富水炭质板岩地层隧道底部结构破损原因分析及防治措施探讨

张海太，沈东，陈洁金，陈维，王康云

(1.云南丽香高速公路投资开发有限公司，云南 昆明 650217；2.天津市市政工程设计研究院；3.长沙理工大学 土木工程学院)

1 引言

随着中国交通基础设施事业的发展，长大、深埋隧道数量日益扩大。深埋、长大隧道围岩条件复杂多变，当隧道穿越炭质板岩等软弱围岩时，极易发生底部结构破损、大变形、拱顶坍塌等地质灾害。隧道底部结构破损是隧道工程中常见的一种病害现象，其具有持续性，难以自稳，随着底部结构破损的发展，将会对工程施工以及后期运营带来极大的安全隐患。

国内外众多学者对隧道底部结构破损原因及防治措施进行了研究，取得了一定的成果，较为典型的有：王立川等通过现场测试和数值计算指出西南地区某隧道底部结构破损的地质原因是存在极高的水平构造应力和隧道底部下伏薄～中厚倾斜围岩，施工、设计原因是仰拱曲率、仰拱建材刚度不能满足地质环境条件；王树英等对三联隧道底部结构破损问题展开了研究，指出高地应力状态是造成其破损的主要原因，并采用了加深仰拱深度的方法对仰拱破损段进行整治，效果良好；郑波、崔连友等通过数值模拟和现场测试的方法研究了外水压力对隧道底部结构破损的影响，结果显示当仅考虑围岩压力时，仰拱填充物未开裂，当综合考虑围岩压力和外水压力时，仰拱填充产生张拉裂缝；康涛等采用钻芯取样、地质雷达扫描等方法对槽箐头隧道底部结构破损原因进行了研究，指出由于破碎围岩遇水泥化，且伴有膨胀性，加之地下水压过大，最终造成仰拱填充纵向开裂，并采取了打设竖向锚杆与注浆管注浆加固的整治措施，路面采用钢纤维混凝土修复；丁冬冬等通过现场测试与数值模拟计算等手段，指出上庄隧道仰拱底鼓开裂主要是由于隧道底部围岩遇水软化后，隧道底部结构受力不均匀导致。

综上所述，底部结构破损的主要原因可分为地应力过高、水压力过大和基底围岩软化3类。以上研究成果对隧道底部结构破损机理及防治技术奠定了较好的基础，但由于隧道围岩条件复杂多变，不同围岩下隧道底部结构破损类型不同，因此底部结构破损机理具有独特性，而各种破损机理的适用范围有限，针对炭质板岩隧道底部结构破损机理及防治措施研究较少。

该文以香丽高速公路典型炭质板岩地层隧道为工程背景，通过现场调查测试和数值计算，对隧道底部结构特性进行研究，重点分析基底围岩软化、仰拱曲率等因素对隧道底部结构破损的影响，并以此提出隧道底部结构破损整治措施，为后续工程施工以及类似工程提供参考。

2 工程概况

2.1 地质概况

云南省香格里拉至丽江高速公路(简称香丽高速)是国家高速公路网G0613西宁～丽江联络线的重要组成段落，位于云南省西北部，沿线地质构造发育，新构造运动激烈。工程地质区域处在环喜马拉雅构造带滇西北小中甸～龙蟠～乔后断裂带，受地质构造作用，多分布炭质板岩等变质软岩。

通过X射线荧光光谱分析法对香丽高速公路典型炭质板岩矿物组成进行分析，结果表明炭质板岩主要由石英、绿泥石、云母、钠长石、方解石和白云石组成，由于黏土类矿物(绿泥石)和碳酸盐类矿物(方解石、白云石)等成分较高，围岩整体强度较低，水理性质较差，遇水易软化、崩解，自稳性极差，隧道施工难度较大。

2.2 支护结构类型

香丽高速公路全线隧道工程设计图阶段单幅Ⅲ级围岩11 989 m、Ⅳ级围岩37 891 m、Ⅴ级围岩29 026 m，在施工过程中，根据开挖揭露围岩以及现场施工情况进行了动态设计，实际隧道单幅围岩分级为Ⅲ级围岩126 m、Ⅳ级围岩30 573 m、Ⅴ级围岩48 207 m。其中，底部结构破损段落大多为Ⅴ级围岩，主要采用的支护结构类型为SF5c(图1)。

图1 SF5c支护结构断面图(单位：cm)

SF5c复合式衬砌支护参数为4 m长φ42 mm×4 mm注浆小导管，C25喷射混凝土厚27 cm，φ8 mm钢筋网20 cm×20 cm，I20a钢拱架，间距60 cm，预留变形量为20 cm，二次衬砌采用C30钢筋混凝土，厚度为60 cm，衬砌底部结构由仰拱初期支护、仰拱、仰拱填充层、水泥混凝土基层和沥青混凝土路面组成。

2.3 隧道施工过程

SF5c衬砌类型段主要采用三台阶(预留核心土)法施工，其主要施工步骤为：① 上弧形导坑开挖，预留核心土；② 拱部初期支护；③ 核心土开挖；④ 中台阶开挖；⑤ 边墙初期支护；⑥ 下台阶开挖；⑦ 仰拱初期支护；⑧ 仰拱及仰拱填充；⑨ 边墙、拱部模筑混凝土浇筑。分步开挖示意图如图2所示，施工工序如图3所示。

现场仰拱和仰拱填充同时浇筑，隧道底部结构施工主要步骤为：① 仰拱全断面一次性开挖，对开挖面虚渣、积水进行清理；② 喷射4 cm厚C25早强混凝土，按设计架设钢拱架，并喷射混凝土至设计厚度；③布设仰拱钢筋；④ 浇筑仰拱及仰拱填充混凝土，并采用插入式振捣器振捣密实；⑤ 在隧道贯通后，统一铺设混凝土基层及沥青混凝土路面。

图2 SF5c型衬砌开挖断面示意图

图3 SF5c型衬砌开挖工序图(单位：m)

3 隧底结构破损情况

香格里拉至丽江高速公路在施工过程中，发现大范围穿越强～全风化炭质板岩地层的隧道有11条，其中，隧道底部结构破坏较为严重的隧道有以下7条：阿普洛隧道、排坝隧道、海巴洛隧道、上补洛隧道、昌格洛隧道、古那湾1号隧道、古那湾2号隧道，各隧道底部结构破损情况见表1。

各隧道底部结构裂缝宽度一般为2.9～23.2 mm，于仰拱填充混凝土中部沿隧道中线附近纵向开裂，钻孔取芯资料显示，裂缝上宽下窄，呈“V”字形，部分裂缝从仰拱填充混凝土表面延伸至仰拱附近，隧底软化围岩深度达2～3 m。裂缝扩展示意图如图4所示。

图4 香丽高速隧道仰拱填充裂缝示意图

表1 香丽高速隧道底部结构破损情况统计(截至2018年12月31日)

其中，海巴洛隧道底部结构破损情况最为严重。海巴洛隧道左幅全长2 289 m(ZK65+505～ZK67+794，右幅全长2 262 m(YK65+495～YK67+757)。自2016年4月进场施工至2018年12月，左幅ZK65+570～ZK65+806、ZK67+410～ZK67+770仰拱填充混凝土均出现不同程度开裂，裂缝宽度为5～23.2 mm；右幅YK65+573～YK65+644、YK65+644～YK65+760、YK67+395～YK67+740仰拱填充混凝土均出现不同程度开裂，裂缝宽度为4.2～18.3 mm。

4 隧道底部结构破损原因分析

4.1 地质特征及其施工影响作用

根据现场围岩条件、围岩变形和施工情况分析，香丽高速公路各隧道底部结构破损主要由水文地质条件和隧道设计施工情况等多因素综合影响造成。

(1) 围岩岩性差

香丽高速公路底部结构严重破损隧道隧址区地质条件类似，均主要穿越灰色、黑色强风化炭质板岩地层，节理裂隙、层理面发育，岩体松散破碎，呈层状、碎裂结构，围岩自稳性差，当施工扰动时，极易失稳，围岩变形量大，加之仰拱虚渣未完全清理，隧道底部结构受力状态发生改变。

(2) 隧道底部排水不畅

隧址区水系分布较多，且炭质板岩节理裂隙、层理面发育，使地下水的流通具有较好的路径，掌子面滴漏水现象严重。施工期间仰拱积水现象较为严重，炭质板岩遇水易软化，岩体强度将大幅度降低，隧道基底围岩长期遭水浸泡，软化深度达2～3 m；隧道采用于边墙与拱部位设置盲管和无纺布排水系统，隧道底部未设置排水系统，导致隧道底部水压力过大。在隧底围岩软化和过大水压力的综合作用下，隧道底部结构中心位置拉应力大于混凝土抗拉强度极限值，从而导致张拉开裂。

(3) 隧道仰拱曲率影响

香丽高速公路部分隧道设计仰拱较为平缓，仰拱受力条件较差等也是造成隧道底部结构开裂破损的因素。

4.2 隧道底部结构破损原因数值分析

针对香丽高速公路炭质板岩隧道底部结构破损情况以及现场围岩情况，选取海巴洛隧道YK67+450断面为典型断面，采用Abaqus软件扩展有限元法(XFEM)建立计算模型，从隧道基底软化、外水压力和仰拱曲率3个方面分别研究炭质板岩隧道底部结构破损原因。

根据地勘资料及隧道轮廓形状建立平面应变计算模型，计算模型左右范围距离隧道中心线60 m，上表面距离拱顶70 m、外加1.2 MPa竖向应力，下表面距离拱顶60 m，总体尺寸为130 m×120 m。模型边界条件为顶部自由面，底部固定约束，左、右两侧水平约束。将模型中仰拱填充部位设置为具有扩展有限元性质的富集单元，并以最大主应力失效准则作为损伤起始的判据，取值为C15混凝土极限抗拉强度值1.4 MPa。根据地质勘查资料和相关规范标准，模型中各材料物理参数如表2所示，计算模型示意图如图5所示。

(1) 基底软化对底部结构破损的影响

海巴洛隧道隧址区地下水丰富，在施工过程中，岩体中有较大的滴渗水和局部涌水现象，现场未采取有效的排水措施，仰拱开挖后，基底围岩长期遭积水浸泡，软化现象严重，钻芯取样结果显示基底软化层厚2～3 m。

表2 围岩参数基准值

图5 计算模型示意图(单位：m)

此次数值模型以隧底围岩弹性模量降低来模拟隧底围岩软化，软化范围为拱圈下部3 m围岩。模拟分析主要分为3个工况：工况1：隧底围岩弹性模量未折减，即弹性模量为0.47 GPa；工况2：隧底围岩弹性模量折减至0.35 GPa；工况3：隧底围岩弹性模量折减至0.20 GPa。计算结果如图6、7所示。

不同工况下仰拱填充混凝土最大隆起值和裂缝扩展深度如图8所示。

由图6、7、8可知：随着隧底围岩软化程度的加重即隧底围岩弹性模量的降低，仰拱填充混凝土隆起值和裂缝扩展深度不断加大。当隧底围岩弹性模量未折减时，仰拱竖向位移值、主应力值均处于安全范围内；当隧底围岩弹性模量折减至0.35 GPa时，仰拱中线位置表面最大主应力值已超过C15混凝土极限抗拉强度，仰拱中线位置表面出现裂缝，但裂缝未贯通至仰拱中线底部，此时仰拱隆起值为12.56 mm；当隧底围岩弹性模量折减至0.2 GPa时，仰拱中线位置裂缝已由表面贯通至仰拱，与现场钻芯取样结果一致，且仰拱出现明显隆起，最大隆起值达40.00 mm，位于仰拱中线位置，此时仰拱结构破坏明显，对隧道施工与后期运营造成巨大的安全隐患。

(2) 外水压力对底部结构破损的影响

海巴洛隧道隧址区地下水丰富，地下水类型为基岩裂隙水，主要为强风化带裂隙富水、导水，地勘报告显示，洞身段隧道底部地下水最大埋深约40 m。隧底未设置防水板以及排导透水层，仰拱混凝土直接与围岩接触。

图6 仰拱填充混凝土竖向位移云图(单位：m)

图7 仰拱填充混凝土最大主应力云图(单位：Pa)

图8 隧道基底软化与底部结构破损关系折线图

此次模拟分析主要分为3个工况：工况1：未考虑外水压力；工况2：隧道底部水头H=20 m；工况3：隧道底部水头H=40 m。围岩渗透系数ks取5×10-6m/s，衬砌不透水。计算结果如图9、10所示。

图9 仰拱填充混凝土竖向位移云图(单位：m)

不同工况下仰拱填充混凝土最大隆起值和裂缝扩展深度如图11所示。

由图9～11可知：随着外水压力的增大，仰拱填充混凝土隆起值和裂缝扩展深度不断加大。当未考虑外水压力时，仰拱竖向位移值、主应力值均处于安全范围内；当隧底作用水头H=20 m时，仰拱中线位置表面最大主应力值已超过C15混凝土极限抗拉强度，仰拱中线位置表面出现裂缝；当隧底作用水头H=40 m时，仰拱中线位置裂缝已扩展至仰拱填充中部位置。

图10 仰拱填充混凝土最大主应力云图(单位：Pa)

图11 外水压力与底部结构破损关系折线图

(3) 仰拱曲率对底部结构破损的影响

仰拱可抑制隧底围岩变形，改善隧道受力状态，提供足够的抗力以保证隧底结构的安全性。计算以原设计仰拱曲率为基础，共设置4个工况，分别为原设计仰拱曲率、仰拱加深0.5 m、仰拱加深1.0 m和仰拱加深1.5 m，通过改变仰拱曲率半径即改变仰拱深度，分析仰拱结构形式对隧底结构破损的影响，所获得的不同工况条件下仰拱位移和压力分布如图12、13所示。

图12 仰拱填充混凝土竖向位移云图(单位：m)

不同工况下仰拱填充混凝土最大隆起值和最大主应力值如图14所示。

由图12～14可知：随着仰拱深度的增加，仰拱填充物最大隆起值和最大主应力值均有所减小。由此可得减小仰拱曲率半径即增加仰拱深度可有效抑制隧底结构破损。

5 隧道底部结构破损防治措施

由前文分析结果可知，隧道基底软化、仰拱曲率、外水压力过大是造成炭质板岩地层隧道底部结构破损的主要原因。因此，富水炭质板岩地层隧道底部结构破损的防治主要从以下3个方面考虑：

图13 仰拱填充混凝土最大主应力云图(单位：Pa)

图14 仰拱曲率与底部结构破损关系折线图

(1) 针对软弱炭质板岩地层，隧道仰拱结构应根据地应力水平和围岩体结构进行针对性分析，在此基础上进行隧道底部结构的特殊设计，确定合适的仰拱矢跨比和刚度，对于香丽高速公路隧道，在现有仰拱基础上加深1.0～1.5 m可以有效降低仰拱破损发生。

(2) 加强隧道防排水。由于炭质板岩具有遇水易软化的特性，隧底积水排放不畅不仅加剧了隧底围岩的软化，同时导致隧道底部结构受到过大的水压力，对隧道底部结构的安全性造成极大的影响。因此，应当及时排除隧道底部积水以及完善隧道底部排水系统。

(3) 隧底软弱围岩的加固。由于隧底围岩软化程度的加重，仰拱填充混凝土隆起值和裂缝扩展深度不断加大，对于隧底围岩进行加固显得非常必要。可在隧道仰拱填充开裂破损段落设置隧底锚杆或注浆管，根据现场隧底软化围岩深度达2～3 m的实际情况，对于隧道底部炭质板岩软弱围岩进行加固，加固圈一般为4～5 m，注浆材料可以采用超细水泥。

6 结论

以云南香丽高速公路炭质板岩地层隧道为工程背景，现场调查了隧道底部结构破损情况，并以底部结构破损最为严重的海巴洛隧道为典型研究对象，通过Abaqus软件扩展有限元法(XFEM)建立数值计算模型，对炭质板岩地层公路隧道底部结构特性及破损机理、破损影响因素和破损整治措施展开研究，主要得出以下结论：

(1) 香丽高速公路富水炭质板岩地层隧道底部结构破损主要是由于基底围岩遇水软化，导致隧道底部结构所受拉应力过大，出现张拉裂缝。

(2) 仰拱曲率和水压力是造成炭质板岩地层隧道底部结构破损的重要原因。

(3) 在富水炭质板岩地层，可采取加固隧底软弱围岩和加强隧底排水、调整仰拱曲率加深仰拱等措施综合防治隧道底部结构破损。