富水軟弱地層隧道仰拱裂縫處治措施研究

作者簡介：潘佰雙（1993—），工程師，主要從事工程管理工程師工作。

摘要：文章依托某在建隧道仰拱裂縫，介紹了仰拱裂縫段地質及裂縫情況，在分析誘發裂縫產生原因的基礎上，提出拱腳注漿大鋼管錨管+仰拱基底注漿小導管加固提高仰拱基底承載力，并結合拱腳泄壓管減小基底地下水壓力，輔以排水系統、路面結構及襯砌結構加強的措施。處治措施實施后的裂縫監測數據表明，該措施有效控制了仰拱裂縫發展。

關鍵詞：仰拱；裂縫；富水軟弱地層；隧道；處治措施

中圖分類號：U457⁺.2

0 引言

20世紀以來，我國公路建設快速發展，隧道工程也迎來了建設高潮，隧道穿越惡劣地質環境的案例越來越多。在施工及運營過程中，經常出現隧道仰拱裂縫病害^[1-4]。仰拱裂縫會分散隧道閉環結構的應力，導致結構強度下降，進而影響隧道的安全性能，還會導致地下水上涌上滲至路面，影響行車安全，且上滲水會增加隧道的濕度，腐蝕損壞隧道設備及構件，因此隧道仰拱裂縫近年來逐漸被重視。眾多工程建設學者對仰拱裂縫的處治開展了深入研究，積累了許多處治經驗。對于嚴重裂損的仰拱裂縫，以拆除重新施作仰拱措施為主^[5-6]，由于地基承載力不足導致的仰拱裂縫多以隧道基底加固為主，如劉耿仁等^[7-8]提出鋼管樁加固，李曉俊^[9]提出在拱腳采用注漿鋼管錨固及注漿堵水，彭星等^[10]提出在襯砌拱腳設置樹根樁等。隧道穿越富水軟弱地層時仰拱裂縫更為常見，由于這種地層具有高含水率、低強度、易變形等特點，處治須及時合理才能根治裂縫。

本文以某隧道仰拱裂縫案例為依托，通過分析仰拱裂縫出現的原因，進而提出合理的處治措施，并通過監測數據分析處治效果，為類似工程提供處治經驗。

1 工程概況

1.1 隧道概況

擬建隧道位于廣西桂林市，為分離式隧道，起訖樁號為K106+747～K108+188，總體走向約95°。隧道最大埋深約247.978 m。根據地勘資料，隧道進口端發育一條正斷層，大致于K106+800～K106+900處與路線大角度相交，走向約340°，傾向約250°，長約60 km，南北向，縱貫隧道穿越山體的背斜，斷面呈舒緩波狀，展布較遠，斷裂帶壓碎現象明顯。進洞口臨近三處沖溝，均為隧道山區匯水區，水量大，路基高程低于溝底高程。隧道區地層主要為第四系覆蓋層、石炭系大塘階（C₁d）、泥盆系郁江階（D₂y）、泥盆系那高嶺組（D₁n）及泥盆系蓮花山組（D₁l）基巖。

仰拱裂縫位于K106+858～K106+876段，該處隧道埋藏深度較淺，埋深40～70 m，且處于斷層核部，圍巖為斷層混合、中風化砂巖，巖質較軟，巖體較破碎。節理面走向與洞軸線夾角＜60°，傾角＞30°，降雨時，洞內出現點滴狀-淋雨狀出水。隧道縱斷面設計圖如圖1所示。

1.2 設計支護概況

裂縫段設計為Ⅴ級圍巖淺埋破碎帶型支護，采用4.5 m長的?42 mm×4 mm雙層超前小導管，縱向間距為1 m，C25噴射混凝土初期支護厚度26 cm，Ⅰ20b初支鋼拱架的縱向間距50 cm，每環鋼拱架接頭處采用6 m長的?89 mm×6 mm鎖腳鋼管（共12根），二次襯砌采用C35防水鋼筋混凝土襯砌，厚度為50 cm，其內環向受力主筋采用C22@20 cm。

2 仰拱裂縫情況及原因分析

2.1 仰拱裂縫情況

隧道掌子面施工至K106+925時，右線隧道仰拱K106+858～K106+876線路中線右側約2 m處出現仰拱縱向裂縫，該處二次襯砌已施工完成。清掃排查后，未見橫向裂縫、二次襯砌拱部及邊墻裂縫。仰拱縱向裂縫主要為張拉裂縫，在二次襯砌延伸發育，裂縫寬度約為3 mm，裂縫長度為18 m。經現場取芯，裂縫深度約為0.45 m，裂縫呈微小錯臺，貫穿仰拱充填層底部。

2.2 仰拱裂縫出現原因分析

隧道裂縫出現后，隨即展開現場檢測、取芯、調研，展開專家、參建各方討論，判定仰拱裂縫病害主要由地質、雨水、施工等三方面原因造成。

（1）隧道穿越斷層破碎帶影響區域，受斷層影響，圍巖軟弱破碎、富水，仰拱底部圍巖體滲流強且遇水易軟化，承載能力大不足，導致隧道仰拱不均勻沉降，從而產生仰拱縱向裂縫。仰拱底部圍巖承載力不足是多數仰拱裂縫出現的主要原因之一。

（2）隧道施工穿越該區域時正值廣西雨季，降雨多且量大，降雨由洞口向沖溝匯聚。隧道埋深淺，地表水沿沖溝下滲，軟化拱頂圍巖，圍巖穩定性大幅降低，增加巖體自重，隧道拱頂壓力增大，從而作用于仰拱基底的圍巖荷載增大。同時，下滲水增加了地下水高度，提高了隧道仰拱底部水壓力，檢測取芯結果也表明仰拱底部存在豐富地下水，且具有一定水壓。

（3）施工仰拱時，未及時疏排仰拱拱腳處積水，掌子面開挖水流匯聚于仰拱施工處，長期積累浸泡，降低圍巖承載力。

3 仰拱裂縫處治措施

通過分析可知仰拱基底承載力不足及仰拱底部積水是誘發仰拱裂縫的主要因素，因此隧道仰拱裂縫處治的關鍵在于提高仰供基底承載力及疏引仰拱底部圍巖地下水，減少水壓力。

3.1 仰拱底部注漿加固

為提高仰拱地基承載力，避免仰拱填充裂縫進一步發育，對該段落仰拱基底采用注漿鋼管加固處治（圖2）。

（1）二次襯砌邊墻拱腳施工注漿鋼管加固，兩側邊墻拱腳各施工1排6 m長?89 mm×6 mm的注漿鋼管，縱向間距2 m，豎向傾角為45°。

（2）仰拱填充層基底注漿加固。由仰拱填充層頂面豎直向下施工?42 mm×4 mm注漿小鋼管，長度為5 m，梅花型間距布置，保證仰拱以下注漿深度≥3 m。

兩側拱腳注漿鋼管及仰拱基底注漿小鋼管注漿材料為水泥凈漿，漿液采用P.O.42.5級水泥配置，灰水比為1∶0.7，注漿終壓應控制在1.5 MPa，單孔進漿量＜10 L/min。

3.2 泄壓及排水結構加強

仰拱基底圍巖內積水的疏通及排水結構的加強可以減少仰拱底部水壓力，避免后期運營地下水壓力過大，導致路面隆起開裂（圖4）。

（1）二次襯砌拱腳泄水管泄壓。由二次襯砌拱腳傾斜45°向外鉆孔130 mm，超出隧道仰拱支護結構，深入基底圍巖1 m，縱向間距為2 m，向鉆孔中埋入包裹雙層尼龍網的HDPE雙壁波紋管，HDPE雙壁波紋管深入圍巖段，管壁預留?12 mm的滲水孔，間距48 mm，呈梅花狀分布。如圖3所示。

（2）裂縫段加密橫向排水滲溝。仰拱裂縫段施工橫向排水滲溝，進一步阻止裂縫處滲水上滲。橫向排水滲溝采用[8槽鋼倒扣至仰拱填充層頂部，采用土工布包裹密實，縱向間距為5 m。

3.3 路面及襯砌結構加強

路面及襯砌結構裂損對后期運營安全影響大，加強路面及襯砌結構具有重要意義。

（1）路面基層澆筑時，鋪設C12@15 cm×15 cm的防裂鋼筋網。

（2）隧道穿越斷層破碎帶段仍有40 m長，為提高未澆筑二次襯砌段承載能力，未出現裂縫且未澆筑的二次襯砌采用C25@20 cm鋼筋加強。

4 處治效果分析

沿仰拱裂縫邊緣均勻打入7處錨固釘，作為仰拱裂縫豎直位移監測點，錨固釘位于裂縫同一側。自6月18日出現仰拱裂縫后，連續測量監測布點的豎向位移，監測頻率為1次/d，監測結果如圖4所示。

6月20日開始進行仰拱裂縫處治，注漿加固仰拱基底。由圖4可知，實施處治措施前，裂縫段仰拱處于持續沉降過程，裂縫急劇發展，處治措施實施時裂縫段仰拱沉降趨勢放緩，裂縫發展被控制。隨著處治措施的進行，裂縫處于穩定狀態，無明顯發展趨勢，表明處治措施效果明顯。

5 結語

本文通過介紹依托工程仰拱裂縫情況，分析了仰拱裂縫原因，并針對性地提出了處治措施，結合監測數據驗證了措施的合理性和有效性，形成以下結論：

（1）仰拱基底承載力和仰拱底部積水是誘發仰拱裂縫的主要原因，處治過程中應根據誘發原因針對性處治。

（2）仰拱裂縫基底承載力不足可以通過基底注漿加固+拱腳注漿鋼管錨固處治，避免裂縫進一步發育。

（3）采用施工拱腳泄壓管及加強排水系統有效減小仰拱底部水壓力，避免后期路面隆起開裂。

參考文獻：

[1]崔連友，吳 劍，鄭 波.雪峰山隧道進口段仰拱填充結構開裂原因探討[J].地下空間與工程學報，2015，11（1）：48-55.

[2]郭寬銳，傅海彪.隧道仰拱裂縫原因及處治措施探討[J].西部交通科技，2019（11）：90-92.

[3]周 森.高速公路隧道仰拱底鼓破壞機理分析及處治措施[J].交通科技，2013（5）：97-99，108.

[4]趙建邦.某高速公路隧道仰拱開裂處治設計方案研究[J].公路，2014，59（5）：147-149.

[5]蔡 濤.復雜地質條件下隧道仰拱開裂病害分析與治理研究[J].鐵道建筑技術，2020（12）：141-145.

[6]吳銘芳，春軍偉.富水軟巖隧道仰拱病害的綜合處治與設計反思[J].現代隧道技術，2021，58（6）：233-243.

[7]劉耿仁，龍稱心.甜永高速公路某黃土隧道仰拱開裂原因分析及處置措施[J].路基工程，2020（3）：230-234.

[8]楊川福，陳 鋮.黃土隧道仰拱填充層致裂原因及處治措施研究[J].公路交通科技，2023，40（4）：151-159.

[9]李曉俊.恒山隧道運營期隧道底板病害治理技術研究[J].地下空間與工程學報，2017，13（S1）：465-470.

[10]彭 星，饒軍應，陳朝穎.某公路隧道襯砌開裂機理及處治措施研究[J].水利規劃與設計，2022（11）：146-152.