茜陽隧道出口病害處治技術研究

吳啟勇

(福建省交通規劃設計院，福州 350004)

0 引言

茜陽隧道位于福建省龍巖市上杭縣內，為高速公路分離式隧道，隧道開工70多m后洞身出現嚴重的變形情況，總體來看茜陽隧道出現的變形具有突然、變形速率高且難以控制、最終變形量大等特點。文獻［1］進行了隧道病害原因分析，提出了原有襯砌侵限處理施工工藝和注意事項，總結了施工方案、監控量測要求，闡述了施工安全措施，確保了施工質量。文獻［2］介紹了內昆鐵路龍洞灣隧道進口裂縫病害原因，并對其跳槽方法處理措施進行了分析和探討。文獻［3］敘述了病害產生的原因和相應的處理措施，并采用有限元程序和條分法對整個巖堆體的穩定性進行了分析檢算。文獻［4］主要介紹了產生病害的工程環境，分析了病害產生的原因及機制，介紹了病害處理的具體工程措施和具體施工方法，總結了淺埋、偏壓、破碎圍巖條件下隧道施工的綜合技術。文獻［5］主要闡述了隧道二次襯砌混凝土產生變形、開裂的原因，提出病害處理原則和預防措施，并根據混凝土產生的各種變形、開裂實際情況提出相應的處理方案。文獻［6］主要從國內施工現狀與存在的問題入手，分析了引起隧道大變形的原因，總結出控制隧道大變形方法。文獻［7］針對隧道病害情況，采用儀器對隧道病害進行了檢測，結合隧道圍巖地質條件，對出現原因進行了數值計算分析，提出了內輪廓侵限處理方案。文獻［8］對隧道發生侵限的原因進行了分析，提出了采用注漿加固、加強超前支護、處理時施作臨時內襯、逐榀拆除侵限段初期支護等處理措施。目前在建或已建的隧道均存在襯砌侵限、裂縫問題，也是國內外專家學者研究的熱點問題。本文以土質淺埋偏壓茜陽隧道為研究對象，借鑒以往經驗和實測數據，通過數值模擬對襯砌侵限、裂縫處理方案進行優化研究。

1 工程概況

茜陽隧道為分離式平行雙洞隧道，設計行車速度為100km/h，單洞建筑界限:凈高5m、凈寬10.75m (行車道寬2×3.75 m，左側路緣帶0.5 m，右側路緣帶0.75 m，左、右側檢修道各1.00 m)。全長450 m，進出口均采用端墻式洞門。隧道右洞進口樁號為YK24+ 795、出口樁號YK25+245;隧道左洞進口樁號為ZK24+ 774、出口樁號ZK25+231。兩洞軸線之間的線間距為33.15 m。

茜陽隧道出口位于山脊上，右洞橫向地面線坡率為30°(即偏壓30°)，如圖1所示。隧道區屬構造－剝蝕低山地貌，地形起伏較大，山坡較陡，自然坡度35～50°，上覆坡殘積土(Qd1+r1)和強風化變質砂巖，厚度為30～50m，下伏基巖為震旦系樓子壩組變質粉砂巖，其產狀為180°∠40°。隧道區上部地下水主要為風化基巖中的裂隙－孔隙水，水量貧乏，受大氣降水的補給，主要對出洞口圍巖及施工有影響。

2 病害情況

2010年3月20日成洞面樁號YK25+240～+ 238洞頂地表有微小裂縫;2010年3月28日YK25+ 240～+228洞頂地表裂縫稍明顯;2010年4月4日連降雨水，洞頂地表裂縫明顯并延伸;2010年4月7日地表裂縫已延伸至掌子面。茜陽隧道右洞出口至掌子面YK25+170初期支護均發生變形和裂縫，最大侵限約25.19 cm，詳見圖2，具體裂縫位置如圖3所示。根據相關資料:地表裂縫寬度為5～15cm，襯砌裂縫寬度約為0.2 mm，地表沉降約15 mm。

圖1 茜陽隧道出口平縱面圖Fig.1 Plan and longitudinal profile of exit section of Xiyang tunnel

3 病害原因分析

1)在坡積粉質黏土圍巖基礎上采用上下臺階法開挖，同時上下臺階錯臺30 m，洞口至掌子面從未施作二次襯砌;出口排水系統未完善。

2)出口偏壓段在未采取反壓回填措施情況下開挖進洞，同時在右洞YK25+193～+220右邊山坡坡體被開挖10 m高當作生活區，擾動了山體。

3)4月初連降大雨，地表水經未鋪砌的截水溝滲入隧道圍巖，使圍巖軟化，降低了軟弱面的強度。

4 隧道襯砌變形和裂縫處治方案

由于茜陽隧道出口地質較差，施工工期較緊，為保證施工進度和結構安全穩定，本文采用換拱法和明挖法2種方法進行比較，選出最合理的處治方案。

4.1 明挖方案處理措施

4.1.1 邊坡加固

已施工的右洞開挖為邊坡，其邊坡采用5階高邊坡預應力錨索格子梁+排水的設計方案，第1階、第3階和第4階邊坡坡率分別為1∶0.75，1∶1和1∶1.25，分別采用20，22，26，28和30 m不等長度預應力錨索加固;第2階邊坡坡率為1∶1，由于邊坡距隧道過近，無法采用預應力錨索加固，采用錨桿鍍鋅網+小導管注漿加固植草防護;第5階邊坡坡率為1∶1.25，采用液壓噴播植草(灌)。YK25+170左側橫斷面路基加固示意見圖4。錨索采用公稱直徑為15.2 mm的高強度低松弛鋼絞線6根，鋼絞線標準強度不小于1 860 MPa，鉆孔直徑為150 mm，與水平夾角為20°;橫向間距為3.0 m，垂直間距為3.0 m，格子梁間植草。

圖4 YK25+170左側橫斷面路基加固示意圖Fig.4 Sketch of reinforcement of subgrade on the left side at YK25+170

4.1.2 仰坡加固

隧道仰坡采用6階高邊坡預應力錨索格子梁+排水的設計方案，第2階、第3階、第4階和第5階邊坡坡率分別為1∶0.5，1∶0.75，1∶1和1∶1，分別采用20，22，24，26，28，30 m不等長度預應力錨索加固;第1階邊坡坡率為1∶0.25，為成洞面，距隧道洞身過近，無法采用預應力錨索加固，采用小導管注漿和洞門墻加固;第6階邊坡坡率為1∶1，采用液壓噴播植草(灌)。YK25+170仰坡基加固示意見圖5。錨索采用公稱直徑為15.2 mm的高強度低松弛鋼絞線6根，鋼絞線標準強度不小于1 860 MPa，鉆孔直徑為150 mm，與水平夾角為20°;橫向間距為3.0 m，垂直間距為3.0 m，格子梁間植草。

圖5 YK25+170仰坡基加固示意圖Fig.5 Sketch of reinforcement of front slope at YK25+170

4.2 換拱方案處理措施

4.2.1 地表加固

對地表裂縫進行灌注水泥漿密封，防止地表水流入裂縫;右洞YK25+240～+140右側回填反壓，減少隧道偏壓，防止山體裂縫擴展，如圖6所示。

圖6 右洞山體反壓回填處理示意圖Fig.6 Artificial overburden of right tube

4.2.2 臨時加固處理

出口左洞ZK25+206～+226和右洞YK25+170～+ 240初期支護采用滿堂架臨時加固，并在鋼支撐拱腳未打入鎖腳小導管處補設鎖腳小導管，防止隧道初期支護下沉，影響變形裂縫擴展，如圖7所示。

圖7 滿堂架臨時加固圖Fig.7 Temporary support by means of full house frame

4.2.3 初期支護變形處理

支護厚度由原來24 cm改為28 cm，二次襯砌厚度由原來45 cm改為55 cm;該段鋼支撐間距保持不變，鋼支撐由工18改為工20 b，徑向采用長度為5 m，直徑為50 mm的小導管注漿加固，間距為100 cm×100 cm，梅花型布置。具體施工工序如下:

1)拆除右矮邊墻初期支護、二次襯砌以及矮邊墻基礎;2)在右矮邊墻基礎處打入直徑108 mm鋼管樁并注漿;3)右矮邊墻基礎采用C25混凝土回填;4)待右矮邊墻墻基礎C25混凝土強度達到70%后，掛鋼筋網噴射4 cm C25混凝土并立型鋼支撐，再噴20 cm厚C25混凝土;5)澆注右矮邊墻二次襯砌;6)拆除左矮邊墻初期支護、二次襯砌以及矮邊墻基礎;7)在左矮邊墻基礎處打入直徑108 cm鋼管樁并注漿;8)左矮邊墻基礎采用C25混凝土回填;9)待左矮邊墻墻基礎C25混凝土強度達到70%后，掛鋼筋網噴射4cm厚C25混凝土并立型鋼支撐;再噴20 cm厚C25混凝土;10)澆注左矮邊墻二次襯砌;11)拆除拱部初期支護并開挖至設計線;12)掛鋼筋網噴射4 cm厚C25混凝土并立型鋼支撐，再噴20 cm厚C25混凝土;13)跳槽法施工逐榀換拱完成4榀后，再整體掛直徑12mm鋼筋網，最后再噴4 cm厚C25混凝土，完成1個循環后方能施作下個循環;每換拱8～10 m，應立即模筑二次襯砌，待二次襯砌混凝土強度達到80%后，方能施作下一個循環。換拱施工工序如圖8所示。

施工順序由洞口向掌子面方向采用跳槽法逐榀施工，施工時應加強監控量測，確保施工人員安全。

5 施工工序模擬分析

5.1 計算條件

1)圍巖級別:Ⅴ級圍巖。

2)隧道埋深:淺埋。

3)計算軟件:同濟曙光。

4)計算模式:“地層－結構”彈塑性模式，計算考慮以承受自身重力應力場為主，考慮毛洞與初期支護各自承擔50%圍巖壓力。

圖8 換拱施工工序圖Fig.8 Procedure of arch replacing

5)計算邊界條件:在模型左、右邊界施加水平X方向約束，在底面施加垂直Y方向約束，頂部為自由面，橫向范圍的有效水平方向計算寬度為148 m，左右邊界距開挖輪廓外邊緣均大于4倍的主洞開挖寬度;上邊界為地表自由面，下邊界距主洞開挖輪廓底邊緣40 m，大于3倍的主洞開挖高度，消除邊界效應對結果的影響。

6)計算準則采用D－P準則。

5.2 計算參數取值

初期支護設計參數見表1，根據截面換算原則，對計算截面的初期支護進行截面換算，其換算后的支護物理力學參數見表2。

洞室周圍和臨時導洞周圍施打錨桿的區域采用提高圍巖參數的方法來模擬。參考文獻［9］，在施加噴錨支護后將相應圍巖的彈性模量、黏聚力c及摩擦角φ提高20%，泊松比降低20%。

表1 Ⅴ級圍巖初期支護設計參數表Table 1 Design parameters of primary support of grade V surrounding rock

表2 換算后計算物理力學參數Table 2 Physical and mechanical parameters for calculation

5.3 換拱方案模擬

5.3.1 計算斷面選取

取茜陽隧道右洞樁號YK25+180斷面為計算斷面，隧道左洞埋深最深為26 m，右洞埋深最深為3.8 m，如圖9所示。

圖9 計算斷面圖Fig.9 Calculation cross-section

5.3.2 計算結果分析

5.3.2.1 塑性

換拱后塑性圖見圖10，由圖10(a)，(b)和(c)分析可知:右洞隧道左右矮邊墻開挖并加固過程中洞室周圍圍巖塑性區范圍幾乎沒有變化，故左右矮邊墻開挖不影響圍巖穩定。

由圖10(d)可得:右洞隧道拱部初期支護換拱過程中，右洞拱頂塑性區范圍變大，但徑向范圍塑性區均未超過設計的小導管和系統錨桿加固范圍;中間巖體塑性區未貫通，說明換拱過程中圍巖擾動范圍較小，滿足圍巖自穩能力要求。

5.3.2.2 初期支護內力和安全系數

在模擬計算過程中通過對左右洞初期支護的內力和安全系數分析，判定隧道支護的安全和穩定，具體的跟蹤點位置為拱頂、拱腰、仰拱等，如圖11和表3—6所示。

由表3和表5，圖11(a)，(b)，(c)，(d)知:上下臺階開挖、原初期支護安全系數均大于2.0，因此，原初期支護參數滿足隧道結構受力安全要求。

由表4和圖11(g)，(h)可得:右洞原支護換拱后，右洞新初期支護的內力減少，其新的支護安全系數均高于原初期支護安全系數，說明換拱后對初期支護受力更有利。

圖10 換拱后塑性圖Fig.10 Plasticized zone after arch replacing

由表6和圖11(e)，(f)可知:右洞原支護換拱后，左洞初期支護內力有所增加，但增幅不大;左洞初期支護安全系數略有降低，但其安全系數均大于2，滿足隧道結構受力安全要求。

圖11 左右洞初期支護內力圖Fig.11 Internal forces of support of left tube and right tube

表3 原右洞支護內力Table 3 Internal forces of support of right tube before arch replacing

表4 換拱后右洞支護內力Table 4 Internal forces of support of right tube after arch replacing

表5 原左洞支護內力Table 5 Internal forces of support of left tube before arch replacing

表6 換拱后左洞支護內力Table 6 Internal forces of support of left tube after arch replacing

5.4 明挖法數值模擬

5.4.1 計算斷面選取

選取Ⅴ級圍巖斷面進行計算分析，取茜陽隧道右洞樁號YK25+180斷面為計算斷面，隧道左洞埋深最深為26 m，右洞埋深最深為3.8 m。計算模型見圖12。

5.4.2 開挖順序

開挖右洞上臺階—右洞上臺階支護—開挖右洞下臺階—右洞下臺階支護—開挖左洞上臺階—左洞上臺階支護—右洞隧道開挖為路基—開挖左洞下臺階—左洞下臺階支護。

圖12 計算模型Fig.12 Calculation model

5.4.3 結果分析

5.4.3.1 塑性

路基方案圍塑性屈服區見圖13。

當右洞開挖為路基后，左洞周邊圍巖塑性屈服區范圍迅速擴大，第1階路基邊坡坡腳發生塑性屈服區與左洞隧道周邊圍巖塑性區貫通，左洞右側塑性屈服區與第2和第3階路基坡面貫通。

圖13 路基方案圍塑性屈服區圖Fig.13 Plasticized yield zone in case the right tube is replaced by subgrade

當左洞下臺階開挖并支護完畢，路基邊坡處、左洞拱腰處及兩側拱腳處塑性屈服區范圍進一步擴大，第1階路基基礎發生塑性屈服區深度擴大為7 m，左洞左邊墻塑性區擴展至10 m，故右洞隧道開挖為路基對邊坡及左洞穩定性極其不利。

5.4.3.2 初期支護內力和安全系數

路基方案左洞支護內力見表7和圖14，由圖14和表7知:已開挖的右洞室變更為路基方案，左洞初期支護內力劇增，原初期支護安全系數減少，拱腰和拱腳安全系數減少更為明顯，其值小于2，拱腳處安全系數小于1，不滿足隧道結構受力安全要求，故路基方案不合理。

表7 路基方案左洞支護內力Table 7 Internal force of support of left tube in case the right tube is replaced by subgrade

6 監控量測分析

6.1 地表下沉

在地表沉降監測過程中，茜陽隧道地表沉降最大累計變化量出現在YK25+235斷面B測點，累計變化量為－271.2 mm，如圖15所示。2010年3月28日地表開始迅速下沉，2010年4月10日經過滿堂架臨時加固處理后，地表下沉基本趨于穩定。

6.2 周邊收斂分析

在洞邊收斂及拱頂沉降監測過程中，茜陽隧道拱頂沉降及洞周收斂斷面最大日變化量出現在YK25+ 185斷面上2日H測線，日變化量為－1.0 mm;拱頂沉降及洞周收斂的最大累計變化量出現在YK25+185斷面的H測線，累計變化量為－202.2 mm，如圖16。2010年4月19日經過滿堂架臨時加固處理后，拱頂沉降及洞周收斂趨于穩定。

7 結論與討論

在施工前制定切實可行的施工方案是必要的，工程針對地質和地形條件，制定了換拱方案和路基方案，通過數值模擬對病害處理進行比較。得出換拱方案可行、安全、可靠。同時從施工工序上引入一些新方法、新工藝，為今后類似的公路隧道病害處理提供參考。

圖14 路基方案左洞支護內力圖Fig.14 Internal force of support of left tube in case the right tube is replaced by subgrade

圖15 2010年YK25+235斷面地表下沉位移曲線圖Fig.15 Curves of ground surface settlement in 2010

圖16 2010年YK25+185斷面收斂位移曲線圖Fig.16 Curves of convergence in 2010

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