隧道底鼓的變形研究及處治措施

李登峰 謝錦鴻

（中國五冶集團有限公司八公司，成都 610063）

隨著我國鐵路工程深埋山嶺隧道工程不斷涌現，山嶺隧道開挖斷面大、埋深大的特點使其在穿越高地應力、構造應力較大區(qū)域時，頻繁出來底部隆起變形病害（底鼓）。

針對隧道底鼓病害，學者們開展了一系列研究。張建等［1］利用有限元對黃土隧道底鼓進行研究，結果表明仰拱填充不均勻是隧道底鼓產生的原因；高登［2］通過對隧道仰拱處進行受力監(jiān)測，認為仰拱不合理施工是導致底鼓的主要原因；楊建民等［3］通過對隧道進行長期監(jiān)測，認為仰拱剛度不夠、錨桿長度不足是導致隧道底鼓發(fā)生的主要原因；屈小七等［4］分析了隧道底鼓原因，提出了底鼓防治措施；劉建國等［5］對膨脹土引起了隧道底鼓進行了研究，通過監(jiān)測數據提出了優(yōu)化施工組織的方法，達到了控制底鼓進一步變形的目的；王崇艮等［6］認為紅層緩傾巖層地段隧道底鼓主要受仰拱強度和曲率的影響，設計時未充分考慮圍巖強度和不重視錨桿的設計也是導致隧道底鼓現象發(fā)生的原因［7-8］；鄭長青等［9］認為豎向高地應力與仰拱底鼓量呈現線性關系；田洪銘等［10］認為高地應力條件下，隧道仰拱和邊墻連接處會因應力集中而導致隧道底鼓的發(fā)生。

目前，針對高地應力條件下隧道底鼓的起因和處理措施的研究較少，因此，本文以某隧道段為例，利用MIDAS 數值模擬軟件對高地應力條件下發(fā)生的隧道底鼓開展研究，并提出治理措施，研究成果可為同類型隧道提供參考。

1 工程概況

研究隧道位于青藏高原與四川盆地過度地帶，跨越大巴山區(qū)和四川盆地，地形條件復雜。隧址具體位于米倉山脈，嘉陵江左岸，出口緊鄰嘉陵江，山勢陡峻。隧址區(qū)地面高程530～1 080 m，相對高差最大約565 m，隧道埋深190～560 m。

隧道洞身依次穿越三疊系下統飛仙關組四段（T1f4）泥巖、頁巖夾泥灰?guī)r、灰?guī)r；一、二段（T1f1+2）頁巖夾泥灰?guī)r、灰?guī)r；銅街子組二段（T1t2）頁巖、泥灰?guī)r、泥質灰?guī)r；中統雷口坡組（T2l）灰?guī)r、白云巖夾頁巖、泥灰?guī)r；下統嘉陵江組（T1j）灰?guī)r、白云質灰?guī)r夾巖溶角礫巖、頁巖、泥灰?guī)r三套地層巖性。

根據地勘報告，隧道K 367+040～ K 367+060底鼓段巖土體的力學性質如表1所示。應力測試采用澳大利亞的空心包體應力傳感計，共選擇3 個不同的測試點，得到的地應力數據如表2和表3所示。

表1 巖土體力學性質表

表2 代表性測點地應力測試成果表

由表2和表3可知，3 個測點隧道外13～15 m 處圍巖最大主應力10.2～18.9 MPa，巖石單軸抗壓強度和最大主應力的比值為0.5～3，根據國內規(guī)范圍巖處于極高地應力狀態(tài)［11］；從水平主應力與上覆自重應力的比值為1.5～2.5 可知，圍巖處在較高或高地應力狀態(tài)。結合隧道圍巖體擠壓變形程度、變形量級、速率以及滑移區(qū)范圍，分別選擇3 個測試點進行應力測試，經計算3 個測點最大主應力σ1平均值為14.6 MPa、最小主應力σ3平均值為7.2 MPa，差值為7.4 MPa；灰?guī)r天然單軸抗壓強度平均值為7.2 MPa。

表3 3 個測點最大主應力σ1 值表

2 數值模擬

2.1 模型的建立

為研究區(qū)域建立數值模型，模型邊界長度×高度為90 m×60 m，延伸20 m。試算結果表明，超過此邊界隧道的受力和位移變化不大，此邊界合理。隧道采用CD 法進行開挖，開挖面左邊采用5 根錨桿，右邊采用6 根錨桿進行初期支護。

假定初期支護混凝土（C30）和二襯混凝土（C35）和錨桿為彈性材料，以上3 種材料均采用結構單元，基本參數和屬性選取如表4和表5所示。三維模型（包括巖土體）共15 942 個單元，12 031 個節(jié)點。

表4 隧道結構參數表

表5 隧道模型屬性表

2.2 模型的計算步驟

模型建立以后，按照巖土體的相應性質進行賦值，巖土體采用莫爾庫侖模型，同時施加自重和約束，對隧道巖土體施加初始地應力，初始地應力施加以后，對巖土體位移清零。

巖土體位移清零以后施加地應力（表2和表3），并對巖土體和支護措施的性質進行賦值（表4和表5），賦值完成后實施開挖（每2 m 開挖1 次，共計開挖10次）和添加支護等措施（開挖后立即進行支護），最后計算至隧道平衡，收斂精度為1e-5。

2.3 模擬結果

2.3.1 圍巖變形分析

隧道整體豎向位移如圖4和圖5所示。

圖4 隧道整體豎向位移圖（m）

由圖4可知，85%隧道巖土體豎向位移超過20 mm，最大位移主要集中在仰拱處，由此可知高地應力作用下，仰拱處發(fā)生了明顯的隆起現象（底鼓）。

為進一步探明隧道斷面發(fā)生的位移，選取K 367+050縱斷面進行說明，截取仰拱左側作為研究對象，提取位移如圖5所示，由圖5可知此斷面處位移主要集中于仰拱，最大隆起高度為61.2 mm，85%巖土體隆起高度為42～54 mm。

隧道發(fā)生底鼓以后，對底鼓進行了現場實測，以仰拱為中心點，向左延伸至仰拱邊界，共計選取10 個測試點，測量數據如圖6所示。

由圖6可知，距離仰拱中心點越近，隆起高度（方向豎直向上）越大，70%巖土體隆起高度超過36 mm，80%巖土體的隆起高度為38～55 mm，與數值模擬結果相符，這在一定程度上說明高地應和襯砌設計強度弱是導致隧道仰拱隆起的原因。

圖6 現場實測仰拱隆起高度圖（mm）

2.3.2 支護結構變形分析

高地應力作用下隧道襯砌的豎向應力如圖7所示。

由圖7可知，95%的二襯均發(fā)生了豎向應變，尤其是仰拱處，這說明地應力作用下襯砌發(fā)生了較大程度的豎向變形破壞。

圖7 隧道襯砌豎向應力圖（kN／m2）

2.3.3 錨桿位移及應力分析

趙家?guī)rK 367+050 處錨桿的受力如圖8所示。

圖8 K 367+050 處錨桿的受力圖

由圖8可知，50%錨桿的受力超過1.0 GPa，說明在地應力作用下，錨桿的受力較大，在此受力作用下錨桿的位移如圖9所示。

圖9 錨桿的整體位移圖（m）

由圖9可知，88%以上錨桿的整體位移超過1 cm，隧道頂部錨桿的位移甚至達到了5 cm，這說明錨桿強度不足，且已發(fā)生了一定程度的變形破壞。

根據現場實測情況，高地應力作用下隧道發(fā)生了一定程度的底鼓變形，錨桿位移變形和頂部混凝土開裂現象，這與數值模擬結果對應，進一步驗證了高地應力和襯砌設計強度弱是隧道發(fā)生變形破壞的主要原因。

3 隧道底鼓處治措施及監(jiān)測數據分析

3.1 隧道底鼓處理措施

（1）設計處理措施

拆掉破損的仰拱，將仰拱的C35 素混凝土更換成C40 鋼筋混凝土，并在仰拱底部設置長度為6 m 的錨桿；隧道頂部錨桿換成直徑為32 mm 的漲殼式預應力錨桿，錨桿長度增加至8 m，錨固段采用錨固劑進行錨固，自由段采用純水泥漿進行注漿，預張拉應力采用90 kN。

（2）施工處理措施

①改變施工工序，先將拱腳處噴混凝土，支護后應當及時回填注漿。

②充分利用圍巖自穩(wěn)能力，以“弱爆破、短進尺、強支護、勤量測、早封閉”為總體施工原則，并嚴格遵守此施工原則。

③加強超前地質預報和監(jiān)控量測，及時掌握圍巖的變形，合理開挖，必要時可進行動態(tài)設計并加強后期服務。

3.2 現場監(jiān)測數據分析

2017年10月下旬處治底鼓結束，結合處治結果的隧道數值模擬豎向位移如圖10所示。

由圖10可知，經處治后隧道整體95%巖土體豎向位移不超過10 mm，最大巖土體豎向位移達到11 mm，隧道仰拱處最大豎向位移為6.9 mm，滿足了隧道位移要求。

圖10 隧道整體豎向位移圖（m）

2018年2月待隧道整體位移達到穩(wěn)定以后，監(jiān)測人員開展了位移監(jiān)測，監(jiān)測數據如圖11所示。

圖11 處治后實測仰拱隆起高度圖（mm）

由圖11可知，實測仰拱中心點至左邊溝的豎向位移，最大豎向位移為11 mm，左邊溝處豎向位移不超過2 mm，且位移分布較為規(guī)律明顯，滿足隧道位移要求。

仰拱的豎向位移數據，數值模擬的結果與實測結果較為接近，這說明處治仰拱措施有效，達到了治理隧道底鼓的目的。

選擇3 個不同的斷面進行圍巖接觸壓力監(jiān)測，結果如表6所示。

表6 圍巖接觸壓力匯總表（MPa）

由表6可知，處治后圍巖接觸壓力明顯比未處治前小，這說明治理措施達到了治理底鼓進一步變形的目的。

仰拱換填混凝土后，對混凝土的應變進行了監(jiān)測，結果如表7所示。

表7 仰拱填充混凝土應變匯總表（με）

由表7可知，仰拱換填混凝土后，混凝土的應變值變化不大，說明混凝土的膨脹變形趨于穩(wěn)定，盡管后期混凝土依然會發(fā)生較小程度的應變（徐變），但均在可控的范圍內，不會造成較大的變形破壞；混凝土的應變均為拉應變，結合C40 混凝土的性質推算，其彈性模量為32.6 GPa，換算成拉應變，即為73.5με，斷面K 367+048 處隧道仰拱中心處應變已接近73.5με，但據現場勘測表明，此處混凝土未發(fā)生開裂跡象，這說明混凝土的選取滿足隧道穩(wěn)定性要求。

結合數值模擬結果和現場實測數據可知，仰拱處豎向位移已控制在合理范圍內，圍巖接觸壓力值也較未處治前小，更換混凝土后的應變值也在合理范圍內，以上數據說明處治措施有效，隧道底鼓得到了有效治理。

4 結論

本文利用數值模擬和現場監(jiān)測技術對高地應力作用下的某隧道底鼓現象進行了研究，得出的主要結論如下：

（1）高地應力作用下數值模擬隧道底鼓位移與實測位移大體一致。

（2）數值模擬中錨桿的位移、隧道整體的豎向位移均較大，這與隧道破壞實際情況較為對應。

（3）數值模擬和實測結果表明高地應力和襯砌強度弱是導致隧道變形破壞的主要原因。

（4）結合工程經驗，更換仰拱材料和加強襯砌支護是主要治理措施，且施工處理中應當加強地質預報和監(jiān)控量測，嚴格遵守施工工序。