石林隧道仰拱底鼓原因分析及处治方法研究

■　袁川峰（三明湄渝高速公路有限责任公司，三明　365000）



石林隧道仰拱底鼓原因分析及处治方法研究

■袁川峰
（三明湄渝高速公路有限责任公司，三明365000）

摘要隧道仰拱底鼓破坏是隧道工程的重大问题，针对三明市永宁高速公路石林隧道仰拱底鼓破坏病害以及相关加固措施，采用有限元软件对施工过程进行数值模拟并结合现场监控量测数据分析，结果表明造成该隧道仰拱底鼓产生主要有地质水文和施工缺陷方面的因素，采用径向小导管注浆加置换仰拱加固措施能起到较好的效果。

关键词仰拱底鼓原因分析处治方法

0　引言

福建省是一个多山地区，地质条件特别复杂，隧道施工难度大。当隧道穿越软弱围岩或地质环境恶劣的高地应力区时，经常发生隧道拱顶坍塌、底鼓和围岩大变形等地质灾害［1］。隧道底鼓的变形一般是持续性的，会导致仰拱破坏严重，从而对隧道的二次衬砌形成危害。国内外学者对底鼓进行了研究，为底鼓的处理积累宝贵的经验［2］。本文以三明市永宁高速公路石林隧道为例，在分析产生隧道底鼓各个因素的基础上，进行数值模拟，并根据现场监测情况，指导并验证仰拱底鼓处理措施。研究的过程和结果可为其他类似工程提供应用参考。

1　工程病害概况

三明市永宁高速公路沿线地质较为复杂，其中石林隧道全长2865m。右洞YK14 + 260～YK14+ 320段处于设计Ⅴ、Ⅳ级围岩交界地段，设计围岩为弱～微风化灰岩，节理裂隙发育，岩体较破碎，采用Z5型及Z4型支护形式。实际开挖过程中该段围岩揭露为突泥涌水的特殊地质段，围岩无自稳能力，且拱部出现塌方。根据现场情况，业主、监理、设计、施工等四方人员对支护参数进行了变更加强。仰拱施工1个月后，YK14+ 260～YK14+290段沿仰拱填充纵向施工缝出现开裂现象，裂缝最大发展至4～5cm。YK14+260～YK14+320段共60m仰拱底部底鼓严重，最大鼓起量36cm，且地下渗水较为严重。对起拱段变形量测至趋于稳定后，为确保该段初期支护安全及时开始施工二次衬砌。3个月后，YK14+270～+290段二衬边墙范围出现细微裂缝，裂缝斜向发展，长2m左右。

2　病害原因分析

2.1地质水文原因

施工中该段仰拱两端的围岩呈流沙或强风化泥岩，下部以沙土状强风化泥岩为主，中夹砂土状强风化粉砂岩，围岩无自稳能力；涌水的存在进一步导致围岩软化严重［3］。基础承载力严重不足。

2.2施工缺陷因素

在仰拱施工过程中隧道中心线两侧钢拱架的连接不牢固，在二次衬砌施做不久由于围岩压力由刚性结构变为铰接结构，加之基础承载力不足，仰拱底部围岩产生塑形大变形和体积膨胀，引起原本有变形的仰拱底鼓进一步加大，并且底鼓是不可回逆的。

3　加固方案

经探讨论证，采用径向小导管注浆加置换仰拱加固方案，仰拱跳槽置换，一循环为2m，即4榀钢拱架，具体加固措施如下：

（1）铲除置换仰拱段落2m范围内仰拱回填的C15片石混凝土。

（2）穿过原仰拱二衬对仰拱基础进行径向小导管注浆加固，小导管长6m、直径为Φ50、间距80cm×80cm，待小导管注浆达到强度后方可进行置换。

（3）进行仰拱转换：初期支护厚度还是采用原来的单层28cm厚型工20b型钢砼，钢支撑间距保持不变，均为0.5m；仰拱二次衬砌采用C30砼，厚度还是原来的45cm，主筋直径由原来的Φ16改为Φ20；换拱后的仰拱二衬主筋应保证与隧道主筋的焊接长度不小于30cm。

（4）仰拱置换完成后采用C25砼进行仰拱回填，并在仰拱回填面上布置一层Φ16的HRB335钢筋网。

（5）仰拱回填完成后该段路面采用双层连续配筋。

4　数值模拟分析

本文数值模拟采用FLAC3D程序，可以反映地下工程围岩的应力场、位移场等分布情况［4］。

计算模型中围岩采用实体单元模拟，Mohr-Coulomb屈服准则及弹塑性增量本构关系；初衬和二次衬砌采用实体单元模拟，弹性本构；注浆小导管采用cable单元模拟，假定钢管与注浆加固区之间黏结性很强，二者无相对滑移，计算时按自重应力场考虑。模型共划分39380个单元，35360个节点，建立的模型如图1所示，具体的围岩、注浆加固区及支护结构物理、力学参数如表1所示。在FIAC3D中，压应力为正值，拉应力为负值，且σ1≤σ2≤σ3。首先对仰拱未置换情况下周边围岩及仰拱回填部分的位移、应力分布情况进行计算分析。然后对采取加固方案中6m注浆小导管及换仰拱后的位移、应力分布情况进行比较研究。

4.1仰拱未置换条件下的隧道稳定性分析

图1　计算模型

表1　围岩及支护结构物理力学参数

4.1.1位移分析

隧道开挖及衬砌支护完成后，在仰拱隆起并未置换条件下石林隧道软岩大变形段围岩、仰拱回填部分的竖向位移分布如图2所示。

由图2所示，仰拱未置换条件下，隧道顶部围岩最大竖向位移为-51.69mm，沉降较大，隧道仰拱位置围岩的最大竖向位移为60.60mm，隆起量较大；仰拱回填部分其竖向位移在-1.0mm～-5.03mm之间。

4.1.2应力分析

隧道开挖及衬砌支护完成后，既有隆起仰拱未置换条件下，隧道围岩、仰拱回填部分的主应力分布如图3、4所示。

由图3、4可知：

图2　仰拱未置换条件下的竖向位移分布云图

图3　仰拱未置换条件下的围岩应力分布云图

图4　仰拱未置换条件下仰拱回填部分的应力分布云图

整个模型范围内围岩的最小主应力基本为压应力，量值为-2.42MPa～-0.25MPa；隧道围岩的最大主应力也以压应力为主，量值为-1.34MPa～-0.25MPa；隧道边墙、拱脚和仰拱位置的围岩存在拉应力集中，最大为0.80MPa。

隧道仰拱回填部分的最小主应力以压应力为主，其最小主应力的峰值为-0.19 MPa，且拱脚部位的最大主应力存在拉应力集中，最大为0.63MPa。

4.2注浆小导管（6m）加置换仰拱对隧道稳定性的影响

4.2.1位移分析

注浆小导管长度为6m加置换仰拱加固条件下，隧道围岩、仰拱回填部分竖向位移分布如图5所示。

图5　加固方案条件下的竖向位移分布云图

由图5所示，隧道顶部围岩最大竖向位移为-6.28mm，沉降有较大减小，隧道仰拱位置围岩的最大竖向位移为35.22mm，隆起量也有较大减小；仰拱回填部分其竖向位移在-0.18mm～-0.91mm之间。

总体来说，实施该加固方案后，仰拱回填部分及围岩竖向位移均较小。

4.2.2应力分析

注浆小导管长度为6m加置换仰拱加固条件下，隧道围岩、仰拱回填部位的主应力分布如图6、7所示。

由图6、7可知：

图6　加固方案条件下的围岩应力分布云图

图7　加固方案条件下仰拱回填部位的应力分布云图

整个模型范围内围岩的最小主应力均为压应力，量值为-2.86MPa～-0.25MPa；隧道围岩的最大主应力也以压应力为主，量值为-1.06MPa～-0.20MPa；隧道仰拱位置的围岩存在拉应力集中，最大为0.40MPa。

隧道仰拱回填部分的最小主应力以压应力为主，其最小主应力峰值为-0.07MPa，但拱脚部位的主应力存在拉应力集中，最大为0.44MPa。

总体来说，施加该加固方案后，隧道衬砌及围岩的主应力分布情况均有所改善。

5　现场监控量测验证

由于石林隧道所处的地质条件及应力环境的复杂性，为确保隧道建设及后期运营的安全，须对隧道底鼓变形段进行监控量测以便验证加固措施实施前后和实施过程中隧道稳定性。由福州大学监测组对YK14+ 260～YK14+320段60m范围进行二衬表面应变、二衬裂缝及仰拱起拱观测。二衬结构表面应变监测点主要布置在YK14+250～YK14+325里程衬砌存在裂损的区段内，测点沿内轮廓在拱顶、左右拱腰和左右边墙处布置。裂缝监测主要是跟踪各时段裂缝宽度变化速率，累计宽度和新增裂缝。仰拱起拱监测共布置9个断面，每断面3个测点，共计27个测点。

5.1二次衬砌表面应变监测和裂缝观测结果

二次衬砌表面应变监测结果表明，在隧道底板施加注浆小导管并换拱回填后，由于隧道仰拱成环使整个受力体系由非稳定结构转换成稳定结构，衬砌的应变—时间曲线有逐渐趋于稳定的趋势，这说明底板注浆及仰拱更换之后，整个支护结构性能得到进一步改善。

隧道二衬表面裂缝监测数据的分析表明，由于受施工扰动的影响，隧道围岩和衬砌结构内力发生重分布，在注浆换拱作业期间二衬混凝土表面局部应力集中导致二衬开裂；但随着施工的完毕，换拱段内二衬表面裂缝已无明显扩张状态且曲线趋于平稳，说明支护结构已渐趋稳定。

5.2仰拱填充层起拱监测分析

换拱前个别断面路基隆起较明显，路基隆起速率可达1.50mm/d，表明该段围岩内部二次应力在此期间处于调整状态。但换拱施工完毕后，软岩大变形段内隧道路基鼓起变化急剧减小，累计鼓起均不足0.9mm，路基表面填充层也未出现明显的隆起，且隆起的时间曲线基本稳定，因此判断路基及填充层已趋于稳定。

6　结论和展望

（1）隧道仰拱底鼓变形主要原因是隧道仰拱底部围岩差，无自稳能力，加之长期受水浸泡，围岩遇水软化严重，发生膨胀变形。施工缺陷造成底鼓变形进一步加剧。

（2）通过数值模拟结果表明：未置换仰拱的情况下，拱顶及仰拱的位移量较大，且隧道边墙、拱脚和仰拱位置的围岩存在拉应力集中的情况。采用对仰拱基础进行小导管注浆并更换仰拱钢拱架后，拱顶及仰拱的位移量很小，隧道仰拱回填部位及围岩的主应力分布情况均有所改善。现场监测数据分析后表明数值模拟的结果基本符合现场实际，所以加固方案是可行的。

（3）在隧道修建过程中必须重视仰拱的施工，一定要确保初支钢拱架成环，形成受力整体。

（4）隧道病害整治可以利用数值模拟得出较客观的结果后，指导现场施工，具有很强的可行性、适用性。

参考文献

［1］钟祖良，刘新荣.桃树垭隧道底鼓发生机理与防治技术研究.岩土工程学报，2012，34（6）：472-476.

［2］周森.高速公路隧道仰拱底鼓破坏机理分析及处治措施.交通科技，2013（5）：97-108.

［3］胡胜强.某高速公路隧道仰拱底鼓原因分析及处治方案数值模拟.路基工程，2015（3）：238-242.

［4］孙建国，王芳其.地下工程围岩稳定性的3D-FLAC位移分析.公路隧道，2007（4）.