蘭渝鐵路梅嶺關(guān)隧道底鼓段病害成因分析

王崇艮 王茂靖 趙 文 吉安娜 劉亞雄

(1.中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司， 成都 610031;2.西南交通大學(xué)， 成都 610031)

蘭渝鐵路梅嶺關(guān)隧道2009年開工建設(shè)，2015年建成通車。2016年3月，鐵路工務(wù)部門對隧道軌道精調(diào)時，發(fā)現(xiàn)DK 610+612～DK 610+712段軌道異常超高，發(fā)生了隧底底鼓病害，且隧底底鼓持續(xù)發(fā)展。設(shè)計單位于2018年對底鼓段進行了地質(zhì)補勘，并采取了隧道補強措施。結(jié)合隧道所處的區(qū)域地質(zhì)環(huán)境和地應(yīng)力測試結(jié)果，對比施工圖階段與補勘階段的巖石試驗強度成果，采用擠壓型因子判斷公式(Jethwa et al.1984)對比計算[1]，分析了隧道底鼓病害產(chǎn)生的主要原因。

1 隧道病害概況

1.1 工程概況

蘭渝鐵路梅嶺關(guān)隧道(施工里程DK 607 +329～DK 615+600)位于四川盆地北東部的廣元市元壩區(qū)石井鋪鄉(xiāng)，軸線走向N10°W，全長 8 215 m，最大埋深約410 m(位于DK 609+003附近)。隧道為雙線無砟隧道，設(shè)計速度200 km/h，縱坡為5‰、3‰的人字坡，滿足開行雙層集裝箱要求，仰拱矢跨比約為1∶10.7。

1.2 病害概況

隧道施工開挖過程中，DK 610+550～DK 610+993段出現(xiàn)拱頂初期支護縱向開裂、拱頂下沉及噴混凝土掉塊現(xiàn)象，具體情況如表1所示。

表1 隧道施工中部分段落初支變形開裂情況表

施工階段對邊墻、拱頂加強了初支措施，但仰拱仍采用素混凝土填筑。

開通運營前，工務(wù)部門發(fā)現(xiàn)動車通過DK 610+612～DK 610+712上行線時存在晃車現(xiàn)象，線路測量后軌道異常超高，該段限速80 km/h運行。同時設(shè)置觀測點對軌道進行監(jiān)控測量。左線軌道板測量結(jié)果如圖1所示。從圖1可以看出，從2017年6月-2020年3月，DK 610+637斷面左側(cè)軌道累計變形22.5 mm。

圖1 歷次測量結(jié)果圖

現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，左線(上行線)DK 610+589.5～DK 610+652段靠邊墻側(cè)軌道板與仰拱填充面存在離縫，離縫寬度約1～26 mm，最嚴(yán)重點位于DK 610+632處，寬26 mm，深27 cm。此位置裂縫在2016年4月線路開通前就存在，當(dāng)時裂縫寬6 mm，深18 cm。DK 610+637處存在一條環(huán)向貫通裂紋，貫通了側(cè)溝和中心溝。

對于該段病害，2019年3月完成了仰拱地基鉆孔灌注樁(長10 m、樁徑300 mm)錨固、中心溝埋管后回填、施作泄水孔引排地下水的綜合整治措施。至2020年4月，該段底鼓病害整治后，上行線高程隆起約2 mm，平面位移1.3 mm。

2 隧道區(qū)域工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

隧道位于構(gòu)造侵蝕中低山區(qū)，單面山迭嶺地貌，地面高程500～1 000 m，相對高差300～400 m，自然坡度35°～50°，地形起伏大。進口段縱向河谷深切，溝壁地形陡峻，地面坡度30°～50°。進口位于下王家壩河溝陡崖下，基巖裸露，地勢陡峻。洞身穿越多條順巖層走向切割的單面山山梁，構(gòu)造坡平緩，地面橫坡10°～20°，多村落及耕地，侵蝕坡陡峻，地面橫坡達(dá)30°～50°，局部為陡崖，地表多為柏樹林及灌木荊藤。地面標(biāo)高560～990 m，相對高差約430 m。出口位于大溝河與尹家河交匯下游約50 m處，地勢較陡。

2.2 地層巖性

2.3 地質(zhì)構(gòu)造與地震動參數(shù)

隧址區(qū)位于龍門山印支褶皺帶東部、四川中坳陷燕山褶皺帶中之川北凹陷東部，侏羅系、白堊系地層廣泛分布，形成緩而開闊的背、向斜或孤立的鼻狀彎曲穹隆構(gòu)造，以水平巖層及寬緩褶曲構(gòu)造為主，主要構(gòu)造線走向均以東西向為主，褶皺多為寬緩褶皺。隧道北為潼涬關(guān)鼻狀構(gòu)造，其南為舒展開闊的向場向斜，隧道洞身為單斜構(gòu)造，傾角3°～15°，NEE-SWW向展布，無斷層構(gòu)造，地質(zhì)構(gòu)造簡單。巖體中主要發(fā)育兩組構(gòu)造節(jié)理，一組走向NW,一組走向NE，傾角陡傾。

根據(jù)2008年12月中國地震局地殼應(yīng)力研究所《蘭渝鐵路重點工程場地安全性評價和沿線地震動參數(shù)區(qū)劃》，測區(qū)地震動峰值加速度0.10 g，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.40 s。

2.4 水文地質(zhì)條件

隧址區(qū)地下水主要存在兩種類型，即第四系松散堆積層孔隙水和基巖裂隙水。第四系孔隙水賦存于坡殘積、坡崩積層中，因區(qū)內(nèi)土層厚度不大，降水多沿坡面匯集于沖溝排泄，補給水量有限，含水量甚微，主要分布于出口表層覆蓋土中。隧道洞身主要為基巖裂隙水，賦存于基巖裂隙中，其中泥巖屬相對隔水層，裂隙水較貧乏，多發(fā)育于淺層風(fēng)化裂隙中。砂巖構(gòu)造裂隙較發(fā)育，地下水相對較豐富，主要接受地表水及壤中水下滲補給。本段隧道洞身為泥巖、泥質(zhì)砂巖，局部夾砂巖，地下水一般沿砂巖、泥巖接觸面滲流，地下水相對泥巖較發(fā)育，鉆孔勘探取樣揭示賦存于砂巖中的地下水存在承壓性，無侵蝕性。計算隧道平常涌水量為 2 900 m3/d，雨季最大涌水量為 8 600 m3/d。

3 隧道地應(yīng)力測試及巖石工程特性

3.1 地應(yīng)力測試

梅嶺關(guān)隧道最大埋深約410 m，對隧道洞身埋深最大處的DZ-MLG-1鉆孔進行地應(yīng)力測試，根據(jù)《蘭渝線鐵路地應(yīng)力測量分析報告》，該孔深度在394.50～395.30范圍內(nèi)，實測應(yīng)力結(jié)果為SH=15.23 MPa，Sh=9.87 MPa，Sv=10.26 MPa，不存在發(fā)生巖爆的可能。最大水平主應(yīng)力方向為N25°W～N33°W，與隧道軸線方向(隧道軸線N10°W)夾角較小，最大水平主應(yīng)力方向有利于圍巖的穩(wěn)定性。

最大主應(yīng)力隨深度的線性回歸方程為：

SH=-5.77+0.053D

(1)

最小主應(yīng)力隨深度的線性回歸方程為：

Sh=-3.59+0.035D

(2)

式中：D——鉆孔深度。

最大主應(yīng)力線性回歸方程相關(guān)系數(shù)取0.97，最小主應(yīng)力線性回歸方程相關(guān)系數(shù)取0.984。隧道底鼓段埋深260～280 m，根據(jù)上述回歸方程，最大主應(yīng)力為8.01～9.10 MPa,最小主應(yīng)力為5.51～6.21 MPa，最大主應(yīng)力與洞軸線夾角為20°。

3.2 巖石強度試驗

勘察階段，通過深孔鉆探在隧道洞身取巖樣47組，主要試驗結(jié)果如表2所示。

表2 勘察階段隧道圍巖巖石強度表

補勘中采取巖石樣本20組，并對11組巖樣進行了巖石強度試驗，結(jié)果如表3所示。

表3 補勘階段隧道圍巖巖石強度表

由表2、表3的巖石天然抗壓強度及天然含水量可知，隧道開通后，隧底巖石天然含水率大幅增加，巖石單軸天然抗壓強度大幅降低。巖石天然含水率與抗壓強度關(guān)系如圖2所示。

圖2 抗壓強度與含水率的關(guān)系圖

3.3 巖石膨脹特性

選取14組巖樣進行了膨脹巖試驗，試驗結(jié)果僅1組巖樣自由膨脹率為31%，飽和吸水率為16.72%，達(dá)到膨脹巖指標(biāo)，其余均達(dá)不到膨脹巖指標(biāo)，其中最大膨脹力僅為48.9 kPa。因此，可判定紅層泥巖不屬于膨脹巖[2]，不會引起隧道底鼓。

3.4 襯砌混凝土強度

選取6組仰拱混凝土試樣進行巖芯強度試驗，測得混凝土強度最大值為38.3 MPa，最小值為28.9 MPa，平均值為32.68 MPa；選取11組仰拱填充層混凝土試樣進行強度試驗，測得混凝土強度最大值為34 MPa，最小值為26 MPa，平均值為28.58 MPa。從隧道仰拱和填充層混凝土強度來看，施工已達(dá)到設(shè)計強度要求。

4 病害成因分析

根據(jù)隧道底鼓病害段的地質(zhì)勘察結(jié)果，隧底圍巖為四川紅層泥巖和泥質(zhì)砂巖。巖樣膨脹性指標(biāo)顯示，底部圍巖不屬于膨脹巖類，巖石膨脹力極小。因此，隧底圍巖變形不是巖石膨脹性引起的，也與混凝土強度無關(guān)，而是在殘余構(gòu)造應(yīng)力作用下，巖石強度變化引起圍巖擠壓變形緩慢發(fā)生的[3-5]。

4.1 紅層泥巖蠕變特性

在病害段取2組紅層泥巖試樣做壓縮流變試驗(如圖3所示)，巖石單軸抗壓強度平均值約為8.4 MPa。將巖石制成直徑50 mm，高度50 mm的試樣，制樣時盡量確保試件的含水率接近天然狀態(tài)。試驗進行580～760 h后，結(jié)果如圖4所示。

圖3 紅層泥巖蠕變試驗圖

圖4 紅層泥巖壓縮蠕變特征圖

從圖4可以看出，紅層泥巖長期強度約為3.0～3.6 MPa，約為峰值強度的35.6%～42.8%，巖石破壞時的軸向應(yīng)變約12.2%～16.3%。這說明紅層泥巖在長期較大壓應(yīng)力的作用下，將產(chǎn)生較大的蠕變變形并趨于破壞。

4）訂制協(xié)議書、協(xié)議書附圖。按照制定好的模板編制協(xié)議書、協(xié)議書附圖，并錄入相關(guān)成果表。成果表包括界樁登記表、界樁成果表、界址點成果表和三交點成果表等。

4.2 高應(yīng)力環(huán)境下水平層狀結(jié)構(gòu)巖體破壞模式

采用離散單元法對水平層狀巖結(jié)構(gòu)巖體破壞模式進行分析。為簡化計算，模型尺寸為高150 m，寬120 m，隧道尺寸由蘭渝鐵路單線單洞洞型簡化而成。模型上、左、右邊界均采用應(yīng)力邊界，施加的應(yīng)力與實測應(yīng)力對應(yīng)，底邊界固定。計算隧道開挖前初始應(yīng)力后，再進行隧道開挖分析。水平層狀結(jié)構(gòu)隧道巖體破壞模式如圖5所示。對于水平層狀結(jié)構(gòu)巖體，在隧道開挖擾動應(yīng)力作用下，拱頂巖體產(chǎn)生折斷塌陷，仰拱巖體也產(chǎn)生回彈變形，同時產(chǎn)生部分巖體的折斷，但不如拱頂嚴(yán)重。水平層狀結(jié)構(gòu)巖體變形以拱頂和拱底的豎向變形為主。

圖5 水平層狀結(jié)構(gòu)巖體破壞模式圖

4.3 底鼓機理分析

(1)底鼓段最大水平構(gòu)造應(yīng)力

病害段最大水平主應(yīng)力為8.01～9.01 MPa，最小水平主應(yīng)力為5.51～6.21 MPa，垂直應(yīng)力最大水平應(yīng)力與隧道洞軸線交角20°，因此，垂直洞軸線的最大地應(yīng)力為：

σmax=SHsin2φ+Shcos2φ

(3)

計算結(jié)果顯示，隧道洞軸線最大構(gòu)造主應(yīng)力為5.81～6.53 MPa，垂直應(yīng)力為6.76～7.28 MPa；水平垂直應(yīng)力比σH/σv=1.12～1.16。

(2)地應(yīng)力等級判斷

根據(jù)巖樣試驗資料，隧底大部分為紅層泥巖，勘察階段47組巖石天然抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值取30.76 MPa， 強度應(yīng)力比Rc/σmax約為5.29～4.71,巖石強度應(yīng)力比4

紅層泥巖地區(qū)隧道產(chǎn)生變形的原因在于隧道周邊一定范圍內(nèi)的圍巖產(chǎn)生了較大塑性變形。采用擠壓性判斷因子Nc判斷其擠壓等級[7]：

(4)

其中，σcm=

式中：σcm——巖體單軸抗壓強度；

P0——最大初始地應(yīng)力；

δci——巖塊強度；

mi——Hoek-Brown常數(shù)；

GSI——地質(zhì)強度指數(shù)。

圍巖擠壓性分級如表4、表5所示。

表4 圍巖擠壓性分級表(據(jù)Jethwa et al，1984)

表5 圍巖擠壓性分級表(據(jù)Hoek，2000)

定測階段鉆探及井中測試顯示，本段圍巖完整性較好，巖體強度較高，綜合判示為Ⅲ級圍巖。取巖塊強度σci=30.7 MPa，P0=9.0 MPa,mi=8，GSI=75，則Nc=1.17，屬輕度擠壓圍巖，其變形潛勢為Ⅰ級，變形量接近0。根據(jù)補勘取樣試驗結(jié)果，病害段取巖塊強度σci=8.4 MPa，P0=9.0 MPa,mi=8，GSI=60，計算得Nc=0.18，屬高度擠壓圍巖，其變形潛勢為Ⅲ級，變形嚴(yán)重。

隧道大部分段落，巖體較為完整，圍巖為弱-微風(fēng)化，地下水不發(fā)育，巖體強度較高?？辈祀A段判示為輕度擠壓圍巖，變形潛勢為Ⅰ級，實際揭示情況亦未發(fā)生變形。底鼓病害段圍巖節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體完整性較差，圍巖多為弱風(fēng)化，因地下水浸潤，相較勘察階段，巖石天然含水率明顯增加，天然抗壓強度明顯降低。判示為高度擠壓圍巖，變形潛勢為Ⅲ級，變形嚴(yán)重，隧底實際情況與判示一致。

(4)綜合分析

隧道地處單斜構(gòu)造，隧道與巖層走向近正交，底鼓段巖層傾角10°左右，近于水平產(chǎn)出。隧址區(qū)水平地應(yīng)力大于垂直應(yīng)力，顯示存在較大水平向構(gòu)造應(yīng)力。病害段圍巖整體較破碎，加之圍巖抗壓強度低，且泥巖與砂巖接觸帶存在一定基巖裂隙水，地下水作用使得隧底圍巖進一步軟化，表現(xiàn)出強度逐漸降低的時效性。隧底圍巖處于高初始地應(yīng)力區(qū)，在構(gòu)造水平地應(yīng)力作用下，低強度的泥巖存在緩慢蠕變，加之隧底仰拱矢跨比較大，且為素混凝土結(jié)構(gòu)，其強度不足以抵抗圍巖蠕變形變，進而發(fā)生向臨空面彎曲的底鼓變形。最終隧底圍巖底鼓變形引發(fā)其上無砟軌道變形，且具有放大作用。

5 結(jié)論

本文通過對蘭渝鐵路梅嶺關(guān)隧道底鼓段病害成因的分析，得出以下主要結(jié)論：

(1)隧道底鼓病害是因為隧道本身處于高應(yīng)力近水平層狀軟質(zhì)巖層中，構(gòu)造應(yīng)力長期對圍巖產(chǎn)生擠壓作用。施工引起圍巖松弛，地下水環(huán)境發(fā)生改變，在殘余構(gòu)造應(yīng)力作用下，圍巖強度降低，軟質(zhì)巖發(fā)生蠕變。較大矢跨比的隧底素混凝土仰拱結(jié)構(gòu)不足以抵抗巖石形變，從而產(chǎn)生底鼓病害。

(2)隧道勘察設(shè)計應(yīng)高度重視殘余構(gòu)造地應(yīng)力、現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力及自重應(yīng)力背景值、巖石強度及其影響因素，特別是軟質(zhì)圍巖在恒定應(yīng)力作用下的流變特性、時效特性及持續(xù)變形特性。研究隧道初始地應(yīng)力背景下的巖石強度應(yīng)力比十分必要。

(3)由于巖體及構(gòu)造的不均一性和差異性，圍巖變形存在局部、耦合現(xiàn)象，目前的地質(zhì)勘察手段難以精準(zhǔn)定位圍巖擠壓變形區(qū)段。因此，普遍采用較強的隧底仰拱結(jié)構(gòu)(足夠強的曲率仰拱)抵抗局部圍巖形變的設(shè)計思想是適宜的、正確的。同時，勘察階段應(yīng)增加洞身地應(yīng)力、巖塊強度等測試工作，施工過程中應(yīng)加強地質(zhì)素描工作，并根據(jù)揭示圍巖情況及時調(diào)整襯砌措施。