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力集中情況。因此，有必要進行地應力測試。

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

1）S01地應力測點。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°，地應力測試計算成果見表1。

表1　S01測點地應力測試成果表

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

3）S03地應力測點。

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

表3　S03測點地應力測試成果

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

4.2地應力測試結果與原設計分析對比

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

本次實測最大主應力14.8～18.9MPa，地應力值偏高（一般認為最大主應力達到20～30MPa時，巖體處在高地應力狀態），但從巖石單軸抗壓強度和最大主應力的比值為1.5～3，巖體處在極高地應力狀態；最大主應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；無論主應力值，還是主應力方向均在不同位置變化較大。

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

5　地應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，模擬地應力對隧道結構的影響。

圍巖本構模型采用采用摩爾-庫倫準則、隧道開挖采用零本構模型。

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

圖3　三維數值模擬模型圖

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

圖4　正交與隧道軸線圖

5.2計算參數

計算分析主要采用的DK626+510的地應力測試數據，見表4。

表4　地應力參數表

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

模型圍巖力學參數見表5。

表5　圍巖力學參數表

隧道初期支護、二次襯砌均采用實體單元模擬，圍巖力學參數見表6。

表6　初支二襯力學參數表

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，圍巖結構變形較大，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。位移分析與現場變形趨勢一致，拱頂下沉、仰拱上隆。

5.4塑性區

隧道開挖后塑性如下圖所示，由圖可知圍巖塑性區在拱部及邊墻為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　塑性區圖

5.5開挖施作襯砌后地應力場

橫向二次應力Sxx在隧道頂部和仰拱部位出現應力集中，最大達到-48MPa，豎向二次應力Syy在隧道邊墻出現應力集中，最大值為-46.3MPa，主應力表現為沿洞周的切向應力，均為壓應力，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　二次應力場Syy應力云圖

圖8　水平二次應力Sxx云圖

圖9　二次應力場主應力矢量圖

5.6襯砌受力

隧道二襯結構拱部受力如圖10～13所示。

圖10　拱部橫向Sxx應力圖

圖11　拱部豎向Syy應力圖

圖12　仰拱橫向Sxx應力圖

圖13　仰拱豎向Sxx應力圖

結合單元切向角度，典型單元受力見表7。

表7　典型單元受力表

由上表結合襯砌受力圖可知，襯砌拱部和仰拱均為外側受壓，內側受拉，左右邊墻外側受拉，內側受壓，最大壓應力發生在右邊墻角為25.4MPa，接近C35砼極限抗壓強度。最大拉應力發生在仰拱中部，為4.53MPa，拱部內側拉應力為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。整個結構受力較大，仰拱大部分區域受拉，受力最為不利。因此造成現場多處出現襯砌開裂現象。

6　變更設計原因

根據地應力測試結果，最大主應力為14.8～18.9MPa，方位角為81°～199°，最大主應力與水平面夾角（仰角）為13°～26°，與隧道軸線夾角40°～90°，從地應力絕對值看，地應力偏高，相對于巖石單軸抗壓強度巖體處在極高地應力狀態。局部地應力集中主要與構造、微地貌、巖層等有關，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，受構造影響相對強烈（見區域地質構造圖）；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為NWW向或近EW向，DK626+180～+846段位于向斜軸線東側，地表為一山脊，而該段向斜軸線西側地表為一斜坡，所以該段出現局部地應力集中，其最大主應力方向對隧道不利，特別是對隧底不利。

本段巖性為泥巖、砂質泥巖夾砂巖，泥巖屬較軟巖(既不特別硬),砂巖屬硬巖(也不特別軟),地層結構軟硬相間；最大主應力與隧道中線大角度相交,且與水平面有夾角（仰角），對于呈近水平產出的隧道圍巖的穩定性構成較大的威脅；隧道開挖后，隧道周邊地應力重新分布的過程較為緩慢，二次應力的量值隨時間的延續而不斷增大，在初期階段圍巖與應力處于暫時的平衡狀態，監控量測數據顯示支護穩定證明了這一點；地應力對近水平巖層產生擠壓，巖層通過變形積聚應力，同時使拱部巖層出現向下、底部巖層出現向上彎曲的趨勢；隨二次應力量值的不斷增大，或因巖體風化強度減小，當量值超過巖體極限強度時應力突然短時間釋放，出現張拉破壞、張剪破壞（如下示意圖）。從隧道施工至發現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，圍巖二次應力調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　結論

根據補勘及地應力計算結果，該隧道在開挖及襯砌后發生的開裂變形是地應力引起的，且隨著時間的推移變形更加明顯。另一方面，高地應力狀態下隧道圍巖結構變形的時間特性，對我們鐵路設計、施工提出了新的要求。為了控制變形，應根據圍巖地質情況考慮提前進行應力釋放，以減少地應力對結構的破壞；同時，應考慮利用監控量測數據監控變形情況，合理確定襯砌施作時機和施作參數，以控制病害發生，節約工程投資。

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中圖分類號：U25