高地應(yīng)力區(qū)緩傾互層巖體無砟軌道隧道底部隆起的成因分析及整治方案

肖小文, 王立川， 陽軍生， 張學(xué)民

(1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院, 湖南 長沙　410075；2.成都鐵路局, 四川 成都　610082；3.中南大學(xué) 重載鐵路工程結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖南 長沙　410075)

鐵路隧道，尤其是高速鐵路隧道，其底部結(jié)構(gòu)的安全對(duì)于保證鐵路的正常運(yùn)營至關(guān)重要。“隧底隆起”將造成線路的不平順，惡化運(yùn)營條件，嚴(yán)重時(shí)將危及隧道結(jié)構(gòu)甚至行車的安全。如蘭渝鐵路玄真觀隧道在襯砌施作3個(gè)月后，仰拱和填充層隆起，最高達(dá)720 mm，襯砌亦多處開裂，局部剝落掉塊[1]，危及隧道結(jié)構(gòu)安全；四川省紫坪鋪隧道在運(yùn)營1年半后，出現(xiàn)底部隆起，危及行車安全[2]。

通常“隧底隆起”是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，原因眾多且機(jī)理復(fù)雜。對(duì)其成因的認(rèn)識(shí)是否正確直接影響預(yù)防措施和后續(xù)整治的成敗，許多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了相關(guān)研究。孔恒[3]等在統(tǒng)計(jì)和分析眾多工程實(shí)例的基礎(chǔ)上，總結(jié)和歸納了隧底隆起的成因、分類及控制措施，將成因歸為物理、力學(xué)及巖體結(jié)構(gòu)三大類。汪洋等[4]對(duì)云嶺隧道底部隆起進(jìn)行機(jī)理分析并提出了治理措施，具有一定的工程借鑒意義。鐘祖良等[5]基于桃樹嶺隧道底部隆起病害提出了1個(gè)計(jì)算隆起量的經(jīng)驗(yàn)公式。王立川等[6]從多角度對(duì)某鐵路隧道底部結(jié)構(gòu)隆起病害的成因進(jìn)行了分析，并對(duì)整治方案提出了方向性建議。但研究主要集中在其成因的理論推測(cè)及整治方案的討論方面，而結(jié)合調(diào)查、試驗(yàn)和數(shù)值手段對(duì)具體隧道進(jìn)行隆起原因分析及整治方案效果評(píng)價(jià)的相關(guān)報(bào)道還較少。

本文在文獻(xiàn)[6]的基礎(chǔ)上，數(shù)值模擬分析該隧道底部隆起的原因，在此基礎(chǔ)上對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索(桿)錨固方案和鋼管樁結(jié)合中空錨桿注漿加固2種整治方案進(jìn)行數(shù)值模擬，比較分析二者的整治效果。

1　工程概況

該隧道建成運(yùn)營約3年后，因隧道底部持續(xù)隆起而引起仰拱填充層開裂，導(dǎo)致軌道幾何尺寸變化，影響線路正常運(yùn)營。在實(shí)施預(yù)應(yīng)力錨索(桿)加固后，隆起速率有所下降但隆起趨勢(shì)仍未抑止[6]，因此，有必要對(duì)其原因進(jìn)行深入分析。

該隧道底部隆起病害以K107+970—K109+270段最為嚴(yán)重，該段隧道開挖斷面B×H(跨度×洞高)=13.30 m×11.77 m，仰拱內(nèi)徑r3=14.80 m，開挖面積127.18 m2；按Ⅲ級(jí)圍巖支護(hù)，拱墻襯砌為40 cm厚C25混凝土。底部結(jié)構(gòu)從下往上依次為：5 cm厚水泥砂漿找平層，敷設(shè)防水層后澆筑40 cm厚C25混凝土，施作128 cm厚C20混凝土填充層，再鋪設(shè)40 cm厚鋼筋混凝土道床板[6]。圖1為隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖。

圖1　隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖(單位：m)

2　隧道底部隆起原因分析

王立川等[6]就可能導(dǎo)致該隧道底部隆起的原因進(jìn)行了廣泛調(diào)查，在此基礎(chǔ)上，本文主要對(duì)極高地應(yīng)力、底部緩傾互層巖體和底部軟弱巖層等因素的影響進(jìn)行深入分析。

2.1　高地應(yīng)力

在該隧道底部隆起段采用水壓致裂法實(shí)施地應(yīng)力量測(cè)，結(jié)果顯示最大主應(yīng)力為8.31～9.50 MPa，最小主應(yīng)力為5.20～5.49 MPa，側(cè)壓力系數(shù)為1.52～1.82，對(duì)于隆起段圍巖(中風(fēng)化泥巖、砂巖)，其巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度與最大地應(yīng)力的比值小于4[6]，根據(jù)GB 50218—94《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》[7]，該段屬極高地應(yīng)力區(qū)。

在極高地應(yīng)力條件下，由于巖體開挖卸荷，隧道兩側(cè)底角周圍易出現(xiàn)剪應(yīng)力集中區(qū)，剪應(yīng)力超過巖體抗剪強(qiáng)度將導(dǎo)致圍巖發(fā)生剪切滑移破壞；同時(shí)底部中央易出現(xiàn)拉應(yīng)力集中區(qū)，導(dǎo)致圍巖發(fā)生拉伸破壞。這2種機(jī)制共同的作用導(dǎo)致底板圍巖發(fā)生剪切錯(cuò)動(dòng)、翻滾旋轉(zhuǎn)及相互分離等復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，宏觀表現(xiàn)為底部隆起變形。

2.2　底部圍巖結(jié)構(gòu)

隧道底部地層為蓬萊鎮(zhèn)組下段泥巖，巖性為紫紅色、棕紅色且薄至中厚層狀泥巖、砂質(zhì)泥巖，夾粉砂巖及細(xì)粒長石砂巖，其間夾有1層灰綠色水云母巖，巖層平緩。中風(fēng)化砂巖單軸抗壓強(qiáng)度約為中風(fēng)化泥巖的4倍[6]，屬典型的軟弱互層巖體。工程實(shí)踐表明，圍巖結(jié)構(gòu)特征對(duì)底部隆起的影響要較巖石的單軸抗壓強(qiáng)度指標(biāo)大[3]。對(duì)于層狀巖體，隧道易發(fā)生頂板坍塌和底部隆起，又由于層面多平直，黏結(jié)強(qiáng)度較低，易形成“疊合梁”效應(yīng)，巖體易撓曲變形從而使垂直層面方向變形大幅增加。

2.3　底部軟弱巖層

巖石強(qiáng)度是隧道工程中不可或缺的重要設(shè)計(jì)參數(shù)，直接關(guān)系支護(hù)結(jié)構(gòu)所承受荷載及工程整體穩(wěn)定性。施工記錄資料表明，隧道開挖時(shí)底部巖體結(jié)構(gòu)大體較為完整，但隨著時(shí)間推移，在下述原因的綜合作用下，可能導(dǎo)致底部存在軟弱巖層。

(1)以泥巖為主的軟質(zhì)巖體，遇水易泥化、崩解，吸水后強(qiáng)度明顯降低，抗風(fēng)化能力和工程穩(wěn)定性較差。

(2)水的影響。由于多種原因，仰拱底部易積聚地下水，水的存在加速了底部巖石的開裂、破壞。

(3)列車振動(dòng)荷載的作用。在列車荷載長期作用下，底部巖石的受力狀態(tài)將發(fā)生改變，巖體的物理力學(xué)性質(zhì)也將發(fā)生變化，加上水的影響，最終導(dǎo)致底部一定范圍內(nèi)巖體強(qiáng)度降低。

(4)施工期仰拱底部殘留部分虛砟的影響。

隧道發(fā)生底部結(jié)構(gòu)破損后，在該段鉆探取芯如圖2所示，結(jié)果表明，仰拱下方0.5 m范圍內(nèi)巖石破碎成塊狀或土狀，強(qiáng)度喪失，手捏易碎。巖石破碎后其承載能力嚴(yán)重喪失，將荷載轉(zhuǎn)移給深層圍巖承擔(dān)并引起深部圍巖位移，導(dǎo)致底部圍巖向隧道空間內(nèi)擠，從而造成底部隆起。

圖2　隧底典型鉆孔柱狀圖

3　底部隆起的數(shù)值模擬分析

基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的地應(yīng)力、鉆探揭露的底部泥、砂巖緩傾互層巖體特征，以及仰拱下部存在局部軟弱巖層的實(shí)際情況，建立數(shù)值模型，針對(duì)性地分析隧道圍巖與結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)，從而分析隧道底部隆起的原因。

3.1　模型建立

數(shù)值模擬采用FLAC2D有限差分軟件[8]。選取隧道底部隆起嚴(yán)重地段K108+630典型斷面進(jìn)行分析，該處隧道上覆土體約180 m。模型計(jì)算范圍取150 m×100 m(寬×高)，底部固定約束，兩側(cè)水平約束。根據(jù)地應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果綜合分析，頂部施加等效均布應(yīng)力P=2.93 MPa，側(cè)壓力系數(shù)K取均值1.7。隧道底部結(jié)構(gòu)(包含支護(hù)結(jié)構(gòu)、底部填充和道床板)采用實(shí)體單元模擬，按彈性材料考慮，如此可直接獲得隧道結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況。圍巖采用實(shí)體單元模擬，服從Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則。巖層接觸面則采用interface單元模擬[8]。

Clock等人[9]研究表明，在節(jié)理裂隙發(fā)育的圍巖中，一般只在1倍洞室跨度的深度內(nèi)受節(jié)理裂隙的影響較顯著，因此，僅考慮底部15 m深度范圍內(nèi)圍巖層面的影響。圖3為計(jì)算模型示意圖及隧道底部細(xì)化圖。

3.2　材料參數(shù)

圖3　計(jì)算模型示意及隧道底部細(xì)化圖

鉆探揭露的隧道下部軟硬互層巖體中，中風(fēng)化泥巖、砂巖的力學(xué)性能相差較大，故在模型中考慮由此2種巖石組成的互層巖體，其層厚度取30 cm。中風(fēng)化泥巖、砂巖的物理力學(xué)參數(shù)通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)獲取，并采用霍克—布朗方法進(jìn)行弱化[10]。底部軟弱巖層及層面的物理力學(xué)參數(shù)通過工程類比得到[11]。支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)按“等效剛度法”計(jì)算。各材料的計(jì)算參數(shù)均列于表1。

表1　材料計(jì)算參數(shù)

3.3　計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算所得的隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖如圖4所示。由圖4可知：底部結(jié)構(gòu)存在范圍較大的受拉區(qū)域，且拉應(yīng)力大多超過C20混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(1.13 MPa)[12]；這是由于受現(xiàn)場(chǎng)賦存的高地應(yīng)力和底部軟弱互層巖體結(jié)構(gòu)的影響，加上仰拱下部存在局部軟弱巖層，仰拱和底部填充層的受力均為極不利狀態(tài)，將導(dǎo)致仰拱填充層上出現(xiàn)大量的裂縫，這與實(shí)際情況是比較吻合的。

隧道底部結(jié)構(gòu)豎向位移計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的比較如圖5所示，其中計(jì)算值是指與隧道底部不存在局部軟弱巖層時(shí)相比較所得的底部結(jié)構(gòu)位移，實(shí)測(cè)值為從開始監(jiān)測(cè)到實(shí)施病害段鉆探這一時(shí)段內(nèi)的累計(jì)值。由圖5可知：計(jì)算值與實(shí)測(cè)值所反映出的隧道底部隆起形態(tài)比較相似，都是從隧道中心向兩側(cè)遞減，呈倒“U”型；計(jì)算值略大于實(shí)測(cè)值，這可能是由于在監(jiān)測(cè)前隧道底部已經(jīng)出現(xiàn)隆起，而該部分值未能納入。

圖4　隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖5　隧道底部結(jié)構(gòu)豎向位移計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)照

總之，計(jì)算所得的隧道底部結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)及底部結(jié)構(gòu)豎向位移均能較好地與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際相吻合，因此，所建立的數(shù)值模擬及選取的材料參數(shù)是比較合理的。同時(shí)，計(jì)算和實(shí)測(cè)都表明，隧道底部結(jié)構(gòu)的病害比較嚴(yán)重，有必要實(shí)施相應(yīng)的整治措施。

4　整治方案的效果對(duì)比分析

隧道底部隆起病害的常用整治方案可分為兩類：一是對(duì)隧道下部圍巖進(jìn)行加固，如錨桿注漿，深層注漿，圍巖換填等；二是增強(qiáng)底部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及提高其抗力，如置換仰拱，仰拱與邊墻連接處加固，增加仰拱矢跨比，加裝混凝土反拱，預(yù)應(yīng)力錨索(桿)錨固等。在本隧道底部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)病害后，實(shí)施了預(yù)應(yīng)力錨索(桿)錨固方案，但并未獲得理想的整治效果[6]。為此，本文提出從提高下部巖體的整體性和穩(wěn)定性入手，以鋼管樁結(jié)合中空錨桿注漿，加固隧道下部巖體，以求達(dá)到較理想的整治效果。這2種整治方案具體如下。

4.1　底部結(jié)構(gòu)整治方案

1)預(yù)應(yīng)力錨索(桿)錨固方案

預(yù)應(yīng)力錨索(桿)加固方案的具體措施：在無砟軌道兩側(cè)混凝土填充層及隧道中心線處采用錨索加固并設(shè)置縱梁，錨索縱向間距3.0 m，錨索鉆孔直徑130 mm，錨孔垂直向下，錨索長20 m，單孔拉力為450 kN；左、右線中心處(非軌枕板處)采用預(yù)應(yīng)力錨桿加固，錨桿縱向間距1.5 m，單孔拉力80 kN，錨桿鉆孔直徑110 mm，錨孔垂直于水平方向，錨桿長10 m；同時(shí)對(duì)軌道板和仰拱填充層鉆孔注膠，封閉裂縫，并修復(fù)隧道排水系統(tǒng)。錨索(桿)布置橫斷面如圖6所示[6]。

圖6　錨索(桿)布置橫斷面示意圖

2)鋼管樁結(jié)合中空錨桿注漿加固方案

鋼管樁結(jié)合中空錨桿注漿加固方案示意如圖7所示。具體如下：采用7 m長錨桿，縱向間距1 m，在桿壁上鉆孔，注漿材料為低水灰比的水泥漿，注漿中監(jiān)控軌道板高程，防止注漿壓力過大引起軌道板隆起，并根據(jù)監(jiān)控結(jié)果調(diào)整壓力值；鋼管樁長7 m，縱向間距2 m，布置于兩側(cè)電纜槽內(nèi)，采用預(yù)成孔插管壓漿法施工，內(nèi)設(shè)φ127熱軋無縫鋼管，鋼管內(nèi)及外環(huán)內(nèi)灌注M35水泥砂漿；鋼管間布設(shè)錨桿。

圖7　鋼管樁結(jié)合中空錨桿注漿加固方案(單位：m)

鋼管樁結(jié)合中空錨桿注漿加固方案的整治機(jī)理為：對(duì)于底部下伏緩傾互層巖體，錨桿起到串聯(lián)作用，從而提高加固范圍內(nèi)圍巖的穩(wěn)定性，改善圍巖的受力狀態(tài)；注漿則主要起到加固破碎巖石的作用，提高巖石的抗壓強(qiáng)度和抗變形能力；在兩側(cè)水溝位置設(shè)置與水平向成一定角度的鋼管樁，不僅可以提高兩側(cè)墻腳下圍巖的承載能力，也有助于抑制底部圍巖的變形。

4.2　整治方案數(shù)值模擬

在上文建立的數(shù)值模型基礎(chǔ)上，分別對(duì)實(shí)施預(yù)應(yīng)力錨索(桿)錨固方案和鋼管樁結(jié)合中空錨桿注漿加固2個(gè)方案進(jìn)行數(shù)值模擬(下文簡稱為工況1和工況2)，對(duì)比分析各自的整治效果。

工況1中的預(yù)應(yīng)力錨索(桿)采用FLAC2D數(shù)值軟件的cable單元進(jìn)行模擬，該單元提供了預(yù)應(yīng)力的輸入選項(xiàng)，并可通過附帶的“pretension.fis”文件來控制錨固應(yīng)力[8]。預(yù)應(yīng)力錨索、桿的計(jì)算參數(shù)列于表2。

工況2中的水泥漿液注入破碎巖體固結(jié)后，形成的結(jié)石體以破碎圍巖為骨料，水泥漿為膠結(jié)物，漿液與圍巖相互包裹，從而提高圍巖的整體性，極大地提高了圍巖強(qiáng)度，可通過提高底部破碎巖體的力學(xué)參數(shù)(將軟弱巖層的彈性模量、黏聚力及內(nèi)摩擦角的值提高1倍)來模擬加固效果[13]。中空錨桿采用FLAC2D數(shù)值軟件中的rockbolt單元模擬，鋼管樁采用pile單元模擬。加固后軟弱巖層、中空錨桿及鋼管樁的計(jì)算物理力學(xué)參數(shù)同樣列于表2。

表2　整治方案模型計(jì)算參數(shù)

4.3　整治效果對(duì)比分析

計(jì)算工況1和工況2所得的隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)如圖8和圖9所示。

圖8　實(shí)施預(yù)應(yīng)力錨索(桿)方案后隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

對(duì)比圖8和圖9可知：工況2下隧道底部結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)較工況1有明顯改善，最大和最小主應(yīng)力均小于工況1；工況1和工況2下仰拱和底部填充層上都分布有一定范圍的受拉區(qū)域，但工況1下拉應(yīng)力較整治前無顯著改變，而工況2下拉應(yīng)力明顯減小，最大拉應(yīng)力降低至0.61 MPa。

圖9　實(shí)施預(yù)錨桿注漿方案后隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

2種工況下隧道底部結(jié)構(gòu)的豎向位移計(jì)算值如圖10所示。由圖10可知：2種整治方案都能一定程度地抑制隧道底部隆起；工況1下隧道底部結(jié)構(gòu)的豎向位移計(jì)算值較整治前減少約50%，而工況2下僅較整治前減少約10%，說明鋼管樁結(jié)合中空錨桿方案對(duì)隧道底部隆起的抑制效果更佳。

圖10　2種工況下隧道底部結(jié)構(gòu)豎向位移的對(duì)比

可見，預(yù)應(yīng)力錨索(桿)錨固方案能一定程度地抑制隧道底部的隆起變形，但并不能顯著改善隧道底部結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，且未能改善下部圍巖條件和防止局部軟弱巖層進(jìn)一步劣化。因此，當(dāng)下部軟弱巖層范圍擴(kuò)大或破碎程度加劇時(shí)，隧道底部仍會(huì)持續(xù)隆起，僅隆起速率較整治前略低；現(xiàn)場(chǎng)高程監(jiān)控結(jié)果也表明，實(shí)施預(yù)應(yīng)力錨索加固方案后，隧道底部仍以較整治前略低的速率持續(xù)隆起，隆起趨勢(shì)并未抑止[6]。而實(shí)施鋼管樁結(jié)合中空錨桿注漿加固方案后，不僅隧道底部的隆起得到有效抑制，而且隧道底部結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)也明顯改善；同時(shí)，通過注漿可抑制隧道底部軟弱巖層的進(jìn)一步劣化，防止病害持續(xù)發(fā)展；顯然，鋼管樁結(jié)合中空錨桿方案更適用于該隧道底部結(jié)構(gòu)病害的處理。

5　結(jié)　論

(1)隧址區(qū)賦存的高地應(yīng)力、底部下伏緩傾互層巖體及仰拱下部存在軟弱巖層是引起該隧道底部結(jié)構(gòu)破損的主要原因。

(2)預(yù)應(yīng)力錨索(桿)加固方案能一定程度上抑制隧道底部的隆起，但不能有效改善隧道底部結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，當(dāng)隧道底部軟弱巖層范圍擴(kuò)大或破碎程度加劇時(shí)，隧道底部仍會(huì)以較整治前較小的速率持續(xù)隆起。因此，采用預(yù)應(yīng)力錨索(桿)方案并不能得到理想的整治效果。

(3)采用鋼管樁結(jié)合中空錨桿注漿加固方案，不僅能有效抑制隧道底部隆起，而且隧道底部結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)也明顯改善。同時(shí)，通過注漿可抑制隧道底部軟弱巖層的進(jìn)一步劣化，防止病害持續(xù)發(fā)展。顯然，鋼管樁結(jié)合中空錨桿注漿加固方案更適用于該隧道底部結(jié)構(gòu)病害的處理。

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