隧洞底鼓產生原因分析及治理措施

何 欣

(滇中引水工程有限公司，云南 麗江 674100)

0 引言

隧洞底鼓現象是隧洞病害的常見類型，對此學者們也進行了大量的研究。萬正等[1]對富水煤系地層的隧道底鼓進行了研究，研究結果表明：基底圍巖軟化和高水壓力是隧道仰拱隆起的2大因素。宋鋒[2]對弱縮性隧道底鼓病害問題展開了深入研究，最終發現：其結構產生形變最受圍巖等級及脹縮性控制，其次為襯砌厚度，最后為仰拱曲率半徑、混凝土強度、隧道洞徑。黃華等[3]對緩傾圍巖隧道底鼓問題進行了研究，研究結果表明：隧道底鼓出現的主要原因為仰拱結構形式不符合實際情況以及其混凝土強度欠缺。楊建民等[4]通過現場實測對隧道底鼓問題進行了研究，研究結果表明：采用加長錨桿難以改善隧道底鼓問題，增加仰拱半徑能夠從根本上解決隧道底鼓現象。高震等[5]對圍巖強度劣化條件下的隧道底鼓現象進行了研究，研究結果表明：圍巖處粘聚力降低是導致隧道底鼓發生的主要原因。

綜合以上學者的研究，本文將結合引水隧洞工程，通過地質勘察、數值模擬、現場實測相結合的方式對隧道底鼓產生的原因進行分析，提出相應的治理措施，對治理效果進行評價。

1 工程概況

滇中引水工程由水源工程和輸水工程2部分組成，水源工程位于玉龍縣石鼓鎮，從金沙江取水，由泵站提水至總干渠。輸水工程自麗江石鼓鎮望城坡開始，終點為紅河州新坡背。全線各類建筑物總長755.44km，其中輸水總干渠總長664.24km，共有58座主隧洞長611.99km、120條施工支洞長91.2km。

2 工程地址條件

隧洞穿越不同的巖層，結合地勘報告，隧洞口穿越的巖土體自上而下力學性質見表1。

表1 巖土體力學性質

本文使用空心包體應力傳感計進行應力測試，并在3個不同的測試點進行了測量，具體測量數據見表2—3。

表2 代表性測點地應力測試成果表

表3 3個測點最大主應力σ1值表

由表2—3數據可知，隧道外13～15m處的3個測點的圍巖最大主應力在10.2～18.9MPa。將其巖石單軸抗壓強度和最大主應力相關數據進行計算，可以判斷出這些測點的圍巖處于極高的地應力狀態。此外，通過計算得出水平主應力與上覆自重應力的比值為1.5～2.5。為了評估隧洞圍巖的擠壓變形情況、變形量級、速率以及滑移區范圍等因素，本隧洞選定了3個測試點開展應力測試。通過測試結果發現，這3個測點的最大主應力σ1、最小主應力σ3依次是14.6、7.2MPa，相差7.4MPa。同時，灰巖的天然單軸抗壓強度平均值為7.2MPa。

3 數值模擬

3.1 模型的建立

為了研究隧洞K367+040～K367+060段的受力和位移情況，采用了MIDAS軟件進行數值模擬。研究區域的隧洞邊界長度為90m，高度為60m，延伸20m(如圖1所示)。

圖1 隧洞模型圖

為了進行開挖，采用了CD法，在隧道開挖面的左側采用了5根錨桿，右側采用了6根錨桿進行初期支護。

在數值模擬中，采用了初期支護混凝土(C30)、二襯混凝土(C35)和錨桿，這3種材料都被假定為彈性材料，采用結構單元來描述它們的行為。具體的基本參數和屬性選擇見表4—5。對于初期支護和二襯，共計采用了2320個單元和1554個節點；整個三維模型包括了巖土體，共計使用了15942個單元和12031個節點，如圖2所示。

圖2 初期支護和二襯

表4 隧洞結構參數

表5 隧洞模型屬性

3.2 計算步驟

建造模型后，依據巖土體特征對其展開賦值，借助莫爾庫侖模型去描述巖土體的相關聯系。在給予巖土體自重以及約束的期間，也給予了初始地應力。當此操作完成后，將巖土體位移清零。

接下來，根據表2—3中的數據對巖土體施加了地應力。同時，根據表4—5中的性質對巖土體和支護措施進行了賦值。

3.3 模擬結果

在模擬隧洞施工過程中，遵循了CD法的嚴格施工步驟，同時設置了收斂精度為1e-5，以保證計算的準確性和穩定性。隧洞模型在達到平衡狀態后即停止計算。

3.3.1圍巖變形分析

隧洞整體豎向位移如圖3—4所示。

圖3 隧洞整體豎向位移(單位：m)

根據圖4的結果顯示，隧洞巖土體85%的豎向位移大于20mm，其中仰拱位置出現了最大位移。進一步證實了在高地應力的前提下，隧洞仰拱地方會出現隆起，即為底鼓效應[6-7]。

圖4 隧洞仰拱豎向位移(單位：m)

為了深入研究隧洞斷面的位移情況，選擇了K367+050縱斷面，并從仰拱的左側截取了該斷面進行研究，把仰拱當作中心點然后朝左延伸到仰拱邊界，對涉及的10個點進行實測仰拱隆起高度，位移數據如圖5所示，結果顯示位移主要集中在仰拱處，最大隆起高度達到了61.2mm，85%的巖土體在42～54mm的范圍內隆起。

圖5 現場實測仰拱隆起高度(單位：mm)

圖5的監測結果顯示，80%的巖土體隆起高度在38～55mm之間。這與數值模擬結果一致，進一步證實了致使隧道出現仰拱隆起現象的關鍵因素為高地應力以及襯砌設計不具有過高強度。

3.3.2支護結構變形分析

在高地應力前提下隧道襯砌的豎向應力如圖6所示。

圖6 隧洞襯砌豎向應力(單位：kN/m2)

從圖6得知，在地應力的作用下，二襯發生了相當程度的豎向變形和破壞，尤其在仰拱處，豎向應變達到了95%。

3.3.3錨桿位移及應力分析

隧洞K367+050錨桿具體情況如圖7所示。

圖7 K367+050處錨桿受力

由圖7可以看出截面處1/2的錨桿承受的力超過了1.0GPa，表明地應力的作用下，錨桿承受了相當大的拉力。錨桿產生的整體位移如圖8所示。

圖8 錨桿的整體位移(單位：m)

可以看出錨桿無法承受足夠的應力，導致它們在承受地應力的過程中發生了不可逆的形變和損傷，無法有效地支護隧洞結構，從而產生隧洞底部變形、錨桿位移和頂部混凝土開裂現象。

因此，高地應力作用下，很明顯發現隧洞出現了底鼓現象，錨桿存在變形和位移，導致頂部混凝土有些許開裂。此結果與模擬情況相同，在一定程度上證明了致使隧道變形破壞的關鍵因素為高地應力以及襯砌設計中不滿足應有的強度。

4 隧洞底鼓處理措施及監測數據分析

4.1 隧洞底鼓處理措施

(1)設計處理措施

為了解決隧洞發生的變形破壞問題采取下工程措施：拆除破損的仰拱，把C35素混凝土升級為成C40鋼筋混凝土，為了更好的保障其穩定性在仰拱底部構建了長度為6m的錨桿。同時把隧道頂部的錨桿改為32mm的漲殼式預應力錨桿，將錨桿長度延長到8m，借助錨固劑錨固，將純水泥漿注漿入自由段，預張拉應力利用90kN的預應力。加固隧洞結構，提高其穩定性、安全性。

(2)施工處理措施

為改進施工質量，可以采取以下措施：首先，在施工前應做好地質勘探和分析，對可能出現的問題進行預測和評估，制定合理的支護方案，避免因施工不當導致的破壞。其次，在施工過程中，應嚴格按照“弱爆破、短進尺、強支護、勤量測、早封閉”的原則，盡量減小開挖對圍巖的影響，確保施工安全。另外，要持續強化監測、控制施工過程中產生的變形以及位移，保障能及時處理出現的相關問題，避免發生不可逆的變形和破壞。最后，在施工結束后，應加強隧洞的監測和管理，及時發現和處理問題，確保隧洞的穩定和安全。

4.2 現場監測數據分析

針對加固后的隧洞受力情況進行數值模擬，豎向位移如圖9所示。

圖9 隧洞整體豎向位移(單位：m)

根據圖9顯示的數值模擬結果，可以得出結論：通過處理底鼓部位，隧洞巖土體的位移問題得到了有效的控制，隧洞穩定性得到了保證。隧洞整體位移趨于平穩后，監測人員進行了位移監測，相關數據如圖10所示。

圖10 處理后實測仰拱隆起高度(單位：mm)

從圖10所示的監測數據中可以看出，模擬結果與實際測量結果比較吻合。表明治理仰拱的措施非常有效，達到了治理隧道底鼓的目標。

對2個不同的斷面實施圍巖接觸壓力監測操作，監測結果見表6。

表6 圍巖接觸壓力匯總表 單位：MPa

由表6得知，治理措施有效地減輕了隧洞圍巖的承載壓力，達到了穩定圍巖和保障隧洞安全的目標。

當完成仰拱換填混凝土的操作后，監測了混凝土的應變，監測結果見表7。

表7 仰拱填充混凝土應變匯總 單位：με

對比表7的監測和數值模擬結果，經過底鼓處理后，隧洞巖土體的豎向位移得到了有效控制。換填混凝土后，混凝土的應變值變化較小，顯示出其膨脹變形已趨于穩定，選用的混凝土已滿足隧洞穩定性的要求。綜合數據表明處理措施是有效的，隧道底鼓得到了有效治理。

5 結論

本文結合引水隧洞工程實例，對隧洞低鼓產生的原因進行了分析，提出了相應的治理措施，可得出如下結論。

(1)通過現場勘察數據和數值模擬分析可知，高地應力條件下仰拱混凝土強度不足，是造成隧道底鼓的主要原因。

(2)在高地應力的作用下，隧洞仰拱地方出現了隆起現象，選擇了K367+050縱斷面，顯示位移基本都位于仰拱處，其中絕大多數巖土體隆起高度在42～54mm之間，最大隆起高度為61.2mm。

(3)隧洞改變仰拱混凝土，能夠解決隧洞仰拱隆起問題。根據實測和數值模擬結果，經過底鼓處理后，隧洞巖土體的豎向位移得到了有效控制，符合隧洞的位移要求。換填混凝土后，混凝土的應變值變化較小，顯示出其膨脹變形已趨于穩定，選用的混凝土已滿足隧洞穩定性的要求。