玄真观隧道结构开裂原因分析

赵建军（兰渝铁路有限责任公司，甘肃兰州730000）



玄真观隧道结构开裂原因分析

赵建军
（兰渝铁路有限责任公司，甘肃兰州730000）

摘要：兰渝铁路玄真观隧道DK623+180～DK623+808段开挖后陆续发生围岩纵向开裂、支护变形、已施工的二次衬砌开裂、仰拱填充隆起等病害。通过补充勘探、地应力测试，发现玄真观隧道地应力存在局部集中现象，主应力方向变化较大；又采用计算模型进行了模拟分析，表明高地应是造成病害的原因。

关键词：隧道围岩；衬砌开裂；仰拱隆起；初支变形；地应力；计算模型；整治

1　工程概况

玄真观隧道位于四川广元境内，属构造侵蚀低山区，单面山迭岭地貌。进口里程为DK623+672，出口里程为DK631+119，全长7447m。隧道穿越区下伏基岩为白垩系下统剑阁组、剑门关组K1j泥岩夹砂岩，以泥岩为主，泥岩厚度远大于砂岩。岩层以中厚层状为主。岩层产状平缓，岩层倾角2°～4°。地下水不发育。隧道于DK627+220穿越梓潼向斜核部，向斜走向N20°W，与线路夹角约20°，为宽缓向斜，向斜核部宽2～3km；北东翼岩层产状N15°～80°E/2～7°S，南西翼产状近E-W/2°～8°N，未见断层构造。

根据中国地震局地壳应力研究所在附近埋深大于400m的梅岭关隧道洞身段（DK609+160）实测地应力结果为：SH =15.23MPa，Sh =9.87MPa，Sv = 10.26MPa；最大水平主应力方向为N25°W～N33°W，平均约N30°W；本段隧道轴线走向约为N10°W；最大主应力方向与隧道轴线呈小角度斜交，对隧道稳定性影响不大。同时，在其《兰渝线铁路隧道地应力测量分析报告》中（中国地震局地壳应力研究所2008年11月），给出该地区主应力随深度变化的线性回归方程（深度域：200～400m）：SH =-5.77+ 0.053D（D为钻孔深度，单位为m；主应力单位为MPa）。玄真观隧道与梅岭关隧道处于相同的地质构造环境，DK626+180～DK627+808段埋深一般位于260m左右，据此分析其与隧道呈小角度斜交（20～300），对隧道稳定性影响不大。全隧以III级围岩为主，各级围岩长度：V级围岩137m、IV级围岩920m、III级围岩6390m。总体来讲，工程地质条件较好。

2　现场施工及病害情况

2011年12月底，玄真观隧道斜井工区掌子面开挖至为DK626+846、下台阶里程施工至DK626+ 814、仰拱施工至为DK626+808、二衬施工至DK626+795，当时因多种原因停工，停工至2012年后发现上台阶底部围岩纵向开裂、支护变形、已施工的二次衬砌开裂、仰拱填充向上隆起。

2012年3月发现DK626+808～+846段上台阶面底板围岩纵向开裂、掌子面围岩开裂。2012年12月发现掌子面（DK626+846）一残留超前钻孔横断面变为椭圆形，其短轴垂直隧道中心线、长轴垂直隧道底填充面。DK626+795～DK626+846段初期支护喷射混凝土开裂，开裂位置在隧道中心线右侧2～5m处，裂缝沿纵向贯通，裂缝宽度10～30mm，裂缝周围混凝土成块状剥落，大部分格栅钢架钢筋在裂缝位置扭曲。2012年3～5月期间，发现DK626+ 400～DK626+795段二衬混凝土有纵斜向开裂、拱顶剥落掉块现象。

2011年9月发现DK626+400～+440段隧道仰拱填充砼顶面向上隆起，并逐渐向大里程方向延伸，2012年1月调查发现仰拱填充向上隆起开裂由DK626+440延伸至DK626+584，2012年3月发现仰拱填充开裂并向上隆起已由DK626+604发展到DK626+690，仰拱向上隆起最严重，中心水沟侧墙处仰拱填充顶面最大隆起高度达72cm。

2012年12月初在对该段进行补勘时，对该段断面进行扫描，测量结果显示DK626+180～+400段仰拱填充也隆起，隆起高度1～42cm，暂未发现衬砌开裂。如图1～2所示。

图1　上台阶底部围岩开裂照片

3　补勘情况

现场地质补勘工作主要以地质钻探为主，与室内外试验相结合的方法。DK626+400～+846段补充钻探18孔，进尺160.4m；取扰动土1组、岩样21组，砼样16组。DK626+180～+400段补充钻探6孔，进尺49.0m；取岩样5组，砼样6组。

该段进行了地应力测试。分别测试了DK626+ 510边墙内5m处、边墙外14.5m处及DK626+840边墙外14.5m处的地应力，对DK626+180～+400仅仰拱填充隆起段，也布置了钻孔进行地应力测试。从测出的膨胀力（“楔裂扩张力”）来看，8组岩样“楔裂扩张力”（膨胀力）平均43.6kPa，围岩整体上看不是膨胀岩。

泥岩样11组、砂岩样4组进行岩芯试验，基本与原设计一致。混凝土强度试验中仅个别芯样强度及平均强度低于设计值（因属于结构破坏后强度试验，故该结果不作为参考）。

总体上施工及补勘揭示地质情况与施工图设计基本一致。

图2　衬砌开裂掉块照片

4　地应力测试分析

4.1地应力测试结果

结合该隧道DK626+808～+846段上台阶面底部围岩发生纵向开裂和掌子面（DK626+846）一残留超前钻孔变形特征，分析考虑可能存在局部地应力集中情况。因此，有必要进行地应力测试。

故分别在DK626+510、DK626+840边墙布置测点，经过一个月的工作，采用国内外公认精度较高的应力解除法进行测试，使用澳大利亚的空心包体应力传感计，获得了三个测点的地应力测试数据。

1）S01地应力测点。测点里程桩号DK626+510，测试深度为边墙外5m处，钻孔方位角为85°，地应力测试计算成果见表1。

表1　S01测点地应力测试成果表

2）S02地应力测点。该测点里程桩号DK626+ 510，测试深度为边墙内约14.5m处，钻孔方位角为85°，其地应力测试计算成果见表2。

3）S03地应力测点。

该点测试里程桩号DK626+840，测试深度为边墙内约14.5m处，钻孔方位角为85°，地应力测试计算成果见表3。

表3　S03测点地应力测试成果

S02、S03地应力测点测试深度为边墙外约14.5m处，测试结果代表围岩原始地应力；S01地应力测点测试深度为边墙外5m处，测试结果为围岩部分地应力释放后二次地应力。

4.2地应力测试结果与原设计分析对比

原设计根据中国地震局地壳应力研究所在临近的埋深大于400m的梅岭关隧道地应力测试结果，推测本段最大主应力约为8.01MPa，最大主应力方向与隧道轴线小角度斜交（10°～20°）。

本次实测最大主应力14.8～18.9MPa，地应力值偏高（一般认为最大主应力达到20～30MPa时，岩体处在高地应力状态），但从岩石单轴抗压强度和最大主应力的比值为1.5～3，岩体处在极高地应力状态；最大主应力方向与隧道轴线夹角40°～90°，其倾角为仰角，对隧道工程不利，特别是对隧底不利；无论主应力值，还是主应力方向均在不同位置变化较大。

综上所述，实测地应力绝对值大于根据梅岭关隧道主应力随深度变化的线性回归方程计算埋深约260m处的地应力值；玄真观隧道主应力方向与梅岭关隧道比较变化较大，说明玄真观隧道地应力存在局部集中现象，主应力方向变化较大，具有特殊性。

5　地应力对隧道的影响计算分析

5.1计算模型

计算采用FLAC3D有限差分软件，模拟地应力对隧道结构的影响。

围岩本构模型采用采用摩尔-库伦准则、隧道开挖采用零本构模型。

模型尺寸为：100m×80m×50m（宽×高×厚）。模型由21050个实体单元组成。隧道开挖三维数值模型如图3所示。

图3　三维数值模拟模型图

模型四周及上、下边界均为位移约束边界，施加测试得到地应力场。采用三向应力状态图解法对测试得到的地应力进行分解得到正交与隧道轴线，平行于隧道轴线6个面的正应力和剪应力。如图4所示。

图4　正交与隧道轴线图

5.2计算参数

计算分析主要采用的DK626+510的地应力测试数据，见表4。

表4　地应力参数表

分解得到结果如下sxx=-8.8（Mpa）；syy=-11.23 （Mpa）；szz=-11.57（Mpa）；sxy=2.19e6（Mpa）；sxz=-1.09e6（Mpa）；syz=-1.02e6（Mpa）

模型围岩力学参数见表5。

表5　围岩力学参数表

隧道初期支护、二次衬砌均采用实体单元模拟，围岩力学参数见表6。

表6　初支二衬力学参数表

5.3位移分析

隧道开挖后，竖向沉降云图如图所示。由图可知，围岩结构变形较大，开挖后，洞周围岩拱顶下沉最大值为24cm，仰拱隆起最大值为39.7cm。位移分析与现场变形趋势一致，拱顶下沉、仰拱上隆。

5.4塑性区

隧道开挖后塑性如下图所示，由图可知围岩塑性区在拱部及边墙为2～3m在仰拱达到3～4m如图5～6所示。

图5　竖向沉降云图

图6　塑性区图

5.5开挖施作衬砌后地应力场

横向二次应力Sxx在隧道顶部和仰拱部位出现应力集中，最大达到-48MPa，竖向二次应力Syy在隧道边墙出现应力集中，最大值为-46.3MPa，主应力表现为沿洞周的切向应力，均为压应力，其值较大，造成岩体剪切破坏。在衬砌边墙外5m处，Sxx= 9.5MPa,Syy=7.4Mpa,与实测Sxx=8.8MPa,Syy=6.7MPa较为接近，如图7～9所示。

图7　二次应力场Syy应力云图

图8　水平二次应力Sxx云图

图9　二次应力场主应力矢量图

5.6衬砌受力

隧道二衬结构拱部受力如图10～13所示。

图10　拱部横向Sxx应力图

图11　拱部竖向Syy应力图

图12　仰拱横向Sxx应力图

图13　仰拱竖向Sxx应力图

结合单元切向角度，典型单元受力见表7。

表7　典型单元受力表

由上表结合衬砌受力图可知，衬砌拱部和仰拱均为外侧受压，内侧受拉，左右边墙外侧受拉，内侧受压，最大压应力发生在右边墙角为25.4MPa，接近C35砼极限抗压强度。最大拉应力发生在仰拱中部，为4.53MPa，拱部内侧拉应力为3.15MPa，均超过C35砼极限抗拉强度，造成拱部仰拱衬砌张裂破坏。整个结构受力较大，仰拱大部分区域受拉，受力最为不利。因此造成现场多处出现衬砌开裂现象。

6　变更设计原因

根据地应力测试结果，最大主应力为14.8～18.9MPa，方位角为81°～199°，最大主应力与水平面夹角（仰角）为13°～26°，与隧道轴线夹角40°～90°，从地应力绝对值看，地应力偏高，相对于岩石单轴抗压强度岩体处在极高地应力状态。局部地应力集中主要与构造、微地貌、岩层等有关，其大小、方向在不同位置变化较大。本段隧道位于中低山向低山过渡段，西北面60km左右为龙门山断裂，东北面约150km为大巴山断裂，受构造影响相对强烈（见区域地质构造图）；同时隧道于DK627+220穿越梓潼向斜核部，向斜轴线走向N20°W，与线路夹角约20°，向斜轴线走向从交汇点沿小里程方向逐渐偏离隧道且转为NWW向或近EW向，DK626+180～+846段位于向斜轴线东侧，地表为一山脊，而该段向斜轴线西侧地表为一斜坡，所以该段出现局部地应力集中，其最大主应力方向对隧道不利，特别是对隧底不利。

本段岩性为泥岩、砂质泥岩夹砂岩，泥岩属较软岩(既不特别硬),砂岩属硬岩(也不特别软),地层结构软硬相间；最大主应力与隧道中线大角度相交,且与水平面有夹角（仰角），对于呈近水平产出的隧道围岩的稳定性构成较大的威胁；隧道开挖后，隧道周边地应力重新分布的过程较为缓慢，二次应力的量值随时间的延续而不断增大，在初期阶段围岩与应力处于暂时的平衡状态，监控量测数据显示支护稳定证明了这一点；地应力对近水平岩层产生挤压，岩层通过变形积聚应力，同时使拱部岩层出现向下、底部岩层出现向上弯曲的趋势；随二次应力量值的不断增大，或因岩体风化强度减小，当量值超过岩体极限强度时应力突然短时间释放，出现张拉破坏、张剪破坏（如下示意图）。从隧道施工至发现变形开裂的时间相对较长，一般在3个月以上，说明隧道开挖后，围岩二次应力调整需要一定时间才能完成，这使得隧道变形和开裂具有明显的滞后，增加了及时认识这种病害的难度，因而这种病害具有很强的特殊性。

7　结论

根据补勘及地应力计算结果，该隧道在开挖及衬砌后发生的开裂变形是地应力引起的，且随着时间的推移变形更加明显。另一方面，高地应力状态下隧道围岩结构变形的时间特性，对我们铁路设计、施工提出了新的要求。为了控制变形，应根据围岩地质情况考虑提前进行应力释放，以减少地应力对结构的破坏；同时，应考虑利用监控量测数据监控变形情况，合理确定衬砌施作时机和施作参数，以控制病害发生，节约工程投资。

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中图分类号：U25