强风化砂岩地区浅埋偏压隧道病害分析及整治

周运祥

(中国铁路总公司工程管理中心，北京　100038)



强风化砂岩地区浅埋偏压隧道病害分析及整治

周运祥

(中国铁路总公司工程管理中心，北京100038)

摘要：浅埋偏压隧道在铁路建设中较为常见，偏压荷载是形成隧道病害隐患的根本原因。为解决强风化砂岩地区浅埋偏压对隧道结构稳定造成的不利影响，以某隧道为研究背景，通过现场观察和分析监测结果，探讨隧道受力机理，归纳总结出地形因素是偏压荷载产生的根本原因，施工干扰及水的因素恶化了隧道不平衡的条件。隧道成功的施工，验证了反压回填能够平衡隧道承受的偏压荷载、注浆加固能够提高破碎围岩的整体稳定性，双侧壁导坑法对施工干扰少，在开挖中应优先选用。

关键词：铁路隧道； 强风化；砂岩； 浅埋；偏压；病害；整治

由于地形和线路选线的限制，山区修建铁路隧道时经常遇到隧道偏压问题，强风化砂岩区的浅埋偏压对隧道结构稳定的影响更加突出。隧道在长期偏压荷载作用下，易发生结构变形，产生裂纹、裂缝或失稳等隧道病害，应尽早处理。

1工程概况

某双线隧道，全长175 m。隧道进出口为残坡积粉质黏土，易溜坍；洞身主要穿越强风化砂岩，呈砂土状及碎块状，围岩稳定性差，全隧围岩级别均为Ⅴ级。隧道范围内未发现明显地质构造。隧址区位属丘陵区，地形起伏大，地面横坡约为1∶1.5。外侧拱肩覆盖土厚度0.5～13.5 m，小于铁路隧道设计规范规定的30 m，隧道拱顶埋深0.5～17 m，小于30 m，为偏压、浅埋隧道[1]，见图1。

图1　某隧道进口施工示意图

2隧道病害发展过程

2.1隧道设计情况

该浅埋偏压隧道采用复合衬砌设计。洞口段采用φ108 mm超前大管棚及系统喷锚支护，衬砌采用单压式明洞洞门，C20混凝土，厚2 m；洞身段初期支护采用C25网喷混凝土、厚28 cm，φ8 mm钢筋网网格间距20 cm×20 cm，锚杆长度4 m、间距0.8 m×1.0 m，I22a型钢，间距0.5 m(全环)；仰拱采用C35防水钢筋混凝土，厚65 cm；仰拱填充采用C20混凝土；拱墙部位采用C35防水钢筋混凝土，厚55 cm。

2.2隧道施工情况

隧道按新奥法原理施工。2011年2月25日，进口暗洞采用CRD法开挖。2011年6月17日，隧道开挖完成75 m、衬砌完成32 m时，隧道洞外地表和洞内二次衬砌相继出现裂缝。其中拱部衬砌最长纵向裂缝8.4 m，宽度最大0.71 mm，深度最大256 mm；地表为弧形裂缝，裂缝距隧道中线右侧最远处63 m，长约80 m，宽度约0.2 m，裂缝深度约5.5 m。

2011年7月7日～7月9日，由于连降暴雨，已施工完成的隧道进口线路右侧D2K235+743～D2K235+765段边坡出现滑塌，造成隧道已施做的D2K235+752～D2K235+759段初期支护被推倒，长管棚、边坡防护等工程出现滑塌。

优化后的开挖方法采用双侧壁导坑法。2011年12月24日，开挖、支护全部完成，二次衬砌于2012年1月16日完成，明洞衬砌于2012年9月5日完成。进口明洞回填2012年12月20日完成，出口明洞回填2012年12月28日完成。

2.3隧道监控量测情况2.3.1变形观测点位布置情况

洞内共布设15个观测断面，平均间距8 m，每个断面安装4个观测点。点位在洞内左右两侧边墙、拱顶之上。如图2所示。

图2　双侧壁导坑法监控量测测点布置示意

2.3.2隧道典型断面监控量测数据(表1)

表1　隧道典型断面监控量测情况统计

2.3.3观测数据分析

(1)根据各项数据走向趋势分析，D2K235+800断面埋深最大，洞顶下沉最大累计沉降为20 mm，其余各断面数据在5～18 mm范围内，与埋深大致呈对应关系。

(2)根据洞内位移及中线偏移分析，说明隧道洞内位移受山体偏压影响；以D2K235+800为分界，从CRD法优化为双侧壁导坑法后，洞内位移值明显减小，说明洞内位移值大小与施工方法有关。

(3)各断面地表位移均存在下沉情况，进口明暗交界处变形量最大，几乎为其他监测点的2倍。双侧壁导坑法明显比CRD法位移值小，说明施工干扰对浅埋隧道的地表位移有影响。

3隧道病害原因分析

3.1隧道受力分析

为了分析隧道受力状况，现选取隧道内一典型断面分析，见图3。

图3　典型断面受力示意

图3中各参数经测算，值分别如下。

h(h′)——内侧由拱顶水平至地面的高度，现取D2K235+767、D2K235+800、D2K235+830、D2K235+860等4个断面；

B——隧道宽度，取B=14.8 m；

γ——围岩容重，取γ=18.5 kN/m3；

α——地面坡度角，取α=33.7°；

φ0——围岩计算摩擦角，取46.8°；

θ——顶板土柱两侧摩擦角，取θ=28.1°。

由于β、β′与、θ、α之间的关系[2]

将以上参数代入，得

β=66.7°

β′=74.9°

内、外侧的压力系数λ、λ′，得

0.271

0.168

由太沙基的散体压力理论，考虑破裂面上的侧面压力和剪切破坏条件，则岩土作用(荷载)下其垂直压力

水平内侧压力：ei=γλhi=(ei拱顶+ei拱脚)/2

将D2K235+767、D2K235+800、D2K235+830、D2K235+860等4个断面的h、h′值分别代入上式，得各个断面的垂直压力、水平内侧压力、水平外侧压力值，见表2。

从计算结果看，内侧水平压力比外侧水平压力大很多，几乎是外侧水平压力的2倍；两侧隧道构成明显偏压荷载，隧道存在向山体外侧挤出的趋势。

表2　隧道典型断面受力计算

赵勇对350 km/h双线铁路隧道复合式衬砌结构Ⅳ、Ⅴ级围岩的各种工况进行了模拟计算，其中Ⅴ级围岩偏压隧道在地面横坡1∶1.5，覆土厚度40 m情况下，其弯矩值：拱顶约218 kN·m，边墙约15 kN·m，仰拱约345 kN·m[3]。本文工况与之非常类似，可推断，该隧道拱顶弯矩明显比边墙弯矩大、仰拱弯矩明显比边墙弯矩大。陈佩寒等对郑西客运专线的张茅隧道的拱顶下沉、周边位移收敛项目进行了监测及分析，得出围岩的变形规律，隧道破坏主要集中于拱腰、边墙与仰拱的结合部位[4]。

综合隧道受到不平衡荷载及隧道不同部位承受的弯矩差别较大的情况，该隧道病害的产生主要是斜坡产生了不平衡荷载，不同部位弯矩相差较大，其中拱腰、边墙与仰拱承受弯矩差值最大部位产生了裂缝，这也是裂缝产生的根本原因。

3.2病害机理分析

隧道进口段边坡地面横坡约为1∶1.5，根据隧道受力分析，隧道呈现出明显的偏压特性，这也与监测数据表1吻合。由于隧道区围岩全风化，破碎，整体性差，围岩在偏压荷载作用下受力不均匀性，进而引起隧道衬砌结构承受的应力不均匀。隧道在开挖过程中，围岩内部原有的应力状态随着开挖的进行而发生变化，引起应力重新分布和应力集中效应。对于浅埋、偏压段砂性围岩，二次衬砌结构一般考虑及时施作，二次衬砌结构按承载结构设计[5-6]。案例隧道二次衬砌实际承受主要荷载，当围岩传递的荷载值引起二次衬砌结构所允许的极限应变值时，其外在表现就是二次衬砌结构出现裂纹。进口洞口由于辅助措施施作不及时，隧道最终坍塌。

3.3病害原因分析3.3.1地形偏压

根据表1观测数据分析，隧道受山体偏压影响，且洞内位移向山体外侧方向偏移与埋深有关；根据本文3.1隧道受力分析，内侧水平压力远比外侧水平压力大，说明隧道内、外侧荷载存在较大差异，偏压明显。隧道所处区域边坡地面横坡约为1∶1.5，隧道无地质偏压因素，坡度陡是造成偏压的主要原因。隧道在开挖过程中，监测断面的周边位移显示，随着开挖的进行和时间的发展，周边位移不是向隧道内部收敛，而具有向山体外侧扩张的趋势。这是由于进口段偏压严重，并且围岩整体性较差，致使进口段山体有向临空面即山体外侧滑动的趋势，而临空面初期支护背后土体松软，且覆盖层薄，无法抵抗偏压所引起的向临空面的推力，从而引起隧道进口段进洞时地表裂缝。如不增加辅助加固措施增加抵抗力，隧道则面临坍塌的危险。

3.3.2施工扰动

隧道进口仰坡开挖是隧道最早施工部位，由于施工破坏山体的原始平衡状态，同时隧道洞身开挖破坏了原岩的初始应力场，最初开挖采用的CRD法，对围岩造成多次扰动，必然引起原岩应力的重新分布[7]。由于岩体为强风化砂岩，自稳能力差，导致围岩及隧道产生变形，并引起隧道区浅埋段地表层及隧道二次衬砌结构表面开裂。

3.3.3降雨原因

隧道区址位于南方地区，施工期间连续降雨，地表水丰富。由于本隧道穿越围岩为强风化砂岩，裂隙发育，无明显的阻水层，雨水可以通过裂隙进入隧道区域。由于隧道底部也为强风化砂岩，水的因素恶化了基底承载力。在降雨和地表水下渗的作用下，坡体产生蠕动引起隧道下沉不均匀，从而引起隧道衬砌结构出现裂纹。降雨及地表水，也是隧道裂缝产生的主要原因。

4隧道病害整治

根据隧道受力及原因分析，隧道出现裂缝病害的主要原因是地形偏压、施工干扰及水通过围岩裂隙产生的不良影响，因此，隧道病害治理主要从以上方面进行治理。一是优化施工方案，选择合理的施工方法减少施工对隧道周围土体的扰动；二是反压回填减小隧道两侧水平压力差值；三是采用注浆加固围岩，封堵裂隙，减轻雨水及地表水对隧道的影响，提高围岩自稳能力。同时，对产生的裂缝采用渗透性强的材料修复处理。

4.1洞口换填处理

由于该隧道处于强风化砂岩地带，进、出口基底砂岩强度达不到设计的承载要求。为保证明洞基底的稳定，洞口20 m范围的衬砌基底2 m全部采用C25混凝土换填。

4.2优化开挖方案

对于铁路双线隧道而言，由于开挖断面较大，不宜一次性开挖，应尽量减小断面开挖尺寸，弱化施工对周边围岩的干扰。浅埋偏压隧道选择适宜的施工方法，对保证结构和施工安全十分重要[8]。国内诸多隧道工作者对浅埋偏压隧道的施工方法进行了探讨。张安迪研究了甬台温铁路浅埋偏压霞雪岭隧道，认为双侧壁导坑法将开挖断面化大为小，边开挖边支护，有利于工作面稳定[9]；王磊、付刚等利用FLAC3D程序对开挖进尺进行了研究，建议浅埋隧道的进尺应控制在2～3 m[10]。隧道采取双侧壁导坑法开挖时，先开挖隧道偏压侧，再开挖另一侧，缩短开挖进尺，同时采取弱爆破措施，减少装药量，避免对围岩的过度扰动，施工获得了成功。

4.3反压回填施工

首先将地表的腐质土、草皮、杂物等清理干净。在洞顶上方采取挖方，减轻坡体下滑动力，减小竖向荷载，挖方深度视地形条件为4～7 m不等；所挖岩土回填至坡脚，采取层层夯实、平衡偏压产生的侧压力，并在坡脚设置顶宽1.0 m的浆砌片石挡墙，形成反压护道，以达平衡两侧水平压力目的，见图4。

图4　反压回填示意

4.4锚杆注浆

在施工过程中，应重视截、排水措施的作用，避免雨水下渗造成开挖后边坡稳定性的下降[11]。通过锚杆注浆，既有效封闭了雨季岩土的通水通道，又增强了岩体的整体自稳性。对裂隙应采取相应的加固措施，通过提高裂隙岩体的力学参数，间接减少岩体的侧压系数，从而减小偏压的不利影响。通过上述分析，结合现场的地质情况和经济等考虑，本工程采用小导管加固方案，小导管以大角度与岩层层面相交，导管可以垂直于岩层弱面进行加固，再加上浆液的扩散作用对提高岩土体的力学参数是很有效的，相应也就减小围岩的侧压力系数。这样就可以取得较好的加固效果。其作用机理一方面分别增大增长了导管直径和长度，其形成的握裹体性能增强，锚固体所提供的锚固力也大幅度的增大；另一方面通过注浆，浆液沿裂缝面及周围围岩裂隙扩展，使其周围的不连续面连接成一整体，提高了岩体的物理力学性质。通过后期测量结果显示，加固以后仰坡裂隙没有发展，仰坡已经趋于稳定。本工程浆体强度≥25 MPa，所用水泥为32.5级普通硅酸盐水泥，水灰比为0.4，注浆过程中一定要保证注浆压力(达到1～1.5 MPa)及注浆的饱满度(由孔底向外返浆)。

4.5对洞内既有裂缝的修复

采用灌浆法，此方法应用范围较广，且处理效果好。沿裂缝两侧每隔1.2～1.5 m交错布点，凿成10 cm×10 cm大小、深5 cm的方槽，用风动凿岩机钻孔，孔深3 m，安装WDT25中空注浆锚杆，注入水泥砂浆，水泥∶砂∶水=1∶(1～1.5)∶(0.45～0.5)，施工时由下往上逐级注浆，注浆压力不大于0.4 MPa。注浆24 h后安装锚杆垫板，用砂浆抹平方槽，表面采用白水泥和107胶进行调色处理，使修补后的裂缝颜色与衬砌混凝土的颜色一致。

4.6病害整治效果

2012年3月6日展开洞外卸载反压施工，2012年5月27日卸载反压完成。2012年8月中旬，隧道洞外卸载反压区防护工程基本结束。卸载基本完成且经观测隧道变形稳定后，2012年9月上旬开始进行洞身衬砌混凝土裂缝注浆封闭处理，2012年9月底全部处理完成。根据观测，隧道整治后地表下沉、洞内洞顶位移、洞内位移等趋于平稳，表明整治工作富有成效。

5结论

(1)强风化砂岩地区浅埋偏压隧道形成不平衡荷载的根本原因为地形，同时雨季施工、施工干扰因素也是隧道病害成因的重要因素。

(2)在设计选线阶段，采用线路向山体内侧偏移方式避免形成偏压隧道。在施工中，采用反压回填、注浆等辅助措施，可平衡偏压荷载，增大围岩的自稳能力，消除或降低病害隐患。

(3)对于浅埋偏压隧道，接长明洞也是常用的技术手段。增加明洞长度，可以加大暗洞覆盖层厚度，有利于围岩稳定。

(4)在强风化砂岩地区，必须重视水对隧道周边围岩裂隙的影响。在强风化砂岩或其他软弱围岩区域，水通过通道更易破坏岩体的完整性，降低岩石的强度[12-13]。开挖前应重视对判知围岩的裂隙发育情况，提前采取措施，采取注浆或其他方式堵塞径流通道，减少水对围岩的弱化影响，减少裂缝病害形成的因素。

(5)浅埋地段，应该选择适应方法，尽量创造条件，减少分部数量，尽可能争取用较大断面开挖，减少开挖扰动。偏压、浅埋软弱围岩优先选择双侧壁导坑法，可降低病害发生。

参考文献：

[1]铁道第二勘察设计院.TB10003—2005/J449—2005 铁路隧道设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2005.

[2]安永林.偏压隧道围岩压力分布规律理论研究[J].湖南科技大学学报:自然科学版，2011，26(4)：47-50.

[3]赵勇,等.高速铁路隧道[M].北京：中国铁道出版社，2006.

[4]陈佩寒，王宁，赵华锋.郑西客运专线张茅隧道施工技术[J].铁道标准设计，2012(3):80-83.

[5]杨陆海.铁路客运专线隧道二次衬砌施作时机及抗裂防渗技术[J].铁道建筑，2008(4)：37-40.

[6]李鹏飞，张顶立，赵勇，等.大断面黄土隧道二次衬砌受力特性研究[J].岩石力学与工程学报，2010，29(8)：1690-1697.

[7]关宝树.隧道力学概论[M].成都：西南交通大学出版社，1993.

[8]谭准，向浩东.软岩偏压铁路隧道大变形处治施工技术[J].铁道标准设计，2013(4)：69-72.

[9]张安迪.大断面软岩浅埋偏压隧道施工技术[J].铁道标准设计，2008(5)：102-105.

[10]王磊，付刚，汪振伟，等.关于浅埋偏压隧道合理开挖进尺的讨论[C]∥第二届全国岩土与工程学术大会论文集.北京：科学出版社，2006:317-323.

[11]李怀鉴，马志富.高速铁路隧道复杂地质条件下浅埋偏压洞口设计研究[J].铁道标准设计，2013(5)：94-97.

[12]铁道部第二工程局.铁路工程施工技术手册[M].2版.北京：中国铁道出版社，1995.

[13]关宝树.隧道工程施工要点集[M].北京：人民交通出版社，2003.

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

中图分类号：U457+.2

文献标识码：B

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.04.020

文章编号：1004-2954(2015)04-0079-05

作者简介：周运祥(1972—)，男，高级工程师，1996年毕业于石家庄铁道学院交通土木建筑专业，工学学士，E-mai：wslzyx@126.com。

收稿日期：2014-07-14； 修回日期：2014-08-12