高地應力軟巖隧道仰拱隆起原因分析及整治方案

王永林

（中鐵十七局集團第一工程有限公司，山東 青島 266555）

隨著中國鐵路網的不斷建設完善，在復雜地形、軟弱圍巖中開挖隧道是不可避免的，隧道病害的產生也在日趨增加。仰拱隆起是隧道常見病害，處理不當會對隧道安全埋下極大隱患[1]。

孔恒等[2]通過現場調研分析，總結了隧底隆起的一般成因，并以此提出4 種隧底隆起的分類形式，歸納了隆起控制的一般原則。萬正等[3]對病害發生段進行現場監測，結合數值模擬手段分析隧道仰拱隆起的原因，并針對性地提出整治措施，取得了良好的技術經濟效益。許召強等[4]對高地應力隧道底隆案例進行調研，總結此類隧道發生隧道底隆的共性條件，并提出了隧道底隆的預判條件。李林毅等[5]結合實際工程，采用數值模擬手段重現強降雨條件下隧道底隆的產生，提出針對性整治措施。高震、馬曉文等[6-7]采用數值模擬手段對泥質軟巖強度降低條件下的隧底隆起變形機理進行研究，研究結果與現場監測規律吻合良好。魏強、楊星智、周旭東等[8-10]依托具體工程，對隧道底隆原因進行分析，并針對病害成因采取相應整治措施，取得了良好效果。雖然對于仰拱隆起及整治措施業內已有較多研究，但受限于地質條件的復雜多樣性，高地應力軟巖隧道仰拱隆起病害原因及整治技術仍需要研究分析。

本文針對某高地應力軟巖隧道仰拱隆起病害，分析其隆起原因，并采取針對性措施對病害地段進行處理，為類似隧道的仰拱隆起病害整治提供思路。

1 工程概況

地質概況：

某隧道為單線雙洞隧道，隧道全長9913m，正線線間距30m。隧道于D8K127+560～D8K128+200 段穿越茂汶活動斷裂帶，埋深410～655m，該段地形陡峻，屬構造剝蝕深切割高中山地貌，地質以千枚巖、炭質千枚巖為主，如圖1 所示。

圖1 隧道地質縱斷面圖

經檢測發現該隧道千枚巖抗壓強度較低，遇水軟化嚴重，三軸壓縮試驗中千枚巖轉化圍壓為5MPa 左右，即在高地應力情況下，圍巖尚未開挖即處于破碎塑性狀態，極易發生擠壓型剪切破壞大變形。

2 仰拱隆起情況及原因分析

2.1 仰拱隆起情況

依據現場監測結果，發現左線多個段落出現仰拱隆起現象，2018 年4 月以后變形速率加劇。2019 年4 月，隆起最高的斷面為D8K127+985 仰拱右側點，隆起值為451mm，各個區段仰拱隆起的情況如下：

（1） 左線存在仰拱隆起現象的段落為D8K127+740～D8K128+010，長270m，位于拱墻二次襯砌未施作段。前后已施作全環二次襯砌的大變形段未監測到仰拱隆起現象。

（2） 仰拱隆起變形量大且速率不衰減。D8K127+740～D8K127+880、D8K127+880～D8K128+000

段累計值為17.99～450.81mm；D8K128+000～D8K128+010段累計值小于50mm。隆起最高斷面為D8K127+985 仰拱右側點，隆起450.81mm。

（3）中巖柱側仰拱隆起突出，嚴重隆起的段落，洞身橫斷面呈右高左低即靠中巖柱側隆起現象尤為突出。

（4）仰拱隆起表現為襯砌整塊上移。對仰拱隆起段進行排查后未發現明顯的縱向裂縫，多為整板仰拱發生變形情況（部分破壞與施工機械碾壓相關）。

2.2 地應力測試

為探明仰拱隆起變形是否與地應力存在直接關系，現場基于應力解除法對左線D8K128+040 斷面靠左側進行了巖體應力測試，測試結果如表1 所示。

表1 左線D8K128+040 斷面靠左側地應力測試結果

結果表明巖體空間三個主應力大小依次為27.510MPa、19.291MPa 和16.350Mpa。綜合現場地質調研情況，該隧道處于高地應力場條件，且測試位置洞軸線與最大主應力最大交角較大，不利于隧道邊墻附近的圍巖穩定。

2.3 松動圈測試

由于部分隆起嚴重地段洞身橫斷面呈右高左低，即靠中巖柱側隆起現象尤為明顯。現場分別采用聲波法、地質雷達對左線D8K127+950 及右線對應地段進行了松動圈測量，測量結果如表2 所示。

表2 松動圈對比測試成果

測試結果顯示松動圈在斷面右側大于左側1m 以上，最大松動圈位于右側拱腰處8.61m。而后隨著左線發生較嚴重開裂破壞，現場對右線D8K127+950 附近再次進行了測試，測試結果如圖2 所示。

圖2 松動圈測試結果

斷面在12 米左右出現圍巖波速峰點，因此說明此斷面松動圈可能達12m 左右。較之前左線大大增加，并貫通中巖柱，說明了左線變形與中巖柱松動承載力降低有直接關系。

2.4 隆起原因分析

綜合各區段仰拱隆起變形情況，并結合地質情況，本文認為地層巖性軟弱、高地應力作用及地下水重分布影響是造成該隧道仰拱隆起大變形的主要成因。

2.4.1 地層巖性

隧道左線穿越茂汶斷裂核部段落長達393m，段落內圍巖主要存在形式為千枚巖，經檢測發現該隧道千枚巖抗壓強度較低，遇水軟化嚴重，三軸壓縮試驗中千枚巖轉化圍壓為5MPa 左右，即在高地應力情況下，圍巖尚未開挖即處于破碎塑性狀態，極易發生擠壓型剪切破壞大變形。

2.4.2 高地應力

隧道穿越茂汶活動斷裂帶，斷面起伏較大，斷層發育復雜，斷層走向N40°E，傾向NW，傾角70～80°，破碎帶寬度300～450m，圍巖整體松散破碎，局部情況更為嚴重，高地應力條件覆蓋該隧道區域。

2.4.3 地下水重分布

從施工階段揭示掌子面情況反映，千枚巖地段本身圍巖處于無水狀態，鄰近段落的大理巖地段富水，圍巖水環境的變化，極容易軟化圍巖，大大降低圍巖強度，而圍巖強度降低又將進一步加劇圍巖的松動，擴大地下水的侵蝕范圍，造成變形難以控制的后果，且這種情況一般對基礎弱化作用更明顯。

綜上所述，該隧道軟巖段仰拱隆起的原因為：在高地應力條件下，由于地下水軟化圍巖，加之先后行洞影響等綜合因素造成的圍巖變形、仰拱隆起。

3 仰拱整治措施及效果

3.1 整治措施

隧道基底圍巖遇水軟化承載力降低是引起仰拱結構破壞的主要因素。因此在研究整治方案時，針對性地對隧道基底圍巖進行加固，并采取有效的隔水措施是保障整治效果的關鍵。結合現有工程經驗綜合考慮后，該隧道采取以下整治方案：

（1）隔水注漿。為將地下水進行有效阻隔，在仰拱隆起地段采用袖閥管全環徑向注漿形成隔水帷幕。

注漿采用φ48×3mm 袖閥管注漿，實現分段注漿，注漿孔徑φ110mm，孔口間距1.2m×2.4m（環×縱），注漿壓力不小于2Mpa，漿液擴散半徑控制在150～200cm范圍。鉆孔設備采用液壓多功能鉆機，功率55kw，采用干作業高速成孔，成孔一孔，即進行袖閥管安裝，套殼料灌注，確保成孔效果及后續注漿效果。

（2）中巖柱加固。中巖柱的承載力是仰拱隆起的重要影響因素。因此為限制中巖柱位移，采用兩側對拉錨索支護的方式可以取得較好效果。

中巖柱預應力錨索分為兩部分，上部設3 根對拉錨索（長度根據布置位置截?。?，下部設2 根拉力型錨索（長度20m），位置位于內軌頂面以上5m 范圍，間距為1.8m×1.5m（縱×環），如圖3 所示。中巖柱邊墻腳錨索與水平方向呈45°斜向下設置，錨索長20m。錨索長度根據實際巖柱厚度截取，單孔6 束張拉控制力為450KN。

圖3 中巖柱錨索布置示意

（3）隧底加強。對未施作仰拱段及仰拱需進行拆換段進行隧底加固處理，具體措施如下：

圍巖注漿加固完成后，對隧底采用微型樁及錨索進行加固。隧底微型約束樁頂位于仰拱填充面下5.5cm 處，豎直鉆設，呈梅花型布置，間距1.2m×1.8m（橫×縱），如圖4 所示。

圖4 隧底微型樁及拉力型錨索示意圖

微型樁鋼筋束由4 根Ф25 鋼筋和Ф42 連接鋼管組成，兩者連接處采用焊接形式，連接鋼管每間隔1m 布置一處，單節長10cm。微型樁鋼筋束頂部設置90°彎鉤并與整體式仰拱鋼筋進行焊接。

錨索設置于側溝底附近部位，間距1.8m，與豎向交角約35°，長20m，并與中巖柱邊墻斜向錨索處于同一部位，以避免與兩線間錨索位置沖突。

3.2 實施效果

完成加固措施后，分別對斷面D8K128+000 的仰拱左側、中間、右側三個位置進行監測，監測結果如圖5 所示。

圖5 仰拱累計變形曲線

從斷面D8K128+000 的監測結果可以看出，仰拱最大隆起值為1.28mm，襯砌完成后兩個月變形波動較大，但整體趨于平穩；自整治措施實施后，仰拱無明顯隆起，其左側S1 累計變形-0.11mm，中部S0 累計變形1.28mm，右側S2 累計變形-0.41mm，監測結果表明整治方案是行之有效的。

4 結論

4.1 該隧道在高地應力、地下水重分布的復合作用影響下，其圍巖條件不斷惡化，進而引發局部地區仰拱發生隆起大變形。

4.2 針對病害原因，對隧底采用徑向注漿隔水、微型樁及錨索進行加固，中巖柱采用兩側對拉錨索支護來抑制仰拱隆起。

4.3 采取整治措施后，現場監控量測數據表明本文整治方案是行之有效的，可為類似工程病害的治理提供參考。