高地应力软岩隧道仰拱隆起处治措施研究*

代仲宇，寇 昊，扶亲强，肖龙鸽，杨文波，郭德平

(1.中国建设基础设施有限公司，北京 100029；2.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室,四川 成都 610031；3.中建隧道建设有限公司，重庆 401320；4.叙镇铁路有限责任公司，云南 昭通 657900)

0 引言

隧道仰拱隆起破坏是一个极为复杂的力学演化过程[1]。引起仰拱隆起的原因有外部环境因素和人为因素，其中外部环境因素主要是隧址区地应力、岩体岩性及构造、水文地质条件等；人为因素主要是施工工艺及技术，如仰拱的结构形式、支护参数、施工质量等[2-3]。

有关隧道仰拱隆起问题，国内外许多学者通过数值模拟、模型试验、现场测试等手段研究了水文地质环境、围岩岩性及产状、地应力等一种或多种因素造成仰拱隆起病害的发生机理，通过采取相应的治理措施得到了一些有益的解决方案。李林毅等[4-5]研究了强降雨作用下隧道仰拱隆起原因及整治措施，得到复杂地质条件导致地层富水连通以及防排水系统部分失效是仰拱隆起病害发生的主要原因，且隧底的隆起量最大，在现场采取“施作降压孔+隧底注浆锚固+增设泄水洞+地表处理”的综合整治措施后得到有效控制。杜明庆等[6]、马晓文等[1]、高震等[7]分析了围岩膨胀特性及软化特性引起隧道仰拱底鼓破坏模式及过程，表明泥岩遇水膨胀及遇水软化是引起仰拱破坏及力学行为变化的主要原因。陈洋宏[8]、肖小文等[9]对高地应力缓倾互层岩体隧道底鼓机理与控制技术进行了研究，得出侧压力系数和岩性对隧道底鼓影响较大，岩层倾角和厚度影响较小，通过现场试验表明预应力锚索加固方案不能显著改善隧底结构受力状态，而隧底钢管桩结合中空锚杆注浆加固方案可以有效抑制隧道底部的隆起。施成华等一些学者[10-12]对隧底仰拱进行长期变形及内力监测，分析了仰拱破坏机理并提出了相应的治理方案。

目前针对隧道仰拱隆起的治理措施还不够系统，尤其针对不同病害情况的处治措施还不够完善。本文依托蓉丽高速东马场1号隧道工程，分析进口段泥岩地层仰拱隆起病害的原因，对不同开裂程度的仰拱采取与之相适应的处治措施，并分析了处治效果。本文提出的仰拱隆起处治措施可为类似工程提供参考。

1 工程概况

东马场1号隧道为蓉丽高速(华坪—丽江段)控制性工程。左幅隧道起点里程ZK70+180，止点里程ZK75+278，隧道全长5 097m，最大埋深621.481m；右幅隧道起点里程K70+130，止点里程K75+330，全长5 210m，最大埋深619.6m。其中设计Ⅲ级围岩3 204m(占比31.1%)，Ⅳ级围岩3 359m(占比32.6%)，Ⅴ级围岩3 740m(占比36.3%)。隧道进口方向为泥岩、泥质粉砂岩，出口方向为灰岩、白云质灰岩。施工过程中，隧道进口右幅K71+150—K71+190段仰拱发生严重隆起破坏，如图1所示。因此，本文对该段泥岩地层仰拱隆起段进行处治措施研究，地质纵断面如图2所示。隧道围岩级别为V级，泥质砂岩，强～中风化，中～厚层状，受构造影响，裂隙发育，岩体破碎；地下水位位于洞身上部，以基岩裂隙水为主，涌水量较大，富水性强，施工过程中会出现淋雨状出水。围岩基本质量指标BQ=200～260，围岩基本质量指标修正值[BQ]=170～210，两侧岩体电阻率值变化较大，为异常区域。围岩情况如下：③泥岩 紫红、红褐色，砂泥质结构，薄～中厚层状，强风化，节理裂隙极发育，多呈碎石土状，少量呈碎块状；④石英砂岩 黄褐色，细粒结构，强风化，节理裂隙发育，多呈碎石～碎块状；⑤泥质砂岩 黄褐色，中粒结构，强风化，节理裂隙发育，呈碎石状～碎块状，局部夹薄层泥岩；⑥泥质 黄褐色，中粒结构，强风化，节理裂隙发育，局部夹薄层泥岩，多呈大块状，部分呈碎块状；⑦泥质粉砂岩 黄褐色，中粒结构，中风化，节理裂隙发育，局部夹薄层泥岩，多呈大块状，部分呈碎块状。

图1 仰拱隆起Fig.1 Inverted arch

图2 地质纵断面Fig.2 Longitudinal section

2 隧道仰拱隆起的成因机制

2.1 隧址区地应力场与围岩强度

根据隧道现场测点1(K71+898，埋深约232m)地应力测试结果，最大水平主应力为12.48MPa，垂直应力为5.97MPa，侧压力系数为2.09。测点处的最大主应力以水平构造应力为主，与隧道轴向夹角较大，不利于隧道稳定。

通过现场取芯制作φ50×100的标准岩样，进行岩石力学性质测试，得到泥质粉砂岩单轴饱和抗压强度为12.78MPa(见图3,4)。根据GBT50218—2014《工程岩体分级标准》，计算得到测点处的强度应力比为1.02，属于极高应力区，隧道容易引起大变形失稳。

图3 泥质粉砂岩破坏前后岩样Fig.3 Rock samples before and after failure of the argillaceous siltstone

图4 泥质粉砂岩应力-应变曲线Fig.4 Stress-strain curve of the argillaceous siltstone

2.2 施工方案及支护参数

隧道进口右幅K71+150—K71+190段的设计衬砌类型为SF5b，衬砌断面如图5所示，采用三台阶法开挖。超前支护采用φ42×4热轧无缝钢管的超前小导管形式，长4.5m，环向间距30cm，在拱部约120°范围布设。初期支护采用φ25mm中空注浆锚杆，长300cm，间距100cm×80cm；喷25cm厚C25混凝土，双层φ8钢筋网，间距20cm×20cm；钢拱架采用I18，间距80cm；在上台阶和中台阶开挖后两侧脚部采用φ42×4小导管进行锁脚。二次衬砌采用50cm厚C30钢筋混凝土，预留变形量12cm。仰拱采用C15混凝土回填。

图5 SF5b衬砌断面Fig.5 Section of the lining SF5b

2.3 仰拱隆起变形分析

2018年12月10日发现进口右幅K71+150—K71+200段(共计50m)仰拱隆起约40～50cm，位于线路右侧侧沟与填充接触面，裂缝宽度5～10cm。开始对隆起段仰拱进行监测，其中K71+173段和K71+190段监测数据如图6所示。

图6 仰拱隆起监测Fig.6 Monitoring of the invert uplift

截至2019年8月7日，K71+173断面的线路右侧隆起884.2mm，线路左侧隆起69.3mm。K71+192断面的线路右侧隆起491.3mm，线路左侧隆起80.7mm。仰拱隆起开裂向两侧大小里程方向延伸，从K71+022断面发展至K71+270断面，新增仰拱隆起段落达208m。根据监测数据显示，本段仰拱隆起段日均隆起2.0～3.0mm，仍处于不稳定状态。

2.4 仰拱隆起原因分析

为深入探究隧道仰拱隆起的原因，对现场仰拱进行破检，发现仰拱钢架已发生屈曲破坏，失去承载能力。根据隧址区地应力、围岩岩性以及现场仰拱病害情况的综合分析，得出仰拱隆起的原因为：由于隧道围岩以泥质粉砂岩为主，且仰拱下部岩性更差，在强大水平构造应力作用下，仰拱钢架承载能力逐渐达到极限，因而导致仰拱上拱。

3 仰拱隆起病害处治措施

3.1 处治原则

仰拱隆起病害段落处治遵循“临时加固+永久处治+运营期间病害预防措施”相结合的原则，针对既有病害段落按照“先易后难、分段实施、两头挤压”的原则进行处治。

3.2 仰拱开裂段处治

仰拱开裂段有隆起失效、隆起未失效、已稳定、持续发展未稳定等情况，针对不同的仰拱病害采用以下相应措施。

1)对于仰拱失效且变形已稳定段落，采用拱脚加固+拆除重置措施，如图7所示。

图7 拱脚加固+拆除重置Fig.7 Arch feet reinforced and removed to reset

2)对于仰拱失效且变形未稳定段落，采用拱脚基底加固+拆除重置措施，如图8所示。

图8 拱脚基底加固+拆除重置Fig.8 Arch feet and base reinforced and removed to reset

3)对于仰拱未失效且变形未稳定段落，采用拱脚基底加固措施，并加强监测，如图9所示。

图9 拱脚基底加固Fig.9 Arch feet and base reinforced

4)对于仰拱填充开裂未隆起且变形已稳定段落，进行灌浆封缝，并持续监测。

拱脚加固在两侧拱脚处各打设2排φ108×6钢花管，交叉角度30°，每根长6.0m，纵向间距100cm，对拱脚进行注浆加固。基底加固采用φ89×6钢花管注浆，每根长6.0m，间距100cm×100cm梅花形布置。对于仰拱开裂段拆除重置的仰拱，拱架均采用I22b，间距60cm，并加深1m，填充层顶面增设抗裂网，采用φ16钢筋网片，钢筋网间距20cm×20cm，并植筋与仰拱连接。

4 处治效果分析

根据上述仰拱隆起病害的处治措施，按照不同的病害段落进行现场处治，其中K71+020—K71+120，K71+220—K71+270段主要为仰拱隆起或填充层开裂，而K71+120—K71+220段落主要为仰拱隆起失效段。在左右侧各布设位移监测点监测处治后仰拱的隆起位移，根据监测的位移信息动态调整处治措施。

处治前隧道仰拱隆起最为严重段落(K71+150—K71+200)采用了拱脚基底加固+拆除重置措施，其中K71+180断面处治后仰拱隆起的位移监测结果如图10a所示。仰拱断面在处治后第9天位移开始稳定，线路右侧隆起位移约为22.11mm，线路左侧隆起位移约为19.51mm，整体表现为右侧隆起位移略大于左侧位移。

K71+020—K71+270段处治后仰拱的累计位移如图10b所示。可见仰拱隆起段处治得到了有效控制，最大隆起位移位于K71+160—K71+200断面，线路左侧隆起位移的平均值约为12.35mm，线路右侧隆起位移的平均值约为14.22mm。

图10 处治后监测结果Fig.10 Monitoring results after treatment

5 结语

1)由于隧道围岩以泥质粉砂岩为主，且仰拱下部岩性更差，在强大水平构造应力作用下，仰拱钢架承载能力逐渐达到极限，导致仰拱隆起。

2)提出了仰拱隆起病害处治应遵循“临时加固+永久处治+运营期间病害预防措施”相结合的原则，既有病害段落应按照“先易后难、分段实施、两头挤压”的原则进行处治。

3)针对仰拱开裂段，仰拱失效且变形已稳定段落，采用拱脚加固+拆除重置措施；仰拱失效且变形未稳定段落，采用拱脚基底加固+拆除重置措施；仰拱未失效且变形未稳定段落，采用拱脚基底加固措施并加强监测；仰拱填充开裂未隆起且变形已稳定段落，采用灌浆封缝，并持续监测。

4)现场位移监测表明仰拱开裂段处治后仰拱得到了有效控制，该仰拱病害处治方案切实可行。