復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道仰拱開(kāi)裂病害分析與治理研究

蔡 濤

(中鐵十四局鐵正檢測(cè)科技有限公司 山東濟(jì)南 250014)

1 引言

仰拱是隧道中用于調(diào)整上部結(jié)構(gòu)受力、協(xié)調(diào)整體結(jié)構(gòu)變形的一種反向拱結(jié)構(gòu)，是隧道結(jié)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)之一。仰拱作為隧道的主要承載結(jié)構(gòu)，對(duì)于改善隧底圍巖受力平衡、提高隧道整體性有著重要作用。然而，近年來(lái)在隧道建設(shè)施工過(guò)程中，“重上部、輕下部；重襯砌，輕隧底”的現(xiàn)象屢見(jiàn)不鮮，加上地質(zhì)條件復(fù)雜、設(shè)計(jì)和施工技術(shù)不合理等原因，仰拱病害情況經(jīng)常發(fā)生，給后期隧道的運(yùn)營(yíng)安全帶來(lái)了極大隱患[1－3]。

針對(duì)仰拱病害，眾多學(xué)者和技術(shù)人員開(kāi)展了大量的研究工作。周森[4]針對(duì)公路隧道常發(fā)生的底鼓和襯砌結(jié)構(gòu)變形的病害進(jìn)行分析，提出了多方式支護(hù)、注漿等技術(shù)治理方法。白國(guó)權(quán)等[5]研究了平(遠(yuǎn)街)鎖(龍寺)高速公路飛魚(yú)澤隧道裂縫處治問(wèn)題，制定相應(yīng)處治的施工程序。王立川等[6]通過(guò)采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查測(cè)試、理論分析和數(shù)值計(jì)算等手段，分析總結(jié)了隧道底部結(jié)構(gòu)隆起的主要成因，提出治理隧道底部結(jié)構(gòu)隆起的方向性建議。丁冬冬等[7]針對(duì)寶蘭客專上莊隧道發(fā)生的底鼓現(xiàn)象，通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)隧道可能發(fā)生軟泥巖軟化導(dǎo)致隧道仰拱變形進(jìn)行了計(jì)算。鄭波等[8]特別針對(duì)地下水對(duì)隧道底部結(jié)構(gòu)開(kāi)裂進(jìn)行了研究，認(rèn)為水壓力和圍巖壓力的共同作用是隧道仰拱病害產(chǎn)生的重要因素。田向斌等[9]分析了涌水及仰拱裂縫發(fā)生原因，提出了采用以疏為主和地表、洞內(nèi)仰拱加固措施的綜合治理方法。趙建邦[10]研究了臨縣至離石高速公路白家山1號(hào)隧道仰拱開(kāi)裂情況及處治方案。

上述研究為隧道仰拱病害的治理奠定了基礎(chǔ)，在工程實(shí)際中也取得了很好的效果。但總的來(lái)說(shuō)，目前對(duì)于復(fù)雜地質(zhì)條件下的公路隧道仰拱病害研究相對(duì)較少，特別是對(duì)病害的形成原因缺乏試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐和理論依據(jù)。本研究以昆明繞城高速楊林隧道為研究對(duì)象，提出公路隧道仰拱受力模型，采用監(jiān)控量測(cè)和質(zhì)量檢測(cè)相結(jié)合的方式綜合分析了復(fù)雜地質(zhì)條件下公路隧道仰拱開(kāi)裂的原因，并提出了相應(yīng)的治理措施。

2 工程概況

楊林隧道出口位于宜良縣北古城鎮(zhèn)，隧道為雙向六車道分離式隧道，單洞平均開(kāi)挖斷面約150 m2。左線里程為ZK19＋740～ZK22＋712，長(zhǎng)度為2 972 m；右線里程為K19＋740～K22＋690，長(zhǎng)度為2 950 m。其中，Ⅲ級(jí)圍巖1 460 m，Ⅳ級(jí)圍巖3 200 m，Ⅴ級(jí)圍巖1 255 m。除出口段右幅1 333.349 m位于半徑1 752.213 m、左幅1 370.665 m位于半徑1 714.246 8 m的曲線外，其余均位于直線上。右幅縱坡為－1.98%，起點(diǎn)K19＋740設(shè)計(jì)高程為1 833.35 m，終點(diǎn)K22＋680設(shè)計(jì)高程為1 774.50 m；左幅縱坡為－1.98%，起點(diǎn)ZK19＋740設(shè)計(jì)高程為1 834.31 m，終點(diǎn)ZK22＋680設(shè)計(jì)高程為1 774.48 m。本合同段內(nèi)右幅隧道最大埋深約為290 m，左幅隧道最大埋深約為299 m。

A3工區(qū)段內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造較為發(fā)育，地勢(shì)起伏較大，地貌上主要屬構(gòu)造侵蝕中山地貌(巖溶發(fā)育)，出露地層主要為澄江組砂巖、泥巖，燈影組白云巖、灰?guī)r，滄浪鋪組石英砂巖、泥質(zhì)頁(yè)巖、云母質(zhì)石英砂巖，湯池組泥巖、砂巖，泥盆系白云巖。白云質(zhì)灰?guī)r，二疊系倒石頭組主要巖性為淺灰、灰黃、紫紅色細(xì)粒石英砂巖、鋁土巖、黏土質(zhì)頁(yè)巖，部分地段夾炭質(zhì)泥巖、煤層或煤線和泥晶灰?guī)r，棲霞茅口組灰?guī)r，峨眉山組玄武巖。該線路區(qū)沖溝發(fā)育，坡體上植被發(fā)育，人類活動(dòng)主要為耕種。該線路區(qū)的主要工程地質(zhì)問(wèn)題為隧道開(kāi)挖時(shí)斷裂造成的破碎垮塌和碳酸巖區(qū)的溶洞、涌水、瓦斯等問(wèn)題；另外，應(yīng)該引起注意的是該線路在K19～K21段經(jīng)過(guò)草海子煤礦礦區(qū)，采煤形成了采空區(qū)及塌陷區(qū)，對(duì)隧道的修建有較大影響。通過(guò)以上情況可以發(fā)現(xiàn)，該公路隧道總體地層結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜且出露地層較多。

3 隧道結(jié)構(gòu)病害情況

隧道2017年10月26日于K19＋903發(fā)生大規(guī)模突水涌泥后，對(duì)K19＋879～K19＋921段42 m范圍進(jìn)行了加強(qiáng)變更設(shè)計(jì)，將該段仰拱厚度由70 cm增加至1 m，仰拱填充面厚度由2 m增加至2.6 m。同時(shí)，在初期支護(hù)面上增加間距1 m×1 m的徑向6 m范圍全斷面注漿加固措施。K19＋863～K19＋943段仰拱填充層內(nèi)增設(shè)橫向和縱向碎石盲溝。橫向盲溝每3 m增設(shè)一道，縱向盲溝在隧中增設(shè)一道。另外，在K19＋879～K19＋921段襯砌背后增設(shè)了縱向、環(huán)向波紋管排水管道。

隧道K19＋770～K19＋904段仰拱填充面在二襯施工完成及多雨季節(jié)后逐步出現(xiàn)了縱向裂縫(見(jiàn)圖1)，特別是在2018年7月31日到8月4日連續(xù)降雨的情況下，仰拱裂縫寬度明顯加大，最大處達(dá)到15 mm左右，且產(chǎn)生橫向發(fā)展、縱向延伸趨勢(shì)，局部地段仰拱明顯下沉。K19＋903邊墻位置處再次發(fā)生涌突水(見(jiàn)圖2)，水量較大。沿出口方向因仰拱填充面上積水嚴(yán)重，暫時(shí)無(wú)法觀察該段仰拱面上是否也出現(xiàn)類似小里程方向的裂縫。隧道裂縫示意見(jiàn)圖3。K19＋850處出現(xiàn)裂縫涌水，水量較大。

圖1 仰拱裂縫開(kāi)裂

圖2 隧道內(nèi)涌突水

圖3 隧道仰拱裂縫示意

4 仰拱結(jié)構(gòu)病害機(jī)理分析

隧道仰拱受力較為復(fù)雜，特別是在初支結(jié)構(gòu)已經(jīng)穩(wěn)定、二襯已經(jīng)完成的情況下，整體隧道已經(jīng)完成封閉成環(huán)，結(jié)構(gòu)整體性已經(jīng)形成，受力較為均勻，此時(shí)某個(gè)結(jié)構(gòu)的突出受力有可能會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的變形損傷。仰拱作為隧道受力平衡的一部分，易受到外界環(huán)境和施工技術(shù)的影響。因此，對(duì)楊林隧道仰拱開(kāi)裂情況進(jìn)行分析，需要采用結(jié)構(gòu)受力分析與試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方式開(kāi)展[11－12]。

隧道整體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。利用重心原理理論可確定隧道仰拱部分的薄弱損傷區(qū)和應(yīng)力集中位置。仰拱受力分析模型見(jiàn)圖5。其中，O為受力支點(diǎn)；F為襯砌圍巖的集中受力荷載；Fx和Fy分別為襯砌圍巖在水平和豎直方向的受力分量；G1和G2分別為分布在邊墻襯砌和仰拱及圍巖上的自重力。

圖4 隧道整體結(jié)構(gòu)模型

圖5 仰拱受力分析模型

由于結(jié)構(gòu)特征在水平方向的分力遠(yuǎn)小于豎直方向的分力，即Fx遠(yuǎn)小于Fy，所以，在隧道受力分析過(guò)程中，水平方向的分力可以忽略不計(jì)。如果支點(diǎn)O到邊墻重心的距離為X1，距仰拱薄弱區(qū)的距離為X2，可建立力矩平衡方程:

從式(1)可以看出，隧道完成襯砌和仰拱施工后，隧道即達(dá)到整體穩(wěn)定。而當(dāng)隧道由于施工不規(guī)范或者受到其他外力(如水壓力)作用時(shí)隧道受力平衡被打破，造成仰拱產(chǎn)生變形，產(chǎn)生圖6所示仰拱隆起現(xiàn)象。

圖6 隧道仰拱開(kāi)裂隆起示意

因此，在處置楊林隧道仰拱開(kāi)裂病害時(shí)，需要考慮仰拱受到外力作用而產(chǎn)生的薄弱區(qū)問(wèn)題。此外，由于隧道受力復(fù)雜，還需要對(duì)襯砌和仰拱結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的質(zhì)量檢測(cè)，以驗(yàn)證薄弱區(qū)分析的科學(xué)性。

5 質(zhì)量檢測(cè)與分析

5.1 襯砌結(jié)構(gòu)檢測(cè)

分別采用雷達(dá)無(wú)損檢測(cè)、襯砌強(qiáng)度回彈檢測(cè)和襯砌變形監(jiān)測(cè)，分析襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。雷達(dá)無(wú)損檢測(cè)為K19＋750～K19＋950區(qū)域，分為拱頂、左右拱腰和左右邊墻五條線；襯砌強(qiáng)度回彈檢測(cè)分別對(duì)K19＋930～K19＋940、K19＋911～K19＋921、K19＋879～K19＋891、K19＋857～K19＋868、K19＋834～K19＋846、K19＋834～K19＋822、K19＋810～K19＋798、K19＋774～K19＋786、K19＋750～K19＋762、K19＋740～K19＋750里程段襯砌混凝土進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)定；襯砌變形監(jiān)測(cè)分為拱頂沉降和周邊收斂，周邊收斂分為拱腰收斂和邊墻收斂，測(cè)點(diǎn)分別為 K19＋755、K19 ＋785、K19 ＋809、K19 ＋832、K19＋867、K19＋892、K19＋910、K19＋940八個(gè)斷面。

5.2 仰拱質(zhì)量檢測(cè)

檢測(cè)分析仰拱病害情況，主要對(duì)仰拱內(nèi)部結(jié)構(gòu)情況進(jìn)行了解，從而可以分析仰拱病害發(fā)生和發(fā)展。分別開(kāi)展仰拱取芯分析和仰拱隆起檢測(cè)，取芯段為K19＋940、K19 ＋905、K19 ＋890、K19 ＋850、K19 ＋800、K19＋750斷面，共計(jì)六個(gè)斷面18個(gè)鉆孔；隆起檢測(cè)分為K19＋755、K19＋785、K19＋809、K19＋832、K19＋867、K19＋892、K19＋910、K19＋940八個(gè)斷面。

5.3 結(jié)果驗(yàn)證及病害原因分析

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)分析，可以得到以下結(jié)果:

(1)所檢測(cè)測(cè)線范圍內(nèi)襯砌出現(xiàn)3處不密實(shí)，除個(gè)別存在施工縫鋼筋少的情況，未發(fā)現(xiàn)少筋情況。

(2)里程段襯砌混凝土強(qiáng)度回彈法檢測(cè)，設(shè)計(jì)強(qiáng)度為35 MPa，推定值分別為 46.9 MPa、38 MPa、41.8 MPa、44.1 MPa、43.5 MPa、45.3 MPa、42 MPa、42.2 MPa、41.9 MPa、42 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

(3)對(duì)襯砌拱頂沉降和周邊收斂進(jìn)行分析，拱頂沉降很小，周邊收斂變化較小，平均累計(jì)變形量在1 mm以內(nèi)，可以認(rèn)為襯砌結(jié)構(gòu)不變形。具體見(jiàn)圖7～圖9。

圖7 拱頂沉降數(shù)據(jù)

圖8 拱腰收斂數(shù)據(jù)

圖9 邊墻收斂數(shù)據(jù)

(4)仰拱芯樣強(qiáng)度檢測(cè):K19＋940、K19＋905、K19＋890、K19＋850、K19＋800、K19＋750斷面芯樣強(qiáng)度分別為 9.7 MPa、11.9 MPa、4.6 MPa、10.4 MPa、17.0 MPa、6.8 MPa，設(shè)計(jì)強(qiáng)度 15 MPa，強(qiáng)度合格斷面僅1處，為 K19＋800斷面的 17.0 MPa，合格率16.7%。芯樣外觀情況:K19＋940斷面芯樣不完整、不成形，下部為夾泥噴錨料；K19＋800斷面芯樣不完整、不成形，芯樣中部夾雜混凝土骨料碎石；K19＋905、K19＋890、K19＋850、K19＋750共4個(gè)斷面表面氣泡密集。芯樣長(zhǎng)度情況:18個(gè)孔均鉆透混凝土層至基巖，其中芯樣長(zhǎng)度滿足設(shè)計(jì)混凝土厚度的有3處，占比16.7%，其余芯樣長(zhǎng)度均不滿足設(shè)計(jì)要求。

(5)仰拱在監(jiān)測(cè)中存在數(shù)據(jù)的波動(dòng)，整體累計(jì)變化量不是很大，但個(gè)別斷面日最大變化速率較大；數(shù)據(jù)呈現(xiàn)較大波動(dòng)，數(shù)據(jù)變化受天氣影響較為明顯，大部分?jǐn)嗝嬖诮涤昶陂g呈現(xiàn)明顯隆起，數(shù)據(jù)較大，在天氣轉(zhuǎn)好后又出現(xiàn)下降現(xiàn)象；且鉆孔取芯后的鉆孔大多出現(xiàn)涌水情況，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)圖10。

圖10 仰拱沉降變形

對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行的雷達(dá)檢測(cè)、回彈強(qiáng)度檢測(cè)和監(jiān)控量測(cè)分析，可知襯砌結(jié)構(gòu)不存在明顯的結(jié)構(gòu)問(wèn)題，強(qiáng)度達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。監(jiān)控量測(cè)分析拱頂沉降和周邊收斂變化不明顯，可以認(rèn)為襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，沒(méi)有受到破壞；仰拱取芯檢測(cè)中，從數(shù)據(jù)可以看出，強(qiáng)度、密實(shí)性、外觀大多不滿足設(shè)計(jì)要求，隆起較為明顯，且現(xiàn)場(chǎng)取芯后鉆孔出現(xiàn)涌水，可以判定仰拱底部受到水壓侵蝕，仰拱受到損傷，產(chǎn)生損傷區(qū)，G2產(chǎn)生變化，襯砌結(jié)構(gòu)不變，可以認(rèn)為G1不變(見(jiàn)圖5)。因此可以斷定仰拱開(kāi)裂的原因?yàn)檠龉皳p傷和水壓影響導(dǎo)致，從而也驗(yàn)證了重心原理的正確性；同時(shí)還要認(rèn)識(shí)到，由于仰拱不斷受到水壓侵蝕，G2會(huì)持續(xù)變化，最終導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)的變形。因此亟需在襯砌結(jié)構(gòu)變形之前對(duì)仰拱開(kāi)裂病害進(jìn)行整治。

6 處治方法探究

對(duì)隧道仰拱病害的處治關(guān)鍵在于對(duì)仰拱薄弱區(qū)的處理，楊林隧道病害產(chǎn)生主要原因有兩個(gè):一是隧道仰拱施工未達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，是造成仰拱病害的主要原因；二是仰拱下涌水問(wèn)題，水壓侵蝕也是造成仰拱不密實(shí)、強(qiáng)度下降的重要原因。

(1)采用型鋼進(jìn)行混凝土加固結(jié)合疏導(dǎo)排水的加固方案。

(2)對(duì)仰拱薄弱區(qū)進(jìn)行錨固加固。

(3)拆除部分仰拱，更改設(shè)計(jì)方案，重新施作仰拱。

(4)采用小導(dǎo)管注漿堵水加置換仰拱的處治方案。

仰拱病害對(duì)隧道安全影響較大，合理的處治方案能夠安全地處理仰拱病害問(wèn)題，將損失降到最低。在各方案實(shí)施過(guò)程中，要把握工序的順序性、施工技術(shù)的完整性以及施作時(shí)機(jī)。

7 結(jié)論

本文以楊林隧道為背景，針對(duì)隧道發(fā)生的仰拱開(kāi)裂、涌水問(wèn)題進(jìn)行綜合分析，采用受力分析、監(jiān)控量測(cè)和質(zhì)量檢測(cè)相結(jié)合的方法，對(duì)病害產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行分析，并針對(duì)病害的誘發(fā)原因提出了合理的綜合治理方案。主要研究工作總結(jié)如下:

(1)針對(duì)仰拱開(kāi)裂和涌水情況，提出隧道薄弱區(qū)受力模型，采用力矩平衡原理對(duì)仰拱病害進(jìn)行受力分析，并提出了合理建議。

(2)采用無(wú)損雷達(dá)、回彈和監(jiān)控量測(cè)的綜合方法對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證，最終判定襯砌結(jié)構(gòu)在復(fù)雜地質(zhì)條件下的穩(wěn)定情況。

(3)采用監(jiān)控量測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取芯方法對(duì)仰拱進(jìn)行檢測(cè)，分析得出仰拱受到較大損傷是病害產(chǎn)生的主要因素的結(jié)論。