軟巖大變形公路隧道病害處治關鍵技術

張鑫 王瑞興 席錦州 周捷 賈佳欣

摘要 某高速公路隧道長1 447 m，最大埋深196 m，穿越須家河組砂泥巖地層，圍巖為Ⅳ～Ⅴ級，但在其施工過程中出現了較為嚴重的大變形情況，已施工完成的二次襯砌出現開裂、仰拱出現隆起等病害，文章通過分析洞內變形特征、區域地質及地應力測試情況，發現區域地質構造作用、巖層產狀與隧道軸線關系、高地應力、地下水、兩洞間凈距等綜合作用是隧道發生軟巖大變形的主要原因。針對不同病害給出具體的工程處治措施，對類似工程病害處治具有一定的指導和借鑒意義。

關鍵詞 高地應力；軟巖大變形；隧道病害處治

中圖分類號 U452.12文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）02-0147-03

0 引言

隨著我國經濟的高速發展，交通基礎設施的建設也在不斷加強，其中隧道數量越來越多，地質條件也越來越復雜，復雜的工程地質條件與特殊的圍巖力學性質致使隧道圍巖大變形問題十分突出，嚴重制約隧道工程的施工建設安全與長期運營穩定。隧道軟巖大變形的種類及發生機理有很多，如張廣澤等發現應力場、地質構造、地層巖性等因素是驅動隧道圍巖大變形孕育發生的根本條件，并嚴格受構造控制[1]。李永林等通過對國內外隧道工程及地下工程已發生的大量圍巖大變形實例的收集分析，研究得出了隧道圍巖大變形的類型可分為圍巖巖性控制、圍巖結構構造控制和施工擾動影響[2-3]。王成虎等將大變形分為應力型、材料型和結構型大變形三類[4]。但多數軟巖大變形隧道圍巖應為軟巖～極軟巖、埋深大（通常都超過500 m以上）、地下水發育，相比較而言，其最大埋深不到200 m，大部分段落圍巖破碎程度不高，開挖時地下水不發育，但仍然發生了較為嚴重的結構破壞現象，屬于比較罕見的。

1 工程基本情況

該隧道呈SE～NW展布，區內最高海拔達1 200 m以上，相對高差達400 m，中山地貌。隧道主要穿越地層為中生界三迭系上統須家河組（T3xj）及中生界三迭系下統飛仙關組（T1f）粉砂質泥巖、炭質頁巖、砂巖等，并夾有薄煤層，另外隧道穿越Fy斷層帶及其影響帶。洞身段巖體較破碎～較完整，部分極破碎，根據巖體完整程度、巖石硬度、構造位置、地應力、地下水等的影響程度，將全隧道劃分為Ⅳ～Ⅴ級圍巖。

2 施工及病害情況

該隧道于2017年7月由出口端掛口進洞，2020年10月貫通，歷時40個月。2019年5月首次發現二襯開裂，裂縫寬約2 mm，采取貼玻璃片等監測措施對裂縫進行監測，2020年5月發現裂縫數量顯著增多，并出現二襯掉塊、仰拱隆起等現象，2020年10月病害發展加速，局部段落出現二襯變形開裂、仰拱隆起、二襯掉塊等現象。

隧道內二襯結構出現大段落破損，破損主要表現為二襯混凝土脫落、鋼筋外鼓、仰拱錯臺隆起等現象，二襯結構承載力下降，處于極限狀態。施工過程中隧道仰拱隆起、邊墻破碎如圖1～2所示。

3 隧道洞內變形開裂特征

（1）初支變形滯后性強、持續性長、量值大。隧道開挖后，掌子面巖體特征與設計基本相符，但隨著時間的推移，受殘余地應力釋放、地下水滲流軟化、爆破振動松動圈等影響，初支開始發生變形，且變形持續時間長，變形程度隨著時間的推移而加劇。最大周邊收斂值高達0.87 m，初支拱部下沉超過1 m，如圖3所示。

（2）以擠壓變形破壞為主，局部段落存在拉裂破壞。變形較嚴重處有一個共同特點，即向臨空側擠壓引起二襯混凝土剝離、鋼筋扭曲，仰拱隆起。洞身段巖層陡傾，巖層走向與洞身軸向小角度相交。受自身巖體結構影響，洞身圍巖易向臨空面（傾斜方向）形變。地應力方向在空間疊加后，可能導致水平應力（δH）＞垂直應力（δv）。

（3）二襯裂縫分布廣，且不具有連續性。從縱向來看，裂縫呈散點狀分布在整個隧道洞身內，但變形程度不一。從橫向來看，隧道發生變形在不同里程表現的部位也不盡相同；從左右洞來看，左洞二襯變形開裂主要集中在進口端，右洞二襯變形開裂主要集中在出口端。

（4）左右洞兩線之間變形破壞更為嚴重且主要出現在先行施工洞。兩隧道之間的凈距在15～25 m左右，后行洞開挖后導致軟質巖松動圈擴大，松動圈在左右洞之間產生疊加效應，加劇了先行洞的變形破壞。

（5）地下水作用顯著，二襯邊墻出現嚴重滲水現象。

（6）極高地應力引起洞內結構變形嚴重且持續時間長。

4 洞內變形原因分析

（1）區域地質構造作用，隧址區漢源處于Y字形構造帶核部附近，屬于四川區域構造活動最強烈地區之一。隧址區又存在多條斷層相互切割，分期配套復雜，斷層既有壓扭性特征又有逆沖走滑性質。

（2）巖層產狀陡傾。隧道開挖后巖層走向與隧道走向基本平行，產狀陡傾，構造強烈，圍巖主應力方向垂直于隧道走向，使圍巖極易向洞內變形。隧道內巖層產狀如圖4所示。

（3）地下水對巖體的不良影響。地下水與巖體間發生了機械的、物理的、化學的、力學方面的相互作用，使巖體和地下水的性質或狀態不斷發生變化。在隧道開挖過程中，受汛期降雨影響，地下水滲流加劇，有效應力不斷降低，在圍巖應力重分布過程中，巖體抗剪強度不斷調整，引起巖體變形，而巖體變形又為滲流提供了幾何空間，加劇了孔隙水壓力的調整。

（4）極高地應力。采用流變應力恢復法測試K119+250處水平最大主應力為8.88 MPa，方向為近東西方向，最小主應力為2.5 MPa，側壓力系數2.72，隧道水平應力大于構造應力，隧道地應力以構造應力為主。中風化砂巖和粉砂質泥巖的強度應力比分別為2.0和0.96，屬于極高應力區。最大水平主應力與隧道洞軸線關系如圖5所示。

（5）軟巖小凈距隧道開挖對中巖墻產生的疊加破壞，加劇了洞內支護變形，局部段落兩線間變形更為嚴重。

5 處治方案

隧道洞內變形開裂處治原則：確保施工和運營期結構安全；處治措施應標本兼治；盡量避免損壞既有襯砌結構；盡量降低施工難度；處治設計應體現信息化設計和動態施工的思想，制訂監控量測方案。

處治的主要思路包括主動型圍巖加固、被動型結構加固以及裂縫修補、隧道長期監測，其中主動型圍巖加固的措施有12 m長Φ32錨桿錨固，6 m長Φ42小導管注漿加固，4 m長Φ250鋼筋混凝土樁加固，8 m長Φ140鋼管樁加固；被動型結構加固的措施有拆換、模筑套襯、鋼帶加固、仰拱加深、裂縫修補等。不同病害處治措施如表1所示。

5.1 圍巖加固方案

根據襯砌變形開裂等級，采用長短錨桿加固方案。長錨桿采用Φ32自進式錨桿，長度為12 m，短錨桿采用Φ42注漿小導管，壁厚6 mm，長度為6 m，間距均為120×120 cm（縱向×環向），均為梅花形布置。

5.2 結構加固方案

針對不同段落的病害程度，采用套襯、二襯拆換、換拱、鋼帶加固四種結構加固方式。

（1）套襯加固。套襯設置厚度25 cm的C50鋼筋混凝土，套襯底部增設長4.5 mφ25藥卷錨桿鎖腳，錨桿頭部采用L型，L型長度為25 cm，間距40 cm，并與結構主筋一起焊接，不小于25 cm。

（2）鋼帶加固。二次襯砌臨空面粘貼整環熱軋鍍鋅鋼帶，鋼帶8 mm厚，40 cm寬，間距100 cm；鋼帶與隧道二次襯砌模筑混凝土之間采用改性環氧樹脂膠粘劑進行粘接，并用膠粘—模擴底錨栓錨固。

（3）仰拱加固。仰拱隆起段落采用4 m長φ250鋼筋混凝土樁+8 m長φ140×6鋼管樁進行加固，樁間間距為150×150 cm（縱向×環向），交錯布置。

（4）二襯拆除重建。對于二襯破損、開裂極嚴重的段落，一般情況下采用鋼筋混凝土套襯和二襯拆除重建兩種方案。考慮該隧道地質環境復雜，且二襯在破損、開裂極嚴重的情況下，結構的整體受力性能嚴重劣化。因此，為了保證隧道整體穩定性及隧道后期運營的安全性，采用二襯拆除重建方案[5-6]。

6 結語

（1）在隧道軸線選擇上，應盡量避免與斷層平行或是小角度相交，實在無法避免時要盡量拉大與斷層的平面距離，使隧道少穿越斷層破碎圍巖、遠離斷層構造應力影響區。

（2）隧道軸線應盡量避免沿巖層走向方向布線，此時隧道邊墻形成順層狀態，容易形成構造偏壓，且此種情況地應力最大主應力方向大概率與隧道軸線大角度相交，對隧道邊墻形成擠壓。

（3）當圍巖產狀陡傾時要尤其注意地應力問題，產狀陡傾說明歷史上構造運動激烈，殘余地應力較高，尤其當圍巖為軟巖（頁巖、泥巖、千枚巖等）時特別容易發生大變形問題。

（4）地下水對后期圍巖變形的影響是顯著的，通常地下水都有滯后現象，這就導致開挖初期變形不大，后期地下水溢出時變形加速，對支護措施的選擇造成困難。因此，施工過程中預判地下水的情況非常重要。

（5）大變形隧道支護參數的選擇總體原則是提高圍巖自承能力，放抗結合，快挖快支，及時封閉。

（6）大變形預判是工程界的難題，由于處治工程費用很高，現場決定將隧道按照大變形來處治是比較困難的。目前規范推薦的巖石應力強度比是判斷高地應力環境的唯一量化指標，但由于地應力測試技術的局限性，很難作為靠譜的預測手段。現場施工過程中，比較行之有效的方法還是類比法。施工過程中還應加強監控量測及超前地質預報工作，作為判斷軟巖大變形的依據。

（7）因軟巖大變形導致的襯砌開裂、仰拱隆起等在變形機理明確的情況下，可采用盡量避免損壞既有襯砌結構的加固方式進行處理。

參考文獻

[1]張廣澤， 鄧建輝， 王棟， 等. 隧道圍巖構造軟巖大變形發生機理及分級方法[J]. 工程科學與技術， 2021（1）： 1-12.

[2]李永林， 馮學鋼， 姜云， 等. 隧道工程圍巖大變形及預測預報研究[J]. 現代隧道技術， 2005（5）： 49-54+62.

[3]姜云. 隧道工程圍巖大變形問題研究[C]//國家測繪局測繪標準化研究所，全國測繪科技信息網. 全國測繪與地理信息技術研討交流會專輯. 《測繪技術裝備》編輯部，2003： 6.

[4]王成虎， 沙鵬， 胡元芳， 等. 隧道圍巖擠壓變形問題探究[J]. 巖土力學， 2011（S2）： 143-147.

[5]公路隧道設計規范第一冊土建工程： JTG 3307. 1—2018[S]. 北京：人民交通出版社股份有限公司， 2018.

[6]公路隧道加固技術規范： JTG/T 5440—2018[S]. 北京：人民交通出版社股份有限公司， 2018.

收稿日期：2023-11-22

作者簡介：張鑫（1988—），男，碩士，工程師，研究方向：公路隧道設計。

通信作者：王瑞興（1992—），男，碩士，工程師，研究方向：公路隧道設計。