蘭渝鐵路梅嶺關(guān)隧道底鼓段病害成因分析

王崇艮 王茂靖 趙 文 吉安娜 劉亞雄

(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031;2.西南交通大學(xué)， 成都 610031)

蘭渝鐵路梅嶺關(guān)隧道2009年開(kāi)工建設(shè)，2015年建成通車(chē)。2016年3月，鐵路工務(wù)部門(mén)對(duì)隧道軌道精調(diào)時(shí)，發(fā)現(xiàn)DK 610+612～DK 610+712段軌道異常超高，發(fā)生了隧底底鼓病害，且隧底底鼓持續(xù)發(fā)展。設(shè)計(jì)單位于2018年對(duì)底鼓段進(jìn)行了地質(zhì)補(bǔ)勘，并采取了隧道補(bǔ)強(qiáng)措施。結(jié)合隧道所處的區(qū)域地質(zhì)環(huán)境和地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，對(duì)比施工圖階段與補(bǔ)勘階段的巖石試驗(yàn)強(qiáng)度成果，采用擠壓型因子判斷公式(Jethwa et al.1984)對(duì)比計(jì)算[1]，分析了隧道底鼓病害產(chǎn)生的主要原因。

1 隧道病害概況

1.1 工程概況

蘭渝鐵路梅嶺關(guān)隧道(施工里程DK 607 +329～DK 615+600)位于四川盆地北東部的廣元市元壩區(qū)石井鋪鄉(xiāng)，軸線(xiàn)走向N10°W，全長(zhǎng) 8 215 m，最大埋深約410 m(位于DK 609+003附近)。隧道為雙線(xiàn)無(wú)砟隧道，設(shè)計(jì)速度200 km/h，縱坡為5‰、3‰的人字坡，滿(mǎn)足開(kāi)行雙層集裝箱要求，仰拱矢跨比約為1∶10.7。

1.2 病害概況

隧道施工開(kāi)挖過(guò)程中，DK 610+550～DK 610+993段出現(xiàn)拱頂初期支護(hù)縱向開(kāi)裂、拱頂下沉及噴混凝土掉塊現(xiàn)象，具體情況如表1所示。

表1 隧道施工中部分段落初支變形開(kāi)裂情況表

施工階段對(duì)邊墻、拱頂加強(qiáng)了初支措施，但仰拱仍采用素混凝土填筑。

開(kāi)通運(yùn)營(yíng)前，工務(wù)部門(mén)發(fā)現(xiàn)動(dòng)車(chē)通過(guò)DK 610+612～DK 610+712上行線(xiàn)時(shí)存在晃車(chē)現(xiàn)象，線(xiàn)路測(cè)量后軌道異常超高，該段限速80 km/h運(yùn)行。同時(shí)設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)對(duì)軌道進(jìn)行監(jiān)控測(cè)量。左線(xiàn)軌道板測(cè)量結(jié)果如圖1所示。從圖1可以看出，從2017年6月-2020年3月，DK 610+637斷面左側(cè)軌道累計(jì)變形22.5 mm。

圖1 歷次測(cè)量結(jié)果圖

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，左線(xiàn)(上行線(xiàn))DK 610+589.5～DK 610+652段靠邊墻側(cè)軌道板與仰拱填充面存在離縫，離縫寬度約1～26 mm，最嚴(yán)重點(diǎn)位于DK 610+632處，寬26 mm，深27 cm。此位置裂縫在2016年4月線(xiàn)路開(kāi)通前就存在，當(dāng)時(shí)裂縫寬6 mm，深18 cm。DK 610+637處存在一條環(huán)向貫通裂紋，貫通了側(cè)溝和中心溝。

對(duì)于該段病害，2019年3月完成了仰拱地基鉆孔灌注樁(長(zhǎng)10 m、樁徑300 mm)錨固、中心溝埋管后回填、施作泄水孔引排地下水的綜合整治措施。至2020年4月，該段底鼓病害整治后，上行線(xiàn)高程隆起約2 mm，平面位移1.3 mm。

2 隧道區(qū)域工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

隧道位于構(gòu)造侵蝕中低山區(qū)，單面山迭嶺地貌，地面高程500～1 000 m，相對(duì)高差300～400 m，自然坡度35°～50°，地形起伏大。進(jìn)口段縱向河谷深切，溝壁地形陡峻，地面坡度30°～50°。進(jìn)口位于下王家壩河溝陡崖下，基巖裸露，地勢(shì)陡峻。洞身穿越多條順巖層走向切割的單面山山梁，構(gòu)造坡平緩，地面橫坡10°～20°，多村落及耕地，侵蝕坡陡峻，地面橫坡達(dá)30°～50°，局部為陡崖，地表多為柏樹(shù)林及灌木荊藤。地面標(biāo)高560～990 m，相對(duì)高差約430 m。出口位于大溝河與尹家河交匯下游約50 m處，地勢(shì)較陡。

2.2 地層巖性

2.3 地質(zhì)構(gòu)造與地震動(dòng)參數(shù)

隧址區(qū)位于龍門(mén)山印支褶皺帶東部、四川中坳陷燕山褶皺帶中之川北凹陷東部，侏羅系、白堊系地層廣泛分布，形成緩而開(kāi)闊的背、向斜或孤立的鼻狀彎曲穹隆構(gòu)造，以水平巖層及寬緩褶曲構(gòu)造為主，主要構(gòu)造線(xiàn)走向均以東西向?yàn)橹鳎薨櫠酁閷捑忨薨櫋Ｋ淼辣睘殇鼪腙P(guān)鼻狀構(gòu)造，其南為舒展開(kāi)闊的向場(chǎng)向斜，隧道洞身為單斜構(gòu)造，傾角3°～15°，NEE-SWW向展布，無(wú)斷層構(gòu)造，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單。巖體中主要發(fā)育兩組構(gòu)造節(jié)理，一組走向NW,一組走向NE，傾角陡傾。

根據(jù)2008年12月中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所《蘭渝鐵路重點(diǎn)工程場(chǎng)地安全性評(píng)價(jià)和沿線(xiàn)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃》，測(cè)區(qū)地震動(dòng)峰值加速度0.10 g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.40 s。

2.4 水文地質(zhì)條件

隧址區(qū)地下水主要存在兩種類(lèi)型，即第四系松散堆積層孔隙水和基巖裂隙水。第四系孔隙水賦存于坡殘積、坡崩積層中，因區(qū)內(nèi)土層厚度不大，降水多沿坡面匯集于沖溝排泄，補(bǔ)給水量有限，含水量甚微，主要分布于出口表層覆蓋土中。隧道洞身主要為基巖裂隙水，賦存于基巖裂隙中，其中泥巖屬相對(duì)隔水層，裂隙水較貧乏，多發(fā)育于淺層風(fēng)化裂隙中。砂巖構(gòu)造裂隙較發(fā)育，地下水相對(duì)較豐富，主要接受地表水及壤中水下滲補(bǔ)給。本段隧道洞身為泥巖、泥質(zhì)砂巖，局部夾砂巖，地下水一般沿砂巖、泥巖接觸面滲流，地下水相對(duì)泥巖較發(fā)育，鉆孔勘探取樣揭示賦存于砂巖中的地下水存在承壓性，無(wú)侵蝕性。計(jì)算隧道平常涌水量為 2 900 m3/d，雨季最大涌水量為 8 600 m3/d。

3 隧道地應(yīng)力測(cè)試及巖石工程特性

3.1 地應(yīng)力測(cè)試

梅嶺關(guān)隧道最大埋深約410 m，對(duì)隧道洞身埋深最大處的DZ-MLG-1鉆孔進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)試，根據(jù)《蘭渝線(xiàn)鐵路地應(yīng)力測(cè)量分析報(bào)告》，該孔深度在394.50～395.30范圍內(nèi)，實(shí)測(cè)應(yīng)力結(jié)果為SH=15.23 MPa，Sh=9.87 MPa，Sv=10.26 MPa，不存在發(fā)生巖爆的可能。最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹25°W～N33°W，與隧道軸線(xiàn)方向(隧道軸線(xiàn)N10°W)夾角較小，最大水平主應(yīng)力方向有利于圍巖的穩(wěn)定性。

最大主應(yīng)力隨深度的線(xiàn)性回歸方程為：

SH=-5.77+0.053D

(1)

最小主應(yīng)力隨深度的線(xiàn)性回歸方程為：

Sh=-3.59+0.035D

(2)

式中：D——鉆孔深度。

最大主應(yīng)力線(xiàn)性回歸方程相關(guān)系數(shù)取0.97，最小主應(yīng)力線(xiàn)性回歸方程相關(guān)系數(shù)取0.984。隧道底鼓段埋深260～280 m，根據(jù)上述回歸方程，最大主應(yīng)力為8.01～9.10 MPa,最小主應(yīng)力為5.51～6.21 MPa，最大主應(yīng)力與洞軸線(xiàn)夾角為20°。

3.2 巖石強(qiáng)度試驗(yàn)

勘察階段，通過(guò)深孔鉆探在隧道洞身取巖樣47組，主要試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 勘察階段隧道圍巖巖石強(qiáng)度表

補(bǔ)勘中采取巖石樣本20組，并對(duì)11組巖樣進(jìn)行了巖石強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。

表3 補(bǔ)勘階段隧道圍巖巖石強(qiáng)度表

由表2、表3的巖石天然抗壓強(qiáng)度及天然含水量可知，隧道開(kāi)通后，隧底巖石天然含水率大幅增加，巖石單軸天然抗壓強(qiáng)度大幅降低。巖石天然含水率與抗壓強(qiáng)度關(guān)系如圖2所示。

圖2 抗壓強(qiáng)度與含水率的關(guān)系圖

3.3 巖石膨脹特性

選取14組巖樣進(jìn)行了膨脹巖試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果僅1組巖樣自由膨脹率為31%，飽和吸水率為16.72%，達(dá)到膨脹巖指標(biāo)，其余均達(dá)不到膨脹巖指標(biāo)，其中最大膨脹力僅為48.9 kPa。因此，可判定紅層泥巖不屬于膨脹巖[2]，不會(huì)引起隧道底鼓。

3.4 襯砌混凝土強(qiáng)度

選取6組仰拱混凝土試樣進(jìn)行巖芯強(qiáng)度試驗(yàn)，測(cè)得混凝土強(qiáng)度最大值為38.3 MPa，最小值為28.9 MPa，平均值為32.68 MPa；選取11組仰拱填充層混凝土試樣進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，測(cè)得混凝土強(qiáng)度最大值為34 MPa，最小值為26 MPa，平均值為28.58 MPa。從隧道仰拱和填充層混凝土強(qiáng)度來(lái)看，施工已達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。

4 病害成因分析

根據(jù)隧道底鼓病害段的地質(zhì)勘察結(jié)果，隧底圍巖為四川紅層泥巖和泥質(zhì)砂巖。巖樣膨脹性指標(biāo)顯示，底部圍巖不屬于膨脹巖類(lèi)，巖石膨脹力極小。因此，隧底圍巖變形不是巖石膨脹性引起的，也與混凝土強(qiáng)度無(wú)關(guān)，而是在殘余構(gòu)造應(yīng)力作用下，巖石強(qiáng)度變化引起圍巖擠壓變形緩慢發(fā)生的[3-5]。

4.1 紅層泥巖蠕變特性

在病害段取2組紅層泥巖試樣做壓縮流變?cè)囼?yàn)(如圖3所示)，巖石單軸抗壓強(qiáng)度平均值約為8.4 MPa。將巖石制成直徑50 mm，高度50 mm的試樣，制樣時(shí)盡量確保試件的含水率接近天然狀態(tài)。試驗(yàn)進(jìn)行580～760 h后，結(jié)果如圖4所示。

圖3 紅層泥巖蠕變?cè)囼?yàn)圖

圖4 紅層泥巖壓縮蠕變特征圖

從圖4可以看出，紅層泥巖長(zhǎng)期強(qiáng)度約為3.0～3.6 MPa，約為峰值強(qiáng)度的35.6%～42.8%，巖石破壞時(shí)的軸向應(yīng)變約12.2%～16.3%。這說(shuō)明紅層泥巖在長(zhǎng)期較大壓應(yīng)力的作用下，將產(chǎn)生較大的蠕變變形并趨于破壞。

4）訂制協(xié)議書(shū)、協(xié)議書(shū)附圖。按照制定好的模板編制協(xié)議書(shū)、協(xié)議書(shū)附圖，并錄入相關(guān)成果表。成果表包括界樁登記表、界樁成果表、界址點(diǎn)成果表和三交點(diǎn)成果表等。

4.2 高應(yīng)力環(huán)境下水平層狀結(jié)構(gòu)巖體破壞模式

采用離散單元法對(duì)水平層狀巖結(jié)構(gòu)巖體破壞模式進(jìn)行分析。為簡(jiǎn)化計(jì)算，模型尺寸為高150 m，寬120 m，隧道尺寸由蘭渝鐵路單線(xiàn)單洞洞型簡(jiǎn)化而成。模型上、左、右邊界均采用應(yīng)力邊界，施加的應(yīng)力與實(shí)測(cè)應(yīng)力對(duì)應(yīng)，底邊界固定。計(jì)算隧道開(kāi)挖前初始應(yīng)力后，再進(jìn)行隧道開(kāi)挖分析。水平層狀結(jié)構(gòu)隧道巖體破壞模式如圖5所示。對(duì)于水平層狀結(jié)構(gòu)巖體，在隧道開(kāi)挖擾動(dòng)應(yīng)力作用下，拱頂巖體產(chǎn)生折斷塌陷，仰拱巖體也產(chǎn)生回彈變形，同時(shí)產(chǎn)生部分巖體的折斷，但不如拱頂嚴(yán)重。水平層狀結(jié)構(gòu)巖體變形以拱頂和拱底的豎向變形為主。

圖5 水平層狀結(jié)構(gòu)巖體破壞模式圖

4.3 底鼓機(jī)理分析

(1)底鼓段最大水平構(gòu)造應(yīng)力

病害段最大水平主應(yīng)力為8.01～9.01 MPa，最小水平主應(yīng)力為5.51～6.21 MPa，垂直應(yīng)力最大水平應(yīng)力與隧道洞軸線(xiàn)交角20°，因此，垂直洞軸線(xiàn)的最大地應(yīng)力為：

σmax=SHsin2φ+Shcos2φ

(3)

計(jì)算結(jié)果顯示，隧道洞軸線(xiàn)最大構(gòu)造主應(yīng)力為5.81～6.53 MPa，垂直應(yīng)力為6.76～7.28 MPa；水平垂直應(yīng)力比σH/σv=1.12～1.16。

(2)地應(yīng)力等級(jí)判斷

根據(jù)巖樣試驗(yàn)資料，隧底大部分為紅層泥巖，勘察階段47組巖石天然抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值取30.76 MPa， 強(qiáng)度應(yīng)力比Rc/σmax約為5.29～4.71,巖石強(qiáng)度應(yīng)力比4

紅層泥巖地區(qū)隧道產(chǎn)生變形的原因在于隧道周邊一定范圍內(nèi)的圍巖產(chǎn)生了較大塑性變形。采用擠壓性判斷因子Nc判斷其擠壓等級(jí)[7]：

(4)

其中，σcm=

式中：σcm——巖體單軸抗壓強(qiáng)度；

P0——最大初始地應(yīng)力；

δci——巖塊強(qiáng)度；

mi——Hoek-Brown常數(shù)；

GSI——地質(zhì)強(qiáng)度指數(shù)。

圍巖擠壓性分級(jí)如表4、表5所示。

表4 圍巖擠壓性分級(jí)表(據(jù)Jethwa et al，1984)

表5 圍巖擠壓性分級(jí)表(據(jù)Hoek，2000)

定測(cè)階段鉆探及井中測(cè)試顯示，本段圍巖完整性較好，巖體強(qiáng)度較高，綜合判示為Ⅲ級(jí)圍巖。取巖塊強(qiáng)度σci=30.7 MPa，P0=9.0 MPa,mi=8，GSI=75，則Nc=1.17，屬輕度擠壓圍巖，其變形潛勢(shì)為Ⅰ級(jí)，變形量接近0。根據(jù)補(bǔ)勘取樣試驗(yàn)結(jié)果，病害段取巖塊強(qiáng)度σci=8.4 MPa，P0=9.0 MPa,mi=8，GSI=60，計(jì)算得Nc=0.18，屬高度擠壓圍巖，其變形潛勢(shì)為Ⅲ級(jí)，變形嚴(yán)重。

隧道大部分段落，巖體較為完整，圍巖為弱-微風(fēng)化，地下水不發(fā)育，巖體強(qiáng)度較高。勘察階段判示為輕度擠壓圍巖，變形潛勢(shì)為Ⅰ級(jí)，實(shí)際揭示情況亦未發(fā)生變形。底鼓病害段圍巖節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體完整性較差，圍巖多為弱風(fēng)化，因地下水浸潤(rùn)，相較勘察階段，巖石天然含水率明顯增加，天然抗壓強(qiáng)度明顯降低。判示為高度擠壓圍巖，變形潛勢(shì)為Ⅲ級(jí)，變形嚴(yán)重，隧底實(shí)際情況與判示一致。

(4)綜合分析

隧道地處單斜構(gòu)造，隧道與巖層走向近正交，底鼓段巖層傾角10°左右，近于水平產(chǎn)出。隧址區(qū)水平地應(yīng)力大于垂直應(yīng)力，顯示存在較大水平向構(gòu)造應(yīng)力。病害段圍巖整體較破碎，加之圍巖抗壓強(qiáng)度低，且泥巖與砂巖接觸帶存在一定基巖裂隙水，地下水作用使得隧底圍巖進(jìn)一步軟化，表現(xiàn)出強(qiáng)度逐漸降低的時(shí)效性。隧底圍巖處于高初始地應(yīng)力區(qū)，在構(gòu)造水平地應(yīng)力作用下，低強(qiáng)度的泥巖存在緩慢蠕變，加之隧底仰拱矢跨比較大，且為素混凝土結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度不足以抵抗圍巖蠕變形變，進(jìn)而發(fā)生向臨空面彎曲的底鼓變形。最終隧底圍巖底鼓變形引發(fā)其上無(wú)砟軌道變形，且具有放大作用。

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)蘭渝鐵路梅嶺關(guān)隧道底鼓段病害成因的分析，得出以下主要結(jié)論：

(1)隧道底鼓病害是因?yàn)樗淼辣旧硖幱诟邞?yīng)力近水平層狀軟質(zhì)巖層中，構(gòu)造應(yīng)力長(zhǎng)期對(duì)圍巖產(chǎn)生擠壓作用。施工引起圍巖松弛，地下水環(huán)境發(fā)生改變，在殘余構(gòu)造應(yīng)力作用下，圍巖強(qiáng)度降低，軟質(zhì)巖發(fā)生蠕變。較大矢跨比的隧底素混凝土仰拱結(jié)構(gòu)不足以抵抗巖石形變，從而產(chǎn)生底鼓病害。

(2)隧道勘察設(shè)計(jì)應(yīng)高度重視殘余構(gòu)造地應(yīng)力、現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力及自重應(yīng)力背景值、巖石強(qiáng)度及其影響因素，特別是軟質(zhì)圍巖在恒定應(yīng)力作用下的流變特性、時(shí)效特性及持續(xù)變形特性。研究隧道初始地應(yīng)力背景下的巖石強(qiáng)度應(yīng)力比十分必要。

(3)由于巖體及構(gòu)造的不均一性和差異性，圍巖變形存在局部、耦合現(xiàn)象，目前的地質(zhì)勘察手段難以精準(zhǔn)定位圍巖擠壓變形區(qū)段。因此，普遍采用較強(qiáng)的隧底仰拱結(jié)構(gòu)(足夠強(qiáng)的曲率仰拱)抵抗局部圍巖形變的設(shè)計(jì)思想是適宜的、正確的。同時(shí)，勘察階段應(yīng)增加洞身地應(yīng)力、巖塊強(qiáng)度等測(cè)試工作，施工過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)地質(zhì)素描工作，并根據(jù)揭示圍巖情況及時(shí)調(diào)整襯砌措施。