三步梯隧道出口端右洞病害成因分析

王国丰

（贵州路桥集团有限公司，贵州 贵阳 550018）

1 工程概况

三步梯隧道位于贵州省桐梓县茅石乡高垭村境内，隧道为路线斜穿越近南北向狭长山体而建设，全长2 190m。采用分离隧道形式，设计速度100km/h，双向六车道，左右洞桩号相差15m，衬砌结构、仰拱变形开裂主要出现在隧道出口端370m范围内，该段埋深9～111.48m。

1.1 左右洞施工时间

右洞：隧道出口端右洞先行，YK70+770—YK70+423 段于 2018 年 7 月 18 日—2020 年 3 月 12 日完成开挖，2018年11月5日—2020年6月1日完成二衬施工。

左洞：ZK70+780—ZK70+465段于2020年7月14日—2021 年 9 月 27 日完成开挖，2021 年 4 月 4 日——2021年10月10日完成二衬施工。

该隧道为三车道大断面隧道，设计为低瓦斯隧道，开挖揭露后经鉴定为高瓦斯隧道，出口端地质条件异常复杂，加之采空区影响，右洞347m 历时20 个月才完成开挖支护。

1.2 病害出现过程

（1） 2021 年 4 月 13 日，左洞开挖至 ZK70+645 时（出口向进口掘进），ZK70+680—ZK70+660 段初期支护左拱腰至拱顶部位有环向裂缝，ZK70+673处钢拱架有变形局部扭曲，伴有剥落掉块。监控量测结果显示ZK70+680—ZK70+665 段在 2021 年 4 月 9 日—4 月 12 日变形较大，累计最大沉降35.9mm，单日最大沉降9.0mm。经测量初期支护未侵限。ZK70+645掌子面岩性为泥岩，碎块状结构，层间夹炭质页岩薄层，节理裂隙较发育，围岩完整性一般，自稳能力较差。4月14日确定处治方案为：ZK70+680—ZK70+660段临时支撑采用I18工字钢拱架作为临时支撑，根据监控数据，针对持续变形部位需增设临时仰拱。并对ZK70+680—ZK70+660 段拱部进行注浆加固，该段落经处治后继续向小桩号方向掘进。右洞已于2020年3月实现贯通，6月完成二衬施工。

（2） 2021 年 5 月 5 日，左洞开挖至 ZK70+607 时，ZK70+660—ZK70+630段初期支护拱顶有开裂，局部喷射混凝土剥落，ZK70+645处钢拱架有变形局部扭曲，伴有剥落掉块。监控量测结果显示，ZK70+680—ZK70+665段在5月3日—5月4日变形较大，ZK70+657监控断面累计最大沉降32.4mm，单日最大沉降10.4mm。初期支护未侵限。ZK70+607掌子面岩性为泥岩，碎块～块状结构，掌子面中部贯穿有煤系层，节理裂隙较发育，围岩完整性一般，自稳能力较差。5月6日确定处治方案为：ZK70+660—ZK70+630段设置临时支撑，采用I18工字钢拱架作为临时支撑，根据监控数据，针对持续变形部位需增设临时仰拱，对ZK70+680—ZK70+660 段注浆加固段补充注浆加固，ZK70+660—ZK70+630段进行注浆加固。

（3） 5 月 7 日，发现左洞 ZK70+655—ZK70+680 段已施工的I18 工字钢临时支撑拱顶发生变形扭曲，右洞YK70+635—YK70+725段二衬左侧（靠近中夹岩侧）拱腰开裂，YK70+676—K70+688 段最大裂缝宽度约3mm，长约12m；YK70+676、YK70+688 施工缝出现错台，最大错台高度12.5mm；YK70+635—YK70+660 段左侧仰拱出现裂缝，缝宽约5mm，长约25m。还有多条小裂缝分布于YK70+688—YK70+725 位置，平均缝宽约1mm，长约7m。期间对右洞实行持续观测记录，左洞经处治后继续掘进。

（4）截至2021 年9 月6 日，右洞二衬及仰拱开裂段落延伸至YK70+400—YK70+770（370m）。此时，左洞掌子面桩号为ZK70+500，二衬端头桩号为ZK70+579，左洞于2021 年9 月27 日实现贯通。经统计，右洞二衬共发现裂缝113 条，仰拱9 条，裂缝形式有纵向、斜向、环向及施工缝错台，以纵向裂缝为主。其中，右洞左侧（靠近中夹岩侧）共有54 条，右侧18 条，拱顶41 条，裂缝宽度从 0.1～3mm 不等，长度从1～23.3m 不等；仰拱9 条纵向裂缝主要出现在距中夹岩侧电缆沟2m位置处，长度5.9～28.5m，宽度5～13mm。

2 出口段区域工程地质条件

2.1 地形地貌

隧道出口段为浅切低中山构造侵蚀－溶蚀地貌区，受构造控制，区内南北向山脉与山间沟 （槽） 谷相间展布，峰顶均呈似椭圆状、馒头状，峰顶、脊岭两侧临沟坡面地形较陡，坡面植被较发育。总体属于凹坡区，横向坡面有起伏，微地貌有近扇形崩塌堆积区、危岩体。

2.2 地质构造

隧址区位于黔北台隆遵义断拱毕节北东构造变形区和凤冈北北东向构造变形区过渡带。主要褶皱构造有三岔背斜。隧道位于三岔向斜南翼，离向斜核部较远。

2.2.1 断层

隧址区未见断裂构造，邻区发育有两个断层但距隧道较远，对隧道出口段无直接影响。

2.2.2 揉曲

隧道出口段龙潭组地层东西两侧依次分布栖霞、茅口组和长兴组的硬质灰岩。受本区构造作用影响，岩质软弱的龙潭组地层内部小皱曲发育，以尖状皱褶为主，局部产状变化较大。

2.2.3 地层

隧道出口段东侧出露地层为二叠系茅口、栖霞组灰岩，西侧出露地层为二叠系长兴组，中间为龙潭组煤系地层。长兴组与龙潭组、龙潭组与茅口组为假整合接触。

2.3 地层岩性

区内地层岩性主要有：

（1）第四系残坡积层由碎石夹黏性土构成。

（2）二叠系长兴组：灰～深灰色中层状、中厚层状灰岩，下部夹页岩，分布于路线右侧。

（3）龙潭组：灰色、深灰色、杂色泥岩、页岩、粉砂岩夹灰岩，夹3层煤。隧道出口段洞身主要穿越该地层。

（4）茅口组：灰色、深灰色厚层块状含硅质团块灰岩。

（5）栖霞组：灰色、深灰色厚层状含硅质团块灰岩。

2.4 水文地质条件

2.4.1 地表水

受山脊分水岭控制，区内汇水区域较小，地表水系不发育，主要为大气降水形成的暂时性地表面流，地表水断面流量受降雨量控制，大部分下渗入坡积层中，部分山体地表水通过溶蚀节理裂隙转移至地下，通过溶洞排出坡体之外。

2.4.2地下水

出口段地下水可分为第四系松散层孔隙水、基岩裂隙水。

（1）第四系松散孔隙水：出口段崩坡积碎石质黏土、碎（块）石土层不均匀分布，其结构松散，孔隙发育，具有地下水赋存与运移空间。

（2）基岩裂隙水：出口段浅部岩体构造风化裂隙发育，为地下水提供了存贮地下空间及运移通道，主要接受降水及上覆层下渗水补给。受裂缝开度、充填物等因素制约，地下水总体流量较小，对工程施工影响小。

2.5 不良地质

隧道出口段洞身为煤系地层，在隧道的右侧地表发现有3处煤洞，为地方小煤窑，采空区主要沿煤层走向采掘，无规律可循。

为查明采空区情况，主要通过调查、施工揭露、物探异常判定及钻探验证综合探明，隧道右洞采空区或巷道主要分布区段为：

（1）右洞开挖轮廓线左侧巷道位于YK70+670—YK70+677 段起拱线位置，右侧巷道位于YK70+650—YK70+710段拱顶位置，然后向轮廓线外延伸。

（2）拱顶及拱脚部位采空区或巷道主要分布于YK70+652—YK70+712段。

（3）根据地质雷达图像，推断在隧道右边墙区（YK70+723—YK70+732），其下存在采空区，深度约4～7m。

（4）隧道右洞底板采空区或巷道主要分布区段为：YK70+668—YK70+732，YK70+732—YK70+754段。

3 二次衬砌、仰拱病害原因分析

3.1 不利的地形环境

三步梯隧道出口端上方山形为人字形，左幅中线正上方约为山体中线，该山体在原小煤窑开采过程中已出现开裂现象，山体正中裂缝宽度约为50cm，该山体本体呈欠稳定状态。隧道右幅先施工，开挖过程中山体裂缝呈加剧状态，且坡脚、山腰出现不同程度开裂、塌陷。由于隧道上方山体经历采煤、右洞开挖、左洞开挖多次扰动，已处于松散状态，下方隧道开挖后难以形成自然拱，衬砌结构受力较大，易开裂、变形。

3.2 不良地质及采空区

隧道出口段洞身围岩为二叠系龙潭组煤系地层，主要由泥质粉砂岩、泥岩夹煤线构成，其岩质软弱，加之本区构造作用较强，该岩组地层受揉皱作用强烈。出口区域在新中国成立前就已开始采煤，该位置共有7层煤层（隧道右洞开挖过程中发现其中3 层）。由于开采时间过长，采空区较多，巷道走向错综复杂，隧道轮廓线左右均有采煤巷道。

采空区或巷道在右洞施工过程中已采用混凝土对其进行回填封闭，但由于空洞较大，只填充了部分洞体空间，并没有完全填充密实。空洞导致隧道拱顶和拱周围压力分布不均匀，拱脚受压沉降不均匀，最终导致右洞二衬、仰拱开裂。

3.3 地形压力偏转

隧道出口端左幅左侧为一冲沟，冲沟两侧山体高处应力向沟底转移，由于是三车道隧道，断面大，隧道开挖卸荷后，高处应力向隧道内转移，因此，出口端埋深虽然不深，上部荷载看起来不大，但是随着山体高处应力转移，隧道内竖向、侧向实际应力较高，导致隧道开挖后衬砌结构、仰拱出现变形、开裂。

3.4 小净距大断面隧道

三步梯隧道带仰拱断面扁平率为0.51，隧道开挖面积170m2，属大断面隧道。大断面隧道扁平率过大或过小均不利于有效利用隧道空间，随着断面扁平率减小，隧道开挖时所引起的松弛荷载随之增大，拱顶趋于受拉状态、拱脚应力集中也趋于严重[1]。

另外，三步梯隧道出口端二衬开裂范围段落，两幅隧道线间距为1～1.6D，属小净距隧道，中夹岩柱岩性为煤系地层，岩体弹性模量E值较低，隧道开挖后变形较大[2]。

3.5 近接施工影响

隧道右洞二衬开裂段落主要为YK70+400—YK70+770，该段落开挖时间为2019年8月—2020年3月，二衬施工时间为2020年3月—2020年6月。截至2021年5月5 日，该段落已施工二衬、仰拱未出现开裂、错台、隆起现象。2021 年5 月5 日，左洞向小桩号掘进至ZK70+607 时（埋深95m），对应右洞桩号为YK70+592，右洞YK70+641—YK70+760 范围内二衬出现多条纵向、斜向、环向及施工缝错台，纵向裂缝在拱腰和拱顶较多，斜向裂缝主要在拱腰和拱脚，环向裂缝主要在拱顶向两侧拱腰延伸。该段范围内仰拱也出现开裂，裂缝主要分布于隧道中心线靠左位置（靠近中夹岩侧），裂缝走向多为纵向。随着左洞继续向小桩号施工至2021 年9 月27日，左洞完成开挖，二衬施工于2021年10月10日完成。截至2021年9月6日，右洞二衬、仰拱开裂、错台等病害监测结果显示，病害出现段落主要位于YK70+400—YK70+770（370m），其中较严重段落为YK70+540—YK70+770（230m）。左洞2021年4月至9月底开始施工段落为ZK70+630—ZK70+465（165m），与右洞病害段落重合165m，且与右洞病害较严重段落重合75m。由此可以看出，右洞二衬、仰拱在左洞未掘进至坡脚下方时无病害出现，在左洞掘进进入坡脚10d后，右洞开始出现病害，共计53条裂缝，左洞开挖完成后，右洞衬砌结构、仰拱共计出现121条裂缝。

由此可以看出，随着左洞（后行洞）的不断向前开挖，右洞（先行洞）已施作衬砌结构、仰拱也随之出现开裂、施工缝错台等病害，此为典型近接施工力学表现行为，即新建工程（后行洞）将会对既有工程（先行洞）原来的稳定性产生影响。这种影响最本质的原因是新建工程（后行洞）的施工引起围岩应力状态重新分布，从而导致一系列的力学行为变化[3]。

4 结论

综上所述，总结三步梯隧道右洞二衬、仰拱病害出现原因，在大断面小净距隧道近接施工中，后行洞开挖对先行洞已施作衬砌结构造成影响。由于左洞170m2断面开挖卸荷后，拱顶上方竖向应力传递路径丧失，于是向拱顶两侧转移，掌子面左侧为远离隧道的山体，应力对山体影响不大；掌子面右侧为中夹岩，由于中夹岩岩体强度较低（煤系地层），应力传导至中夹岩后，超过岩体强度值，中夹岩发生变形，对右洞左侧产生挤压，右洞二衬呈小偏心受压，出现压剪破坏，沿隧道纵向出现贯穿式斜向上为主的裂缝[4]。

仰拱在受到中夹岩挤压后，电缆沟（靠近中夹岩侧）附近2m左右位置出现多条纵向裂缝，且通过4个月观测数据显示，裂缝两侧逐渐隆起，隆起高度1.1～6.4mm。

建议在位于进、出口端，地形起伏较大（山形由缓变陡、偏压或靠近冲沟、鞍部）、围岩强度较低的小净距山岭隧道的开挖过程中，需特别注意后行洞施工对先行洞支护结构、仰拱的影响，因此，先行洞施作初支时，可考虑在拱脚两侧增设锁脚微型钢管桩，管内增加小型钢筋笼，拱脚（靠近中夹岩测）增设树根桩抵抗中夹岩传导下来的应力，再对锁脚微型钢管桩及树根桩注浆固结，加固围岩，避免后行洞施工期间或运营期间先行洞支护结构、仰拱出现病害。