富水区隧道围岩软化后衬砌变形研究

雷晓丹,张晓景

(1.太原学院 建筑与环境工程系,山西 太原 030032;2.山西省交通规划勘察设计院有限公司 第一公路设计院,山西 太原 030032)

0 引言

近年来,我国中西部基础设施建设事业高速发展,对交通运输的需求量和等级要求越来越高。公路隧道能够克服山地地形障碍、有效缩短交通里程,成为公路快速发展中不可或缺的地下工程。与此同时,中西部地区复杂的工程地质条件造成了公路隧道设计施工及后期运营的的诸多难题。

隧道建成后的运营阶段,衬砌的受力和变形一直是隧道安全关注的重点。受隧址区工程地质及水文地质条件、设计合理性、施工质量、运营状况等多重因素影响,很多隧道在运营期都出现了不同程度的病害[1-3]。我国公路隧道养护规范[4]将公路隧道病害划分为外力病害、材料劣化病害、渗漏水病害三大类,将公路隧道病害成因划分为松弛土压、偏压、地层滑坡、膨胀性土压、承载力不足、静水压、冻胀力、材质劣化、渗漏水、衬砌背面空隙、衬砌厚度不足、无仰拱12大类,并详细列出了隧道衬砌变形速度、衬砌断面强度降低、隧道渗漏水等六小类病害的判定标准。

当隧道处于富水地区,围岩稳定性更易受到裂隙水的影响,围岩以泥岩、页岩等为主时,遇水易软化甚至泥化,裂隙水的影响会更大。陈国中等[5]采用数值模拟和现场实测相结合的手段,开展了富水软岩隧道的稳定性及控制措施研究;丁冬冬等[6]通过宝兰客专上庄隧道现场监控量测研究表明,泥岩遇水软化是引起隧道仰拱底鼓开裂的重要因素。本文通过山西某高速公路隧道病害区域的现场监测,分析富水区隧道围岩软化后衬砌变形的特征及机理,并提出病害处治原则和技术。

图1 隧道病害实景

1 病害区域概况

山西某高速公路隧道建成通车以来,交通量持续快速增长、重型车比例变大,ZK77+198-ZK77+253段出现不同程度的电缆槽倾斜变形及开裂破损、路面开裂及隆起、边墙裂缝等病害现象,如图1。

2 病害区域工程地质条件

2.1 地层岩性

隧道病害区段的工程地质条件见图2,隧道病害区段地层岩性分布由上到下依次为:上部以巨厚的鲕粒灰岩组成为特征,以浅灰、深灰色中厚层鲕粒灰岩为主,夹较多的竹叶状灰岩及薄层灰岩;下部为暗紫色、紫红色页岩夹薄层灰岩,厚度180 m左右,软硬岩比例约3∶1。

通过对隧道病害段布置的钻孔样品做的岩石自由膨胀率试验,仅有1件样品自由膨胀率为33%,其余4件样品自由膨胀率均小于30%。大部分试样不具有膨胀性。

2.2 水文地质

根据钻孔的多次量测,钻孔内均有地下水位,初见水位位于仰拱与原始地层之间,静止水位稍有上升,埋深1.38 m。

3 现场监测

为实时监测隧道衬砌变形,在病害段选取两个监测断面,断面桩号分别为ZK77+210和ZK77+238,断面监测点分布如图3所示,监测工作周期为1 a,监测频次为3个月1次,共监测4次。

图2 病害段地质纵断图

图3 断面监测点分布

经过为期一年的监测,ZK77+210断面衬砌变形见图4,ZK77+238断面衬砌变形见图5。易见,随着时间的变化,监测点位移不断增长。各监测点在监测结束时的位移见表1。根据表1数据绘制ZK77+210断面衬砌变形示意图如图6,ZK77+238断面衬砌变形示意图如图7。

(a)监测点1—4衬砌变形时程曲线

(b)监测点5—8衬砌变形时程曲线

(a)监测点1—4衬砌变形时程曲线

(b)监测点5—8衬砌变形时程曲线

表1 监测结束时各监测点位移

图6 ZK77+210断面衬砌变形示意图

图7 ZK77+238断面衬砌变形示意图

观察图6和图7发现,测点1、测点2、测点4、测点5、测点6、测点8发生朝向隧道内部的变形,测点3和测点7发生背离隧道方向的变形,以隧道中线和起拱线交点为基准,衬砌变形整体特征为底部上翘、边墙外扩、拱圈下沉。

分析可知,衬砌变形是导致隧道病害的直接原因,底部上翘导致电缆槽倾斜变形至开裂破损、路面开裂及隆起等底板病害,边墙外扩则导致边墙衬砌裂缝的产生。

4 病害机理分析

隧道衬砌变形往往是由围岩挤压导致的,病害的发生间接说明围岩变形发展并没有稳定收敛,持续变形导致围岩对衬砌施加作用力,使得衬砌因强度不足导致病害。

围岩的持续变形与地层岩性和水文地质密切相关:

1)隧址区地质条件复杂,断裂构造较发育,易将地下水导入隧道围岩中,若隧道排水不畅将导致地下水富集,软化围岩。

2)通过对病害段钻孔膨胀性试验可知,隧道仰拱底部围岩不具有膨胀性,进而排除围岩遇水膨胀导致病害这一原因。

3)隧道病害段围岩组成较为特殊,使得仰拱底部页岩长期浸泡、软化,强度降低,而上部灰岩强度受水的影响较小。衬砌上下围岩遇水强度降低程度的强烈对比,使得衬砌承担更多上部围岩压力,导致仰拱强度不足,进而发生底部上翘、边墙外扩、拱圈下沉的变形。

5 病害处治原则及技术

根据以上机理分析,病害处治坚持“完善排水系统”和“改善围岩力学性能,加强衬砌结构”的原则,做出以下处治方案。

5.1 排水设计

在隧底滞水段增设排水井,后将井内水排入隧道侧向排水沟,从而降低隧底地下水位,减弱围岩软化。排水井井身及井盖、抽水管、送水管外侧应做好防冻措施。主洞布设时排水井深度应结合衬砌是否设置仰拱而确定,以达到隧道底部围岩排水的目的。

5.2 衬砌加固设计

对病害段隧底进行注浆加固,增设仰拱并铺设钢框架梁,形成闭合的支护体系,提高结构整体承载力,具体方案如下:

1)凿除病害段原路面、仰拱回填层,清除隧底碎渣层。

2)对隧底破碎岩层注浆加固处治。注浆参数及注浆段落可根据隧底实际围岩情况适当调整,以达到增强底部围岩强度和隔水性的效果。

3)隧底先铺筑混凝土,增设型钢与横向钢支撑焊接,形成型钢框架支护体系。

4)浇筑仰拱衬砌混凝土至设计厚度。

5)恢复隧道原有排水系统。

6 结论

通过公路隧道病害段的现场监测数据及病害机理分析,得出以下结论:

1)以隧道中线和起拱线交点为基准,衬砌变形的整体特征为底部上翘、边墙外扩、拱圈下沉,衬砌变形是导致隧道病害的直接原因。

2)隧址区地质条件复杂、地下水富集,衬砌上下围岩遇水强度降低程度的强烈对比,使得衬砌承担更多上部围岩压力,导致仰拱强度不足,发生衬砌变形。

3)以“完善排水系统”和“改善围岩力学性能,加强衬砌结构”为核心的病害处治原则及相关技术可为类似隧道病害处治提供一定参考。