西南地區某隧道底鼓病害原因分析

王茂靖 吳俊猛

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

1 工程及病害概況

西南山區某隧道全長 7 858 m，除出口段17.81 m位于的曲線(半徑 8 000 m)外，其余均位于直線上。隧道范圍內線路坡度為 +4‰(4 646 m)、-4‰(3 212 m)的人子坡，于2009年6月竣工并投入使用[1]。

自2012年3月開始，工務部門發現隧道內 K 107～K 110段線路時常出現不同程度的晃車現象， 2012年9月18日測量發現 K 107+950～K 108+100(對應施工里程 DK 300+428～DK 300+578)、K 108+600～K 108+700(對應施工里程DK 301+078～DK 301+178)、K 109+250～K 109+350(對應施工里程 DK 301+728～DK 301+828)3段線路軌面較2012年2月精調后均有變化，其中變化較明顯的是 K 108+600～ K 108+630段，變化最大處軌面標高較精調后抬升了近17 mm，線間溝出現縱向裂縫，縫寬10 mm，整體道床表面有網狀裂縫，最大縫寬達3 mm。對變形速率快且累積變形量較大的 K 108+598～K 108+642段隧底采用錨索+錨桿加固處理后，底鼓變形得到一定抑制，但各段底鼓變形至今仍在持續發展。貫通平導與正洞平行，位于正洞南側30 m，有 30個橫通道與正洞相連，平導內存在更為嚴重的底鼓變形且間斷分布，無明顯的分布規律。隧道正洞及平導邊墻及拱頂未見明顯變形跡象。

2 隧道地質條件

隧道區屬低山地貌，穿越龍泉山脈，進口位于沱江峽谷西岸斜坡地帶，出口位于龍泉山西緣山麓，隧道最大埋深325 m。隧道穿越舒緩的龍泉山箱形復式背斜，無斷裂構造。洞身位于侏羅系上統蓬萊鎮組地層，巖性主要為泥巖、泥質砂巖夾粉砂巖、砂巖，局部夾脈狀石膏，砂巖相變較大，穿插于泥巖之中，常常尖滅。基巖裂隙水微弱，對混凝土具硫酸鹽中等腐蝕至強腐蝕性。巖層產狀大多較平緩，未見斷裂構造。

隧道穿越地層、構造相對簡單，主要工程地質問題為進出口邊坡砂泥巖易風化剝落，應加強防護。此外，隧道洞身下伏 3 000 m為三疊系須家河組煤系地層，存在沿構造裂隙瓦斯溢出風險，隧道為高瓦斯隧道。

全隧除進口段110 m、出口段112 m為Ⅳ、Ⅴ級圍巖外，其余 7 636 m均為Ⅲ級圍巖，占比97%。

3 隧道巖體內殘余構造應力

隧道底鼓病害發生后，為分析研究病害產生的原因，在平行導坑內進行了兩個點的地應力測試[2]。測試方法為較為成熟且可靠的應力解除法。

地應力1號測點位于平導洞與13號橫通道交匯處的平導洞右邊墻，測試深度為邊墻內4.0 m，地應力測試計算結果如表1所示。

表1 隧道1號測點地應力測試結果表[3]

地應力2號測點位于平導洞與10號橫通道交匯處的平導洞右邊墻，測試深度為邊墻內約6.5 m，地應力測試計算結果如表2所示。

表2 隧道2號測點地應力測試結果表

從表1、表2的測試結果可以看出：

(1)現場實測原巖地應力值較高，最大主應力值分別為16.7 MPa和14.3 MPa。實測最大主應力從絕對值量值上反映了隧道區測量段具有較高的地應力。

(2)最大主應力σ1方向分別為326°和341°，與平導軸線方向夾角約為49°和64°，基本呈大角度相交。

(3)最大主應力傾角為16°和14°，以近水平為主，但主應力與水平面一般都有一定夾角，主平面都是傾斜的。

地應力測試表明，龍泉山褶皺帶歷史時期遭受了較大的水平構造力作用，巖體中殘余構造應力較大。

4 地質補勘主要成果

隧道發生底鼓病害后，設計單位先后進行了兩次補勘[4]。第一次補勘時間為2013年5月，在隧道內發生病害的3個段落及段落間共布置8個斷面，每個斷面布3孔，分別位于兩線間中心溝和兩側線路與側溝間回填部位，共計布孔24孔，鉆探深度為3～20 m。同時采用地質雷達對病害段隧底掃描，確定仰拱厚度。第二次補勘時間為2018年1-5月，共鉆探12孔，補勘任務主要包括在正洞內3處底鼓病害段及2處用于對比分析的未變形段進行地質鉆探、孔內物探及孔內監測元器件埋設等。為調查隧底圍巖變形影響深度和地下水位變化情況，布置了5個圍巖變形監測孔和 6個地下水位監測孔，鉆孔均布置在隧道中心處。兩次補勘均鉆取了大量巖樣進行強度試驗、蠕變試驗及礦物成分分析。

(1)隧底巖性

鉆孔揭示情況顯示，補勘范圍隧底巖性主要以泥質粉砂巖為主，局部地段為粉砂質泥巖，多數鉆孔揭示巖芯較為完整，呈柱狀、短柱狀，巖層近于水平狀。巖芯取出數日后一般未見風干開裂現象，巖芯中局部夾石膏脈，石膏脈單層厚1～3 mm不等。

(2)隧底地下水發育情況

多數鉆孔初期孔內未見明顯地下水，但在一段時間后，基巖裂隙水逐漸滲透并在鉆孔內匯集。據觀測，地下水位穩定后，水位普遍位于隧道道床頂面以下0.1～1.0 m范圍，地下水不具承壓性。隧底地下水以基巖裂隙水形式存在，圍巖透水性及富水性較弱[5]。

(3)巖石強度

第一次補勘共取38組巖樣進行了強度試驗，結果發現：隧底基巖以泥質粉砂巖為主，局部地段為粉砂質泥巖。巖樣天然單軸抗壓強度5.07～47.30 MPa，標準值為16.65 MPa；烘干單軸抗壓強度13.6～59.6 MPa，標準值為29.75 MPa；飽和單軸抗壓強度3.51～31.23 MPa，標準值為5.27 MPa；軟化系數0.10～0.46。巖石飽和吸水率平均值為7.48%，自由膨脹率平均值為21.22%，膨脹力標準值為62.89 kPa，未達到膨脹巖的判定標準[6]。

取兩組巖樣進行了單軸壓縮蠕變試驗，試樣YDBZ-5-Y-9-1的長期強度為5.1 MPa，是常規壓縮試驗峰值強度(5.94 MPa)的85.86%；試樣YDBZ-2-Y-3-1的長期強度為6.4 MPa，為常規壓縮試驗峰值強度(7.01 MPa)的91.29%。試驗巖樣具有中-低蠕變性。

第二次補勘共取67組巖樣進行了物理力學試驗，結果發現：

①變形段落

巖樣天然單軸抗壓強度值6.40～55.10 MPa，標準值為15.40 MPa，飽和單軸抗壓強度值5.34～14.50 MPa，標準值為5.76 MPa；巖石飽和吸水率1.57～4.95%，平均值為3.49%，自由膨脹率3～28%，平均值為16.38%，膨脹力11.2～87.9 kPa，標準值為 33.18 kPa，未達到膨脹巖的判定標準。

②未變形段落

巖樣天然單軸抗壓強度值2.22～34.1 MPa，標準值為11.79 MPa，飽和單軸抗壓強度值6.16～12.35 MPa，標準值為4.37 MPa；自由膨脹率17～30%，平均值為26.29%，膨脹力12.7～76.6 kPa，標準值為17.59 kPa，未達到膨脹巖的判定標準。

(4)巖石礦物成分分析

X射線粉晶衍射試驗發現，變形段與未變形段處巖石的礦物成分組合基本相同，主要物質為石英、伊利石和綠泥石。每種礦物成分含量存在細微差異，變形段石英含量相對較高，未變形段伊利石(伊利石是形成其他粘土礦物的中間過渡性礦物)含量較高。

(5)隧底軟化層

鉆探揭示基底以下有明顯軟化層的鉆孔主要有以下幾處：YDBZ-15(K 108+665右4.1 m)鉆孔2.0～2.4 m段為厚約0.4 m的軟化層，YDBZ-17(K 108+975中心)鉆孔2.05～2.12 m段為厚約7 cm的軟化化層，YDBZ-20(K 109+285中心)鉆孔0.9～1.3 m段為厚約0.4 m的軟化層，YDBZ-21(K 109+285右4.1 m)鉆孔隧底(孔深1.3 m)處見木塊，其余鉆探揭示的仰拱底部基巖軟化層較薄或不明顯。由此可見，地下水對隧底基巖軟化作用不明顯。

(6)仰拱混凝土強度及結構

病害段圍巖級別為Ⅲ級和Ⅳ級，隧底仰拱為素混凝土。補勘共取隧底仰拱混凝土樣36組，鉆探未發現隧底仰拱混凝土與回填層混凝土有明顯的分層界線。巖芯多呈柱狀，總體上芯樣表面較光滑，骨料分布較均勻，混凝土較密實，氣孔分布較均勻。

隧底結構上部混凝土抗壓強度值為17.6～34.5 MPa，平均值為25.21 MPa；下部混凝土抗壓強度值為17.9～34.5 MPa, 平均值為25.62 MPa。可見，隧道底部混凝土結構強度值總體上滿足設計要求。

根據物探資料，K 109+250～K 109+350段左側道床面以下混凝土厚1.70～2.14 m，右側道床面以下混凝土厚1.30～1.70 m。鉆探揭示左側道床面以下混凝土厚1.70 m、1.99 m，右側道床面以下混凝土厚1.30 m、1.50 m，中間仰拱及回填層混凝土厚0.90 m、1.30 m。根據鉆探資料，該段混凝土厚度較薄，且僅YDBZ-19、YDBZ-20、YDBZ-22共3個鉆孔混凝土底部見塑料防水板。

此外，鉆孔揭示，隧底仰拱結構斷面大部分形態較平直，部分斷面甚至出現反向形態且混凝土厚度不足，隧底實際斷面與設計拱形結構的形態差異明顯。

(7)孔內監測

第二次補勘共設置6個水位觀測鉆孔和5個隧底圍巖變形監測鉆孔，均通過在鉆孔內埋設特制監測元器件進行數據采集分析。

①地下水位監測

地下水位在孔口以下0.5～2.7 m范圍內，與上次勘查結果基本一致。近兩個多月的觀察顯示，水位累計變化量在2～10 mm之間，水位波動較小；水位高程變化不大，即便是在6-7月強降雨時節，鉆孔中地下水位高程也基本沒有變化。隧道地下水位累計變化時態曲線和高程累計變化時態曲線如圖1、圖2所示。

圖1 隧道地下水位累計變化時態曲線圖

圖2 隧道地下水位高程累計變化時態曲線圖

②變形監測

在5個鉆孔不同深度埋設多點位移計進行分層數據監測，5個點位觀測時長為80 d，孔內位移累計變形時態曲線如圖3所示。

圖3 鉆孔孔內位移累計變形時態曲線圖

針對5個孔內不同深度的位移觀測數據，分析如下：

DK 106+852(YBZ-YD-04孔)圍巖上拱變形主要集中在孔口以下10 m范圍內，10～16 m范圍內巖層相對上拱量有一定變化，但增量相對較小。截至目前，孔口相對上拱變形量累計0.85 mm。

DK 107+652(YBZ-YD-06孔)圍巖上拱變形主要集中在孔口以下12 m范圍內，截至目前，孔口相對上拱變形量累計0.30 mm。

DK 108+016(YBZ-YD-08孔)圍巖上拱變形主要集中在孔口以下10 m范圍內，10～36 m范圍內巖層相對上拱量有一定變化，但增量相對較小，已呈現一定的規律性。截至目前，孔口相對上拱變形量累計0.74 mm。

DK 108+645(YBZ-YD-09孔)圍巖上拱變形主要集中在孔口以下10 m范圍內，截至目前，孔口相對上拱變形量累計0.44 mm。

DK 109+266(YBZ-YD-12孔)圍巖上拱變形主要集中在孔口以下14 m范圍內，14～26 m范圍內巖層相對上拱量有一定變化，但增量相對較小。截至目前，孔口相對上拱變形量累計0.54 mm。

根據目前的監測數據，隧底圍巖隆起變形量隨時間推移而增長，變形處于持續發展中，尚未見收斂趨勢。由于目前監測周期較短，變形量值小，且部分段落監測數據波動相對較大，離散性大，數據未呈規律變化，因此，無法準確分析隧底圍巖變形規律，需繼續進行長期監測和數據采集。

5 隧底底鼓病害原因分析

隧道底鼓病害通常都是因隧底結構不足以抵抗隧道開挖后引起的圍巖變形導致的。一般來說，主要原因有施工質量缺陷(仰拱厚度不足、曲率不夠)、圍巖具有膨脹性、二次應力調整引起圍巖持續變形等。結合本隧道底鼓病害補勘成果，病害原因分析如下：

5.1 巖石膨脹性

兩次地質補勘成果資料顯示，病害段巖性主要為泥質粉砂巖、泥巖，屬于典型四川紅層，巖石飽和吸水率平均值7.48%，自由膨脹率平均值21.22%，膨脹力標準值62.89 kPa，不屬于膨脹巖。根據筆者多年在四川地區從事勘察設計工作的經驗，四川紅層不屬于膨脹巖，僅局部泥巖具有微弱的膨脹性。因此，分析認為本隧道底鼓病害不是由巖石膨脹引起的。

5.2 地應力引起圍巖變形

自然界巖體天然存在地應力，經地應力測試，龍泉山背斜褶皺帶巖體中殘余構造應力普遍較大，最大水平主應力值14～16 MPa，隧道洞身巖體處于中等地應力環境。隧道開挖引起地應力局部集中及釋放，洞室周邊應力一般會放大，產生最大壓應力、最大拉應力集中現象，若圍巖強度較低，則會立刻產生塑性變形，即通常說的軟巖變形[7]。

大量工程實踐證明，地下工程圍巖的變形破壞通常是累進性發展的，由于圍巖內應力分布的不均勻性及巖體結構、強度的不均勻性和各向異性，那些地應力集中程度高，而巖體強度相對較低的部位往往是累進性變形破壞的突破口。在大范圍圍巖整體穩定性較好的情況下，這些應力—強度關系中的薄弱部位就會發生變形甚至破壞。尤其是軟弱圍巖，其在地應力作用下的變形具有蠕變特點，即軟巖體內應變能釋放相對硬質巖緩慢，存在滯后效應。

根據巖樣試驗資料，隧底泥質粉砂巖、砂質泥巖天然飽和單軸抗壓強度可達16.65 MPa, 強度應力比Rc/σmax約為1～1.16, 巖石強度應力比Rc/σmax均小于4。根據GB/T 50218-2014《工程巖體分級標準》[8],軟質巖開挖后洞壁發生顯著位移，隧道存在底鼓隆起變形特征。但本隧道開挖中，圍巖強度相對較高，無地下水，整體穩定性較好，施工中并未發生較大的形變，初期支護實施后，圍巖穩定，拱頂、邊墻也未見明顯位移。

但隨著時間的推移，軟質圍巖受局部基巖裂隙水浸潤軟化，巖體強度進一步降低[9]，加之圍巖傾向近于水平，在殘余水平構造應力作用下，出現隧底水平層狀巖層向臨空面緩慢底鼓的蠕變變形，素混凝土仰拱結構不足以抵抗軟巖變形，于是出現無砟道床板的底鼓隆起，底鼓病害呈現出分段、局部的特征。

5.3 隧底仰拱施工質量

根據補充地質鉆探成果，隧底仰拱混凝土強度、厚度大部分滿足設計要求，但仰拱曲率卻普遍與設計不吻合，結構斷面大部分形態較平直，這導致隧底仰拱不能很好地承受地應力致使的軟巖形變應力，因而出現底鼓病害。因此，隧底仰拱曲率平直也是本隧道底鼓病害產生的原因之一。

6 結術語

本文結合隧道所處的區域地質環境、地質補充勘察成果資料，深入分析了隧道底鼓病害產生的主要原因，得出以下主要結論：

(1)隧底軟質巖具有一定的蠕變特征，蠕變發生導致巖石強度下降，并在較高地應力作用下持續發生變形，而平直曲率的素混凝土仰拱結構不足以抵抗巖石的形變力。這是本隧道產生底鼓病害的原因所在[10]。

(2)隧道設計應高度重視對區域地應力背景值、巖石強度及其影響因素的研究。本隧道穿越的龍泉山背斜構造是川東典型的北東向新華夏褶皺帶，巖體中殘余構造應力較大。而紅層砂泥巖強度較低，且具有顯著的蠕變效應，蠕變后強度持續下降，在地應力作用下持續變形。因此，研究巖石強度-應力比及軟巖的蠕變效應非常必要，同時圍巖級別劃分應考慮地應力折減及圍巖強度。

(3)隧道開挖后，應力集中及釋放必然引起圍巖形變，采用適宜的隧底仰拱結構能抵抗圍巖的巖體形變。因此，仰拱強度、曲率是設計中必須重點研究的參數。