高地應力軟巖隧道仰拱隆起處治措施研究*

代仲宇，寇 昊，扶親強，肖龍鴿，楊文波，郭德平

(1.中國建設基礎設施有限公司，北京 100029；2.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室,四川 成都 610031；3.中建隧道建設有限公司，重慶 401320；4.敘鎮鐵路有限責任公司，云南 昭通 657900)

0 引言

隧道仰拱隆起破壞是一個極為復雜的力學演化過程[1]。引起仰拱隆起的原因有外部環境因素和人為因素，其中外部環境因素主要是隧址區地應力、巖體巖性及構造、水文地質條件等；人為因素主要是施工工藝及技術，如仰拱的結構形式、支護參數、施工質量等[2-3]。

有關隧道仰拱隆起問題，國內外許多學者通過數值模擬、模型試驗、現場測試等手段研究了水文地質環境、圍巖巖性及產狀、地應力等一種或多種因素造成仰拱隆起病害的發生機理，通過采取相應的治理措施得到了一些有益的解決方案。李林毅等[4-5]研究了強降雨作用下隧道仰拱隆起原因及整治措施，得到復雜地質條件導致地層富水連通以及防排水系統部分失效是仰拱隆起病害發生的主要原因，且隧底的隆起量最大，在現場采取“施作降壓孔+隧底注漿錨固+增設泄水洞+地表處理”的綜合整治措施后得到有效控制。杜明慶等[6]、馬曉文等[1]、高震等[7]分析了圍巖膨脹特性及軟化特性引起隧道仰拱底鼓破壞模式及過程，表明泥巖遇水膨脹及遇水軟化是引起仰拱破壞及力學行為變化的主要原因。陳洋宏[8]、肖小文等[9]對高地應力緩傾互層巖體隧道底鼓機理與控制技術進行了研究，得出側壓力系數和巖性對隧道底鼓影響較大，巖層傾角和厚度影響較小，通過現場試驗表明預應力錨索加固方案不能顯著改善隧底結構受力狀態，而隧底鋼管樁結合中空錨桿注漿加固方案可以有效抑制隧道底部的隆起。施成華等一些學者[10-12]對隧底仰拱進行長期變形及內力監測，分析了仰拱破壞機理并提出了相應的治理方案。

目前針對隧道仰拱隆起的治理措施還不夠系統，尤其針對不同病害情況的處治措施還不夠完善。本文依托蓉麗高速東馬場1號隧道工程，分析進口段泥巖地層仰拱隆起病害的原因，對不同開裂程度的仰拱采取與之相適應的處治措施，并分析了處治效果。本文提出的仰拱隆起處治措施可為類似工程提供參考。

1 工程概況

東馬場1號隧道為蓉麗高速(華坪—麗江段)控制性工程。左幅隧道起點里程ZK70+180，止點里程ZK75+278，隧道全長5 097m，最大埋深621.481m；右幅隧道起點里程K70+130，止點里程K75+330，全長5 210m，最大埋深619.6m。其中設計Ⅲ級圍巖3 204m(占比31.1%)，Ⅳ級圍巖3 359m(占比32.6%)，Ⅴ級圍巖3 740m(占比36.3%)。隧道進口方向為泥巖、泥質粉砂巖，出口方向為灰巖、白云質灰巖。施工過程中，隧道進口右幅K71+150—K71+190段仰拱發生嚴重隆起破壞，如圖1所示。因此，本文對該段泥巖地層仰拱隆起段進行處治措施研究，地質縱斷面如圖2所示。隧道圍巖級別為V級，泥質砂巖，強～中風化，中～厚層狀，受構造影響，裂隙發育，巖體破碎；地下水位位于洞身上部，以基巖裂隙水為主，涌水量較大，富水性強，施工過程中會出現淋雨狀出水。圍巖基本質量指標BQ=200～260，圍巖基本質量指標修正值[BQ]=170～210，兩側巖體電阻率值變化較大，為異常區域。圍巖情況如下：③泥巖 紫紅、紅褐色，砂泥質結構，薄～中厚層狀，強風化，節理裂隙極發育，多呈碎石土狀，少量呈碎塊狀；④石英砂巖 黃褐色，細粒結構，強風化，節理裂隙發育，多呈碎石～碎塊狀；⑤泥質砂巖 黃褐色，中粒結構，強風化，節理裂隙發育，呈碎石狀～碎塊狀，局部夾薄層泥巖；⑥泥質 黃褐色，中粒結構，強風化，節理裂隙發育，局部夾薄層泥巖，多呈大塊狀，部分呈碎塊狀；⑦泥質粉砂巖 黃褐色，中粒結構，中風化，節理裂隙發育，局部夾薄層泥巖，多呈大塊狀，部分呈碎塊狀。

圖1 仰拱隆起Fig.1 Inverted arch

圖2 地質縱斷面Fig.2 Longitudinal section

2 隧道仰拱隆起的成因機制

2.1 隧址區地應力場與圍巖強度

根據隧道現場測點1(K71+898，埋深約232m)地應力測試結果，最大水平主應力為12.48MPa，垂直應力為5.97MPa，側壓力系數為2.09。測點處的最大主應力以水平構造應力為主，與隧道軸向夾角較大，不利于隧道穩定。

通過現場取芯制作φ50×100的標準巖樣，進行巖石力學性質測試，得到泥質粉砂巖單軸飽和抗壓強度為12.78MPa(見圖3,4)。根據GBT50218—2014《工程巖體分級標準》，計算得到測點處的強度應力比為1.02，屬于極高應力區，隧道容易引起大變形失穩。

圖3 泥質粉砂巖破壞前后巖樣Fig.3 Rock samples before and after failure of the argillaceous siltstone

圖4 泥質粉砂巖應力-應變曲線Fig.4 Stress-strain curve of the argillaceous siltstone

2.2 施工方案及支護參數

隧道進口右幅K71+150—K71+190段的設計襯砌類型為SF5b，襯砌斷面如圖5所示，采用三臺階法開挖。超前支護采用φ42×4熱軋無縫鋼管的超前小導管形式，長4.5m，環向間距30cm，在拱部約120°范圍布設。初期支護采用φ25mm中空注漿錨桿，長300cm，間距100cm×80cm；噴25cm厚C25混凝土，雙層φ8鋼筋網，間距20cm×20cm；鋼拱架采用I18，間距80cm；在上臺階和中臺階開挖后兩側腳部采用φ42×4小導管進行鎖腳。二次襯砌采用50cm厚C30鋼筋混凝土，預留變形量12cm。仰拱采用C15混凝土回填。

圖5 SF5b襯砌斷面Fig.5 Section of the lining SF5b

2.3 仰拱隆起變形分析

2018年12月10日發現進口右幅K71+150—K71+200段(共計50m)仰拱隆起約40～50cm，位于線路右側側溝與填充接觸面，裂縫寬度5～10cm。開始對隆起段仰拱進行監測，其中K71+173段和K71+190段監測數據如圖6所示。

圖6 仰拱隆起監測Fig.6 Monitoring of the invert uplift

截至2019年8月7日，K71+173斷面的線路右側隆起884.2mm，線路左側隆起69.3mm。K71+192斷面的線路右側隆起491.3mm，線路左側隆起80.7mm。仰拱隆起開裂向兩側大小里程方向延伸，從K71+022斷面發展至K71+270斷面，新增仰拱隆起段落達208m。根據監測數據顯示，本段仰拱隆起段日均隆起2.0～3.0mm，仍處于不穩定狀態。

2.4 仰拱隆起原因分析

為深入探究隧道仰拱隆起的原因，對現場仰拱進行破檢，發現仰拱鋼架已發生屈曲破壞，失去承載能力。根據隧址區地應力、圍巖巖性以及現場仰拱病害情況的綜合分析，得出仰拱隆起的原因為：由于隧道圍巖以泥質粉砂巖為主，且仰拱下部巖性更差，在強大水平構造應力作用下，仰拱鋼架承載能力逐漸達到極限，因而導致仰拱上拱。

3 仰拱隆起病害處治措施

3.1 處治原則

仰拱隆起病害段落處治遵循“臨時加固+永久處治+運營期間病害預防措施”相結合的原則，針對既有病害段落按照“先易后難、分段實施、兩頭擠壓”的原則進行處治。

3.2 仰拱開裂段處治

仰拱開裂段有隆起失效、隆起未失效、已穩定、持續發展未穩定等情況，針對不同的仰拱病害采用以下相應措施。

1)對于仰拱失效且變形已穩定段落，采用拱腳加固+拆除重置措施，如圖7所示。

圖7 拱腳加固+拆除重置Fig.7 Arch feet reinforced and removed to reset

2)對于仰拱失效且變形未穩定段落，采用拱腳基底加固+拆除重置措施，如圖8所示。

圖8 拱腳基底加固+拆除重置Fig.8 Arch feet and base reinforced and removed to reset

3)對于仰拱未失效且變形未穩定段落，采用拱腳基底加固措施，并加強監測，如圖9所示。

圖9 拱腳基底加固Fig.9 Arch feet and base reinforced

4)對于仰拱填充開裂未隆起且變形已穩定段落，進行灌漿封縫，并持續監測。

拱腳加固在兩側拱腳處各打設2排φ108×6鋼花管，交叉角度30°，每根長6.0m，縱向間距100cm，對拱腳進行注漿加固。基底加固采用φ89×6鋼花管注漿，每根長6.0m，間距100cm×100cm梅花形布置。對于仰拱開裂段拆除重置的仰拱，拱架均采用I22b，間距60cm，并加深1m，填充層頂面增設抗裂網，采用φ16鋼筋網片，鋼筋網間距20cm×20cm，并植筋與仰拱連接。

4 處治效果分析

根據上述仰拱隆起病害的處治措施，按照不同的病害段落進行現場處治，其中K71+020—K71+120，K71+220—K71+270段主要為仰拱隆起或填充層開裂，而K71+120—K71+220段落主要為仰拱隆起失效段。在左右側各布設位移監測點監測處治后仰拱的隆起位移，根據監測的位移信息動態調整處治措施。

處治前隧道仰拱隆起最為嚴重段落(K71+150—K71+200)采用了拱腳基底加固+拆除重置措施，其中K71+180斷面處治后仰拱隆起的位移監測結果如圖10a所示。仰拱斷面在處治后第9天位移開始穩定，線路右側隆起位移約為22.11mm，線路左側隆起位移約為19.51mm，整體表現為右側隆起位移略大于左側位移。

K71+020—K71+270段處治后仰拱的累計位移如圖10b所示。可見仰拱隆起段處治得到了有效控制，最大隆起位移位于K71+160—K71+200斷面，線路左側隆起位移的平均值約為12.35mm，線路右側隆起位移的平均值約為14.22mm。

圖10 處治后監測結果Fig.10 Monitoring results after treatment

5 結語

1)由于隧道圍巖以泥質粉砂巖為主，且仰拱下部巖性更差，在強大水平構造應力作用下，仰拱鋼架承載能力逐漸達到極限，導致仰拱隆起。

2)提出了仰拱隆起病害處治應遵循“臨時加固+永久處治+運營期間病害預防措施”相結合的原則，既有病害段落應按照“先易后難、分段實施、兩頭擠壓”的原則進行處治。

3)針對仰拱開裂段，仰拱失效且變形已穩定段落，采用拱腳加固+拆除重置措施；仰拱失效且變形未穩定段落，采用拱腳基底加固+拆除重置措施；仰拱未失效且變形未穩定段落，采用拱腳基底加固措施并加強監測；仰拱填充開裂未隆起且變形已穩定段落，采用灌漿封縫，并持續監測。

4)現場位移監測表明仰拱開裂段處治后仰拱得到了有效控制，該仰拱病害處治方案切實可行。