石林隧道仰拱底鼓原因分析及處治方法研究

■　袁川峰（三明湄渝高速公路有限責任公司，三明　365000）

?

石林隧道仰拱底鼓原因分析及處治方法研究

■袁川峰
（三明湄渝高速公路有限責任公司，三明365000）

摘要隧道仰拱底鼓破壞是隧道工程的重大問題，針對三明市永寧高速公路石林隧道仰拱底鼓破壞病害以及相關加固措施，采用有限元軟件對施工過程進行數值模擬并結合現場監控量測數據分析，結果表明造成該隧道仰拱底鼓產生主要有地質水文和施工缺陷方面的因素，采用徑向小導管注漿加置換仰拱加固措施能起到較好的效果。

關鍵詞仰拱底鼓原因分析處治方法

0　引言

福建省是一個多山地區，地質條件特別復雜，隧道施工難度大。當隧道穿越軟弱圍巖或地質環境惡劣的高地應力區時，經常發生隧道拱頂坍塌、底鼓和圍巖大變形等地質災害［1］。隧道底鼓的變形一般是持續性的，會導致仰拱破壞嚴重，從而對隧道的二次襯砌形成危害。國內外學者對底鼓進行了研究，為底鼓的處理積累寶貴的經驗［2］。本文以三明市永寧高速公路石林隧道為例，在分析產生隧道底鼓各個因素的基礎上，進行數值模擬，并根據現場監測情況，指導并驗證仰拱底鼓處理措施。研究的過程和結果可為其他類似工程提供應用參考。

1　工程病害概況

三明市永寧高速公路沿線地質較為復雜，其中石林隧道全長2865m。右洞YK14 + 260～YK14+ 320段處于設計Ⅴ、Ⅳ級圍巖交界地段，設計圍巖為弱～微風化灰巖，節理裂隙發育，巖體較破碎，采用Z5型及Z4型支護形式。實際開挖過程中該段圍巖揭露為突泥涌水的特殊地質段，圍巖無自穩能力，且拱部出現塌方。根據現場情況，業主、監理、設計、施工等四方人員對支護參數進行了變更加強。仰拱施工1個月后，YK14+ 260～YK14+290段沿仰拱填充縱向施工縫出現開裂現象，裂縫最大發展至4～5cm。YK14+260～YK14+320段共60m仰拱底部底鼓嚴重，最大鼓起量36cm，且地下滲水較為嚴重。對起拱段變形量測至趨于穩定后，為確保該段初期支護安全及時開始施工二次襯砌。3個月后，YK14+270～+290段二襯邊墻范圍出現細微裂縫，裂縫斜向發展，長2m左右。

2　病害原因分析

2.1地質水文原因

施工中該段仰拱兩端的圍巖呈流沙或強風化泥巖，下部以沙土狀強風化泥巖為主，中夾砂土狀強風化粉砂巖，圍巖無自穩能力；涌水的存在進一步導致圍巖軟化嚴重［3］。基礎承載力嚴重不足。

2.2施工缺陷因素

在仰拱施工過程中隧道中心線兩側鋼拱架的連接不牢固，在二次襯砌施做不久由于圍巖壓力由剛性結構變為鉸接結構，加之基礎承載力不足，仰拱底部圍巖產生塑形大變形和體積膨脹，引起原本有變形的仰拱底鼓進一步加大，并且底鼓是不可回逆的。

3　加固方案

經探討論證，采用徑向小導管注漿加置換仰拱加固方案，仰拱跳槽置換，一循環為2m，即4榀鋼拱架，具體加固措施如下：

（1）鏟除置換仰拱段落2m范圍內仰拱回填的C15片石混凝土。

（2）穿過原仰拱二襯對仰拱基礎進行徑向小導管注漿加固，小導管長6m、直徑為Φ50、間距80cm×80cm，待小導管注漿達到強度后方可進行置換。

（3）進行仰拱轉換：初期支護厚度還是采用原來的單層28cm厚型工20b型鋼砼，鋼支撐間距保持不變，均為0.5m；仰拱二次襯砌采用C30砼，厚度還是原來的45cm，主筋直徑由原來的Φ16改為Φ20；換拱后的仰拱二襯主筋應保證與隧道主筋的焊接長度不小于30cm。

（4）仰拱置換完成后采用C25砼進行仰拱回填，并在仰拱回填面上布置一層Φ16的HRB335鋼筋網。

（5）仰拱回填完成后該段路面采用雙層連續配筋。

4　數值模擬分析

本文數值模擬采用FLAC3D程序，可以反映地下工程圍巖的應力場、位移場等分布情況［4］。

計算模型中圍巖采用實體單元模擬，Mohr-Coulomb屈服準則及彈塑性增量本構關系；初襯和二次襯砌采用實體單元模擬，彈性本構；注漿小導管采用cable單元模擬，假定鋼管與注漿加固區之間黏結性很強，二者無相對滑移，計算時按自重應力場考慮。模型共劃分39380個單元，35360個節點，建立的模型如圖1所示，具體的圍巖、注漿加固區及支護結構物理、力學參數如表1所示。在FIAC3D中，壓應力為正值，拉應力為負值，且σ1≤σ2≤σ3。首先對仰拱未置換情況下周邊圍巖及仰拱回填部分的位移、應力分布情況進行計算分析。然后對采取加固方案中6m注漿小導管及換仰拱后的位移、應力分布情況進行比較研究。

4.1仰拱未置換條件下的隧道穩定性分析

圖1　計算模型

表1　圍巖及支護結構物理力學參數

4.1.1位移分析

隧道開挖及襯砌支護完成后，在仰拱隆起并未置換條件下石林隧道軟巖大變形段圍巖、仰拱回填部分的豎向位移分布如圖2所示。

由圖2所示，仰拱未置換條件下，隧道頂部圍巖最大豎向位移為-51.69mm，沉降較大，隧道仰拱位置圍巖的最大豎向位移為60.60mm，隆起量較大；仰拱回填部分其豎向位移在-1.0mm～-5.03mm之間。

4.1.2應力分析

隧道開挖及襯砌支護完成后，既有隆起仰拱未置換條件下，隧道圍巖、仰拱回填部分的主應力分布如圖3、4所示。

由圖3、4可知：

圖2　仰拱未置換條件下的豎向位移分布云圖

圖3　仰拱未置換條件下的圍巖應力分布云圖

圖4　仰拱未置換條件下仰拱回填部分的應力分布云圖

整個模型范圍內圍巖的最小主應力基本為壓應力，量值為-2.42MPa～-0.25MPa；隧道圍巖的最大主應力也以壓應力為主，量值為-1.34MPa～-0.25MPa；隧道邊墻、拱腳和仰拱位置的圍巖存在拉應力集中，最大為0.80MPa。

隧道仰拱回填部分的最小主應力以壓應力為主，其最小主應力的峰值為-0.19 MPa，且拱腳部位的最大主應力存在拉應力集中，最大為0.63MPa。

4.2注漿小導管（6m）加置換仰拱對隧道穩定性的影響

4.2.1位移分析

注漿小導管長度為6m加置換仰拱加固條件下，隧道圍巖、仰拱回填部分豎向位移分布如圖5所示。

圖5　加固方案條件下的豎向位移分布云圖

由圖5所示，隧道頂部圍巖最大豎向位移為-6.28mm，沉降有較大減小，隧道仰拱位置圍巖的最大豎向位移為35.22mm，隆起量也有較大減小；仰拱回填部分其豎向位移在-0.18mm～-0.91mm之間。

總體來說，實施該加固方案后，仰拱回填部分及圍巖豎向位移均較小。

4.2.2應力分析

注漿小導管長度為6m加置換仰拱加固條件下，隧道圍巖、仰拱回填部位的主應力分布如圖6、7所示。

由圖6、7可知：

圖6　加固方案條件下的圍巖應力分布云圖

圖7　加固方案條件下仰拱回填部位的應力分布云圖

整個模型范圍內圍巖的最小主應力均為壓應力，量值為-2.86MPa～-0.25MPa；隧道圍巖的最大主應力也以壓應力為主，量值為-1.06MPa～-0.20MPa；隧道仰拱位置的圍巖存在拉應力集中，最大為0.40MPa。

隧道仰拱回填部分的最小主應力以壓應力為主，其最小主應力峰值為-0.07MPa，但拱腳部位的主應力存在拉應力集中，最大為0.44MPa。

總體來說，施加該加固方案后，隧道襯砌及圍巖的主應力分布情況均有所改善。

5　現場監控量測驗證

由于石林隧道所處的地質條件及應力環境的復雜性，為確保隧道建設及后期運營的安全，須對隧道底鼓變形段進行監控量測以便驗證加固措施實施前后和實施過程中隧道穩定性。由福州大學監測組對YK14+ 260～YK14+320段60m范圍進行二襯表面應變、二襯裂縫及仰拱起拱觀測。二襯結構表面應變監測點主要布置在YK14+250～YK14+325里程襯砌存在裂損的區段內，測點沿內輪廓在拱頂、左右拱腰和左右邊墻處布置。裂縫監測主要是跟蹤各時段裂縫寬度變化速率，累計寬度和新增裂縫。仰拱起拱監測共布置9個斷面，每斷面3個測點，共計27個測點。

5.1二次襯砌表面應變監測和裂縫觀測結果

二次襯砌表面應變監測結果表明，在隧道底板施加注漿小導管并換拱回填后，由于隧道仰拱成環使整個受力體系由非穩定結構轉換成穩定結構，襯砌的應變—時間曲線有逐漸趨于穩定的趨勢，這說明底板注漿及仰拱更換之后，整個支護結構性能得到進一步改善。

隧道二襯表面裂縫監測數據的分析表明，由于受施工擾動的影響，隧道圍巖和襯砌結構內力發生重分布，在注漿換拱作業期間二襯混凝土表面局部應力集中導致二襯開裂；但隨著施工的完畢，換拱段內二襯表面裂縫已無明顯擴張狀態且曲線趨于平穩，說明支護結構已漸趨穩定。

5.2仰拱填充層起拱監測分析

換拱前個別斷面路基隆起較明顯，路基隆起速率可達1.50mm/d，表明該段圍巖內部二次應力在此期間處于調整狀態。但換拱施工完畢后，軟巖大變形段內隧道路基鼓起變化急劇減小，累計鼓起均不足0.9mm，路基表面填充層也未出現明顯的隆起，且隆起的時間曲線基本穩定，因此判斷路基及填充層已趨于穩定。

6　結論和展望

（1）隧道仰拱底鼓變形主要原因是隧道仰拱底部圍巖差，無自穩能力，加之長期受水浸泡，圍巖遇水軟化嚴重，發生膨脹變形。施工缺陷造成底鼓變形進一步加劇。

（2）通過數值模擬結果表明：未置換仰拱的情況下，拱頂及仰拱的位移量較大，且隧道邊墻、拱腳和仰拱位置的圍巖存在拉應力集中的情況。采用對仰拱基礎進行小導管注漿并更換仰拱鋼拱架后，拱頂及仰拱的位移量很小，隧道仰拱回填部位及圍巖的主應力分布情況均有所改善。現場監測數據分析后表明數值模擬的結果基本符合現場實際，所以加固方案是可行的。

（3）在隧道修建過程中必須重視仰拱的施工，一定要確保初支鋼拱架成環，形成受力整體。

（4）隧道病害整治可以利用數值模擬得出較客觀的結果后，指導現場施工，具有很強的可行性、適用性。

參考文獻

［1］鐘祖良，劉新榮.桃樹埡隧道底鼓發生機理與防治技術研究.巖土工程學報，2012，34（6）：472-476.

［2］周森.高速公路隧道仰拱底鼓破壞機理分析及處治措施.交通科技，2013（5）：97-108.

［3］胡勝強.某高速公路隧道仰拱底鼓原因分析及處治方案數值模擬.路基工程，2015（3）：238-242.

［4］孫建國，王芳其.地下工程圍巖穩定性的3D-FLAC位移分析.公路隧道，2007（4）.