作者簡(jiǎn)介：

肖 偉（1973—），工程師，主要從事道路工程建設(shè)工作。

摘要：為探究侵入巖脈蝕變帶地層隧道開(kāi)裂成因并提出有效的處置措施，文章以瀘石高速公路杵坭隧道左線在地震作用下襯砌開(kāi)裂破壞為工程背景，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察和研究，對(duì)巖脈地層的隧道開(kāi)裂原因進(jìn)行分析，提出有效的處治措施。由此得出結(jié)論：巖脈侵入造成巖脈蝕變帶中巖體完整性、連續(xù)性差，導(dǎo)致隧道極易在地震等動(dòng)力作用下出現(xiàn)開(kāi)裂等破壞；該工程中提出的侵入巖脈蝕變帶隧道的開(kāi)裂處治措施，包括圍巖注漿加固、設(shè)置臨時(shí)鋼支撐和二襯重建等，可為其他相似工程提供參考；對(duì)于地震烈度區(qū)的侵入巖脈蝕變帶地層隧道，因地震力導(dǎo)致隧道側(cè)向力增加，在設(shè)計(jì)中宜考慮采用有仰拱的襯砌類型。

關(guān)鍵詞：隧道工程；侵入巖脈蝕變帶；隧道開(kāi)裂；處治措施

中圖分類號(hào)：U455.91文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 34 114 4

0 引言

瀘石高速公路是連接雅西和雅康兩個(gè)主要高速公路的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，其在緩解國(guó)道318線和108線的交通壓力、減輕雅西和雅康高速公路的流量壓力以及提供方便的交通轉(zhuǎn)換方面具有重要作用。該項(xiàng)目建成后將完善川西地區(qū)的高速公路網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于促進(jìn)民族地區(qū)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、助推脫貧攻堅(jiān)等方面具有十分重要的意義［1］。

川西地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造作用活躍，普遍存在侵入巖脈蝕變帶這一地質(zhì)現(xiàn)象［2-3］。瀘石高速公路杵坭隧道在修建過(guò)程中，在火成巖侵入巖脈這一地質(zhì)條件下，因地震而誘發(fā)初支的開(kāi)裂和破壞，極大地影響了施工的正常進(jìn)行。

在與熾熱巖漿接觸時(shí)，圍巖會(huì)經(jīng)歷不同程度的變質(zhì)，這是巖漿侵蝕的結(jié)果。在侵入巖脈蝕變帶中，已不僅是單純的侵入巖體和圍巖兩種巖性，而是呈現(xiàn)出多種巖性混合的情況，圍巖的力學(xué)性質(zhì)極差［4-5］。國(guó)內(nèi)的侵入巖蝕變帶地層工程案例中，洛陽(yáng)至湛江鐵路清水隧道及北崗隧道發(fā)生初支變形、開(kāi)裂災(zāi)害［6］，從莞高速公路觀音山隧道發(fā)生塌方災(zāi)害［7］，拉林鐵路藏噶隧道發(fā)生大變形災(zāi)害［8］，所述工程的修復(fù)主要以增強(qiáng)圍巖自身承載能力和加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)為基本原則。

以上工程實(shí)例均為靜力作用下的隧道災(zāi)害，但對(duì)于侵入巖脈蝕變帶地層隧道在動(dòng)力作用下的災(zāi)害問(wèn)題，國(guó)內(nèi)的研究還有所欠缺。本文將根據(jù)瀘石高速公路杵坭隧道因地震作用開(kāi)裂這一實(shí)際工程背景，分析開(kāi)裂產(chǎn)生的原因，并給出隧道在動(dòng)力作用下開(kāi)裂的有效處治措施，為今后類似的工程提供參考。

1 工程概況

1.1 隧道概況

杵坭隧道位于瀘定縣冷磧鎮(zhèn)境內(nèi)，起于冷磧鎮(zhèn)杵坭村，止于鄧油房村。設(shè)計(jì)為單洞雙車道分離式特長(zhǎng)隧道，時(shí)速為80 km。左線長(zhǎng)4 712 m，右線長(zhǎng)4 715 m。隧道主洞凈寬為10.25 m，凈高為5 m。隧道主洞建筑限界如圖1所示。

1.2 地質(zhì)概況

杵坭隧道長(zhǎng)4 715 m，最大埋深為800 m。隧址區(qū)屬構(gòu)造侵蝕剝蝕高山地貌，主體圍巖主要為花崗巖、閃長(zhǎng)巖和輝綠巖脈。隧址區(qū)主要斷裂構(gòu)造有金坪斷層（F30）、瀘定斷裂（F27-2）（距400 m）以及次級(jí)斷層（圖2）。金坪斷層于K20+170附近穿越擬建路線，次級(jí)斷層于K20+750附近斜交路線，受斷層影響，洞身段還存在其他次級(jí)小斷層或節(jié)理密集帶，并伴有輝綠巖巖脈，局部巖體較破碎-破碎。

其中，隧址區(qū)基巖為元古界早震旦系巖漿巖，根據(jù)地質(zhì)調(diào)查及鉆探揭示，主要巖性為花崗巖、閃長(zhǎng)巖，局部有輝綠巖巖脈侵入。隧址區(qū)處于Ⅷ度強(qiáng)震區(qū)，地震動(dòng)峰值加速度為0.2 g、0.3 g；地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.40 s、0.45 s，屬于高地震烈度區(qū)。

侵入巖脈蝕變帶地層隧道襯砌地震開(kāi)裂成因與處治措施研究/肖 偉

2 開(kāi)裂事件與成因分析

2.1 開(kāi)裂事件發(fā)生過(guò)程

擬建杵坭隧道為傍山隧道，左線長(zhǎng)4.712 m，右線長(zhǎng)4.715 m，于2022-03-24至2022-04-06完成該隧道左線ZK21+240～ZK21+420段的開(kāi)挖和初期支護(hù)，于2022-05-02至2022-05-18完成該段的二襯施工。2022-09-05 12：52（北京時(shí)間）在甘孜藏族自治州瀘定縣發(fā)生6.8級(jí)地震，震源深度為16 km，震中位于瀘定縣磨西鎮(zhèn)（北緯29.59°，東經(jīng)102.08°），距隧址區(qū)域約20 km，地震烈度為8度。該段在地震后排查發(fā)現(xiàn)，二襯出現(xiàn)縱向和環(huán)向開(kāi)裂現(xiàn)象，裂縫深度表現(xiàn)為涉及二襯段落全破壞，其中ZK21+289～ZK21+340段開(kāi)裂嚴(yán)重，此段調(diào)平層出現(xiàn)隆起現(xiàn)象，二襯出現(xiàn)縱向貫通裂縫（二襯折斷），二襯基本處于失效狀態(tài)（圖3）。

2.2 成因分析

2.2.1 巖脈侵入接觸蝕變帶圍巖穩(wěn)定性差

采用TGP206對(duì)杵坭隧道進(jìn)口左線ZK21+200～ZK21+350段進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。在里程段ZK21+205～ZK21+250和ZK21+255～ZK21+268內(nèi)反射極性圖中縱、橫波負(fù)反射振幅幅度明顯，說(shuō)明該段里程巖體較破碎，縱、橫波繞射偏移成果圖中冷、暖色反射條帶交替出現(xiàn)，推測(cè)該段里程巖體完整性、連續(xù)性較差。因此，推斷在此里程段巖體破碎，裂隙發(fā)育，可能發(fā)育有密集節(jié)理裂隙破碎帶，裂隙間為泥、砂質(zhì)充填，該段巖體地下水稍發(fā)育，多為基多巖裂隙水出露，受軟弱巖脈蝕變影響存在偏壓不均勻荷載，圍巖穩(wěn)定性差。

2.2.2 地震水平力對(duì)隧道側(cè)壓力增加

通常認(rèn)為，在地震時(shí)隧道圍巖的振動(dòng)加速度較地面要小，并且圍巖具有足夠的剛度，可以保持隧道的形狀不變，所以隧道具有較好的抗震性能。但實(shí)際上隧道很容易遭受地震的強(qiáng)烈破壞。地震發(fā)生時(shí)，開(kāi)裂段二襯施作完成，路面尚未澆筑，在地震作用下，隧道側(cè)壓力增加，部分段落調(diào)平層隆起（圖4），造成拱腳水平失穩(wěn)，導(dǎo)致二襯縱向開(kāi)裂。

2.2.3 原有結(jié)構(gòu)巖脈地層適應(yīng)性不足

左洞作為先行洞，開(kāi)挖時(shí)掌子面圍巖表現(xiàn)較好，襯砌類型由原設(shè)計(jì)Z3b變更為Z3a；右洞開(kāi)挖時(shí)，掌子面圍巖穩(wěn)定性差，由原設(shè)計(jì)Z3b變更為Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)。右洞施工時(shí)產(chǎn)生的擾動(dòng)會(huì)對(duì)左洞已施工完成的結(jié)構(gòu)質(zhì)量較大的影響，且左洞襯砌類型無(wú)仰拱設(shè)計(jì)，使得襯砌侵入巖脈蝕變帶隧道，容易發(fā)生開(kāi)裂破壞。

3 處治措施

綜合前述分析，隧道所處的地質(zhì)環(huán)境極為復(fù)雜，所發(fā)生的病害也是多種多樣，處治的主要思路包括主動(dòng)型圍巖加固、被動(dòng)型結(jié)構(gòu)加固以及裂縫修補(bǔ)、隧道長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，其中主動(dòng)型圍巖加固的措施有4.5 m長(zhǎng)42 mm小導(dǎo)管注漿加固，6 m長(zhǎng)89 mm鎖腳；被動(dòng)型結(jié)構(gòu)加固的措施有二襯拆換重建、模筑套襯、裂縫修補(bǔ)等。

根據(jù)隧道病害的類型及嚴(yán)重程度，有針對(duì)性地選擇多種措施的有機(jī)組合。處治措施及段落由業(yè)主、設(shè)計(jì)、施工及監(jiān)理四方根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件動(dòng)態(tài)確認(rèn)調(diào)整。

3.1 圍巖注漿加固

根據(jù)襯砌變形開(kāi)裂等級(jí)，采用42 mm注漿小導(dǎo)管，長(zhǎng)度為3 m，間距均為120 cm×120 cm（縱向×環(huán)向），均為梅花形布置（下頁(yè)圖5）。以堵水為主時(shí)采用水泥-水玻璃雙液漿，C∶S=1∶（0.4～0.6）（體積比），水泥漿水灰比0.8∶1～1∶1，水泥采用42.5普通硅酸鹽水泥，水玻璃模數(shù)2.8，水玻璃濃度35°Be′；以加固圍巖為主時(shí)采用純水泥。易變形部位（抬動(dòng)部位）應(yīng)安設(shè)變形監(jiān)測(cè)裝置，在灌漿施工全過(guò)程中進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、連續(xù)觀測(cè)并記錄，變形值不得超過(guò)設(shè)計(jì)規(guī)定。

3.2 套襯加固

對(duì)裂縫較嚴(yán)重段落采用套襯加固，套襯按25 cm的C50鋼筋混凝土進(jìn)行加固，作為比選方案。

3.3 二襯拆除重建加固

3.3.1 拆除作業(yè)前期準(zhǔn)備工作

根據(jù)隧道病害情況標(biāo)記二襯拆除長(zhǎng)度。為了保證施工安全，在拆除二襯前采用Ⅰ20工字鋼設(shè)置背拱鋼架臨時(shí)支撐（圖6）。Ⅰ20b工字鋼縱向間距按50 cm設(shè)置。

3.3.2 圍巖加固

待臨時(shí)支撐施作完畢，設(shè)置長(zhǎng)3.0 m的42 mm注漿小導(dǎo)管對(duì)圍巖進(jìn)行加固處理。按一環(huán)錨桿一環(huán)注漿小導(dǎo)管交錯(cuò)梅花形方式布置，間距為1.2 m。

3.3.3 二襯拆除

二襯拆除前，應(yīng)按小段對(duì)工字鋼臨時(shí)支撐進(jìn)行拆除，應(yīng)遵循“施工哪一段，僅解除該段的臨時(shí)支撐”的方式，嚴(yán)禁大范圍同時(shí)拆除臨時(shí)支撐。二襯應(yīng)按從拱頂?shù)竭厜?、從上到下的順序拆除，即先拱頂、再拱腰、最后邊墻的順序（圖7），每次拆除長(zhǎng)度應(yīng)≤6 m。為了減少對(duì)初支、圍巖及二襯的擾動(dòng)，施工過(guò)程中慎重采用爆破的方式破除二襯?，F(xiàn)場(chǎng)根據(jù)情況，在確保安全及專項(xiàng)施工方案評(píng)審后，可采取弱爆破分段拆除方案（圖8）。即采用密集炮孔及不連續(xù)間隔裝藥結(jié)構(gòu)易使爆破區(qū)內(nèi)混凝土碎塊化，形成拱腰薄弱區(qū)和邊墻薄弱區(qū)，處于非爆區(qū)段的拱頂二襯混凝土憑借自重下墜，能夠安全快速地拆除二襯混凝土。

3.3.4 初支拆換

二襯拆除后對(duì)初支斷面進(jìn)行掃描，確保初支未變形，當(dāng)二襯斷面厚度＜30 cm時(shí)，需要拆換初支斜井，確保二襯厚度。

3.3.5 二襯重建

當(dāng)連續(xù)拆除節(jié)段長(zhǎng)度達(dá)到模筑二襯混凝土施工條件時(shí)，及時(shí)跟進(jìn)二襯混凝土澆筑，使二襯結(jié)構(gòu)體系及時(shí)封閉成環(huán)。為了盡可能縮短二襯與拆除工作面之間的距離，必要時(shí)應(yīng)停止對(duì)拆除工作面的施工。待拆除后的二襯混凝土得以緊密貼合后，再開(kāi)始進(jìn)行拆除作業(yè)。預(yù)留預(yù)埋按原設(shè)計(jì)施工。

3.3.6 背后空洞注漿填充

二襯重建需預(yù)留回填注漿孔，二襯施工完成后，初支與二襯間通過(guò)注漿小導(dǎo)管回填密實(shí)，保證施工質(zhì)量。

3.3.7 健康監(jiān)測(cè)

二襯重建完成后，應(yīng)建立運(yùn)營(yíng)期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，掌握隧道變形、受力狀況。施工工序詳見(jiàn)設(shè)計(jì)圖紙，工序根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況可適當(dāng)調(diào)整。

4 結(jié)語(yǔ)

本文依托瀘石高速公路杵坭左線隧道巖脈侵入接觸蝕變帶地層開(kāi)裂案例，對(duì)巖脈地層的隧道開(kāi)裂原因進(jìn)行總結(jié)，并給出有效的處理措施，有以下結(jié)論：

（1）巖脈侵入造成的巖脈蝕變帶中的巖體完整性、連續(xù)性差，在巖脈的擠壓破壞作用下巖體破碎、裂隙發(fā)育，裂隙間為泥、砂質(zhì)充填，圍巖穩(wěn)定性差。受軟弱巖脈蝕變影響存在偏壓不均勻荷載，使得隧道極易在地震等動(dòng)力作用下出現(xiàn)開(kāi)裂等破壞。

（2）對(duì)于侵入巖脈蝕變帶隧道的開(kāi)裂處治，總體的思路是主動(dòng)型圍巖加固如圍巖注漿，提高圍巖自承能力，以及被動(dòng)型圍巖加固如設(shè)置臨時(shí)鋼支撐和二襯重建，加強(qiáng)隧道抵抗變形的能力。在實(shí)際工程中應(yīng)該根據(jù)災(zāi)害的類型和程度，靈活選擇一種或多種措施。

（3）對(duì)處于地震烈度區(qū)的侵入巖脈蝕變帶地層隧道，因地震造成隧道側(cè)壓力增加，容易造成拱腳失穩(wěn)問(wèn)題，無(wú)仰拱設(shè)計(jì)的二襯類型在侵入巖脈蝕變帶地層適應(yīng)性不足，在實(shí)際工程中應(yīng)該考慮采用有仰拱的二襯類型。

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