隧道底鼓的變形研究及處治措施

李登峰 謝錦鴻

（中國(guó)五冶集團(tuán)有限公司八公司，成都 610063）

隨著我國(guó)鐵路工程深埋山嶺隧道工程不斷涌現(xiàn)，山嶺隧道開挖斷面大、埋深大的特點(diǎn)使其在穿越高地應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力較大區(qū)域時(shí)，頻繁出來(lái)底部隆起變形病害（底鼓）。

針對(duì)隧道底鼓病害，學(xué)者們開展了一系列研究。張建等［1］利用有限元對(duì)黃土隧道底鼓進(jìn)行研究，結(jié)果表明仰拱填充不均勻是隧道底鼓產(chǎn)生的原因；高登［2］通過對(duì)隧道仰拱處進(jìn)行受力監(jiān)測(cè)，認(rèn)為仰拱不合理施工是導(dǎo)致底鼓的主要原因；楊建民等［3］通過對(duì)隧道進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，認(rèn)為仰拱剛度不夠、錨桿長(zhǎng)度不足是導(dǎo)致隧道底鼓發(fā)生的主要原因；屈小七等［4］分析了隧道底鼓原因，提出了底鼓防治措施；劉建國(guó)等［5］對(duì)膨脹土引起了隧道底鼓進(jìn)行了研究，通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)提出了優(yōu)化施工組織的方法，達(dá)到了控制底鼓進(jìn)一步變形的目的；王崇艮等［6］認(rèn)為紅層緩傾巖層地段隧道底鼓主要受仰拱強(qiáng)度和曲率的影響，設(shè)計(jì)時(shí)未充分考慮圍巖強(qiáng)度和不重視錨桿的設(shè)計(jì)也是導(dǎo)致隧道底鼓現(xiàn)象發(fā)生的原因［7-8］；鄭長(zhǎng)青等［9］認(rèn)為豎向高地應(yīng)力與仰拱底鼓量呈現(xiàn)線性關(guān)系；田洪銘等［10］認(rèn)為高地應(yīng)力條件下，隧道仰拱和邊墻連接處會(huì)因應(yīng)力集中而導(dǎo)致隧道底鼓的發(fā)生。

目前，針對(duì)高地應(yīng)力條件下隧道底鼓的起因和處理措施的研究較少，因此，本文以某隧道段為例，利用MIDAS 數(shù)值模擬軟件對(duì)高地應(yīng)力條件下發(fā)生的隧道底鼓開展研究，并提出治理措施，研究成果可為同類型隧道提供參考。

1 工程概況

研究隧道位于青藏高原與四川盆地過度地帶，跨越大巴山區(qū)和四川盆地，地形條件復(fù)雜。隧址具體位于米倉(cāng)山脈，嘉陵江左岸，出口緊鄰嘉陵江，山勢(shì)陡峻。隧址區(qū)地面高程530～1 080 m，相對(duì)高差最大約565 m，隧道埋深190～560 m。

隧道洞身依次穿越三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組四段（T1f4）泥巖、頁(yè)巖夾泥灰?guī)r、灰?guī)r；一、二段（T1f1+2）頁(yè)巖夾泥灰?guī)r、灰?guī)r；銅街子組二段（T1t2）頁(yè)巖、泥灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r；中統(tǒng)雷口坡組（T2l）灰?guī)r、白云巖夾頁(yè)巖、泥灰?guī)r；下統(tǒng)嘉陵江組（T1j）灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r夾巖溶角礫巖、頁(yè)巖、泥灰?guī)r三套地層巖性。

根據(jù)地勘報(bào)告，隧道K 367+040～ K 367+060底鼓段巖土體的力學(xué)性質(zhì)如表1所示。應(yīng)力測(cè)試采用澳大利亞的空心包體應(yīng)力傳感計(jì)，共選擇3 個(gè)不同的測(cè)試點(diǎn)，得到的地應(yīng)力數(shù)據(jù)如表2和表3所示。

表1 巖土體力學(xué)性質(zhì)表

表2 代表性測(cè)點(diǎn)地應(yīng)力測(cè)試成果表

由表2和表3可知，3 個(gè)測(cè)點(diǎn)隧道外13～15 m 處圍巖最大主應(yīng)力10.2～18.9 MPa，巖石單軸抗壓強(qiáng)度和最大主應(yīng)力的比值為0.5～3，根據(jù)國(guó)內(nèi)規(guī)范圍巖處于極高地應(yīng)力狀態(tài)［11］；從水平主應(yīng)力與上覆自重應(yīng)力的比值為1.5～2.5 可知，圍巖處在較高或高地應(yīng)力狀態(tài)。結(jié)合隧道圍巖體擠壓變形程度、變形量級(jí)、速率以及滑移區(qū)范圍，分別選擇3 個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試，經(jīng)計(jì)算3 個(gè)測(cè)點(diǎn)最大主應(yīng)力σ1平均值為14.6 MPa、最小主應(yīng)力σ3平均值為7.2 MPa，差值為7.4 MPa；灰?guī)r天然單軸抗壓強(qiáng)度平均值為7.2 MPa。

表3 3 個(gè)測(cè)點(diǎn)最大主應(yīng)力σ1 值表

2 數(shù)值模擬

2.1 模型的建立

為研究區(qū)域建立數(shù)值模型，模型邊界長(zhǎng)度×高度為90 m×60 m，延伸20 m。試算結(jié)果表明，超過此邊界隧道的受力和位移變化不大，此邊界合理。隧道采用CD 法進(jìn)行開挖，開挖面左邊采用5 根錨桿，右邊采用6 根錨桿進(jìn)行初期支護(hù)。

假定初期支護(hù)混凝土（C30）和二襯混凝土（C35）和錨桿為彈性材料，以上3 種材料均采用結(jié)構(gòu)單元，基本參數(shù)和屬性選取如表4和表5所示。三維模型（包括巖土體）共15 942 個(gè)單元，12 031 個(gè)節(jié)點(diǎn)。

表4 隧道結(jié)構(gòu)參數(shù)表

表5 隧道模型屬性表

2.2 模型的計(jì)算步驟

模型建立以后，按照巖土體的相應(yīng)性質(zhì)進(jìn)行賦值，巖土體采用莫爾庫(kù)侖模型，同時(shí)施加自重和約束，對(duì)隧道巖土體施加初始地應(yīng)力，初始地應(yīng)力施加以后，對(duì)巖土體位移清零。

巖土體位移清零以后施加地應(yīng)力（表2和表3），并對(duì)巖土體和支護(hù)措施的性質(zhì)進(jìn)行賦值（表4和表5），賦值完成后實(shí)施開挖（每2 m 開挖1 次，共計(jì)開挖10次）和添加支護(hù)等措施（開挖后立即進(jìn)行支護(hù)），最后計(jì)算至隧道平衡，收斂精度為1e-5。

2.3 模擬結(jié)果

2.3.1 圍巖變形分析

隧道整體豎向位移如圖4和圖5所示。

圖4 隧道整體豎向位移圖（m）

由圖4可知，85%隧道巖土體豎向位移超過20 mm，最大位移主要集中在仰拱處，由此可知高地應(yīng)力作用下，仰拱處發(fā)生了明顯的隆起現(xiàn)象（底鼓）。

為進(jìn)一步探明隧道斷面發(fā)生的位移，選取K 367+050縱斷面進(jìn)行說明，截取仰拱左側(cè)作為研究對(duì)象，提取位移如圖5所示，由圖5可知此斷面處位移主要集中于仰拱，最大隆起高度為61.2 mm，85%巖土體隆起高度為42～54 mm。

隧道發(fā)生底鼓以后，對(duì)底鼓進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，以仰拱為中心點(diǎn)，向左延伸至仰拱邊界，共計(jì)選取10 個(gè)測(cè)試點(diǎn)，測(cè)量數(shù)據(jù)如圖6所示。

由圖6可知，距離仰拱中心點(diǎn)越近，隆起高度（方向豎直向上）越大，70%巖土體隆起高度超過36 mm，80%巖土體的隆起高度為38～55 mm，與數(shù)值模擬結(jié)果相符，這在一定程度上說明高地應(yīng)和襯砌設(shè)計(jì)強(qiáng)度弱是導(dǎo)致隧道仰拱隆起的原因。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)仰拱隆起高度圖（mm）

2.3.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)變形分析

高地應(yīng)力作用下隧道襯砌的豎向應(yīng)力如圖7所示。

由圖7可知，95%的二襯均發(fā)生了豎向應(yīng)變，尤其是仰拱處，這說明地應(yīng)力作用下襯砌發(fā)生了較大程度的豎向變形破壞。

圖7 隧道襯砌豎向應(yīng)力圖（kN／m2）

2.3.3 錨桿位移及應(yīng)力分析

趙家?guī)rK 367+050 處錨桿的受力如圖8所示。

圖8 K 367+050 處錨桿的受力圖

由圖8可知，50%錨桿的受力超過1.0 GPa，說明在地應(yīng)力作用下，錨桿的受力較大，在此受力作用下錨桿的位移如圖9所示。

圖9 錨桿的整體位移圖（m）

由圖9可知，88%以上錨桿的整體位移超過1 cm，隧道頂部錨桿的位移甚至達(dá)到了5 cm，這說明錨桿強(qiáng)度不足，且已發(fā)生了一定程度的變形破壞。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)情況，高地應(yīng)力作用下隧道發(fā)生了一定程度的底鼓變形，錨桿位移變形和頂部混凝土開裂現(xiàn)象，這與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)應(yīng)，進(jìn)一步驗(yàn)證了高地應(yīng)力和襯砌設(shè)計(jì)強(qiáng)度弱是隧道發(fā)生變形破壞的主要原因。

3 隧道底鼓處治措施及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

3.1 隧道底鼓處理措施

（1）設(shè)計(jì)處理措施

拆掉破損的仰拱，將仰拱的C35 素混凝土更換成C40 鋼筋混凝土，并在仰拱底部設(shè)置長(zhǎng)度為6 m 的錨桿；隧道頂部錨桿換成直徑為32 mm 的漲殼式預(yù)應(yīng)力錨桿，錨桿長(zhǎng)度增加至8 m，錨固段采用錨固劑進(jìn)行錨固，自由段采用純水泥漿進(jìn)行注漿，預(yù)張拉應(yīng)力采用90 kN。

（2）施工處理措施

①改變施工工序，先將拱腳處噴混凝土，支護(hù)后應(yīng)當(dāng)及時(shí)回填注漿。

②充分利用圍巖自穩(wěn)能力，以“弱爆破、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、勤量測(cè)、早封閉”為總體施工原則，并嚴(yán)格遵守此施工原則。

③加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和監(jiān)控量測(cè)，及時(shí)掌握圍巖的變形，合理開挖，必要時(shí)可進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)并加強(qiáng)后期服務(wù)。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

2017年10月下旬處治底鼓結(jié)束，結(jié)合處治結(jié)果的隧道數(shù)值模擬豎向位移如圖10所示。

由圖10可知，經(jīng)處治后隧道整體95%巖土體豎向位移不超過10 mm，最大巖土體豎向位移達(dá)到11 mm，隧道仰拱處最大豎向位移為6.9 mm，滿足了隧道位移要求。

圖10 隧道整體豎向位移圖（m）

2018年2月待隧道整體位移達(dá)到穩(wěn)定以后，監(jiān)測(cè)人員開展了位移監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖11所示。

圖11 處治后實(shí)測(cè)仰拱隆起高度圖（mm）

由圖11可知，實(shí)測(cè)仰拱中心點(diǎn)至左邊溝的豎向位移，最大豎向位移為11 mm，左邊溝處豎向位移不超過2 mm，且位移分布較為規(guī)律明顯，滿足隧道位移要求。

仰拱的豎向位移數(shù)據(jù)，數(shù)值模擬的結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果較為接近，這說明處治仰拱措施有效，達(dá)到了治理隧道底鼓的目的。

選擇3 個(gè)不同的斷面進(jìn)行圍巖接觸壓力監(jiān)測(cè)，結(jié)果如表6所示。

表6 圍巖接觸壓力匯總表（MPa）

由表6可知，處治后圍巖接觸壓力明顯比未處治前小，這說明治理措施達(dá)到了治理底鼓進(jìn)一步變形的目的。

仰拱換填混凝土后，對(duì)混凝土的應(yīng)變進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，結(jié)果如表7所示。

表7 仰拱填充混凝土應(yīng)變匯總表（με）

由表7可知，仰拱換填混凝土后，混凝土的應(yīng)變值變化不大，說明混凝土的膨脹變形趨于穩(wěn)定，盡管后期混凝土依然會(huì)發(fā)生較小程度的應(yīng)變（徐變），但均在可控的范圍內(nèi)，不會(huì)造成較大的變形破壞；混凝土的應(yīng)變均為拉應(yīng)變，結(jié)合C40 混凝土的性質(zhì)推算，其彈性模量為32.6 GPa，換算成拉應(yīng)變，即為73.5με，斷面K 367+048 處隧道仰拱中心處應(yīng)變已接近73.5με，但據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)表明，此處混凝土未發(fā)生開裂跡象，這說明混凝土的選取滿足隧道穩(wěn)定性要求。

結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知，仰拱處豎向位移已控制在合理范圍內(nèi)，圍巖接觸壓力值也較未處治前小，更換混凝土后的應(yīng)變值也在合理范圍內(nèi)，以上數(shù)據(jù)說明處治措施有效，隧道底鼓得到了有效治理。

4 結(jié)論

本文利用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)高地應(yīng)力作用下的某隧道底鼓現(xiàn)象進(jìn)行了研究，得出的主要結(jié)論如下：

（1）高地應(yīng)力作用下數(shù)值模擬隧道底鼓位移與實(shí)測(cè)位移大體一致。

（2）數(shù)值模擬中錨桿的位移、隧道整體的豎向位移均較大，這與隧道破壞實(shí)際情況較為對(duì)應(yīng)。

（3）數(shù)值模擬和實(shí)測(cè)結(jié)果表明高地應(yīng)力和襯砌強(qiáng)度弱是導(dǎo)致隧道變形破壞的主要原因。

（4）結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，更換仰拱材料和加強(qiáng)襯砌支護(hù)是主要治理措施，且施工處理中應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)地質(zhì)預(yù)報(bào)和監(jiān)控量測(cè)，嚴(yán)格遵守施工工序。