家竹箐隧道煤系地层段病害特征及成因分析

刘 伟

（中铁二院昆明勘察设计研究院有限责任公司，云南 昆明 650200）

0 引言

目前我国建成运营的铁路隧道约有5 000多座，其中65.7%（计3 433座）隧道存在着各种病害，主要为衬砌开裂、漏水、腐蚀、疏松、表面脱落或者掉块、衬砌裂损屈服、基底翻浆及底鼓等［1］，对铁路运营安全不利。病害原因是复杂的，主要涉及到气候、地貌、地层岩性、水文地质、构造、设计及施工等因素。只有在查清病害原因，并针对性地采取工程措施才能有效地治理各种病害。

修建于20世纪90年代的南昆铁路家竹箐隧道因高地应力和高瓦斯而闻名于世，为解决高地应力及高瓦斯等带来的施工难题，勘察设计及施工采取了很多新技术和强措施，确保了工程的顺利竣工。但是该隧道竣工运营16年来，隧道中煤系地层段却反复发生病害，给铁路运营及养护带来了很多问题。

对家竹箐隧道的研究在设计、施工方面的文献较多［2-5］，而关于竣工运营后研究的相关文献相对较少。文献［6-8］从不同的角度对铁路隧道的病害及防治进行了研究，但是对地应力对煤系地层隧道的持续作用、发展并导致病害的研究却很少。本文在收集、分析既有勘察、设计、施工及运营养护等资料的基础上，对现场进行详细的调查、分析，以期找到病害原因，确保治理措施合理、有效。

1 工程概况

家竹箐隧道位于南昆铁路威舍至红果段鲁番站与上西铺站区间，处于贵州省盘县境内，里程为K54+936～K59+926，隧道全长4 990 m。隧道进口端处于玄武岩地层（P2β）中，长1 143 m；之后进入煤系地层（P2d+c+1），里程为K56+079～K57+236，煤系地层段的长度为1 157 m，最大埋深为404 m；其后为碎屑岩地层（T1f）和可溶岩地层（T1yn）段（见图1）。施工于1994年1月进入煤系地层，至1996年4月通过煤系地层，在煤系地层中施工超过2年，隧道于1997年5月11日竣工。针对煤层层数多、瓦斯含量高压力大、且具突出危险的特点，系统开展了瓦斯排放、抽放等防突措施，为安全揭煤创造了条件。隧道开挖进入煤系地层埋深最大地段，由于围岩强度低而原始地应力高，应力强度比很大，造成的围岩大变形非常突出，在采取了以系统长锚杆为主、双层模注混凝土（钢纤维配筋混凝土）、可缩式钢架等一系列技术措施后，才使大变形得到控制，并总结出“加固围岩、改善洞形、先柔后刚、先放后抗、形变留够、底部加强”的设计原则。

图1 家竹箐隧道工程地质纵断面Fig.1 Longitudinal profile of engineering geological conditions of Jiazhuqing tunnel

隧道穿过的煤系地层为二叠系上统大隆、长兴、龙潭组（P2d+c+1），岩性以砂岩、泥岩为主夹煤层，岩质软，较破碎，为Ⅴ级围岩。该地层中厚度大于0.5 m的煤层共有26层，层厚一般为1～4 m，最厚煤层厚达10.7 m，其中有5层煤层具有煤与瓦斯突出危险。在隧道施工中实测最大瓦斯压力为1.585 MPa（17号煤层），最高瓦斯含量20.17 m3/t（17号煤层）。在揭18号煤层时，瓦斯涌出量高达10.56 m3/min，5层突出煤层共涌出瓦斯100×104m3。

在煤系地层的施工中，在高地应力的作用下一直伴随着严重的围岩及衬砌挤压变形。根据文献［4］等资料，变形最早出现在K56+558～+578段，2个月后扩大到K56+546～+716段，又2个月后进一步扩大到K56+486～+781段，再经3个月后大变形最终发展为K56+486～+876段共长390 m的范围。大变形造成隧道拱顶一般下沉0.8～1 m，最大2.4 m；侧壁内移一般0.6～0.8 m，最大1.6 m；底部上鼓一般0.6～0.8 m，最大1.0 m。且隧道拱顶方向变形自始至终均明显大于水平方向变形。实测隧道主应力σ1=19.62 MPa、σ2=7.8 MPa、σ3=5.48 MPa。从实测数据可以看出，地应力以水平应力为主，方向为NE向，与隧道大角度相交，且为垂直应力的2倍，即构造应力较为明显。

大变形段开挖断面积为82.5 m2（高10.41 m，宽9.34 m），施工根据实际变形特征采用了A，B型2种衬砌，其中K56+486～+639段为A型衬砌、K56+639～+796段为B型衬砌、K56+796～+876段为A型衬砌，大变形前后段的煤系地层均采用C型衬砌。A，B型衬砌主要是加大了边墙曲率，改善了衬砌结构的受力条件，加大洞径预留变形量，同时内外层衬砌分别改用300号钢纤维混凝土和钢纤维钢筋混凝土。

2 病害的发生及特征

隧道初次病害发生于建成6年后的2003年，位置为K56+468～+496。隧道衬砌右侧拱肩出现水平开裂、掉宽块，宽度最大为10 cm，无水平错牙，实测隧道衬砌断面未见明显的变形和侵限。采取了在裂缝上下各1.5 m范围内网喷混凝土加固，缝内填充气密性混凝土等措施，整治后病害得到了控制。

隧道第2次病害发生于2013年，在隧道K56+319～+519段发现有多处病害，主要为开裂、掉块、渗水等。K56+436～+476段出现4处混凝土剥落、掉块现象，位置处于拱顶及上拱腰，平行线路，长1～10 m，宽0.2～0.8 m，混凝土呈片状及块状剥落，厚1～5 cm，剥落的混凝土断面新鲜，混凝土强度无异常，部分钢筋外露并具腐蚀现象，其中K56+446～+456处掉块后外露钢筋发生向洞内突出的弯曲变形现象（见图2）。K56+476～+536段出现4处开裂现象，裂缝长0.5～2 m，宽1～2 mm，与线路方向呈近于45°斜交。K56+336～+396段出现5处开裂渗水现象，裂缝长0.3～5 m，宽1～2 mm，与线路方向近于垂直。对K56+319～+519段隧道净空采用断面仪进行了实测，发现K56+446～+486段右边墙2.0～5.7m高处向线路方向位移为3～26 mm，其中K56+466处变形最大，位移为17～26 mm，目前未侵限，其他地段变形位移不明显。在煤系地层段设有多个瓦斯检测器，根据铁路局监测资料，该段长期可检测到有瓦斯涌出。

图2 隧道病害照片Fig.2 Tunnel defects

第1次病害是发生在大变形小里程端的起始位置附近（K56+468～+496），为大变形处理与非处理及A型衬砌与C型衬砌分界的过渡段，A型衬砌段占10 m，C型衬砌段占18 m。第2次病害最严重地段（K56+436～+476）则处于第1次病害处理位置分界的过渡段，该段施工期间未发生大变形，采用C型衬砌，第1次处理过范围占8 m，未处理过的范围占32 m。可见病害均发生在上一次变形分界位置小里程端的过渡地段，且衬砌强或处理过的段落小于衬砌弱或非处理过的段落，病害有明显向薄弱地段发展的趋势。施工期间大变形段的大里程端则无病害发生。

3 病害原因分析

3.1 构造产生的地应力作用

在该隧道施工期间及之后对隧道大变形特征、成因、机制、处理措施等做过大量分析、研究，主要原因是煤系软质岩高地应力作用造成的大变形，地应力主要为构造应力。多年后该隧道煤系地层段的病害主要仍是地应力作用的结果。

隧道施工开挖后形成的大变形让地应力得到了明显的释放、缓解，但造成地应力过大的原因并未消失，地应力仍在蓄积、发展之中，并对隧道工程造成持续的影响。当地应力的作用超过衬砌等结构物的抵抗力时，衬砌混凝土将发生变形、掉块、开裂等病害，这正是2次病害表现出来的特征。因此可见该隧道地应力的作用是长期存在的，其来源于区域地质构造运动产生的构造应力，说明隧道所处区域新构造运动是活跃的，地质构造一直处于运动之中。

隧道区处于杨子准地台黔北台隆六盘水断陷普安旋扭构造区，为由一系列呈辐射涡轮状分布的褶皱扭结而成的一个构造群体，也称黔西南涡轮构造。隧道位于其中的亦资孔向斜南段的东翼南端扬起端附近，隧道轴线与向斜轴线约成30°相交。在地质历史时期，煤系地层经历了多期应力场的作用，该构造带的一系列褶皱主要是由于燕山晚期近南北向的强烈挤压、扭动所形成，新构造运动以来这种构造挤压仍然存在。文献［9-10］对贵州不同地区溶洞石钟乳铀系年龄结果的分析，发现贵州西部（包含隧道所在地区）地壳仍处于间歇性抬升之中，且抬升运动自西向东进行，自晚更新世以来抬升速率逐渐减缓，差异性的隆升形成了区内构造隆起和凹陷。很明显这种区域上的隆起和凹陷是由于东西向的构造应力挤压所造成的，并使区内的褶皱一直处于发展之中，该力与隧道轴向大角度相交，地应力作用更为明显，对隧道产生的破坏作用更大［11］。目前隧道洞身的挤压变形应该是区域构造运动作用的表现之一，因此也可以说目前隧道的病害主要是区域构造运动作用的结果。

从现在病害发生于小里程端处理过渡段而在大里程端不明显的特征分析可以看出，小里程端过渡带是地应力的主要聚集、作用区，同时该处也是一个相对薄弱的地段，最终造成该段隧道产生病害。

3.2 围岩软弱

该段隧道围岩以砂岩、泥岩为主，夹煤层，岩质软弱，强度低，砂泥岩单轴抗压强度仅1.7MPa，属极软岩。其中所夹煤层主要为暗煤、镜煤和糠煤，煤体的坚固系数（f）一般均小于0.55，最小仅0.15，属不坚固岩石，抵抗外力的能力差。这种岩煤交互沉积形成的煤系地层具有可塑性、膨胀性、崩解性、流变性和易扰动性［12］，工程性能差，对卸荷松动、施工震动等非常敏感。

岩体呈薄中层状构造，岩层真倾角约18°，视倾角为10°～12°，呈缓倾斜状，施工开挖后易发生层状剥落、坍塌，自稳性差。

隧道区岩体受区域构造影响强烈，施工在煤系地层段发现多条次级小断层，造成岩体构造节理及层间褶皱发育。节理主要有2组，一组走向近东西向倾东，另一组走向近南北向倾西。在层理与节理的共同作用下，岩体被切割呈碎块状，整体性差，施工扰动后易形成较大的松动圈。

同时该段地下水较发育，在地下水的浸泡、软化、渗流等作用下，导致围岩体力学属性退化，变形、强度参数降低［13］。

受以上多种因素的影响，造成隧道洞身围岩软弱，围岩松动圈较大，并由此产生了较大的自重压力，这种自重应力为垂直应力，并会引起相应的水平应力，对隧道围岩造成破坏，表现为重力机制起作用的扩容膨胀［14］。由于自重产生的地应力一般是持续、稳定的，在这种持续稳定的压力作用下，煤系软质岩地层的流变性等加强［15］，并作用于衬砌上，造成衬砌裂损。因此围岩软弱也是造成隧道病害的原因之一。

3.3 结构偏弱

该段隧道设计及施工共采用了3种衬砌结构，其中大变形段采用A，B型衬砌，大变形前后段采用C型衬砌。经过约16年的运营，病害主要发生在小里程端A型衬砌与C型衬砌分界的过渡段，且经第1次病害处理后第2次病害仍然发生在处理与非处理的过渡段。可见该处是结构上的一个相对薄弱地段，显然采用受力条件更好、强度更高的A，B型衬砌更能适应该隧道地应力及围岩的作用，而C型衬砌结构的洞形边墙曲率较小、混凝土强度一般，总体结构偏弱，难以承受长期地应力及软弱围岩的作用，最终导致隧道衬砌产生病害。

4 工程措施建议

造成隧道病害的主要原因是高地应力，区域上构造产生的高地应力是客观存在的，该隧道为运营隧道，无法采用加大变形来释放、减缓地应力的作用。同时该隧道也存在着围岩软弱、结构偏弱的问题，可以通过提高围岩和衬砌的强度来抵抗地应力的作用，因此应以加强软弱围岩的强度和提高衬砌结构强度为该隧道病害治理的主要原则。

建议采取径向设置注浆长锚杆（长6～8 m）加固衬砌背围岩，并间隔凿槽嵌入型钢钢架，模筑混凝土至原衬砌内轮廓的处理措施，应适当加大锚杆的密度，提高混凝土的强度。

5 结论与建议

1）家竹箐隧道的2次病害均发生在大变形处理与非处理的过渡段，病害以衬砌掉块、开裂等衬砌裂损为主。

2）在区域构造应力的作用下，家竹箐隧道的地应力是持续发展、聚集、提高的，既有大变形段的小里程端是地应力的主要聚集、作用区。

3）家竹箐隧道煤系地层段的病害应为多原因综合造成的，区域构造产生的地应力作用是主要原因，围岩软弱、结构偏弱是次要原因。

4）根据2次病害的发生及发展趋势可看出该隧道构造运动造成地应力的聚集、作用并导致病害的产生存在着6～10年的周期性，因此有必要采取更强的处理措施，否则预计10年左右处理与非处理的过渡带很有可能会再次产生病害。

5）类似地质条件下软质岩高地应力大变形设计及施工加强措施的地段应适当扩大，不宜仅仅局限于施工区间发生大变形的地段，而应该根据地应力的特点等将加强措施地段扩展到两侧一定范围。

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