高地应力软岩隧道仰拱隆起原因分析及整治方案

王永林

（中铁十七局集团第一工程有限公司，山东 青岛 266555）

随着中国铁路网的不断建设完善，在复杂地形、软弱围岩中开挖隧道是不可避免的，隧道病害的产生也在日趋增加。仰拱隆起是隧道常见病害，处理不当会对隧道安全埋下极大隐患[1]。

孔恒等[2]通过现场调研分析，总结了隧底隆起的一般成因，并以此提出4 种隧底隆起的分类形式，归纳了隆起控制的一般原则。万正等[3]对病害发生段进行现场监测，结合数值模拟手段分析隧道仰拱隆起的原因，并针对性地提出整治措施，取得了良好的技术经济效益。许召强等[4]对高地应力隧道底隆案例进行调研，总结此类隧道发生隧道底隆的共性条件，并提出了隧道底隆的预判条件。李林毅等[5]结合实际工程，采用数值模拟手段重现强降雨条件下隧道底隆的产生，提出针对性整治措施。高震、马晓文等[6-7]采用数值模拟手段对泥质软岩强度降低条件下的隧底隆起变形机理进行研究，研究结果与现场监测规律吻合良好。魏强、杨星智、周旭东等[8-10]依托具体工程，对隧道底隆原因进行分析，并针对病害成因采取相应整治措施，取得了良好效果。虽然对于仰拱隆起及整治措施业内已有较多研究，但受限于地质条件的复杂多样性，高地应力软岩隧道仰拱隆起病害原因及整治技术仍需要研究分析。

本文针对某高地应力软岩隧道仰拱隆起病害，分析其隆起原因，并采取针对性措施对病害地段进行处理，为类似隧道的仰拱隆起病害整治提供思路。

1 工程概况

地质概况：

某隧道为单线双洞隧道，隧道全长9913m，正线线间距30m。隧道于D8K127+560～D8K128+200 段穿越茂汶活动断裂带，埋深410～655m，该段地形陡峻，属构造剥蚀深切割高中山地貌，地质以千枚岩、炭质千枚岩为主，如图1 所示。

图1 隧道地质纵断面图

经检测发现该隧道千枚岩抗压强度较低，遇水软化严重，三轴压缩试验中千枚岩转化围压为5MPa 左右，即在高地应力情况下，围岩尚未开挖即处于破碎塑性状态，极易发生挤压型剪切破坏大变形。

2 仰拱隆起情况及原因分析

2.1 仰拱隆起情况

依据现场监测结果，发现左线多个段落出现仰拱隆起现象，2018 年4 月以后变形速率加剧。2019 年4 月，隆起最高的断面为D8K127+985 仰拱右侧点，隆起值为451mm，各个区段仰拱隆起的情况如下：

（1） 左线存在仰拱隆起现象的段落为D8K127+740～D8K128+010，长270m，位于拱墙二次衬砌未施作段。前后已施作全环二次衬砌的大变形段未监测到仰拱隆起现象。

（2） 仰拱隆起变形量大且速率不衰减。D8K127+740～D8K127+880、D8K127+880～D8K128+000

段累计值为17.99～450.81mm；D8K128+000～D8K128+010段累计值小于50mm。隆起最高断面为D8K127+985 仰拱右侧点，隆起450.81mm。

（3）中岩柱侧仰拱隆起突出，严重隆起的段落，洞身横断面呈右高左低即靠中岩柱侧隆起现象尤为突出。

（4）仰拱隆起表现为衬砌整块上移。对仰拱隆起段进行排查后未发现明显的纵向裂缝，多为整板仰拱发生变形情况（部分破坏与施工机械碾压相关）。

2.2 地应力测试

为探明仰拱隆起变形是否与地应力存在直接关系，现场基于应力解除法对左线D8K128+040 断面靠左侧进行了岩体应力测试，测试结果如表1 所示。

表1 左线D8K128+040 断面靠左侧地应力测试结果

结果表明岩体空间三个主应力大小依次为27.510MPa、19.291MPa 和16.350Mpa。综合现场地质调研情况，该隧道处于高地应力场条件，且测试位置洞轴线与最大主应力最大交角较大，不利于隧道边墙附近的围岩稳定。

2.3 松动圈测试

由于部分隆起严重地段洞身横断面呈右高左低，即靠中岩柱侧隆起现象尤为明显。现场分别采用声波法、地质雷达对左线D8K127+950 及右线对应地段进行了松动圈测量，测量结果如表2 所示。

表2 松动圈对比测试成果

测试结果显示松动圈在断面右侧大于左侧1m 以上，最大松动圈位于右侧拱腰处8.61m。而后随着左线发生较严重开裂破坏，现场对右线D8K127+950 附近再次进行了测试，测试结果如图2 所示。

图2 松动圈测试结果

断面在12 米左右出现围岩波速峰点，因此说明此断面松动圈可能达12m 左右。较之前左线大大增加，并贯通中岩柱，说明了左线变形与中岩柱松动承载力降低有直接关系。

2.4 隆起原因分析

综合各区段仰拱隆起变形情况，并结合地质情况，本文认为地层岩性软弱、高地应力作用及地下水重分布影响是造成该隧道仰拱隆起大变形的主要成因。

2.4.1 地层岩性

隧道左线穿越茂汶断裂核部段落长达393m，段落内围岩主要存在形式为千枚岩，经检测发现该隧道千枚岩抗压强度较低，遇水软化严重，三轴压缩试验中千枚岩转化围压为5MPa 左右，即在高地应力情况下，围岩尚未开挖即处于破碎塑性状态，极易发生挤压型剪切破坏大变形。

2.4.2 高地应力

隧道穿越茂汶活动断裂带，断面起伏较大，断层发育复杂，断层走向N40°E，倾向NW，倾角70～80°，破碎带宽度300～450m，围岩整体松散破碎，局部情况更为严重，高地应力条件覆盖该隧道区域。

2.4.3 地下水重分布

从施工阶段揭示掌子面情况反映，千枚岩地段本身围岩处于无水状态，邻近段落的大理岩地段富水，围岩水环境的变化，极容易软化围岩，大大降低围岩强度，而围岩强度降低又将进一步加剧围岩的松动，扩大地下水的侵蚀范围，造成变形难以控制的后果，且这种情况一般对基础弱化作用更明显。

综上所述，该隧道软岩段仰拱隆起的原因为：在高地应力条件下，由于地下水软化围岩，加之先后行洞影响等综合因素造成的围岩变形、仰拱隆起。

3 仰拱整治措施及效果

3.1 整治措施

隧道基底围岩遇水软化承载力降低是引起仰拱结构破坏的主要因素。因此在研究整治方案时，针对性地对隧道基底围岩进行加固，并采取有效的隔水措施是保障整治效果的关键。结合现有工程经验综合考虑后，该隧道采取以下整治方案：

（1）隔水注浆。为将地下水进行有效阻隔，在仰拱隆起地段采用袖阀管全环径向注浆形成隔水帷幕。

注浆采用φ48×3mm 袖阀管注浆，实现分段注浆，注浆孔径φ110mm，孔口间距1.2m×2.4m（环×纵），注浆压力不小于2Mpa，浆液扩散半径控制在150～200cm范围。钻孔设备采用液压多功能钻机，功率55kw，采用干作业高速成孔，成孔一孔，即进行袖阀管安装，套壳料灌注，确保成孔效果及后续注浆效果。

（2）中岩柱加固。中岩柱的承载力是仰拱隆起的重要影响因素。因此为限制中岩柱位移，采用两侧对拉锚索支护的方式可以取得较好效果。

中岩柱预应力锚索分为两部分，上部设3 根对拉锚索（长度根据布置位置截取），下部设2 根拉力型锚索（长度20m），位置位于内轨顶面以上5m 范围，间距为1.8m×1.5m（纵×环），如图3 所示。中岩柱边墙脚锚索与水平方向呈45°斜向下设置，锚索长20m。锚索长度根据实际岩柱厚度截取，单孔6 束张拉控制力为450KN。

图3 中岩柱锚索布置示意

（3）隧底加强。对未施作仰拱段及仰拱需进行拆换段进行隧底加固处理，具体措施如下：

围岩注浆加固完成后，对隧底采用微型桩及锚索进行加固。隧底微型约束桩顶位于仰拱填充面下5.5cm 处，竖直钻设，呈梅花型布置，间距1.2m×1.8m（横×纵），如图4 所示。

图4 隧底微型桩及拉力型锚索示意图

微型桩钢筋束由4 根Ф25 钢筋和Ф42 连接钢管组成，两者连接处采用焊接形式，连接钢管每间隔1m 布置一处，单节长10cm。微型桩钢筋束顶部设置90°弯钩并与整体式仰拱钢筋进行焊接。

锚索设置于侧沟底附近部位，间距1.8m，与竖向交角约35°，长20m，并与中岩柱边墙斜向锚索处于同一部位，以避免与两线间锚索位置冲突。

3.2 实施效果

完成加固措施后，分别对断面D8K128+000 的仰拱左侧、中间、右侧三个位置进行监测，监测结果如图5 所示。

图5 仰拱累计变形曲线

从断面D8K128+000 的监测结果可以看出，仰拱最大隆起值为1.28mm，衬砌完成后两个月变形波动较大，但整体趋于平稳；自整治措施实施后，仰拱无明显隆起，其左侧S1 累计变形-0.11mm，中部S0 累计变形1.28mm，右侧S2 累计变形-0.41mm，监测结果表明整治方案是行之有效的。

4 结论

4.1 该隧道在高地应力、地下水重分布的复合作用影响下，其围岩条件不断恶化，进而引发局部地区仰拱发生隆起大变形。

4.2 针对病害原因，对隧底采用径向注浆隔水、微型桩及锚索进行加固，中岩柱采用两侧对拉锚索支护来抑制仰拱隆起。

4.3 采取整治措施后，现场监控量测数据表明本文整治方案是行之有效的，可为类似工程病害的治理提供参考。