成昆鐵路保安營1號隧道底鼓病害整治技術

鄧 波

（中國鐵路成都局集團有限公司 610082）

0 引言

隨著中國鐵路網的建設，穿越復雜地形與軟弱巖層的隧道越來越多，隧道施工過程中極易發生初期支護剝落、鋼架扭曲、仰拱底鼓等病害。仰拱底鼓是一種常見病害，嚴重影響隧道支護結構的整體穩定，對隧道施工及運營安全造成極大威脅。張恒等[1]總結和分析了隧底隆起破壞的 3種基本外在表現形式，提出了隧底隆起分類的4種基本形式，并總結歸納了隆起控制的一般原則及技術途徑。汪洋等[2]依托云嶺隧道探討了影響隧道底鼓的多種因素并推導了隧道由底板壓彎引起的底鼓的表達式，針對云嶺隧道仰拱底鼓變形的問題提出了整治措施。周森[3]針對某高速公路隧道仰拱底鼓破壞等病害，通過現場調查、破損檢測等方式探明了隧道排水不暢、仰拱圍巖深部破壞、仰拱施工質量不足是該隧道仰拱發生整體底鼓的原因。張建等[4]采用了現場變形觀測、數值模擬等方法對某黃土隧道仰拱底鼓病害機理及發展過程進行了分析，得出了仰拱結構中部產生的拉應力過大導致仰拱產生裂縫。高登[5]以福建省某高速公路隧道底鼓為例，通過地質雷達掃描和鉆孔取芯方式確定了仰拱施工不到位是導致隧道底鼓病害的主要原因。鄧濤等[6]通過對石林隧道現場地質情況的調查及底鼓災害的特征分析，表明石林隧道底鼓災害是一種集遇水膨脹性和擠壓流動性為一體，且極具時效變形特性的綜合型底鼓，其中隧道底板巖層彎曲失穩引起的底鼓量起控制作用。鐘祖良等[7]依托桃樹埡隧道，利用連續介質力學原理對底板巖層壓曲、膨脹和流變引起的底鼓量計算理論進行推導，并通過現場監測證明了該理論的正確性。張文濤[8]等提出3個假設條件對薄板壓曲微分方程進行簡化，并歸納出影響隧道仰拱底鼓的七個關鍵點。陳鴻[9]等介紹了錨桿對控制膨脹土隧道底鼓的作用和效果，并提出了膨脹土隧道仰拱施工的相關建議。胡勝強[10]針對某高速公路隧道出現的仰拱底鼓破壞，采用全面疏通排水設施的方法，利用導管注漿+鎖腳+錨桿加固措施進行整治，并通過有限元軟件驗證了加固措施的可行性。

上述研究分別對隧道底鼓產生的機理與整治方法進行了探討，但研究針對的隧道通常仰拱底鼓段圍巖巖性較差，大多為軟弱圍巖且具有一定的膨脹性，對于成昆鐵路保安營1號隧道此類地質條件較好，圍巖等級較高卻發生較大程度仰拱底鼓的隧道破壞機理與整治方法是否相似尚未可知。本文針對成昆鐵路保安營1號隧道施工期間出現的底鼓開裂現象，分析底鼓病害產生原因并對已出現的隧道仰拱開裂及底鼓段落進行整治，調整未施工段支護方案，為類似工程提供參考。

1 工程概況

成昆鐵路保安營 1號隧道為單線隧道，地處四川省攀枝花市，全長13326m，設計時速為80km/h。由野外調查、鉆探和物探資料可知，隧址區屬構造剝蝕高中山地貌單元，地形起伏較大，地面高程980～2010.8m，相對高差 200～1000m，自然坡度 15～55o不等，局部形成陡崖。地表溝谷總體不發育，本隧道為越嶺隧道，最大埋深約887m。主要地質構造以南北向和北東向斷裂構造為主，褶皺構造次之，且具有明顯的繼承性和多期活動性特點。隧區出口工區為第三系昔格達組（N2x）頁巖夾砂巖，元古界康定群大田組上段（Pt1d2）混合巖、角閃巖夾云母片巖、花崗巖，晉寧期（δo2）花崗閃長巖；進口工區主要為晉寧期（δo2）花崗閃長巖。埋深大于400m地段隧道通過地層以晉寧期花崗閃長巖及三疊系上統寶鼎組（T3bd1）砂巖、頁巖互層夾炭質頁巖、礫巖及煤為主。

隧道采用新奧法原理設計與施工。施工全環設置I20b型鋼架，初期支護拱部采用Φ8mm鋼筋網，間距為20×20mm；噴射混凝土為C25混凝土，全環厚度為 27cm；二襯采用 C35鋼筋混凝土。復合式襯砌的具體情況如圖 1所示。

圖1 復合式襯砌設計圖Fig.1 Design diagram of composite lining

保安營1號隧道在隧道掘進過程中，部分段落出現拱部初支混凝土的剝落、掉塊和開裂現象，局部型鋼鋼架變形，如圖2所示。正洞多個段落出現隧底仰拱開裂的現象，包括 LXD4K4+873～+988、LXD4K4+218～+252、LXD4K+257～+267、LXD4K4+285～+303、LXD4K4+340～+375、LXD4K4+400～+414、LXD4K4+833～+873、LXD4K4+988～LXD4K5+022共 8段總長293m仰拱填充層出現裂紋，如圖3所示。底鼓段落地層巖性為三疊系上統寶鼎組下段（T3bd1）砂巖、頁巖互層夾炭質頁巖及煤線，薄層～中厚層狀，位于舒緩向斜，巖層近水平狀緩傾，如圖4所示。

圖2 隧道初支剝落、鋼架變形扭曲Fig.2 Spalling of initial support of tunnel and deformation and distortion of steel frame

圖3 LXD4K4+218～+252段仰拱填充裂紋Fig. 3 Cracks in concrete filling layer of inverted arch at section LXD4K4 + 218～+252

圖4 LXD4K4+892～+955掌子面Fig. 4 Tunnel face of LXD4K4 + 892～+ 955

保安營1號隧道在隧道掘進過程中，多個段落出現仰拱底板隆起的現象，其中1號斜井X1DK1+342～+255段仰拱隆起現象較為嚴重，底板最大隆起高度約1m，且該段邊墻出現開裂，部分地段邊墻噴射混凝土出現剝落，如圖5所示。正洞LXD4K4+873～+988段（115m）仰拱于施工完成后7天左右表面出現縱向開裂，裂紋基本沿隧道中心線混凝土填充層縱向發展，表面呈閉合～微張狀，寬度0～5mm，肉眼觀察隆起不明顯。進口工區LXD4K4+218～+252、LXD4K4+257～+267、LXD4K4+285～+303、LXD4K4 +340～+375、LXD4K4+400～+405、LXD4K4+412～+414和 1號斜井工區 LXD4K4+833～+873、LXD4K4+988～LXD4K5+000、LXD4K5+000～+022段正洞工區存在隧道底鼓現象，隧道底鼓長度總計178m。1號斜井隧底隆起段巖性以薄層狀頁巖、炭質頁巖為主，偶夾薄～中厚層狀粉砂巖，屬軟質巖。正洞開裂段巖性為三疊系上統寶鼎組下段（T3bd1）砂巖、頁巖互層夾炭質頁巖、礫巖及煤，緩傾巖層，Ⅲ級圍巖，采用Ⅲh型復合襯砌（二襯采用素混凝土40cm厚、拱墻鋼架、仰拱矢跨比1/12）。

圖5 X1DK1+342～+255段底板隆起、邊墻開裂Fig. 5 Floor heave and side wall cracking of X1DK1 + 342～+ 255

2 底鼓發育及原因分析

針對保安營1號隧道出現的底鼓及仰拱開裂情況，在上述底鼓及仰拱開裂段落內，以不同間距共布置19個監測斷面，每個監測斷面布置2個監測點，測量點位置分別位于仰拱裂紋的左、右側0.1m處。根據對開裂段落監測斷面的長期監測及分析，其中LXD4K4+230斷面為底鼓開裂最大處，開裂寬度達到47.82mm，該斷面監測點仰拱開裂底板隆起趨勢如圖5所示。

圖5 LXD4K4+230觀測點仰拱開裂（張開）底板隆起趨勢圖Fig. 5 Heave tendency of inverted arch cracking (opening) floor at LXD4K4 + 230 observation point

為了分析隧道仰拱開裂與底板隆起的原因，對仰拱底鼓斷面圍巖進行試驗分析，并于保安營 1號隧道入口 LXD4K3+770、1號斜井 X1DK0+580、X1DK0+920和2號斜井LXD4K8+460、LXD4K8+190處設置地應力測點，采用應力解除法對該5個測點的地應力測試工作，地應力測試鉆孔位置如表1所示。

仰拱開裂段為砂巖夾頁巖、局部夾炭質頁巖的Ⅲ級圍巖，薄層狀～中厚層，巖層產狀N20～30°W/2～7°SW，為近水平狀的緩傾巖層，線路標高處于竹木山（保安營）“碗狀”舒緩向斜“碗底”一帶。根據巖樣試驗可得，砂巖取樣試驗巖石單軸飽和抗壓強度Rc平均值50.9MPa，屬硬質巖，鉆孔分層砂巖占比85～94%，頁巖單軸飽和抗壓強度Rc平均值27.8MPa，屬較軟巖，占比 6～15%。隧底鉆孔和掌子面揭示圍巖較完整為主，局部較破碎，無地下水發育，圍巖符合Ⅲ級圍巖條件。

地應力測試結果如表1所示。根據地應力測試可得，保安營1號隧道地應力水平相對較高，屬于高應力區，保安營1號隧道2號斜井（LXD4K8+190）附近地應力水平相對較高，屬于極高地應力區。

表1 各測點地應力測試結果Tab.1 In-situ stress evaluation of measuring point

正洞隧底仰拱開裂段隧道埋深 500m～640m，埋深較大。隧道實測最大水平主應力為21.69MPa，垂直主應力15.24MPa，最小水平主應力12.68MPa，地應力狀態以水平向的構造應力為主。水平向的構造應力水平明顯偏高，最大主應力方向與隧道走向接近垂直（87°），對隧道穩定性最為不利，埋深及較高應力具備產生圍巖變形的地質條件，這是導致局部區段產生緩傾巖層隧底開裂及輕微隆起變形的力學原因。施工過程中出現的拱頂噴射混凝土剝落、鋼架扭曲變形、隧底隆起等病害，主要原因是高地應力環境下近水平、中薄和軟硬相間巖層的彎曲變形。

3 底鼓整治措施

針對已出現的仰拱開裂段落，先進行邊墻、仰拱一起拆除，調整仰拱曲率，按新仰拱曲率施作仰拱鋼架，并對仰拱、邊墻重新進行配筋，恢復邊墻、仰拱二襯。

仰拱整治施工工序：邊墻腳打設錨桿→跳槽拆除局部溝槽、邊墻底并設置 I20b支頂型鋼→跳槽拆除仰拱填充及仰拱→清除基底軟化巖體→及時施作仰拱封閉噴混凝土→恢復瓦斯隔離層→施做仰拱襯砌及養護→恢復溝槽、仰拱填充并養護。仰拱整治具體工序如下：

（1）在隧道兩側的水溝蓋板頂面下方施做拱墻鎖腳錨桿，錨桿采用Φ32精軋螺紋鋼筋。

（2）采用機械拆除隧道兩側的水溝電纜槽。

（3）左右側邊墻底跳槽開挖采用機械破碎，每次跳槽長度不大于4m。跳槽開挖后，設置I20b型鋼支頂邊墻底臨空面，按I20b鋼架縱向間距1m/榀進行設置。

（4）開挖圍巖調整仰拱曲率為1/6，隧底虛渣必須清理干凈。

（5）拆除舊混凝土后，應將新舊混凝土結合處鑿毛并采用高壓水沖洗干凈，鋪設邊墻、仰拱閉孔型泡沫塑料墊層、防水板，保證搭接長度不小于15cm。

（6）邊墻底部植入Φ22鋼筋作為邊墻與仰拱的接茬，縱向間距25cm；相鄰段仰拱填充層底部植入Φ22鋼筋,長度1m，穿過接縫50cm作為接；采用鉆孔植筋的方式，植筋埋入既有二襯長度不少于500mm，以保證新舊混凝土之間連接良好。

（7）安裝型鋼鋼架，封閉噴混凝土。安裝過程中鋼架定位要準確，靠圍巖側利用砌塊楔緊，縱向連接筋將各榀鋼架連接牢靠。

（8）施工鋼筋混凝土仰拱、仰拱填充（仰拱和仰拱填充應分層澆筑）。

針對隧道未施工段落，為了避免出現隧道底鼓的現象，采用調整支護參數及斷面形式等加強方案。

由于正確分析了保安營隧道底鼓病害產生的原因，采取相應措施對已出現的仰拱開裂與底鼓段落進行整治，并調整支護方案避免未施工段出現此類現象，有效地控制了隧道底鼓的發生，確保了保安營1號隧道的施工運營安全。

4 結論及建議

（1）基于保安營隧道仰拱底鼓段落地應力測試可知，保安營 1號隧道地應力水平較高，符合高地應用和極高地應力條件。

（2）在高地應力條件下，近水平、中薄和軟硬相間巖層的彎曲變形是保安營隧道施工過程中產生仰拱底鼓的主要原因。

（3）基于本隧道底鼓原因的分析，針對已經施工仰拱段采用拆除重建方案；對未施工段隧道支護參數及仰拱曲率進行調整。結果表明，采取處治措施有效解決了底鼓問題