軟弱膨脹圍巖段隧道仰拱開裂成因分析及處治措施

李 勝 利

(中鐵十四局集團第三工程有限公司，山東 濟南 250000)

1 工程概況

國家高速公路網昆明繞城高速公路東南段楊林隧道位于昆明市嵩明縣、宜良縣境內。起點位于嵩明縣楊林鎮甸頭村，終點位于宜良縣北羊街，楊林隧道左線樁號為ZK13+250～ZK22+712全長9 462 m；右線樁號K13+270～K22+680全長9 410 m，為雙線分離式六車道隧道，進口至出口方向一直為下坡施工，坡度為-1.98%。該隧道是云南省目前施工里程最長的公路隧道，也是國內在建最長的三車道公路隧道。隧道區基本地震烈度為9度，隧道建設需克服巖溶地層、斷層破碎富水帶、瓦斯地層、軟弱破碎、膨脹性圍巖等不良地質，極易發生不良地質災害，為全線的重難點工程和控制性工程。

2 地質情況概述

楊林隧道進口右線K14+700～K14+800段施工揭示，圍巖主要以強～全風化頁巖、碳泥質灰巖、粉砂巖夾頁巖為主，同時有泥質白云巖，泥質砂巖、局部夾砂巖層等。灰色～灰黑色、灰白色巖層相互交錯，從線路左側向右上方傾斜，傾角較小，單巖層厚度總體較薄，分布不均，且節理發育，破碎呈鑲嵌層狀碎裂結構。頁巖和泥灰巖層呈薄片狀、層間光滑，暴露后自行松散脫落、遇水軟化呈泥狀，且巖層沿隧道縱向變化較快，有的巖層扭曲呈現褶皺形式，手捏即碎，部分手捏成團，可塑性強。經第三方試驗檢測，巖體自由膨脹率為45%～68%，見圖1。

3 仰拱填充開裂情況

楊林隧道進口右線K14+700～K14+800段設計襯砌類型SF5a1，仰拱為鋼筋混凝土，仰拱初期支護均采用與邊頂拱成環的工字鋼，施工中仰拱整體澆筑。仰拱施工典型設計參數如圖2所示。

從現場仰拱裂縫分析，具有以下特性：

1)仰拱裂縫位置多數分布在仰拱中間偏左或右側1 m，以及仰拱1/3位置，形狀不規則，裂縫寬度大小不一，基本處于0.5 cm～2 cm之間。

2)仰拱裂縫出現的情況有仰拱澆筑后幾天開裂，也有部分為二襯施工后開裂。

3)K14+700～K14+800段縱向范圍共有三條裂縫，三條裂縫中間有一定距離的間隔。裂縫上寬下窄，從上到下明顯減小，最長一條縱向裂縫為11 m。

4)裂縫均位于圍巖軟弱破碎、膨脹性圍巖段落。

5)通過監控量測得出，部分裂縫趨于穩定，但部分裂縫有持續發展趨勢。

4 裂縫原因分析

根據設計資料及地質調查，施工及監控量測情況進行分析，仰拱出現裂縫的原因主要有以下幾點：

1)圍巖應力。

裂縫位于Ⅴ級圍巖段，在山體應力及重力作用下導致兩側邊墻、拱腳混凝土向洞軸線擠壓，造成仰拱混凝土向上擠壓變形開裂。

2)地下水作用。

出現裂縫段圍巖裂隙水發育，由于反坡施工，仰拱內積水不能全部排出，積水存在仰拱底部，導致碳泥質灰巖、粉砂巖、頁巖等軟化、泥化。嚴重削弱仰拱地基承載力，隧道整體結構下沉，致使長段落的仰拱變形開裂。

3)仰拱底部虛渣。

仰拱底部的虛渣清理不徹底，造成仰拱底部地基承載力下降。

4)設計問題。

隧道跨度大，邊墻拱腳鋼拱架形成圓弧效果差，不能有效將圍巖壓力傳遞到仰拱底部。同時仰拱整體偏于平緩，中間仰拱底部設計開挖深度不足。通過仰拱下圍巖取芯情況看，底部圍巖軟硬不均且交錯出現，泥巖和頁巖層泥化嚴重，取芯呈泥漿狀，手搓有較大粘性。

5 裂縫處治措施

在仰拱裂縫段橫向布設5個監控量測點，分別為中間一個點、左、右1/3以及水溝內邊緣位置各兩個點。通過監控量測數據，根據裂縫寬度、是否穩定制定不同的處治措施。

5.1 較小且穩定裂縫

由于裂縫穩定，沒有持續發展且裂縫寬度較小的，清理干凈后進行灌漿處理，不做其他措施處理。

5.2 不穩定持續發展裂縫

對于不穩定裂縫，無論縫寬大小均進行如下處治：

1)沿仰拱橫斷面打設5根φ76注漿鋼管，橫向間距2 m/根，深度4.5 m/根，隧道縱向每排鋼管間距5 m。

2)采用低速低壓注漿，漿液采用P.O42.5純水泥漿，漿液水灰比為0.6∶1，注漿壓力為0.1 MPa～0.2 MPa。

3)混凝土面層澆筑時調整為鋼筋混凝土面板，鋼筋采用縱、橫向間距為25 cm的φ16鋼筋網。

針對以上情況，為避免仰拱裂縫向上返水影響路面質量，在仰拱開裂段設置路面排水碎石盲溝，盲溝緊貼仰拱填充面設置，縱橫向坡度與隧道縱橫坡度一致，見圖3。

碎石由巖石或礫石軋制而成，應潔凈、干燥，并具有足夠的強度和耐磨性，其顆粒形狀應具有棱角，不得摻有軟質和其他雜質，粒徑宜為19 mm～63 mm，含泥量應小于10%。

6 仰拱施工改進措施

針對圍巖軟弱膨脹段仰拱開裂施工情況，在仰拱施工中可采取以下措施，保證施工質量。

1)邊墻底部拱腳改為斜邊墻，并調整為條形擴大基礎，增強圍巖壓力傳遞的有效性。

2)增大仰拱弧度，中間開挖深度加大，確保基底承載力滿足要求。

3)在反坡施工中，嚴禁水溝內的水流入仰拱，防止仰拱底部有積水。

4)仰拱澆筑之前必須將底部虛渣清理干凈，避免影響基底承載力。

5)嚴格控制仰拱及仰拱填充施工質量，振搗密實，仰拱與仰拱填充應錯臺澆筑。

7 結語

楊林隧道圍巖軟弱膨脹段仰拱開裂處治施工效果十分理想，根據現場施工情況，得到一些認識，以供參考。

1)楊林隧道為大跨度三車道公路隧道，巖體破碎軟弱，圍巖具有膨脹性，圍巖壓力大。

2)圍巖垂直應力大、持續時間長，應力無法有效傳遞到仰拱底部。

3)通過開裂段處治，對仰拱及仰拱填充施工有了充分認識，并可通過邊墻底部調整為條形擴大基礎、增加仰拱弧度及控制施工質量等措施有效控制仰拱開裂。