周運祥

(中國鐵路總公司工程管理中心，北京　100038)

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強風化砂巖地區(qū)淺埋偏壓隧道病害分析及整治

周運祥

(中國鐵路總公司工程管理中心，北京100038)

摘要：淺埋偏壓隧道在鐵路建設中較為常見，偏壓荷載是形成隧道病害隱患的根本原因。為解決強風化砂巖地區(qū)淺埋偏壓對隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定造成的不利影響，以某隧道為研究背景，通過現(xiàn)場觀察和分析監(jiān)測結(jié)果，探討隧道受力機理，歸納總結(jié)出地形因素是偏壓荷載產(chǎn)生的根本原因，施工干擾及水的因素惡化了隧道不平衡的條件。隧道成功的施工，驗證了反壓回填能夠平衡隧道承受的偏壓荷載、注漿加固能夠提高破碎圍巖的整體穩(wěn)定性，雙側(cè)壁導坑法對施工干擾少，在開挖中應優(yōu)先選用。

關(guān)鍵詞：鐵路隧道； 強風化；砂巖； 淺埋；偏壓；病害；整治

由于地形和線路選線的限制，山區(qū)修建鐵路隧道時經(jīng)常遇到隧道偏壓問題，強風化砂巖區(qū)的淺埋偏壓對隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的影響更加突出。隧道在長期偏壓荷載作用下，易發(fā)生結(jié)構(gòu)變形，產(chǎn)生裂紋、裂縫或失穩(wěn)等隧道病害，應盡早處理。

1工程概況

某雙線隧道，全長175 m。隧道進出口為殘坡積粉質(zhì)黏土，易溜坍；洞身主要穿越強風化砂巖，呈砂土狀及碎塊狀，圍巖穩(wěn)定性差，全隧圍巖級別均為Ⅴ級。隧道范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)明顯地質(zhì)構(gòu)造。隧址區(qū)位屬丘陵區(qū)，地形起伏大，地面橫坡約為1∶1.5。外側(cè)拱肩覆蓋土厚度0.5～13.5 m，小于鐵路隧道設計規(guī)范規(guī)定的30 m，隧道拱頂埋深0.5～17 m，小于30 m，為偏壓、淺埋隧道[1]，見圖1。

圖1　某隧道進口施工示意圖

2隧道病害發(fā)展過程

2.1隧道設計情況

該淺埋偏壓隧道采用復合襯砌設計。洞口段采用φ108 mm超前大管棚及系統(tǒng)噴錨支護，襯砌采用單壓式明洞洞門，C20混凝土，厚2 m；洞身段初期支護采用C25網(wǎng)噴混凝土、厚28 cm，φ8 mm鋼筋網(wǎng)網(wǎng)格間距20 cm×20 cm，錨桿長度4 m、間距0.8 m×1.0 m，I22a型鋼，間距0.5 m(全環(huán))；仰拱采用C35防水鋼筋混凝土，厚65 cm；仰拱填充采用C20混凝土；拱墻部位采用C35防水鋼筋混凝土，厚55 cm。

2.2隧道施工情況

隧道按新奧法原理施工。2011年2月25日，進口暗洞采用CRD法開挖。2011年6月17日，隧道開挖完成75 m、襯砌完成32 m時，隧道洞外地表和洞內(nèi)二次襯砌相繼出現(xiàn)裂縫。其中拱部襯砌最長縱向裂縫8.4 m，寬度最大0.71 mm，深度最大256 mm；地表為弧形裂縫，裂縫距隧道中線右側(cè)最遠處63 m，長約80 m，寬度約0.2 m，裂縫深度約5.5 m。

2011年7月7日～7月9日，由于連降暴雨，已施工完成的隧道進口線路右側(cè)D2K235+743～D2K235+765段邊坡出現(xiàn)滑塌，造成隧道已施做的D2K235+752～D2K235+759段初期支護被推倒，長管棚、邊坡防護等工程出現(xiàn)滑塌。

優(yōu)化后的開挖方法采用雙側(cè)壁導坑法。2011年12月24日，開挖、支護全部完成，二次襯砌于2012年1月16日完成，明洞襯砌于2012年9月5日完成。進口明洞回填2012年12月20日完成，出口明洞回填2012年12月28日完成。

2.3隧道監(jiān)控量測情況2.3.1變形觀測點位布置情況

洞內(nèi)共布設15個觀測斷面，平均間距8 m，每個斷面安裝4個觀測點。點位在洞內(nèi)左右兩側(cè)邊墻、拱頂之上。如圖2所示。

圖2　雙側(cè)壁導坑法監(jiān)控量測測點布置示意

2.3.2隧道典型斷面監(jiān)控量測數(shù)據(jù)(表1)

表1　隧道典型斷面監(jiān)控量測情況統(tǒng)計

2.3.3觀測數(shù)據(jù)分析

(1)根據(jù)各項數(shù)據(jù)走向趨勢分析，D2K235+800斷面埋深最大，洞頂下沉最大累計沉降為20 mm，其余各斷面數(shù)據(jù)在5～18 mm范圍內(nèi)，與埋深大致呈對應關(guān)系。

(2)根據(jù)洞內(nèi)位移及中線偏移分析，說明隧道洞內(nèi)位移受山體偏壓影響；以D2K235+800為分界，從CRD法優(yōu)化為雙側(cè)壁導坑法后，洞內(nèi)位移值明顯減小，說明洞內(nèi)位移值大小與施工方法有關(guān)。

(3)各斷面地表位移均存在下沉情況，進口明暗交界處變形量最大，幾乎為其他監(jiān)測點的2倍。雙側(cè)壁導坑法明顯比CRD法位移值小，說明施工干擾對淺埋隧道的地表位移有影響。

3隧道病害原因分析

3.1隧道受力分析

為了分析隧道受力狀況，現(xiàn)選取隧道內(nèi)一典型斷面分析，見圖3。

圖3　典型斷面受力示意

圖3中各參數(shù)經(jīng)測算，值分別如下。

h(h′)——內(nèi)側(cè)由拱頂水平至地面的高度，現(xiàn)取D2K235+767、D2K235+800、D2K235+830、D2K235+860等4個斷面；

B——隧道寬度，取B=14.8 m；

γ——圍巖容重，取γ=18.5 kN/m3；

α——地面坡度角，取α=33.7°；

φ0——圍巖計算摩擦角，取46.8°；

θ——頂板土柱兩側(cè)摩擦角，取θ=28.1°。

由于β、β′與、θ、α之間的關(guān)系[2]

將以上參數(shù)代入，得

β=66.7°

β′=74.9°

內(nèi)、外側(cè)的壓力系數(shù)λ、λ′，得

0.271

0.168

由太沙基的散體壓力理論，考慮破裂面上的側(cè)面壓力和剪切破壞條件，則巖土作用(荷載)下其垂直壓力

水平內(nèi)側(cè)壓力：ei=γλhi=(ei拱頂+ei拱腳)/2

將D2K235+767、D2K235+800、D2K235+830、D2K235+860等4個斷面的h、h′值分別代入上式，得各個斷面的垂直壓力、水平內(nèi)側(cè)壓力、水平外側(cè)壓力值，見表2。

從計算結(jié)果看，內(nèi)側(cè)水平壓力比外側(cè)水平壓力大很多，幾乎是外側(cè)水平壓力的2倍；兩側(cè)隧道構(gòu)成明顯偏壓荷載，隧道存在向山體外側(cè)擠出的趨勢。

表2　隧道典型斷面受力計算

趙勇對350 km/h雙線鐵路隧道復合式襯砌結(jié)構(gòu)Ⅳ、Ⅴ級圍巖的各種工況進行了模擬計算，其中Ⅴ級圍巖偏壓隧道在地面橫坡1∶1.5，覆土厚度40 m情況下，其彎矩值：拱頂約218 kN·m，邊墻約15 kN·m，仰拱約345 kN·m[3]。本文工況與之非常類似，可推斷，該隧道拱頂彎矩明顯比邊墻彎矩大、仰拱彎矩明顯比邊墻彎矩大。陳佩寒等對鄭西客運專線的張茅隧道的拱頂下沉、周邊位移收斂項目進行了監(jiān)測及分析，得出圍巖的變形規(guī)律，隧道破壞主要集中于拱腰、邊墻與仰拱的結(jié)合部位[4]。

綜合隧道受到不平衡荷載及隧道不同部位承受的彎矩差別較大的情況，該隧道病害的產(chǎn)生主要是斜坡產(chǎn)生了不平衡荷載，不同部位彎矩相差較大，其中拱腰、邊墻與仰拱承受彎矩差值最大部位產(chǎn)生了裂縫，這也是裂縫產(chǎn)生的根本原因。

3.2病害機理分析

隧道進口段邊坡地面橫坡約為1∶1.5，根據(jù)隧道受力分析，隧道呈現(xiàn)出明顯的偏壓特性，這也與監(jiān)測數(shù)據(jù)表1吻合。由于隧道區(qū)圍巖全風化，破碎，整體性差，圍巖在偏壓荷載作用下受力不均勻性，進而引起隧道襯砌結(jié)構(gòu)承受的應力不均勻。隧道在開挖過程中，圍巖內(nèi)部原有的應力狀態(tài)隨著開挖的進行而發(fā)生變化，引起應力重新分布和應力集中效應。對于淺埋、偏壓段砂性圍巖，二次襯砌結(jié)構(gòu)一般考慮及時施作，二次襯砌結(jié)構(gòu)按承載結(jié)構(gòu)設計[5-6]。案例隧道二次襯砌實際承受主要荷載，當圍巖傳遞的荷載值引起二次襯砌結(jié)構(gòu)所允許的極限應變值時，其外在表現(xiàn)就是二次襯砌結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂紋。進口洞口由于輔助措施施作不及時，隧道最終坍塌。

3.3病害原因分析3.3.1地形偏壓

根據(jù)表1觀測數(shù)據(jù)分析，隧道受山體偏壓影響，且洞內(nèi)位移向山體外側(cè)方向偏移與埋深有關(guān)；根據(jù)本文3.1隧道受力分析，內(nèi)側(cè)水平壓力遠比外側(cè)水平壓力大，說明隧道內(nèi)、外側(cè)荷載存在較大差異，偏壓明顯。隧道所處區(qū)域邊坡地面橫坡約為1∶1.5，隧道無地質(zhì)偏壓因素，坡度陡是造成偏壓的主要原因。隧道在開挖過程中，監(jiān)測斷面的周邊位移顯示，隨著開挖的進行和時間的發(fā)展，周邊位移不是向隧道內(nèi)部收斂，而具有向山體外側(cè)擴張的趨勢。這是由于進口段偏壓嚴重，并且圍巖整體性較差，致使進口段山體有向臨空面即山體外側(cè)滑動的趨勢，而臨空面初期支護背后土體松軟，且覆蓋層薄，無法抵抗偏壓所引起的向臨空面的推力，從而引起隧道進口段進洞時地表裂縫。如不增加輔助加固措施增加抵抗力，隧道則面臨坍塌的危險。

3.3.2施工擾動

隧道進口仰坡開挖是隧道最早施工部位，由于施工破壞山體的原始平衡狀態(tài)，同時隧道洞身開挖破壞了原巖的初始應力場，最初開挖采用的CRD法，對圍巖造成多次擾動，必然引起原巖應力的重新分布[7]。由于巖體為強風化砂巖，自穩(wěn)能力差，導致圍巖及隧道產(chǎn)生變形，并引起隧道區(qū)淺埋段地表層及隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)表面開裂。

3.3.3降雨原因

隧道區(qū)址位于南方地區(qū)，施工期間連續(xù)降雨，地表水豐富。由于本隧道穿越圍巖為強風化砂巖，裂隙發(fā)育，無明顯的阻水層，雨水可以通過裂隙進入隧道區(qū)域。由于隧道底部也為強風化砂巖，水的因素惡化了基底承載力。在降雨和地表水下滲的作用下，坡體產(chǎn)生蠕動引起隧道下沉不均勻，從而引起隧道襯砌結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂紋。降雨及地表水，也是隧道裂縫產(chǎn)生的主要原因。

4隧道病害整治

根據(jù)隧道受力及原因分析，隧道出現(xiàn)裂縫病害的主要原因是地形偏壓、施工干擾及水通過圍巖裂隙產(chǎn)生的不良影響，因此，隧道病害治理主要從以上方面進行治理。一是優(yōu)化施工方案，選擇合理的施工方法減少施工對隧道周圍土體的擾動；二是反壓回填減小隧道兩側(cè)水平壓力差值；三是采用注漿加固圍巖，封堵裂隙，減輕雨水及地表水對隧道的影響，提高圍巖自穩(wěn)能力。同時，對產(chǎn)生的裂縫采用滲透性強的材料修復處理。

4.1洞口換填處理

由于該隧道處于強風化砂巖地帶，進、出口基底砂巖強度達不到設計的承載要求。為保證明洞基底的穩(wěn)定，洞口20 m范圍的襯砌基底2 m全部采用C25混凝土換填。

4.2優(yōu)化開挖方案

對于鐵路雙線隧道而言，由于開挖斷面較大，不宜一次性開挖，應盡量減小斷面開挖尺寸，弱化施工對周邊圍巖的干擾。淺埋偏壓隧道選擇適宜的施工方法，對保證結(jié)構(gòu)和施工安全十分重要[8]。國內(nèi)諸多隧道工作者對淺埋偏壓隧道的施工方法進行了探討。張安迪研究了甬臺溫鐵路淺埋偏壓霞雪嶺隧道，認為雙側(cè)壁導坑法將開挖斷面化大為小，邊開挖邊支護，有利于工作面穩(wěn)定[9]；王磊、付剛等利用FLAC3D程序?qū)﹂_挖進尺進行了研究，建議淺埋隧道的進尺應控制在2～3 m[10]。隧道采取雙側(cè)壁導坑法開挖時，先開挖隧道偏壓側(cè)，再開挖另一側(cè)，縮短開挖進尺，同時采取弱爆破措施，減少裝藥量，避免對圍巖的過度擾動，施工獲得了成功。

4.3反壓回填施工

首先將地表的腐質(zhì)土、草皮、雜物等清理干凈。在洞頂上方采取挖方，減輕坡體下滑動力，減小豎向荷載，挖方深度視地形條件為4～7 m不等；所挖巖土回填至坡腳，采取層層夯實、平衡偏壓產(chǎn)生的側(cè)壓力，并在坡腳設置頂寬1.0 m的漿砌片石擋墻，形成反壓護道，以達平衡兩側(cè)水平壓力目的，見圖4。

圖4　反壓回填示意

4.4錨桿注漿

在施工過程中，應重視截、排水措施的作用，避免雨水下滲造成開挖后邊坡穩(wěn)定性的下降[11]。通過錨桿注漿，既有效封閉了雨季巖土的通水通道，又增強了巖體的整體自穩(wěn)性。對裂隙應采取相應的加固措施，通過提高裂隙巖體的力學參數(shù)，間接減少巖體的側(cè)壓系數(shù)，從而減小偏壓的不利影響。通過上述分析，結(jié)合現(xiàn)場的地質(zhì)情況和經(jīng)濟等考慮，本工程采用小導管加固方案，小導管以大角度與巖層層面相交，導管可以垂直于巖層弱面進行加固，再加上漿液的擴散作用對提高巖土體的力學參數(shù)是很有效的，相應也就減小圍巖的側(cè)壓力系數(shù)。這樣就可以取得較好的加固效果。其作用機理一方面分別增大增長了導管直徑和長度，其形成的握裹體性能增強，錨固體所提供的錨固力也大幅度的增大；另一方面通過注漿，漿液沿裂縫面及周圍圍巖裂隙擴展，使其周圍的不連續(xù)面連接成一整體，提高了巖體的物理力學性質(zhì)。通過后期測量結(jié)果顯示，加固以后仰坡裂隙沒有發(fā)展，仰坡已經(jīng)趨于穩(wěn)定。本工程漿體強度≥25 MPa，所用水泥為32.5級普通硅酸鹽水泥，水灰比為0.4，注漿過程中一定要保證注漿壓力(達到1～1.5 MPa)及注漿的飽滿度(由孔底向外返漿)。

4.5對洞內(nèi)既有裂縫的修復

采用灌漿法，此方法應用范圍較廣，且處理效果好。沿裂縫兩側(cè)每隔1.2～1.5 m交錯布點，鑿成10 cm×10 cm大小、深5 cm的方槽，用風動鑿巖機鉆孔，孔深3 m，安裝WDT25中空注漿錨桿，注入水泥砂漿，水泥∶砂∶水=1∶(1～1.5)∶(0.45～0.5)，施工時由下往上逐級注漿，注漿壓力不大于0.4 MPa。注漿24 h后安裝錨桿墊板，用砂漿抹平方槽，表面采用白水泥和107膠進行調(diào)色處理，使修補后的裂縫顏色與襯砌混凝土的顏色一致。

4.6病害整治效果

2012年3月6日展開洞外卸載反壓施工，2012年5月27日卸載反壓完成。2012年8月中旬，隧道洞外卸載反壓區(qū)防護工程基本結(jié)束。卸載基本完成且經(jīng)觀測隧道變形穩(wěn)定后，2012年9月上旬開始進行洞身襯砌混凝土裂縫注漿封閉處理，2012年9月底全部處理完成。根據(jù)觀測，隧道整治后地表下沉、洞內(nèi)洞頂位移、洞內(nèi)位移等趨于平穩(wěn)，表明整治工作富有成效。

5結(jié)論

(1)強風化砂巖地區(qū)淺埋偏壓隧道形成不平衡荷載的根本原因為地形，同時雨季施工、施工干擾因素也是隧道病害成因的重要因素。

(2)在設計選線階段，采用線路向山體內(nèi)側(cè)偏移方式避免形成偏壓隧道。在施工中，采用反壓回填、注漿等輔助措施，可平衡偏壓荷載，增大圍巖的自穩(wěn)能力，消除或降低病害隱患。

(3)對于淺埋偏壓隧道，接長明洞也是常用的技術(shù)手段。增加明洞長度，可以加大暗洞覆蓋層厚度，有利于圍巖穩(wěn)定。

(4)在強風化砂巖地區(qū)，必須重視水對隧道周邊圍巖裂隙的影響。在強風化砂巖或其他軟弱圍巖區(qū)域，水通過通道更易破壞巖體的完整性，降低巖石的強度[12-13]。開挖前應重視對判知圍巖的裂隙發(fā)育情況，提前采取措施，采取注漿或其他方式堵塞徑流通道，減少水對圍巖的弱化影響，減少裂縫病害形成的因素。

(5)淺埋地段，應該選擇適應方法，盡量創(chuàng)造條件，減少分部數(shù)量，盡可能爭取用較大斷面開挖，減少開挖擾動。偏壓、淺埋軟弱圍巖優(yōu)先選擇雙側(cè)壁導坑法，可降低病害發(fā)生。

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Analysis and Improvement of Bias Shallow Tunnel in Heavily Weathered Sandstone Area

ZHOU Yun-xiang

(Engineering Management Center of China Railway Corporation， Beijing 100038, China)

Abstract：The bias shallow tunnel is very common in railway construction. The bias load is the root cause of potential tunnel defects. This paper addresses tunnel stress mechanism and the root cause of the bias load based on site observation and analysis of monitoring data collected from a tunnel as to mitigate the adverse effects on the stability of tunnel structure in heavily weathered sandstone area. It is geological conditions that generate bias load， and the construction activities and water that deteriorate tunnel unbalanced conditions. The success of tunnel construction verifies that the back pressure backfill can balance the tunnel under bias load， grouting reinforcement can improve the overall stability of broken surrounding rock， and the double side heading method has less interference on the construction and should be prioritized in excavation．

Key words：Railway tunnel; Heavy weathering; Sandstone; Shallow buried; Bias; Defect; Treatment

中圖分類號：U457+.2

文獻標識碼：B

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.04.020

文章編號：1004-2954(2015)04-0079-05

作者簡介：周運祥(1972—)，男，高級工程師，1996年畢業(yè)于石家莊鐵道學院交通土木建筑專業(yè)，工學學士，E-mai：wslzyx@126.com。

收稿日期：2014-07-14； 修回日期：2014-08-12