茜阳隧道出口病害处治技术研究

吴启勇

(福建省交通规划设计院，福州 350004)

0 引言

茜阳隧道位于福建省龙岩市上杭县内，为高速公路分离式隧道，隧道开工70多m后洞身出现严重的变形情况，总体来看茜阳隧道出现的变形具有突然、变形速率高且难以控制、最终变形量大等特点。文献［1］进行了隧道病害原因分析，提出了原有衬砌侵限处理施工工艺和注意事项，总结了施工方案、监控量测要求，阐述了施工安全措施，确保了施工质量。文献［2］介绍了内昆铁路龙洞湾隧道进口裂缝病害原因，并对其跳槽方法处理措施进行了分析和探讨。文献［3］叙述了病害产生的原因和相应的处理措施，并采用有限元程序和条分法对整个岩堆体的稳定性进行了分析检算。文献［4］主要介绍了产生病害的工程环境，分析了病害产生的原因及机制，介绍了病害处理的具体工程措施和具体施工方法，总结了浅埋、偏压、破碎围岩条件下隧道施工的综合技术。文献［5］主要阐述了隧道二次衬砌混凝土产生变形、开裂的原因，提出病害处理原则和预防措施，并根据混凝土产生的各种变形、开裂实际情况提出相应的处理方案。文献［6］主要从国内施工现状与存在的问题入手，分析了引起隧道大变形的原因，总结出控制隧道大变形方法。文献［7］针对隧道病害情况，采用仪器对隧道病害进行了检测，结合隧道围岩地质条件，对出现原因进行了数值计算分析，提出了内轮廓侵限处理方案。文献［8］对隧道发生侵限的原因进行了分析，提出了采用注浆加固、加强超前支护、处理时施作临时内衬、逐榀拆除侵限段初期支护等处理措施。目前在建或已建的隧道均存在衬砌侵限、裂缝问题，也是国内外专家学者研究的热点问题。本文以土质浅埋偏压茜阳隧道为研究对象，借鉴以往经验和实测数据，通过数值模拟对衬砌侵限、裂缝处理方案进行优化研究。

1 工程概况

茜阳隧道为分离式平行双洞隧道，设计行车速度为100km/h，单洞建筑界限:净高5m、净宽10.75m (行车道宽2×3.75 m，左侧路缘带0.5 m，右侧路缘带0.75 m，左、右侧检修道各1.00 m)。全长450 m，进出口均采用端墙式洞门。隧道右洞进口桩号为YK24+ 795、出口桩号YK25+245;隧道左洞进口桩号为ZK24+ 774、出口桩号ZK25+231。两洞轴线之间的线间距为33.15 m。

茜阳隧道出口位于山脊上，右洞横向地面线坡率为30°(即偏压30°)，如图1所示。隧道区属构造－剥蚀低山地貌，地形起伏较大，山坡较陡，自然坡度35～50°，上覆坡残积土(Qd1+r1)和强风化变质砂岩，厚度为30～50m，下伏基岩为震旦系楼子坝组变质粉砂岩，其产状为180°∠40°。隧道区上部地下水主要为风化基岩中的裂隙－孔隙水，水量贫乏，受大气降水的补给，主要对出洞口围岩及施工有影响。

2 病害情况

2010年3月20日成洞面桩号YK25+240～+ 238洞顶地表有微小裂缝;2010年3月28日YK25+ 240～+228洞顶地表裂缝稍明显;2010年4月4日连降雨水，洞顶地表裂缝明显并延伸;2010年4月7日地表裂缝已延伸至掌子面。茜阳隧道右洞出口至掌子面YK25+170初期支护均发生变形和裂缝，最大侵限约25.19 cm，详见图2，具体裂缝位置如图3所示。根据相关资料:地表裂缝宽度为5～15cm，衬砌裂缝宽度约为0.2 mm，地表沉降约15 mm。

图1 茜阳隧道出口平纵面图Fig.1 Plan and longitudinal profile of exit section of Xiyang tunnel

3 病害原因分析

1)在坡积粉质黏土围岩基础上采用上下台阶法开挖，同时上下台阶错台30 m，洞口至掌子面从未施作二次衬砌;出口排水系统未完善。

2)出口偏压段在未采取反压回填措施情况下开挖进洞，同时在右洞YK25+193～+220右边山坡坡体被开挖10 m高当作生活区，扰动了山体。

3)4月初连降大雨，地表水经未铺砌的截水沟渗入隧道围岩，使围岩软化，降低了软弱面的强度。

4 隧道衬砌变形和裂缝处治方案

由于茜阳隧道出口地质较差，施工工期较紧，为保证施工进度和结构安全稳定，本文采用换拱法和明挖法2种方法进行比较，选出最合理的处治方案。

4.1 明挖方案处理措施

4.1.1 边坡加固

已施工的右洞开挖为边坡，其边坡采用5阶高边坡预应力锚索格子梁+排水的设计方案，第1阶、第3阶和第4阶边坡坡率分别为1∶0.75，1∶1和1∶1.25，分别采用20，22，26，28和30 m不等长度预应力锚索加固;第2阶边坡坡率为1∶1，由于边坡距隧道过近，无法采用预应力锚索加固，采用锚杆镀锌网+小导管注浆加固植草防护;第5阶边坡坡率为1∶1.25，采用液压喷播植草(灌)。YK25+170左侧横断面路基加固示意见图4。锚索采用公称直径为15.2 mm的高强度低松弛钢绞线6根，钢绞线标准强度不小于1 860 MPa，钻孔直径为150 mm，与水平夹角为20°;横向间距为3.0 m，垂直间距为3.0 m，格子梁间植草。

图4 YK25+170左侧横断面路基加固示意图Fig.4 Sketch of reinforcement of subgrade on the left side at YK25+170

4.1.2 仰坡加固

隧道仰坡采用6阶高边坡预应力锚索格子梁+排水的设计方案，第2阶、第3阶、第4阶和第5阶边坡坡率分别为1∶0.5，1∶0.75，1∶1和1∶1，分别采用20，22，24，26，28，30 m不等长度预应力锚索加固;第1阶边坡坡率为1∶0.25，为成洞面，距隧道洞身过近，无法采用预应力锚索加固，采用小导管注浆和洞门墙加固;第6阶边坡坡率为1∶1，采用液压喷播植草(灌)。YK25+170仰坡基加固示意见图5。锚索采用公称直径为15.2 mm的高强度低松弛钢绞线6根，钢绞线标准强度不小于1 860 MPa，钻孔直径为150 mm，与水平夹角为20°;横向间距为3.0 m，垂直间距为3.0 m，格子梁间植草。

图5 YK25+170仰坡基加固示意图Fig.5 Sketch of reinforcement of front slope at YK25+170

4.2 换拱方案处理措施

4.2.1 地表加固

对地表裂缝进行灌注水泥浆密封，防止地表水流入裂缝;右洞YK25+240～+140右侧回填反压，减少隧道偏压，防止山体裂缝扩展，如图6所示。

图6 右洞山体反压回填处理示意图Fig.6 Artificial overburden of right tube

4.2.2 临时加固处理

出口左洞ZK25+206～+226和右洞YK25+170～+ 240初期支护采用满堂架临时加固，并在钢支撑拱脚未打入锁脚小导管处补设锁脚小导管，防止隧道初期支护下沉，影响变形裂缝扩展，如图7所示。

图7 满堂架临时加固图Fig.7 Temporary support by means of full house frame

4.2.3 初期支护变形处理

支护厚度由原来24 cm改为28 cm，二次衬砌厚度由原来45 cm改为55 cm;该段钢支撑间距保持不变，钢支撑由工18改为工20 b，径向采用长度为5 m，直径为50 mm的小导管注浆加固，间距为100 cm×100 cm，梅花型布置。具体施工工序如下:

1)拆除右矮边墙初期支护、二次衬砌以及矮边墙基础;2)在右矮边墙基础处打入直径108 mm钢管桩并注浆;3)右矮边墙基础采用C25混凝土回填;4)待右矮边墙墙基础C25混凝土强度达到70%后，挂钢筋网喷射4 cm C25混凝土并立型钢支撑，再喷20 cm厚C25混凝土;5)浇注右矮边墙二次衬砌;6)拆除左矮边墙初期支护、二次衬砌以及矮边墙基础;7)在左矮边墙基础处打入直径108 cm钢管桩并注浆;8)左矮边墙基础采用C25混凝土回填;9)待左矮边墙墙基础C25混凝土强度达到70%后，挂钢筋网喷射4cm厚C25混凝土并立型钢支撑;再喷20 cm厚C25混凝土;10)浇注左矮边墙二次衬砌;11)拆除拱部初期支护并开挖至设计线;12)挂钢筋网喷射4 cm厚C25混凝土并立型钢支撑，再喷20 cm厚C25混凝土;13)跳槽法施工逐榀换拱完成4榀后，再整体挂直径12mm钢筋网，最后再喷4 cm厚C25混凝土，完成1个循环后方能施作下个循环;每换拱8～10 m，应立即模筑二次衬砌，待二次衬砌混凝土强度达到80%后，方能施作下一个循环。换拱施工工序如图8所示。

施工顺序由洞口向掌子面方向采用跳槽法逐榀施工，施工时应加强监控量测，确保施工人员安全。

5 施工工序模拟分析

5.1 计算条件

1)围岩级别:Ⅴ级围岩。

2)隧道埋深:浅埋。

3)计算软件:同济曙光。

4)计算模式:“地层－结构”弹塑性模式，计算考虑以承受自身重力应力场为主，考虑毛洞与初期支护各自承担50%围岩压力。

图8 换拱施工工序图Fig.8 Procedure of arch replacing

5)计算边界条件:在模型左、右边界施加水平X方向约束，在底面施加垂直Y方向约束，顶部为自由面，横向范围的有效水平方向计算宽度为148 m，左右边界距开挖轮廓外边缘均大于4倍的主洞开挖宽度;上边界为地表自由面，下边界距主洞开挖轮廓底边缘40 m，大于3倍的主洞开挖高度，消除边界效应对结果的影响。

6)计算准则采用D－P准则。

5.2 计算参数取值

初期支护设计参数见表1，根据截面换算原则，对计算截面的初期支护进行截面换算，其换算后的支护物理力学参数见表2。

洞室周围和临时导洞周围施打锚杆的区域采用提高围岩参数的方法来模拟。参考文献［9］，在施加喷锚支护后将相应围岩的弹性模量、黏聚力c及摩擦角φ提高20%，泊松比降低20%。

表1 Ⅴ级围岩初期支护设计参数表Table 1 Design parameters of primary support of grade V surrounding rock

表2 换算后计算物理力学参数Table 2 Physical and mechanical parameters for calculation

5.3 换拱方案模拟

5.3.1 计算断面选取

取茜阳隧道右洞桩号YK25+180断面为计算断面，隧道左洞埋深最深为26 m，右洞埋深最深为3.8 m，如图9所示。

图9 计算断面图Fig.9 Calculation cross-section

5.3.2 计算结果分析

5.3.2.1 塑性

换拱后塑性图见图10，由图10(a)，(b)和(c)分析可知:右洞隧道左右矮边墙开挖并加固过程中洞室周围围岩塑性区范围几乎没有变化，故左右矮边墙开挖不影响围岩稳定。

由图10(d)可得:右洞隧道拱部初期支护换拱过程中，右洞拱顶塑性区范围变大，但径向范围塑性区均未超过设计的小导管和系统锚杆加固范围;中间岩体塑性区未贯通，说明换拱过程中围岩扰动范围较小，满足围岩自稳能力要求。

5.3.2.2 初期支护内力和安全系数

在模拟计算过程中通过对左右洞初期支护的内力和安全系数分析，判定隧道支护的安全和稳定，具体的跟踪点位置为拱顶、拱腰、仰拱等，如图11和表3—6所示。

由表3和表5，图11(a)，(b)，(c)，(d)知:上下台阶开挖、原初期支护安全系数均大于2.0，因此，原初期支护参数满足隧道结构受力安全要求。

由表4和图11(g)，(h)可得:右洞原支护换拱后，右洞新初期支护的内力减少，其新的支护安全系数均高于原初期支护安全系数，说明换拱后对初期支护受力更有利。

图10 换拱后塑性图Fig.10 Plasticized zone after arch replacing

由表6和图11(e)，(f)可知:右洞原支护换拱后，左洞初期支护内力有所增加，但增幅不大;左洞初期支护安全系数略有降低，但其安全系数均大于2，满足隧道结构受力安全要求。

图11 左右洞初期支护内力图Fig.11 Internal forces of support of left tube and right tube

表3 原右洞支护内力Table 3 Internal forces of support of right tube before arch replacing

表4 换拱后右洞支护内力Table 4 Internal forces of support of right tube after arch replacing

表5 原左洞支护内力Table 5 Internal forces of support of left tube before arch replacing

表6 换拱后左洞支护内力Table 6 Internal forces of support of left tube after arch replacing

5.4 明挖法数值模拟

5.4.1 计算断面选取

选取Ⅴ级围岩断面进行计算分析，取茜阳隧道右洞桩号YK25+180断面为计算断面，隧道左洞埋深最深为26 m，右洞埋深最深为3.8 m。计算模型见图12。

5.4.2 开挖顺序

开挖右洞上台阶—右洞上台阶支护—开挖右洞下台阶—右洞下台阶支护—开挖左洞上台阶—左洞上台阶支护—右洞隧道开挖为路基—开挖左洞下台阶—左洞下台阶支护。

图12 计算模型Fig.12 Calculation model

5.4.3 结果分析

5.4.3.1 塑性

路基方案围塑性屈服区见图13。

当右洞开挖为路基后，左洞周边围岩塑性屈服区范围迅速扩大，第1阶路基边坡坡脚发生塑性屈服区与左洞隧道周边围岩塑性区贯通，左洞右侧塑性屈服区与第2和第3阶路基坡面贯通。

图13 路基方案围塑性屈服区图Fig.13 Plasticized yield zone in case the right tube is replaced by subgrade

当左洞下台阶开挖并支护完毕，路基边坡处、左洞拱腰处及两侧拱脚处塑性屈服区范围进一步扩大，第1阶路基基础发生塑性屈服区深度扩大为7 m，左洞左边墙塑性区扩展至10 m，故右洞隧道开挖为路基对边坡及左洞稳定性极其不利。

5.4.3.2 初期支护内力和安全系数

路基方案左洞支护内力见表7和图14，由图14和表7知:已开挖的右洞室变更为路基方案，左洞初期支护内力剧增，原初期支护安全系数减少，拱腰和拱脚安全系数减少更为明显，其值小于2，拱脚处安全系数小于1，不满足隧道结构受力安全要求，故路基方案不合理。

表7 路基方案左洞支护内力Table 7 Internal force of support of left tube in case the right tube is replaced by subgrade

6 监控量测分析

6.1 地表下沉

在地表沉降监测过程中，茜阳隧道地表沉降最大累计变化量出现在YK25+235断面B测点，累计变化量为－271.2 mm，如图15所示。2010年3月28日地表开始迅速下沉，2010年4月10日经过满堂架临时加固处理后，地表下沉基本趋于稳定。

6.2 周边收敛分析

在洞边收敛及拱顶沉降监测过程中，茜阳隧道拱顶沉降及洞周收敛断面最大日变化量出现在YK25+ 185断面上2日H测线，日变化量为－1.0 mm;拱顶沉降及洞周收敛的最大累计变化量出现在YK25+185断面的H测线，累计变化量为－202.2 mm，如图16。2010年4月19日经过满堂架临时加固处理后，拱顶沉降及洞周收敛趋于稳定。

7 结论与讨论

在施工前制定切实可行的施工方案是必要的，工程针对地质和地形条件，制定了换拱方案和路基方案，通过数值模拟对病害处理进行比较。得出换拱方案可行、安全、可靠。同时从施工工序上引入一些新方法、新工艺，为今后类似的公路隧道病害处理提供参考。

图14 路基方案左洞支护内力图Fig.14 Internal force of support of left tube in case the right tube is replaced by subgrade

图15 2010年YK25+235断面地表下沉位移曲线图Fig.15 Curves of ground surface settlement in 2010

图16 2010年YK25+185断面收敛位移曲线图Fig.16 Curves of convergence in 2010

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