王立川，肖小文，林 輝

(1.成都鐵路局，四川 成都 610082；2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

某鐵路隧道底部結(jié)構(gòu)隆起病害成因分析及治理對策探討

王立川1，2，肖小文2，林 輝2

(1.成都鐵路局，四川 成都 610082；2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

西南地區(qū)YD隧道長約7 850 m，設(shè)計時速200 km，系雙塊式無砟軌道；建成通車后，K108+600～K109+350等區(qū)段底部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不同程度的隆起，引起無砟軌道板開裂、破壞，致使軌道幾何尺寸處于不穩(wěn)定狀態(tài)，影響列車正常運營。該隧道病害段穿越地層為薄至中厚中風(fēng)化泥巖、砂巖緩傾互層圍巖體，地應(yīng)力測試表明該段存在與隧道軸線近似垂直的水平高地應(yīng)力。通過采用現(xiàn)場調(diào)查測試、理論分析和數(shù)值計算等手段，分析總結(jié)認(rèn)為該隧道底部結(jié)構(gòu)隆起的主要成因是：1)以水平構(gòu)造應(yīng)力為主導(dǎo)的極高地應(yīng)力作用于隧底下伏薄至中厚緩傾互層圍巖體；2)仰拱參數(shù)不滿足工程所處的地質(zhì)環(huán)境。在錨索加固治理方案實施后，YD隧道的底部結(jié)構(gòu)隆起依然沒有穩(wěn)定，在分析其原因、經(jīng)驗、教訓(xùn)的基礎(chǔ)上提出治理及今后遇到類似工程的方向性建議：1)在緩傾互層圍巖體環(huán)境中且埋深50～300 m的隧道工程中，應(yīng)特別重視底部結(jié)構(gòu)的針對性設(shè)計，恰當(dāng)選擇仰拱的矢跨比和剛度；2)錨索必然的松動、滑移特征決定了其不能作為隧底結(jié)構(gòu)隆起病害整治的單獨和主要技術(shù)手段，以低預(yù)應(yīng)力錨桿錨固、至少是“剛?cè)嵯酀?jì)”的方式應(yīng)被重視。

鐵路隧道；緩傾互層圍巖體；水平地應(yīng)力；底部結(jié)構(gòu)隆起；病害成因；治理

0 引言

隧道底部(以下簡稱隧底)結(jié)構(gòu)隆起造成仰拱、道床板開裂，致使軌道幾何尺寸不穩(wěn)定和無節(jié)律失格，影響列車運行舒適度甚至不得不降速運行，還可能引起隧底結(jié)構(gòu)失穩(wěn)并危及行車安全。隧底隆起是一個復(fù)雜的物理、力學(xué)過程，其與隧區(qū)地應(yīng)力、圍巖條件、巖層構(gòu)造、地下水及其堵排方式、隧道開挖方法、支護(hù)結(jié)構(gòu)型式及支護(hù)參數(shù)、施工質(zhì)量等密切相關(guān)。國內(nèi)學(xué)者對隧底結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行了一些研究，如王思敬等[1]在統(tǒng)計工程實例的基礎(chǔ)上對其進(jìn)行了研究，提出在高地應(yīng)力條件下不同層組結(jié)構(gòu)的圍巖體對隧道施工階段拱部坍塌和底部隆起的風(fēng)險；孔恒等[2]在統(tǒng)計和分析工程實例的基礎(chǔ)上，總結(jié)和歸納了隧底隆起的表現(xiàn)形式、成因及控制措施；文獻(xiàn)[3-4]推導(dǎo)了隧底隆起量計算的經(jīng)驗公式，可用襯砌拱腳位置水平收斂數(shù)據(jù)來推算隧底隆起量；文獻(xiàn)[5-7]對煤礦巷道的底鼓進(jìn)行了研究，為處理巷道底鼓問題積累了寶貴的工程經(jīng)驗；文獻(xiàn)[8-11]對隧道仰拱的力學(xué)行為進(jìn)行了研究。

本文在調(diào)查、驗證、測試、分析的基礎(chǔ)上，基本排除了施工偏差和地下水壓是YD隧道底部結(jié)構(gòu)隆起的主要原因；從水平構(gòu)造地應(yīng)力通過緩傾互層圍巖體而表現(xiàn)出來的獨特視角開展理論分析，并采用數(shù)值計算手段分析了不同參數(shù)下伏緩傾互層圍巖體及仰拱型式對隧底結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，試圖找到Y(jié)D隧道底部結(jié)構(gòu)隆起的真正主因。在錨索加固治理方案實施后，YD隧道的底部結(jié)構(gòu)依然沒有穩(wěn)定，本文在分析其原因、經(jīng)驗、教訓(xùn)的基礎(chǔ)上提出了治理的方向性建議，以期對該隧道整治方案的編制、審查及類似工程病害的整治有所裨益。

1 YD隧道設(shè)計、施工與病害段概況

1.1 技術(shù)等級

YD隧道為設(shè)計客車時速200 km的客貨(雙層集裝箱)共線雙線鐵路隧道，長約7 850 m，系雙塊式無砟軌道，正洞設(shè)計為馬蹄形斷面、復(fù)合式襯砌，見圖1。

1.2 地質(zhì)情況

平均埋深約200 m的YD隧道洞身主要穿越侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組(J3P)緩傾地層，層面及裂隙面可見石膏充填，有的形成石膏脈，設(shè)計階段全隧地勘鉆深孔2處；隧道病害段穿越的J3P1地層為紫紅色、棕紅色薄至中厚層的泥巖、砂質(zhì)泥巖夾粉砂巖、細(xì)粒長石砂巖，其間夾有一層灰綠色水云母黏土層，主要為表層風(fēng)化裂隙、節(jié)理不甚發(fā)育，判識為Ⅲ級圍巖，地下水類型主要有第四系孔隙水及基巖裂隙水，水文地質(zhì)條件簡單。

1.3 斷面和支護(hù)參數(shù)

YD隧道正洞為Ⅲ級圍巖，標(biāo)準(zhǔn)開挖斷面B×H=1 330 cm×1 177 cm，仰拱內(nèi)徑r3=1 480 cm；仰拱為在5 cm 砂漿找平層上敷設(shè)防水層后現(xiàn)澆厚40 cm的C25混凝土；拱墻襯砌為厚40 cm的C25混凝土(見圖1)。

圖1 YD隧道Ⅲ級復(fù)合式襯砌斷面示意圖(單位：cm)Fig.1 Schematic of composite lining of level Ⅲ in YD Tunnel(cm)

1.4 施工情況

YD隧道施工工期為2005年12月—2009年6月。從施工和監(jiān)理方竣工文獻(xiàn)可見正洞Ⅲ級圍巖地段多采用全斷面和臺階法施工，施工期未遭遇重大不良地質(zhì)。

1)K108+600～+700段，該段因拱部局部滲水，施工中增加了超前支護(hù)和間距150 cm的拱部格柵鋼架，2008年6月3日—24日以全斷面方式開挖，日進(jìn)度為2循環(huán)6 m，拱部120°采用超前小導(dǎo)管+格柵鋼架+網(wǎng)+錨+噴混凝土；2008年7月1日—21日分次施作仰拱和填充混凝土；2008年7月30日—8月27日施作襯砌；2009年3月11日—19日施作軌道板。2008年6月16日的J08-32變更紀(jì)要曾要求對K108+612～+662段進(jìn)行支護(hù)變更(不含底部加強(qiáng))，但未得到響應(yīng)；K108+591～+603段襯砌前曾長時間處理欠挖。

2)K109+250～+350系貫通段，該段因拱部局部滲水，施工中增加了超前支護(hù)和間距1 503 cm的拱部格柵鋼架，2008年11月30日—12月19日以全斷面方式開挖K109+250～+332，2008年12月7日—13日以全斷面方式開挖K109+350～+332，日進(jìn)度為2循環(huán)6 m，拱部120°采用超前小導(dǎo)管+格柵鋼架+網(wǎng)+錨+噴混凝土；2009年1月4日—22日分次施作仰拱和填充混凝土；2009年1月28日—2月21日施作襯砌；2009年3月8日— 9日施作軌道板。

1.5 主要病害段

1)K108+600～+700段，埋深175～185 m；

2)K109+250～+350段，埋深100～116 m。

2 YD隧道底部結(jié)構(gòu)隆起病害變化過程

2.1 第1階段(2009年6月—2012年2月)

未發(fā)現(xiàn)軌道高程異常變化和隧底結(jié)構(gòu)隆起現(xiàn)象。

2.2 第2階段(2012年3月—2013年7月)

2012年3月后，部分地段底部結(jié)構(gòu)不同程度地持續(xù)隆起，引起道床板隆起、裂損、離縫(與隧底填充混凝土分離)，軌道隆起和平面偏移等幾何尺寸持續(xù)失格，見圖2；自2012年7月下旬開始，鐵路局委托對相應(yīng)的軌道高程和底部結(jié)構(gòu)(主要為道床板)隆起進(jìn)行監(jiān)測(監(jiān)測點標(biāo)樁埋設(shè)位置見圖3)，并組織鉆勘、現(xiàn)場測試、專家研討及整治設(shè)計；工務(wù)系統(tǒng)階段性地調(diào)整了軌道幾何尺寸，但仍不得不采取降速措施。截至2012年底比較顯著的病害段落有以下幾處。

(a)

(b)

圖3 斷面測點布置示意圖Fig.3 Arrangement of monitoring points

2.2.1 K108+400～+800

K108+620～+630隧道中線附近填充的混凝土縱向開裂，縫寬10 mm、深260 mm；道床板與填充混凝土脫落形成離縫，道床板上翹10 mm、可探離縫深900 mm以上；道床板裂紋(縫)呈網(wǎng)狀，延伸至隧道側(cè)溝墻，縫寬達(dá)3 mm；K108+625側(cè)溝墻斷裂，斷縫錯臺約5 mm；2012年9月中旬，K108+600～+630軌面較2012年2月精調(diào)后再次抬升了17 mm。K108+735～+765段道床板離縫，側(cè)溝墻斷裂、縫寬達(dá) 3 mm。該段溝槽干燥，無積水。

2.2.2 K108+900～K109+500

K108+995～K109+250隧道中線附近填充的混凝土縱向開裂，表面濕潤至積水20 mm深；K109+255～+320段上行線(靠平導(dǎo)側(cè))道床板橫向開裂、縫寬達(dá)3 mm，多處對應(yīng)側(cè)溝墻開裂，上下行側(cè)溝積水深分別為100 mm和400 mm；K109+450～+470段離縫中可見泥漿擠出。

2.2.3 其他情況

1)上述2個段落對應(yīng)的平導(dǎo)和橫通道幾乎同步出現(xiàn)不同程度地底部隆起和縱向開裂。

2)初步判斷側(cè)溝蓋板頂側(cè)墻處高程均無變化，尚無隧道襯砌結(jié)構(gòu)整體向上抬升的支持證據(jù)，僅隧底結(jié)構(gòu)出現(xiàn)隆起、損傷和(或)破壞的現(xiàn)象。

3)約5個月后(2012年7月)，底部結(jié)構(gòu)發(fā)生隆起，開始監(jiān)測軌道和底部結(jié)構(gòu)的高程變化，即監(jiān)測值本質(zhì)上是后段量值，但因判斷監(jiān)測開始之前變形量值不大，且無法準(zhǔn)確估量，即按歸零處理。

2.3 第3階段(2013年7月-2013年9月)

實施了全隧(含平導(dǎo))排水溝的清理、疏導(dǎo)、修補(bǔ)；對K108+010～K109+340范圍內(nèi)10個子段落共130 m的軌道板離縫進(jìn)行充填式封粘; 對K108+598～+642段的設(shè)計錨固力Nt=450 kN、設(shè)計錨索總長L=20 m(錨固長度10 m)的近鉛垂向底部進(jìn)行了錨索加固等整治施工；還進(jìn)行了1～5 mm裂縫的封閉和大于5 mm裂縫的鑿槽壓漿封堵。暫未實施預(yù)設(shè)計的集水井泄水措施，繼續(xù)進(jìn)行軌道高程和底部結(jié)構(gòu)隆起監(jiān)測。

2.4 第4階段(2013年9月-2014年1月)

鑒于尚未對K109+250～+350段進(jìn)行結(jié)構(gòu)性整治，對K108+598～+642段可能的繼續(xù)隆起未進(jìn)行判斷，鐵路局要求繼續(xù)監(jiān)測4個月。監(jiān)測中，逐步增大軌道高程和底部結(jié)構(gòu)隆起監(jiān)測范圍，并完善了測點布置(監(jiān)測點標(biāo)樁埋設(shè)位置見圖3)，監(jiān)測頻率為1次/10 d，監(jiān)測精度為mm級。截至2014年1月5日，主要監(jiān)測中間成果如下。

2.4.1 K108+600～+700段

2012年7月20日—2014年1月4日，對K108+620和K108+630斷面進(jìn)行了39期監(jiān)測，中間結(jié)果見表1和圖4。

表1 K108+620和K108+630斷面監(jiān)測中間結(jié)果Table 1 Intermediate monitoring results of sections K108+620 and K108+630

注：正數(shù)表示抬升；負(fù)數(shù)表示沉降。

(a)K108+620斷面各測點累計沉降量

(b) K108+630斷面各測點累計沉降量

(c) K109+260斷面各測點累計沉降量

由表1和圖4可知，K108+620與K108+630斷面底部結(jié)構(gòu)隆起量超過10.0 mm，最大累計隆起量達(dá)24.7 mm(L108630-2)；K108+600～+700段監(jiān)測點標(biāo)樁多處于持續(xù)隆起過程中。側(cè)墻腳測點變化量很小，橫斷面上總趨勢是隨著與邊墻基礎(chǔ)的距離大小而同向非同步增減，表現(xiàn)出弧形隆起的特征。圖4中紅色虛線為根據(jù)前后測試數(shù)據(jù)所做的推測。

2.4.2 K109+250～+350段

2012年7月20日—2014年1月4日對K109+260和K109+270斷面共進(jìn)行了39期監(jiān)測，中間結(jié)果見表2和圖4(c)。

表2 K109+260和K109+270斷面監(jiān)測中間結(jié)果
Table 2 Intermediate monitoring results of sections K109+260 and K109+270 mm

斷面測點號沉降量 累計沉降 K109+26010．00．220．05．730．29．140．00．550．46．960．21．270．10．6K109+27010．2-0．520．23．730．24．140．1-0．650．16．46-0．1-0．170．00．3

由表2和圖4(c)可知，K109+250～+350段，K109+260斷面底部結(jié)構(gòu)隆起量達(dá)9.1 mm；且測點2，3，5隆起明顯大于1，4，6，7，初步判斷該段隧道邊墻基礎(chǔ)穩(wěn)定，而底部結(jié)構(gòu)仍處于較明顯的隆起過程中，橫斷面上也呈現(xiàn)為弧形隆起的特征。該段處于繼續(xù)監(jiān)測中。

2.5 第5階段(2014年2月以后)

1)2014年2月進(jìn)行了錨索張力測試；2)2014年3月初進(jìn)行了整治效果的初步評估，并決定對錨索進(jìn)行補(bǔ)充張拉，以換取常規(guī)可維修時間的延長并再度進(jìn)行整治設(shè)計；3)設(shè)計單位決定在相應(yīng)地段平導(dǎo)內(nèi)補(bǔ)充鉆探，以圖查明病害的真正原因；4)繼續(xù)進(jìn)行監(jiān)測。

3 YD隧道主要的調(diào)查、驗證、測試

鑒于對YD隧道底部結(jié)構(gòu)隆起病害原因分析有不同意見，2012年5月后采取現(xiàn)場檢查和調(diào)閱竣工文件相結(jié)合的方式，進(jìn)行了針對施工規(guī)范性的調(diào)查；2012年10月上中旬和11月下旬先后委托在病害段對底部結(jié)構(gòu)和下伏圍巖取芯鉆孔16個(其中正洞隧道中線附近13個、平導(dǎo)3個)，底部結(jié)構(gòu)鉆孔孔徑為89 mm、總鉆進(jìn)深度為11.15 m(0.9～2.15 m)、孔數(shù)為8個，下伏圍巖鉆孔孔徑為130 mm、總鉆孔深度為58.60 m(5～15 m)、孔數(shù)為8個，并對其進(jìn)行了調(diào)查和驗證；2012年12月委托在病害段相應(yīng)平導(dǎo)內(nèi)進(jìn)行了3個鉆孔的水壓致裂法地應(yīng)力測試；2013年12月委托進(jìn)行了錨索張力測試。主要數(shù)據(jù)、結(jié)果、結(jié)論如下。

3.1 地應(yīng)力

1)實測范圍內(nèi)最大水平主應(yīng)力為4.67～9.50 MPa，最小水平主應(yīng)力為2.73～5.49 MPa，最大水平主應(yīng)力方向為N7°W，側(cè)壓力系數(shù)大于1；可見場區(qū)地應(yīng)力以構(gòu)造應(yīng)力為主，且以水平地應(yīng)力為主導(dǎo)，水平主應(yīng)力隨巖層深度有增大趨勢。設(shè)計方2014年3月補(bǔ)充測試的初步結(jié)果為：最大水平主應(yīng)力值比本測試值高25%～40%，且方向角也有明顯差異。

2)地應(yīng)力量值相對于中等風(fēng)化砂巖和泥巖均為極高地應(yīng)力。

3.2 巖層鉆孔及巖芯情況

1)平導(dǎo)內(nèi)鉆孔。鉆孔布置于K108+330、K108+620和K108+771底部，孔深為8.5 m、15.0 m、8.2 m。揭示巖性均為紫紅色、棕紅色層狀中等風(fēng)化泥巖夾薄層砂質(zhì)泥巖、粉砂巖及細(xì)粒長石砂巖，其間夾有一層灰綠色水云母黏土巖。K108+330孔，節(jié)理較發(fā)育，巖芯破碎、呈碎塊狀，局部呈短柱狀，塊體較硬，手捏不易碎；K108+620和K108+771孔，節(jié)理較發(fā)育，巖芯完整，呈短柱狀或長柱狀。

2)正洞內(nèi)深鉆孔。鉆孔布置于K108+049、K108+340、K108+627、K108+945和K109+245隧道中線底部，孔深5.0～5.9 m。揭示巖性和夾層情況與平導(dǎo)內(nèi)鉆孔相同。K108+049孔，節(jié)理較發(fā)育，1.2～1.7 m段巖層風(fēng)化嚴(yán)重，呈碎塊或土狀，手捏易碎，1.7～5.9 m段巖芯完整，呈短柱狀或長柱狀；K108+340孔，節(jié)理較發(fā)育，1.6～1.8 m段巖層風(fēng)化嚴(yán)重，呈碎塊或土狀，手捏易碎，4.1～4.6 m段巖芯破碎，呈碎塊狀，塊體較硬，手捏不易碎，其余段巖芯完整，呈短柱狀或長柱狀；K108+627和K108+945孔，節(jié)理較發(fā)育，巖芯完整，呈短柱狀或長柱狀；K109+245孔，節(jié)理較發(fā)育，1.6～1.9 m段巖層風(fēng)化嚴(yán)重，呈碎塊或土狀，手捏易碎，3.05～3.2 m、3.8～4.0 m和5.4～5.5 m段巖芯破碎，呈碎塊狀，塊體較硬，手捏不易碎，其余段巖芯完整，呈短柱狀或長柱狀。

3)正洞K108+627孔揭示，0～0.1 m即填充混凝土上表層發(fā)育一條斜向裂縫，縫寬約3 mm，產(chǎn)狀212∠77°，縫隙無充填。正洞K109+270孔揭示，1.4～1.5 m即與仰拱接觸的基巖發(fā)育一條深10 cm的豎向裂縫，縫寬約1 mm，縫隙無充填。

3.3 膨脹性

巖樣自由膨脹率Fs。平導(dǎo)K108+330～+771段3個樣件的膨脹率為18%、19%和29%，正洞K108+049～+945段4個樣件的膨脹率為26%、28%、11%和25%，依TB 10012—2007《鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》[12]可判定巖體(土)對工程結(jié)構(gòu)無膨脹性影響。

3.4 地下水

所有鉆孔范圍內(nèi)無揭示地下水的記載。

3.5 施工質(zhì)量

1)竣工資料顯示，K107+950～K108+100、K108+600～+700和K109+250～+350段所使用的建筑材料均符合或高于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，仰拱和填充混凝土系分次施作，但時間間隔較短，其施工質(zhì)量合格，滿足設(shè)計要求。

2)鉆孔揭示，填充混凝土與仰拱無明顯界面，仰拱與地基層無明顯界面，防水層下存賦3～5 cm厚的流塑-軟塑狀粉質(zhì)黏土，判斷其為基巖風(fēng)化物；流塑-軟塑狀粉質(zhì)黏土下6～10 cm為泥質(zhì)砂巖或砂質(zhì)泥巖基巖，巖體破碎，且多呈碎塊、碎顆狀，無法辨別層理和裂隙發(fā)育情況?？梢姡龉盎娌淮嬖趪?yán)重的虛碴，清理比較規(guī)范，但存在未采用正確施工工藝施作混凝土找平層的現(xiàn)象。

3)鉆孔揭示，仰拱和填充混凝土強(qiáng)度符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)；K108+600～+700病害段，+619孔深120 cm未鉆穿混凝土(或)防水層，+621孔深160 cm未鉆穿混凝土(或)防水層，+622孔深90 cm未鉆穿混凝土(或)防水層，+625混凝土厚170 cm，+627混凝土厚160 cm；K109+250～+350病害段，+245混凝土厚160 cm，+255混凝土厚90 cm，+270混凝土厚 98 cm。設(shè)計Ⅲ級圍巖仰拱厚為40 cm、填充混凝土厚為128 cm，合計168 cm；結(jié)合施工階段為避免鑿除超厚填充混凝土而做的施工調(diào)整，從鉆孔資料的數(shù)據(jù)初步判斷，除K109+250～+350段施工與設(shè)計偏離較嚴(yán)重外，其余鉆孔段落隧道中線附近范圍內(nèi)的仰拱施作與設(shè)計差異不大，根據(jù)施工常規(guī)判斷斷面其他各處仰拱欠挖的概率較低，但不能排除仰拱超挖而引起的形狀偏離。

3.6 錨索張力

2013年12月7日—2014年2月9日，對6根錨索進(jìn)行了時間間隔依次為42 d和22 d的3次錨索張力測試，測試數(shù)據(jù)為：首次F=454.58(450.3～462.5) kN，第2次F=459.48(454.5～466.9) kN，第3次F=464.06(458.7～471.3) kN。錨索張力均符合或高于450 kN的設(shè)計錨固力，且均處于較快的增長中，但錨固力增長的幅度和速度呈離散性。

4 YD隧道底部結(jié)構(gòu)隆起病害原因理論分析

4.1 地應(yīng)力

該隧病害段位于J3P1地層中，處于以水平構(gòu)造應(yīng)力為主導(dǎo)的應(yīng)力場中，根據(jù)GB 50218—94《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》和3.1章節(jié)的數(shù)據(jù)和分析可知，相對于中風(fēng)化砂巖和泥巖，地應(yīng)力量值為極高地應(yīng)力。

地形剝蝕和垂直應(yīng)力釋放而水平應(yīng)力未能充分釋放是圍巖體中水平構(gòu)造應(yīng)力殘存的主要原因之一，由覆蓋層或新構(gòu)造層中的緩傾沉積地層構(gòu)成的盆地的邊緣地帶一般都有較高的水平構(gòu)造應(yīng)力?，F(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力除具備長期變形、釋放緩慢的特征外，還有一定的荷載的敏感性。雖然作為圍巖體穩(wěn)定重要因素的應(yīng)力狀態(tài)必然通過圍巖體結(jié)構(gòu)的力學(xué)效應(yīng)而表現(xiàn)，須在地質(zhì)力學(xué)的背景研究基礎(chǔ)上認(rèn)識圍巖體結(jié)構(gòu)，還要分析應(yīng)力狀態(tài)及其變化和荷載作用。

伴隨隧道挖掘的卸荷作用，兩側(cè)邊墻基腳周圍出現(xiàn)剪應(yīng)力集中區(qū)，當(dāng)剪應(yīng)力超過巖體抗剪強(qiáng)度時，圍巖體就可能發(fā)生剪切、滑移破壞；仰拱橫斷面中部甚至大部分出現(xiàn)拉應(yīng)力集中區(qū)，導(dǎo)致圍巖體發(fā)生拉伸破壞。上述2種機(jī)制的共同作用引起隧底結(jié)構(gòu)下伏圍巖體發(fā)生剪切錯動及相互分離等組合運動，表現(xiàn)為隧底結(jié)構(gòu)隆起、損傷甚至破壞。

可見，處于以水平構(gòu)造應(yīng)力為主導(dǎo)的極高地應(yīng)力區(qū)使該隧病害段底部結(jié)構(gòu)隆起具備了地應(yīng)力條件。

4.2 薄至中厚緩傾互層巖體

巖體的層組結(jié)構(gòu)可分為單層、雙層和多層結(jié)構(gòu)，雙層和多層結(jié)構(gòu)依相對軟硬層的厚度差異程度不同而劃分為互層、間層和夾層結(jié)構(gòu)；硬層與相對軟弱層的厚度大體相當(dāng)稱互層結(jié)構(gòu)，硬層與相對軟弱層的厚度相差較大稱間層結(jié)構(gòu)，一種巖性厚度很小且呈夾層狀則稱夾層結(jié)構(gòu)。雙層和多層層組結(jié)構(gòu)的圍巖體具有明顯的各向異性變形特征；層狀圍巖體的接觸面強(qiáng)度對圍巖體的穩(wěn)定性有著重要影響，在某些情況下甚至起控制性作用；當(dāng)接觸面抗剪能力很差時，平直結(jié)構(gòu)面在與層面近平行的高應(yīng)力作用下，對圍巖穩(wěn)定性的不利影響將更加顯著。

圍巖體的結(jié)構(gòu)特征對包括底部結(jié)構(gòu)隆起在內(nèi)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響要大于巖石單軸抗壓強(qiáng)度[1-2]。從1.2和 3.2章節(jié)可知，該隧病害段穿越的J3P1地層兼具互層、間層和夾層結(jié)構(gòu)的特征，且結(jié)構(gòu)面平直，而間層、夾層結(jié)構(gòu)對圍巖體穩(wěn)定的影響較互層結(jié)構(gòu)更明顯，砂巖強(qiáng)度約為泥巖的4倍，且結(jié)構(gòu)面平直，使互層結(jié)構(gòu)圍巖體的各向異性特征更顯著；泥巖等黏土類巖較易產(chǎn)生塑性變形，其在外或內(nèi)約束下的殘余應(yīng)力場中則易產(chǎn)生黏彈性及彈塑性變形；可將該隧病害段圍巖體歸納為典型的泥巖夾薄層砂質(zhì)泥巖和粉砂巖，薄至中厚緩傾、軟弱、平直結(jié)構(gòu)面互層巖體結(jié)構(gòu)。在雙層和多層層組結(jié)構(gòu)圍巖體中，彎曲變形是隧道開挖的卸載作用誘發(fā)的圍巖體變形的主要部分，緩傾互層結(jié)構(gòu)圍巖體則主要是頂、底板的彎曲變形，且塑性區(qū)也主要分布于頂、底板位置；由于隧底結(jié)構(gòu)的拱形更坦，該部位產(chǎn)生較大彎曲變形的概率更高。表現(xiàn)出上述特征的圍巖體結(jié)構(gòu)一般埋深50～300 m，大于此埋深則會在長期高地應(yīng)力作用下發(fā)生構(gòu)造應(yīng)力的釋放和圍巖性質(zhì)的變化。遭遇緩傾互層圍巖體結(jié)構(gòu)時，隧道工程界習(xí)慣性地“重上輕下”，即比較重視拱部的防脫落、防坍，而忽視底部結(jié)構(gòu)的影響。

該底部結(jié)構(gòu)隆起的主要機(jī)理可表述為：以水平構(gòu)造應(yīng)力為主導(dǎo)的極高地應(yīng)力作用于薄至中厚的緩傾互層圍巖體，使之產(chǎn)生較大或很大的彎曲變形趨勢或變形，(相對于剪力)引起沿巖層接觸面的滑移甚至錯動，從而產(chǎn)生垂直層面的拉應(yīng)力，導(dǎo)致巖層裂或斷，造成圍巖體牽延性損傷；互層圍巖體中彈性模量小、相對軟弱、相對薄的巖層率先破壞，然后將部分荷載分配給其上下相鄰的巖層或工程結(jié)構(gòu)，上下相鄰的巖層或工程結(jié)構(gòu)隨之發(fā)生較大的的變形趨勢或變形或破壞，并在一定的范圍內(nèi)循環(huán)積累(即圍巖體牽延性損傷的積累)；由于向下的約束可視為完全彈性(剛性)基礎(chǔ)，臨空側(cè)即上部的圍巖體或工程結(jié)構(gòu)就發(fā)生向上凸起或損傷或破壞；宏觀上應(yīng)表現(xiàn)為具有一定潛伏期的隧道底部結(jié)構(gòu)階段性(臺階式)隆起、損傷甚至破壞，從長期的視角看隆起速度，當(dāng)呈現(xiàn)類似拋物線形態(tài)，任由其發(fā)展甚至不顧及工程結(jié)構(gòu)的破壞則會自行終止，但這種終止的時間難以估量。

從3.2章節(jié)所反映的“填充混凝土僅表面開裂10 cm”和“K108+627孔，節(jié)理較發(fā)育，巖芯完整”，即下伏圍巖體尚未裂損。可初步判斷：鉆孔時該區(qū)段(K108+598～+643)仰拱結(jié)構(gòu)尚未破壞，處于彈塑性階段；下伏圍巖體尚處于黏彈性或彈塑性，即峰前變形階段。換言之，底部結(jié)構(gòu)隆起仍處于“待勢蓄發(fā)”狀態(tài)。

從3.2章節(jié)所反映的“基巖發(fā)育一條深10 cm的豎向裂縫，縫寬約1 mm，縫隙無充填”和“K109+245孔，節(jié)理較發(fā)育，1.6～1.9 m段巖層風(fēng)化嚴(yán)重，呈碎塊或土狀，手捏易碎，3.05～3.2 m、3.8～4.0 m和5.4～5.5 m段巖芯破碎，呈碎塊狀，塊體較硬，手捏不易碎，其余段巖芯完整” ，即下伏圍巖體已破碎。而從1.4章節(jié)可推測施工階段此段下伏圍巖體整體性較好，可初步判斷，鉆孔時該區(qū)段(K109+250～+350)仰拱結(jié)構(gòu)下伏圍巖體已進(jìn)入破壞即峰后變形階段，底部結(jié)構(gòu)隆起已處于減速甚至平穩(wěn)階段。

可見，隧底下伏薄至中厚緩傾、軟弱、平直結(jié)構(gòu)面互層圍巖體結(jié)構(gòu)使該病害段底部結(jié)構(gòu)隆起具備了圍巖體結(jié)構(gòu)前提。

4.3 底部結(jié)構(gòu)的適宜度

根據(jù)地質(zhì)和功能需求的不同，隧底結(jié)構(gòu)一般有底板和仰拱(含填充)2種型式。在仰拱型底部結(jié)構(gòu)中，仰拱是為改善上部支護(hù)結(jié)構(gòu)受力條件、使支護(hù)結(jié)構(gòu)閉合成環(huán)、將上部的圍巖體壓力殘余通過邊墻結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)承予下伏地層和提供下伏圍巖體反力所需抗力的反向拱形結(jié)構(gòu)，具有抑制和阻止圍巖-支護(hù)結(jié)構(gòu)有害變形和防止結(jié)構(gòu)整體或局部下沉的功效，還有傳遞臨時動荷載和隨機(jī)荷載及防水功能。與隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定相關(guān)的主要仰拱參數(shù)有矢跨比(曲率、半徑r3)、厚度和剛度；其它關(guān)聯(lián)因素有：1)填充的厚度、彈性模量和整體寬度；2)仰拱與邊墻基礎(chǔ)的連接型式和程度；3)仰拱上覆結(jié)構(gòu)的厚度和整體寬度；4)臨時動荷載的量值、頻率和振幅。

恰當(dāng)或有安全冗量的仰拱能抑制或阻止或抵抗下伏圍巖體的變形及塑性區(qū)擴(kuò)展，提供足夠的連續(xù)抗力從而確保底部結(jié)構(gòu)和隧道的安全與穩(wěn)定；當(dāng)?shù)撞拷Y(jié)構(gòu)剛度較小時，仰拱不能有效約束下伏圍巖體變形，致使其抗力不足以平衡綜合的隆起壓力，將使圍巖體裂隙持續(xù)擴(kuò)展直至破碎，塑性區(qū)范圍逐步擴(kuò)張，圍巖體破壞則逐漸從淺部向深部發(fā)展，當(dāng)深部巖體進(jìn)入峰后變形階段時，將釋放大量的變形能，推動淺部圍巖向隧道空間運動，導(dǎo)致底部結(jié)構(gòu)隆起、損傷甚至破壞。正如李德武等[14]指出，為改善隧底圍巖體及仰拱的受力狀況，可采用加大仰拱的矢跨比、增加仰拱建材剛度、增加仰拱填充厚度及提高道床板整體性等方法。

該隧病害段仰拱為C25厚40 cm的現(xiàn)澆混凝土、內(nèi)徑r3=1 480 cm(矢跨比約1∶10.75)，系現(xiàn)行雙線鐵路隧道中較薄弱的一種，填充混凝土平均厚度不足1 m(Max=128 cm)。

如4.1和4.2章節(jié)所述，在地應(yīng)力和圍巖體結(jié)構(gòu)均具備的條件下，該仰拱相對而言是“薄弱”的。

4.4 巖體膨脹性

當(dāng)隧道圍巖體中的膨脹性礦物發(fā)生體積膨脹時，由于隧底結(jié)構(gòu)的拱形更坦，結(jié)構(gòu)受力往往在仰拱和墻腳位置更為不利。一般鐵路隧道在襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計時，墻腳結(jié)構(gòu)尺寸大而仰拱結(jié)構(gòu)尺寸小，使仰拱或填充表面產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力率先發(fā)生，導(dǎo)致仰拱開裂和隆起。

隧道設(shè)計判定“巖石對工程結(jié)構(gòu)無膨脹性影響”一般依據(jù)TB 10012—2007《鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》[12]的6.2.6章節(jié)，而標(biāo)準(zhǔn)來自TB10077—2001《鐵路工程巖土分類標(biāo)準(zhǔn)》[15]中的表3.1.6；上述標(biāo)準(zhǔn)是基于自由膨脹率為路基和支檔等工程而制定，但缺乏力學(xué)視角，其工況為至少有一個可自由或近自由膨脹的面，對隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)而言膨脹性圍巖體則處于有荷膨脹工況且可能顯性為力學(xué)量化，隧道工程套用巖土的膨脹性標(biāo)準(zhǔn)缺乏充分的依據(jù)。

該隧病害段所穿越的J3P1地層，不僅泥巖和泥質(zhì)砂巖自身具有一定量的膨脹性，而且互層圍巖體的層面、裂隙可見石膏充填甚至局部形成石膏脈，極少量的水就可產(chǎn)生顯著的膨脹性影響，不能輕易忽略膨脹性巖體對該隧病害的影響。

4.5 地下水

隧道圍巖-結(jié)構(gòu)變形是一個力學(xué)表現(xiàn)過程，也是一個受環(huán)境因素影響和作用的過程，其中地下水環(huán)境是不可忽視的重要影響之一。針對該隧的高瓦斯風(fēng)險，設(shè)計采用全封閉防水層，但依行業(yè)習(xí)慣并未設(shè)置單元(分區(qū))防水工程結(jié)構(gòu)。因施工不可能做到防水層完全封閉，一旦出現(xiàn)季節(jié)性大水量或排水不暢將引起水淤積于隧底和(或)其與下伏圍巖體的界面，加之全斷面防水層的良好導(dǎo)水作用，使相當(dāng)長度的隧底和下伏圍巖體共享隧道封閉結(jié)構(gòu)外部水的滲透和積聚。即便很少量的積水，一方面造成下伏淺層圍巖體彈性模量及強(qiáng)度劣化，導(dǎo)致圍巖體既有節(jié)理、裂隙、層理、裂縫逐步擴(kuò)展并產(chǎn)生新的裂縫，以此循環(huán)使水的影響從淺層向深層發(fā)展直至平衡；另一方面，以泥巖和泥質(zhì)砂巖為主的下伏圍巖體浸水后在必然的列車動荷載作用下更易產(chǎn)生塑性變形甚至泥化，見3.5章節(jié)鉆孔揭示情況。

地下水對該段病害的影響可能微不足道，但若地下水豐富，則該段病害會更加嚴(yán)重。

4.6 施工偏差

隧底結(jié)構(gòu)施工偏差，如開挖輪廓不圓順、基底回填不密實、仰拱厚度和強(qiáng)度不足、填充混凝土標(biāo)號過高、工藝缺陷等也是造成隧底結(jié)構(gòu)隆起的可能因素。

3.5章節(jié)表明，施工單位為簡化工序而提高了填充混凝土的等級，使其動荷載傳遞功能增強(qiáng)而吸收功能下降；因未在隧底橫斷面其他位置鉆孔驗證，不能排除仰拱基底開挖呈凹型而非圓順的可能性。但現(xiàn)階段的驗證和分析暫不能判定施工偏差是導(dǎo)致病害發(fā)生的主要因素。

4.7 理論分析小結(jié)

由以上分析可見，以水平構(gòu)造應(yīng)力為主導(dǎo)的極高地應(yīng)力作用于隧底下伏薄至中厚緩傾、軟弱、平直結(jié)構(gòu)面互層圍巖體，仰拱相對薄弱是該隧道病害的主要成因；即使膨脹性巖體和地下水對病害有貢獻(xiàn)，也是通過地應(yīng)力和互層圍巖體結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出來的；沒有證據(jù)證明施工偏差甚至不規(guī)范對本病害構(gòu)成顯性貢獻(xiàn)。結(jié)合其他工程的經(jīng)驗和教訓(xùn)，若適度調(diào)大仰拱的矢跨比或提高仰拱剛度，應(yīng)該可以避免本病害的發(fā)生。

5 YD隧道底部結(jié)構(gòu)隆起病害的數(shù)值分析

采用有限差分軟件FLAC2D，建立數(shù)值計算模型，選取Ⅲ級圍巖、埋深180 m的隧道作為研究對象，探討互層圍巖體結(jié)構(gòu)、不同巖層厚度、不同水平地應(yīng)力、不同參數(shù)仰拱對隧底結(jié)構(gòu)隆起的影響。

鑒于圍巖體實際分布情況的多樣性、復(fù)雜性，完全復(fù)原現(xiàn)場狀況很難甚至不太可能，因此有必要根據(jù)研究目的對數(shù)值模型進(jìn)行適當(dāng)簡化[16]。根據(jù)地勘資料及隧道輪廓形狀建立平面應(yīng)變計算模型，基于對稱性原理取一半模型計算，計算范圍為80 m×100 m(寬×高)，隧道高約12 m，拱頂上、仰拱下各取44 m。根據(jù)Colak K等[17]的研究，在節(jié)理裂隙發(fā)育圍巖體中，基于節(jié)理裂隙的影響在隧道斷面單倍跨度深度內(nèi)及其應(yīng)力分布偏離連續(xù)介質(zhì)的結(jié)果較大，因此，對隧底15 m深度范圍內(nèi)(大于1倍跨度)圍巖體考慮層面的影響(見圖5)。模型邊界條件：底部固定約束，兩側(cè)水平約束，頂部施加等效均布應(yīng)力p(相當(dāng)于上覆土體自重及其折減)。

圖5 計算模型示意圖(單位：m)Fig.5 Schematic of computational model(m)

5.1 緩傾互層圍巖體影響

層狀圍巖體的工程響應(yīng)特性很大程度受層面強(qiáng)度和相對軟弱層強(qiáng)度控制，其模擬方法主要有以下3種。

1)參照規(guī)范對圍巖體評級，將層理面作為重要評定指標(biāo)。此法常見于隧道設(shè)計，將層狀圍巖體簡化為均質(zhì)材料，但無法體現(xiàn)各向異性特征。

2)將層狀圍巖體視為橫觀各向同性材料，垂直和平行于層面方向的力學(xué)參數(shù)取不同值。此法考慮了層狀圍巖體的各向異性特征，但無法體現(xiàn)層狀圍巖體的“巖梁”彎曲變形特征。

3)將單層圍巖體視為各向同性材料，層間以層面聯(lián)接，考慮圍巖體在層面上的不連續(xù)性。

方法3不但考慮了圍巖體的各向異性，且能同時體現(xiàn)其“巖梁”彎曲變形特性，與實際情況吻合度較好。故對下伏互層圍巖體采用方法3模擬，層面通過軟件的interface單元模擬。

按下伏緩傾互層圍巖體主要為中風(fēng)化泥巖、砂巖互層模擬，其物理力學(xué)參數(shù)通過現(xiàn)場鉆孔取芯進(jìn)行室內(nèi)物理力學(xué)實驗獲取，采用霍克-布朗方法弱化[18]，層面參數(shù)可參考同類工程[19]，初期支護(hù)和襯砌參數(shù)根據(jù)等效剛度法計算。各材料參數(shù)見表3。

數(shù)值模型考慮以下3種工況：1)下伏中風(fēng)化泥巖、砂巖互層；2)下伏中風(fēng)化泥巖(軟巖)；3)下伏中風(fēng)化砂巖(硬巖)。各工況計算模型見圖6。

主要考慮下伏圍巖體對仰拱隆起的影響，故選取仰拱中部豎向位移為評價指標(biāo)，各工況下其動態(tài)曲線見圖7。由圖7可知，工況1下仰拱中部豎向位移值最大，且遠(yuǎn)大于工況2和3，表明下伏緩傾互層圍巖體使隧底結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性變差，仰拱隆起顯著增長。究其原因主要為：下伏緩傾互層圍巖體在隧道開挖后三側(cè)約束、一側(cè)臨空，拉應(yīng)力下“巖梁”易向隧道空間產(chǎn)生撓曲變形，同時水平力使其發(fā)生二次撓曲效應(yīng)，加重底部隆起；而均質(zhì)圍巖體，因無“巖梁”效應(yīng)，故隆起顯著減小。

(a) 工況1

(b) 工況2

(c) 工況3

各工況下仰拱中部正下方15 m深度范圍內(nèi)圍巖體豎向位移見圖8。由圖8可知，圍巖體豎向位移隨深度增加而減小，這與實際是相符的；相同深度，工況1豎向位移最大，工況2次之，工況3最小。可見，下伏圍巖體穩(wěn)定性以硬巖最好、軟巖次之、緩傾互層最差，彰顯了下伏緩傾互層圍巖體對底部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的顯著影響。

圖7 3種工況下仰拱中部動態(tài)豎向位移Fig.7 Dynamic vertical displacement of middle invert under three different cases

圖8 3種工況下仰拱中部圍巖體豎向位移Fig.8 Vertical displacement of rock of middle invert under three different cases

5.2 互層圍巖體巖層厚度影響

緩傾互層巖體層厚分別取0.3 m/層(薄層)、0.5 m/層(中厚層)、1.0 m/層(厚層)和1.5 m/層(極厚層)。

不同層厚時隧道周邊塑性區(qū)分布見圖9，粉色表示彈性、紫色為曾屈服、紅色為剪切屈服、黃色為拉伸屈服。由圖9可知，塑性區(qū)隨層厚增加而減小，除極厚層外，隧底均出現(xiàn)層狀分離式不連續(xù)塑性區(qū)，與均質(zhì)圍巖體隧道周邊塑性區(qū)分布有顯著差異。率先屈服巖層牽引上、下相鄰巖層，使其產(chǎn)生損傷，并逐漸相繼屈服，當(dāng)塑性區(qū)累積至一定范圍時最終導(dǎo)致底部結(jié)構(gòu)隆起，且表現(xiàn)出顯著的“臺階式”特征。

由圖10可知，仰拱中部豎向位移隨層厚的增加而減小，且層厚的影響隨厚度的增加而逐漸減弱(極厚層時，仰拱中部豎向位移較厚層僅減少約10%)。

5.3 水平地應(yīng)力(側(cè)壓力系數(shù))的影響

鐘振強(qiáng)等[20]研究表明，地應(yīng)力對互層圍巖體隧道穩(wěn)定性有重要影響。按側(cè)壓力系數(shù)K分別取0.5，0.8，1.0，1.2，1.5，1.8，2.0，2.2和2.5，下伏圍巖體按薄層、中厚層、厚層、極厚層及均質(zhì)(Ⅲ級)情況，互層圍巖體層面結(jié)合情況一般計算，不同K值下的仰拱中部豎向位移見圖11。由圖11可知，下伏均質(zhì)巖體時，豎向位移基本隨K值的增大而增大；當(dāng)K為0.5～1.0時，豎向位移無明顯變化；當(dāng)K為1.0～2.5時，豎向位移隨K值增大而明顯增加。下伏緩傾互層圍巖體時，K值對豎向位移的影響呈現(xiàn)截然不同的特性；當(dāng)K為0.5～1.2時，豎向位移隨著K值增大而減??；當(dāng)K為1.2～2.5時，豎向位移隨K值增大而增大?？赏茰y對于緩傾互層圍巖體，存在最有利于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定(仰拱豎向位移最小)的側(cè)壓力系數(shù)值，即接近靜水壓力條件(本例K=1.2)。

(a) 薄層 (b) 中厚層

(c) 厚層 (d) 極厚層

圖10 不同層厚仰拱中部動態(tài)豎向位移Fig.10 Dynamic vertical displacement of middle invert with diffe-rent strata thicknesses

5.4 仰拱結(jié)構(gòu)形式的影響

4.3章節(jié)已論述底部結(jié)構(gòu)形式對隧道整體穩(wěn)定的重要影響，本文主要探討矢跨比(仰拱曲率)改變即仰拱加深的作用。按仰拱建材和厚度不變?yōu)闂l件，以設(shè)計仰拱矢跨比和分別加深0.5，1.0，1.5 m等4種工況(見圖12)計算。

圖11 側(cè)壓力系數(shù)-仰拱中部豎向位移曲線Fig.11 Curves of lateral pressure coefficient Vs vertical displacement at middle invert

(a) 原仰拱 (b) 仰拱加深0.5 m

(c) 仰拱加深1.0 m (d) 仰拱加深1.5 m

由表示不同工況下仰拱中部動態(tài)位移曲線的圖13可見，仰拱加深0.5，1.0，1.5 m時，相對于原仰拱形式下仰拱中部豎向位移分別減少了34.41%，51.9%和63.1%。說明加深仰拱可有效抑制底部隆起，但抑制效果隨深度增加而逐漸減弱。

圖13 不同仰拱結(jié)構(gòu)仰拱中部動態(tài)豎向位移Fig.13 Dynamic vertical displacement of middle invert with diffe-rent invert structures

5.5 數(shù)值分析小結(jié)

由以上分析可見，在高地應(yīng)力和互層圍巖體地質(zhì)環(huán)境下，特別是極高水平構(gòu)造應(yīng)力和薄至中厚緩傾互層圍巖體中，應(yīng)根據(jù)地應(yīng)力水平和圍巖體結(jié)構(gòu)進(jìn)行針對性的分析，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行隧底結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計，最終歸化為仰拱矢跨比和剛度的恰當(dāng)選擇。

6 YD隧道整治設(shè)計方案探討和實施階段性效果評價

6.1 病害成因的階段性認(rèn)識

6.1.1 咨詢前階段

諸如基底清理不規(guī)范、仰拱施工與設(shè)計參數(shù)不符、軌道板縫設(shè)置不規(guī)范是此階段病害的主要成因。為查明主因，經(jīng)查閱部分已有資料后建議進(jìn)行必要的驗證和咨詢工作。

6.1.2 咨詢階段

2013年2月初的專家咨詢意見為“隧底部分地段隆起、開裂、鋪底與道床脫離并不斷發(fā)展的原因，主要是工程地質(zhì)與水文地質(zhì)問題?；诪檐浫跄鄮r夾砂巖，并含有石膏夾層、云母等膨脹性物質(zhì)，遇水易軟化、膨脹。并且地下水較豐富，同時地應(yīng)力測試結(jié)果表明，該段存在較高的與隧道軸線近似垂直的水平地應(yīng)力，以上綜合原因?qū)е铝怂淼撞『Φ陌l(fā)生”。該意見方向正確全面，但過度強(qiáng)調(diào)了圍巖膨脹性和地下水的作用，且未突出和明確在高水平地應(yīng)力作用下互層圍巖體結(jié)構(gòu)的變形特征。

6.1.3 整治設(shè)計階段

認(rèn)為地下水的軟化和由此引起的膨脹作用為病害主因，也未放棄對施工偏差的追溯，對仰拱設(shè)計參數(shù)與極高水平地應(yīng)力作用下互層圍巖體結(jié)構(gòu)的變形特征是否適宜的問題及采用剛性錨固的建議未引起足夠重視。

6.2 整治方案的主要設(shè)計內(nèi)容

6.2.1 可選方案

針對該隧道病害的地應(yīng)力和圍巖體結(jié)構(gòu)特點，隧底隆起主要整治方向應(yīng)圍繞使仰拱具備的抗力可平衡和有余地平衡下伏圍巖體產(chǎn)生的荷載；對應(yīng)的技術(shù)路徑則應(yīng)主要包括構(gòu)建剛度和(或)矢跨比更大的仰拱、加固和改良下伏圍巖體提高其整體性、在一定范圍內(nèi)釋放極高地應(yīng)力、增大仰拱上覆荷載及上述手段的有機(jī)組合；實現(xiàn)整治目的常規(guī)措施應(yīng)主要選擇拆除既有仰拱重新構(gòu)建、深層固結(jié)注漿、錨桿(索)加固、加強(qiáng)仰

拱與邊墻的聯(lián)接、加裝混凝土反拱、構(gòu)建地應(yīng)力和地下水的釋放通道，以及前述措施的有機(jī)組合；本質(zhì)上就是用強(qiáng)大的工程結(jié)構(gòu)抵抗下伏圍巖體隆起或釋放綜合表現(xiàn)的地應(yīng)力或抗放結(jié)合。

考慮運營鐵路隧道和下伏圍巖體可注性差的特點，按徹底整治不留后患和盡量減小運營影響但不能以此否決相結(jié)合的原則考量，規(guī)避大拆大換和放棄地層注漿加固便成為必然選擇，經(jīng)概念性比較和分析，工程結(jié)構(gòu)整治主要備選方案如下：

1)隧底結(jié)構(gòu)錨固加固；

2)拆除或部分拆除既有仰拱，重新構(gòu)建參數(shù)適宜的仰拱；

3)構(gòu)建重力和(或)水平方向的地應(yīng)力釋放管井；

4)上述三者的有機(jī)組合。

6.2.2 咨詢意見

2013年2月初的專家咨詢整治方案意見可概括為“排降水、裂縫與離縫修補(bǔ)、錨索錨固”，錨索錨固可表述為“對隆起部位優(yōu)先采用長錨索進(jìn)行基底加固，控制仰拱上浮，具體整治方案由設(shè)計單位提出”。作為探索或先行的整治措施部分，該意見有一定益處。

6.2.3 整治設(shè)計的主要內(nèi)容

整治施工圖設(shè)計主要包括4方面內(nèi)容：1)全隧(含平導(dǎo))的排水疏導(dǎo)和裂縫(紋)修補(bǔ)；2)已發(fā)現(xiàn)離縫的填粘；3)在K108+598～+642段錨固；4)自橫通道甚至另辟橫通道的引排水預(yù)設(shè)計。

1)K108+598～+642段錨固(見圖14和圖15)。在隧道中線和側(cè)溝與軌道板之間對隧底實施L=20 m、縱向間距3 m的鉛垂向錨索加固計45孔，錨孔直徑為130 mm，錨索為6 mm@15.72 mm高強(qiáng)低松弛鋼絞線，錨固和自由段長度均為10 m，單孔張拉力為450 kN。在左、右軌道中線對軌道板和隧底實施L=10 m、縱向間距1.5 m的鉛垂向錨桿加固計58孔，錨孔直徑為110 mm，錨桿為32 mm PSB830精軋螺紋鋼，錨固和自由段長度分別為4 m和6 m，單孔張拉力為80 kN。

圖14 錨索(桿)布置縱斷面圖(單位：m)

圖 15 錨索(桿)布置橫斷面示意圖Fig.15 Tunnel cross-section showing arrangement of cables and rock bolts

2)引排水預(yù)設(shè)計。視地質(zhì)補(bǔ)勘結(jié)果，在地下水發(fā)育段落下游最近一處橫通道內(nèi)、距下行線路中線8 m處挖掘集水井；自井內(nèi)以1.5%仰坡、呈扇形布置(3～5根)，向隧道仰拱底部下方約50 cm鉆φ108 mm孔后布設(shè)水平投影越過隧道中線1 m的90PVC-Umm引水管，最小管長Lmin=10.2 m、預(yù)計最大管長Lmax=14.5 m，見圖16(a)。

視地質(zhì)補(bǔ)勘結(jié)果，在地下水發(fā)育段落下游平導(dǎo)正洞側(cè)垂直于平導(dǎo)方向挖掘洞軸凈長約13 m的集排水洞并在其內(nèi)下挖集水井；自井內(nèi)以3.0%仰坡、呈扇形布置(3～5根)，向隧道仰拱底部下方約50 cm鉆φ108mm孔后布設(shè)水平投影越過隧道中線1 m的90PVC-Umm引水管，最小管長Lmin=19.0 m、預(yù)計最大管長Lmax=26.5 m，見圖16(b)。

6.2.4 對整治設(shè)計的主要建議

6.2.4.1 錨固方面

1)設(shè)計前對接階段。在方向和概念性的設(shè)計前對接后，未采納以預(yù)應(yīng)力錨桿錨固、至少是“剛?cè)嵯酀?jì)”即預(yù)應(yīng)力錨桿與錨索相結(jié)合的方式的建議；少量間隔拆除后重新構(gòu)建部分仰拱的建議措施因顧慮對運營影響大而放棄。

2)設(shè)計審查階段?；趯﹀^索必然的松動、滑移特征及其量化值估量顧慮，筆者建議錨固不應(yīng)全部采用柔性的錨索，而應(yīng)采用預(yù)應(yīng)力錨桿或預(yù)應(yīng)力錨桿與錨索相結(jié)合即“剛?cè)嵯酀?jì)”的方式，并提請設(shè)計將錨索設(shè)置為可調(diào)式以便補(bǔ)充張拉應(yīng)對其松動、滑移；同時對以預(yù)應(yīng)力錨桿把道床板和下伏圍巖體一體化的設(shè)計意圖表示質(zhì)疑，一是若仰拱和下伏圍巖體穩(wěn)定則不必使之一體化，二是預(yù)應(yīng)力錨桿的長度決定了其錨固段可能仍處于塑性區(qū)而無效。設(shè)計決定先施作錨索，暫不施作錨桿。

3)實施階段。沒有采納提高錨索張力至700～800 kN的建議，但把封錨改為可調(diào)式。

4)實施后階段。部分拆除既有仰拱后重構(gòu)新參數(shù)，仰拱+長大預(yù)應(yīng)力錨桿+管孔式地應(yīng)力釋放措施兼具抽排可能的地下水的建議被再度提出，相關(guān)方未明確表達(dá)，安排了再次的補(bǔ)充鉆探。

(a)

(b)

6.2.4.2 排水方面

基于3.4章節(jié)的驗證和對以泥巖、泥質(zhì)巖等黏土巖為主的下伏圍巖體的透水性能和量值的認(rèn)知，認(rèn)為過多地強(qiáng)調(diào)地下水是病害主要原因之一可能使整治設(shè)計偏離方向，設(shè)計遂將引排水措施定位為預(yù)設(shè)計。

6.3 階段性效果評價

從圖4可見，錨索錨固后4個月(2013年9月6月—2014年1月4日) 內(nèi)，斷面K108+620的2，3，5測點繼續(xù)隆起2，1，2 mm，K108+630的2，3，5測點繼續(xù)隆起3.8，3.3，5.4 mm，隆起速度有所降低，但并無收斂的跡象，且后期呈現(xiàn)加速趨勢。從圖4可見，K108+630的2，3，5測點2014年1月4月—4月18日繼續(xù)隆起3.7，3.8，4.5 mm，在2014年4月18日左右進(jìn)行了錨索補(bǔ)充張拉，隆起變形停止了10 d后再度持續(xù)發(fā)展。錨索錨固措施對K108+598～+642段的底部結(jié)構(gòu)隆起起到了一定的降速或抑制作用，但沒有終止K108+598～+642段底部結(jié)構(gòu)的隆起。

7 結(jié)論與建議

7.1 結(jié)論

本文采用現(xiàn)場調(diào)查測試、理論分析和數(shù)值計算等手段，分析了YD隧道底部結(jié)構(gòu)隆起病害的成因并探討了相應(yīng)的治理方案，得出以下結(jié)論。

1)埋深50～300 m的隧底下伏薄至中厚緩傾、軟弱、平直結(jié)構(gòu)面互層圍巖體結(jié)構(gòu)在水平構(gòu)造應(yīng)力為主的極高地應(yīng)力作用下必然產(chǎn)生圍巖體的牽延性損傷積累，表現(xiàn)為病害不易量化預(yù)測的潛伏期較長或很長，地質(zhì)力學(xué)和圍巖體結(jié)構(gòu)是隧底結(jié)構(gòu)發(fā)生隆起病害的原因之一；仰拱參數(shù)不滿足如1.2章節(jié)所表述的地質(zhì)環(huán)境，是隧底結(jié)構(gòu)隆起病害發(fā)生的另一原因。

2)可能的圍巖膨脹性影響是通過地應(yīng)力表現(xiàn)出來的，但不易也沒有進(jìn)行量化研究，不能輕易忽略膨脹性巖體對病害發(fā)生所起的作用?，F(xiàn)有資訊和驗證不能判斷地下水和施工不規(guī)范是該隧病害發(fā)生的主要原因。

3)該隧K108+600～+700段的下伏圍巖體未達(dá)峰后變形階段，對應(yīng)地段的仰拱結(jié)構(gòu)尚處于彈塑性階段而未破壞，即“待勢蓄發(fā)”狀態(tài)；K109+250～+350段的下伏圍巖體已達(dá)峰后變形階段。

4)在7.1章節(jié)1)條所述地質(zhì)環(huán)境下，應(yīng)根據(jù)地應(yīng)力水平和圍巖體結(jié)構(gòu)進(jìn)行針對性分析，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行隧道底部結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計，最終歸化為仰拱矢跨比和剛度的恰當(dāng)選擇；無砟道床施工前的隧道穩(wěn)定性評估十分必要，但現(xiàn)有的3個月的變形觀測期顯得不足。

5)錨索必然的松動、滑移特征決定了其不能作為隧底結(jié)構(gòu)隆起病害整治單獨的和主要技術(shù)手段，以低預(yù)應(yīng)力錨桿錨固、至少是“剛?cè)嵯酀?jì)”的方式應(yīng)被重視。

6)隧道病害整治設(shè)計應(yīng)考慮整治施工對鐵路運營的影響，但不能以此否決必要的結(jié)構(gòu)整治手段。

7.2 建議

1)從該隧和筆者曾參與整治設(shè)計咨詢的區(qū)域內(nèi)外數(shù)座隧道相同或類似病害看，在緩傾互層圍巖體環(huán)境中、埋深50～300 m的隧道工程中，應(yīng)特別重視底部結(jié)構(gòu)的針對性設(shè)計。

2)高速列車對軌道幾何尺寸的高敏感性決定了隧底結(jié)構(gòu)隆起的安全風(fēng)險巨大，鐵路的運營特點導(dǎo)致其維修和病害整治的難度及其工作量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出公路隧道；在埋深50～300 m的高地應(yīng)力和互層圍巖體地質(zhì)條件下，當(dāng)量化分析不盡人意時，可采取較大的結(jié)構(gòu)安全冗量應(yīng)對，即采用更安全的仰拱結(jié)構(gòu)，這也是處于灰色認(rèn)知階段的隧道工程工作方法之一。

3)隧道工程地質(zhì)除倚重綜合圍巖級別的研判外，還應(yīng)著力于地應(yīng)力甚至地質(zhì)力學(xué)背景下對圍巖體結(jié)構(gòu)影響的研究，應(yīng)適度增加地質(zhì)勘測階段必要的地應(yīng)力測試工作量。

4)以《鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》作為隧道膨脹巖的標(biāo)準(zhǔn)不符合隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的有荷膨脹工況，建議盡快制定隧道的膨脹巖標(biāo)準(zhǔn)，并相應(yīng)改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。

5)慎重研究含水地層中全包防水設(shè)計的弊端，進(jìn)一步研究降低動荷載敏感區(qū)隧底填充圬工等級的技術(shù)方法。

6)無砟軌道比有砟軌道的確能大幅降低工務(wù)工作量，但是否應(yīng)一刀切地推廣，需要進(jìn)一步考慮，應(yīng)關(guān)注其適用的地質(zhì)條件。

7)應(yīng)研究高速列車對軌道幾何尺寸的高敏感性要求與隧道穩(wěn)定性判據(jù)的協(xié)調(diào)性。

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蘭州地鐵1號線區(qū)間盾構(gòu)首穿黃河

2014年9月20日前后，蘭州軌道交通1號線一期工程迎門灘至馬灘區(qū)間將開始隧道施工，該工程通過2條長度分別為2.13 km和1.9 km的水下隧道，將蘭州市三大主城區(qū)緊密連接起來，這也將是我國首條穿越黃河的交通隧道。

蘭州地鐵1號線將下穿黃河，是國內(nèi)的第一條黃河隧道，面臨著許多難以想象的困難。隧道位于黃河上游主河道內(nèi)，必須連續(xù)穿越厚達(dá)200～300 m的卵石層，這種地質(zhì)具有高滲透性和大孔隙等特征，穩(wěn)定性差且含有大量大塊硬質(zhì)漂石，這樣高難度的工程建設(shè)條件在國內(nèi)屬罕見。

穿黃段使用的盾構(gòu)為長度近百米的特種泥水盾構(gòu)，目前該盾構(gòu)正在加快建造，其中刀頭等關(guān)鍵設(shè)備在長沙加工。設(shè)備抵達(dá)蘭州后，預(yù)計可在25～30 d內(nèi)組裝完成，隨后開始隧道掘進(jìn)。

蘭州地鐵1號線全長約34 km，從東崗鎮(zhèn)出發(fā)，直至西固石崗。其中一期工程，東起東崗鎮(zhèn)，西至陳官營，正線長約26.78 km，基本沿蘭州市主客流走廊布設(shè)，工期預(yù)計2年9個月，它的建成將極大地緩解蘭州市日益緊張的交通壓力和擁堵現(xiàn)象。

(摘自 隧道網(wǎng) http://www.stec.net/sites/suidao/ConPg.aspx?InfId=225eee59-5c7a-4ea4-8221-d221b1b3f61e&CtgId=77bc9040-5c59-4063-b0a5-2771b7223dd9 2014-09-10)

AnalysisonCausesforandRenovationofFloorStructureofaHigh-speedRailwayTunnelLocatedinslightly-dippingInterbeddedRockMass

WANG Lichuan1,2,XIAO Xiaowen2,LIN Hui2

(1.ChengduRailwayBureau,Chengdu610082,Sichuan,China; 2.SchoolofCivilEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410075,Hunan,China)

Y.D.Tunnel,designed with a speed of 200 km and double-block ballastless track,in Southwest China is about 7.85 km in length.Varying degrees of heaving appeared in the floor structure of the tunnel within the region of K107+970～K109+270 after it was put into service.Cracks and failure developed in the ballastless tracks,resulting in track geometry changing in an unstable state.The railway operation was seriously influenced.The tunnel was located in low-medium thick interbedded strata of medium-weathered mudstone and sandstone.The in-situ stress was measured,indicating that there existed high horizontal stress nearly perpendicular to the tunnel axis.In the paper,the causes for the heaving of the floor structure of the tunnel are analyzed by means of field survey and measurement,theoretical analysis and numerical simulation.It is concluded that the causes for the heaving of the floor structure are as follows:1) Super-high ground stress,mainly taking the form of horizontal structural stress,acts on the slightly-dipping interbedded low-medium thick rock mass underlying the tunnel floor; 2) The parameters of the invert cannot meet the requirements of the geological conditions.The following countermeasures are proposed for the treatment of the floor heaving:1) For tunnels located in slightly-dipping interbedded rock mass and under 50 m～300 m cover,special attention should be paid to the specific design of the floor and appropriate rise span ratio and rigidity should be selected for the tunnel invert; 2) Due to the loosening and sliding features of the anchor cables,the anchor cables cannot be taken as the only or major technological measures to control the heaving of the tunnel floor; on the other hand,rock bolting,at least “rigid control measures + flexible control measures” should be taken to control the heaving of the tunnel floor.

railway tunnel; slightly-dipping interbedded rock mass; horizontal ground stress; floor structure heaving; disease causes; treatment

2014-04-08;

2014-07-15

國家科技支撐項目(2012BAG05B00)

王立川(1965—)，男，河南孟州人，2011年畢業(yè)于中南大學(xué)，橋梁與隧道工程專業(yè)，博士，教授級高級工程師，現(xiàn)任成都鐵路局副總工程師。長期從事鐵路、軌道交通、公路、水利等行業(yè)的隧道與地下工程施工、病害(缺陷)整治、地質(zhì)災(zāi)害防治、施工管理、建設(shè)管理、設(shè)計和施工咨詢工作，致力于淺埋、偏壓、大跨、強(qiáng)透水地層、淤泥質(zhì)軟土等地下工程的結(jié)構(gòu)和施工技術(shù)研究。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.09.003

U 457+.2；U 459.1

A

1672-741X(2014)09-0823-14