滬昆客運專線崗烏隧道K 1953+600～K 1953+710段病害原因分析

索 朗 張廣澤

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

滬昆客運專線崗烏深埋特長隧道在貴州省安順市境內，隧道全長 13 174.0 m。隧道進口處于崗烏鎮彎腰樹一帶，路肩設計標高 1 177.8 m。出口位于光照電站下游約1 km處，設計路肩標高為868.9 m，全隧為一單面隧道。隧道設置4個橫通道，其中一號橫洞與正線相交點距離隧道進口 3 572 m，橫洞與大里程的夾角為70°，全長 1 595 m[1-2]。

隧道于2016年12月建成通車。2017年1月5日，隧道K 1953+600～K 1953+710段隧底發生開裂變形，開裂嚴重段主要集中在K 1953+622～K 1953+632。軌道上拱最大里程為K 1953+625，上行線軌道高程比設計高程最大高出13.3 mm，比聯調聯試期間高程高出5 mm；下行線軌道高程比設計高程最大高7.4 mm，比聯調聯試期間高程高出4 mm；軌向未見變化。2017年2-5月對病害段進行了工程地質勘察，并從混凝土質量、隧底圍巖、地下水、地應力等方面進行了病害原因分析，并根據病害原因分析進行了針對性整治，2017年12月完成整治工程。整治工程完成后，隧底變形監測情況顯示，隧底仍在持續上拱，上行線變形大于下行線，至2018年1月，已累計上抬31.7 mm，平均變形月速率為2.8 mm。為徹底整治該段上拱變形病害，確保高速鐵路安全運營，查明該段隧道隧底上拱變形原因意義重大。

1 隧道所處地質背景

崗烏隧道地處云貴高原，隧址區宏觀地貌為侵蝕及構造作用形成的中低山區，具有山高谷深的特點，區內的山脈走勢與大的地質構造形態和走向基本保持一致，呈北東～南西向展布。隧道穿越的地層為三疊系中統楊柳井組(T2y)、關嶺組(T2g)及下統永寧鎮組(T1yn)，巖性為塊狀白云巖、薄至中厚層狀灰巖、泥質灰巖(偶夾角礫狀為云巖、石膏假晶和板柱狀石膏晶簇)、泥巖、頁巖，局部含薄層石膏。隧道洞身位于普安旋鈕構造變形區的法郎向斜北翼。隧道區域內發育啦戛-河頭上斷層、啦戛-紙廠正斷層、蘿卜坡-舊屋基斷層、葫蘆井-櫻桃窩斷層、扒煤斷層等多條斷裂構造。隧道洞身穿越葫蘆井-櫻桃窩斷層，隧道縱斷面如圖1所示。

圖1 崗烏隧道縱斷面圖

2 K 1953+600～K 1953+710段病害情況

2.1 原設計情況

K 1953+480～K 1953+532、K 1953+632～K 1953+712段設計為Ⅲb型復合襯砌，K 1953+532～K 1953+632段設計采用Ⅳa型復合襯砌，通過地層為三疊系中統楊柳井組白云巖夾角礫狀白云巖。

2.2 施工階段變更設計情況

施工階段將K 1953+480～K 1953+532、K 1953+632～K 1953+712段襯砌由Ⅲb型復合襯砌調整為Ⅲa型復合襯砌。

2.3 整治前變形情況

2017年1月5日，崗烏隧道K 1953+600～K 1953+700段隧底發生開裂變形，開裂段落主要集中在K 1953+622～K 1953+632段，中心水溝左、右側有縱向錯臺裂紋，長5～9 m，裂紋寬度4～5 mm，錯臺高度2～3 mm，中心水溝有上窄下寬的變形特征。監測資料顯示，上行線軌道高程比設計高程最大高出13.3 mm，比聯調聯試期間高程高出5 mm；下行線軌道高程比設計高程最大高出7.4 mm，比聯調聯試期間高程高出4 mm；軌向未見變化。

2.4 變形上拱整治情況

2017年1月5日發現該段上拱變形，隨后進行了上拱原因勘察，并根據上拱原因提出了整治措施，2017年7-9月完成了該段整治工程，主要措施有：

(1)對K 1953+610～K 1953+660、K 1953+685～K 1953+710段中心水溝進行封閉。

(2)對K 1953+610～K 1953+640段軌道板兩側增設壓力型預應力錨桿加固，設計錨固力200 kN。

(3)對K 1953+610～K 1953+640段隧底開挖輪廓線外不密實的部位進行充填注漿加固。

(4)對K 1953+610～K 1953+660、K 1953+685～K 1953+710段仰拱及仰拱填充進行充填注漿加固。

(5)對K 1953+600～K 1953+710段增設排水降壓孔。

(6)增設泄水洞1座，并于K 1953+625處泄水洞內增設1處集水廊道，集水廊道內向正洞方向增設集水鉆孔。

2.5 整治后變形情況

本段上拱于2017年12月完成整治，但整治完成后的監測數據顯示，K 1953+615～K 1953+650段上拱變形仍在持續，且右線變形大于左線，最大上拱值仍位于K 1953+625里程處，左線累計上拱14.9 mm，平均變形月速率為1.3 mm；右線累計上拱31.7 mm，平均變形月速率為2.8 mm。

3 上拱變形段落病害原因

3.1 現場勘探及實驗情況

3.1.1 隧底圍巖情況

先后對變形段實施了3個較深鉆孔(深度大于10 m)和6個淺孔(深度小于2 m，主要用于揭示隧底混凝土情況)。鉆探揭示，該段隧底基巖為白云巖夾角礫狀白云巖，弱風化，巖體較完整。

3.1.2 地下水情況

2017年2月，終孔24 h后孔內采用簡易抽水試驗抽至孔底，現場觀察見巖溶裂隙水在2.1～3.3 m處局部富集，均有小股狀水涌入孔內，孔內恢復穩定水位為0.9～1.2 m。2018年6月，K 1953+620～K 1953+630段6個降壓孔補充勘探揭示，地下水位為0.13～1.18 m，SDZ-崗1-2孔內出水深度為1.2 m處、SDZ-崗1-3孔孔內出水深度為 1.1 m和1.6 m處、SDZ-崗1-4孔孔內出水深度為1.2 m處，多位于仰拱填充與仰拱間的施工縫處。分析地下水主要來源于中心水溝及側溝的常流水補給[3]。

3.1.3 物探成果

采用地質雷達、井中攝影、聲波測井、井間電磁波層析成像和井間地震波層析成像5種方法對病害上拱段進行了綜合物探。

(1)隧底結構厚度

該段隧底結構厚度(素混凝土厚度+鋼筋混凝土厚度+噴射混凝土厚度)為1.77～2.15 m。

(2)欠密實帶

在K 1953+520.5～K 1953+521.5、K 1953+574.5～K 1953+575.5、K 1953+609.5～K 1953+610.7、K 1953+726～K 1953+727和K 1953+800.4～K 1953+801.4段基巖與隧底交界面附近的深度范圍存在欠密實帶，厚約0.15～0.25m。

(3)巖溶

SDZ-GW-01、SDZ-GW-02、SDZ-GW-03孔對井間電磁波層析成像的成果資料顯示，在K 1953+619深度約8 m位置和K 1953+631深度約9 m位置存在溶蝕破碎帶。

3.1.4 鉆探揭示隧底結構情況

結合施工階段隧底圍巖揭示情況及上拱情況，在該段有針對性地布置了3個鉆孔，各孔揭示隧底結構情況如表1所示。

表1 深鉆孔揭示隧底混凝土情況明細表

由表1可知，崗烏隧道混凝土厚1.8～1.9 m，3孔均有豎向裂縫發育，深度分別為0.25～1.1 m、0.1～1.0 m、0.3～1.2 m，其貫通性較好，巖芯均從中部斷開成兩半邊狀，且0.95～1.58 m深度均有多條水平裂縫分布。

該段病害整治結束后上拱變形仍在繼續，且趨勢明顯，因此在2018年6月再次對病害段落進行了針對性的淺孔鉆探，以揭示隧底混凝土及排水為主要目的，淺孔揭示情況如表2所示。

由表2可知，上拱病害段混凝土存在較多的水平、豎向縫缺陷，巖心局部有破損，采取率偏低，鉆出巖心成形差、表面不光滑，破損巖芯占比在25%～53%不等。

表2 K 1953+620～K 1953+630段6個淺孔揭示混凝土情況匯總表

3.1.5 地應力

采用應力解除法對病害段地應力進行了重新測試，測試點位于1號橫洞泄水洞K 1957+312左側約29 m右邊墻處。測試結果為：最大主應力值為13.2 MPa，方向為351°，最大主應力方向與隧道軸線的夾角約為62°，最大主應力傾角為29°，以近水平為主，不存在高地應力問題。

3.1.6 混凝土堿活性試驗

為了徹底查明上拱變形原因，在2017年勘察手段基礎上增加了混凝土堿活性實驗研究。在該段淺孔中取樣進行化學分析，結果如表3所示。

表3 K 1953+622～K 1953+625段混凝土堿活性情況表

由表3可知，混凝土樣品中水泥的化學成分穩定性差，水化反應異常，侵蝕性介質對水泥的破壞作用較大。壓汞試驗結果表明試驗樣品的孔隙率大于20%，水泥在水化反應過程中分解流失和收縮作用明顯，造成混凝土孔隙率增大，脆性增強，泥化作用明顯。混凝土病害為水泥、添加劑和混凝土骨料的堿活性反應[4-5]。

3.2 隧底分層監測

為驗證上拱病害原因，在隧道K 1953+625處設置了隧底分層沉降觀測點，觀測點設置深度為0 m(隧道填充層)、1.3 m(隧道仰拱處)、2.3 m(隧底基巖)。2017年2月24日至2018年12月16日的觀測數據如圖2所示。

圖2 崗烏隧道K 1953+625處分層沉降過程曲線圖

由圖2可知，在觀測期間內，仰拱填充層(0 m觀測點)的上拱值一直在持續增加，且從2018年1月20日后仰拱填充層上拱幅度增大，至2018年12月16日累計上拱量達20.4 mm。仰拱頂(1.3 m處觀測點)上拱一直處于波動狀態，累計上拱量為3.3 mm，表明仰拱未發生上拱變形，上拱值為誤差值。基巖點(2.3 m觀測點)上拱觀測值與仰拱頂觀測值一致，觀測期間一直處于波動變化過程，2018年7月19日后略有增加趨勢，但基巖上拱值大于仰拱上拱值屬于不合理現象。結合現場分析，該不合理現象可能是由觀測誤差造成的。故由隧底分層沉降觀測可知，該段上拱變形由仰拱填充的持續上拱造成。

3.3 病害原因分析

本段隧道埋深90～155 m，地層巖性為三疊系中統楊柳井組中厚層狀白云巖夾角礫狀白云巖，屬硬質巖，單斜構造，勘探揭示地下水位0.13～1.18 m，隱伏巖溶不發育。在該地質環境下，可能引起軌道抬升的主要因素有：

(1)隧底結構內存在局部超靜水壓力

本次K 1953+620～K 1953+630段補充勘探揭示地下水位為0.13～1.18 m，SDZ-崗1-2孔揭示孔內出水深度為1.2 m處，SDZ-崗1-3孔揭示孔內出水深度為1.1 m、1.6 m處，SDZ-崗1-4孔揭示孔內出水深度為1.2 m處，多位于仰拱填充與仰拱間的施工縫中，分析結構中的地下水主要來源于中心水溝及側溝的常流水補給。

當混凝土存在缺陷時，地下水通過裂縫進入結構中，再通過施工縫進入仰拱與填充層之間，高速鐵路運營后，動荷載反復作用下的超孔隙水壓力使施工縫逐漸擴展，在地下水的反復抽吸作用下，將泥沙帶入裂縫，最終造成無砟軌道抬升，并使仰拱填充層出現縱橫向開裂。地下水也同時作用于中心水溝側壁上，造成局部溝壁向溝心傾斜，溝壁與仰拱填充分離，形成縱向裂縫。

(2)混凝土存在缺陷

①結構中存在水平縫、豎向縫

本次K 1953+620～K 1953+630段補充降壓孔揭示：混凝土中存在較多的水平、豎向縫等缺陷，巖心局部有破損，采取率偏低，鉆出巖心成形差、表面不光滑，破損巖芯占比在25%～53%不等。

②混凝土骨料局部段落具堿活性

混凝土樣品中水泥的化學成分穩定性差，水化反應異常，侵蝕性介質對水泥的破壞作用較大，混凝土病害為水泥、添加劑和混凝土骨料的堿活性反應，具有綜合病害特征。

4 結束語

本文在全面梳理勘察設計、施工、運營階段地質、監測資料的基礎上，從混凝土質量、隧底圍巖、地下水、地應力、混凝土堿活性等方面對病害段上拱原因進行了深入分析。認為崗烏隧道K 1953+600～K 1953+710段病害主要原因為隧底結構內存在局部超靜水壓力和混凝土本身質量存在缺陷造成。本段病害段以硬質巖為主，巖性為白云巖、灰巖、泥質灰巖，基底巖石不會產生變形，但整治后仍持續上拱，且取芯揭示混凝土破損嚴重，采取率偏低，部分骨料具堿活性，建議根據監測資料確定具體段落，采用換拱處理。