兰渝铁路梅岭关隧道底鼓段病害成因分析

王崇艮 王茂靖 赵 文 吉安娜 刘亚雄

(1.中铁二院工程集团有限责任公司， 成都 610031;2.西南交通大学， 成都 610031)

兰渝铁路梅岭关隧道2009年开工建设，2015年建成通车。2016年3月，铁路工务部门对隧道轨道精调时，发现DK 610+612～DK 610+712段轨道异常超高，发生了隧底底鼓病害，且隧底底鼓持续发展。设计单位于2018年对底鼓段进行了地质补勘，并采取了隧道补强措施。结合隧道所处的区域地质环境和地应力测试结果，对比施工图阶段与补勘阶段的岩石试验强度成果，采用挤压型因子判断公式(Jethwa et al.1984)对比计算[1]，分析了隧道底鼓病害产生的主要原因。

1 隧道病害概况

1.1 工程概况

兰渝铁路梅岭关隧道(施工里程DK 607 +329～DK 615+600)位于四川盆地北东部的广元市元坝区石井铺乡，轴线走向N10°W，全长 8 215 m，最大埋深约410 m(位于DK 609+003附近)。隧道为双线无砟隧道，设计速度200 km/h，纵坡为5‰、3‰的人字坡，满足开行双层集装箱要求，仰拱矢跨比约为1∶10.7。

1.2 病害概况

隧道施工开挖过程中，DK 610+550～DK 610+993段出现拱顶初期支护纵向开裂、拱顶下沉及喷混凝土掉块现象，具体情况如表1所示。

表1 隧道施工中部分段落初支变形开裂情况表

施工阶段对边墙、拱顶加强了初支措施，但仰拱仍采用素混凝土填筑。

开通运营前，工务部门发现动车通过DK 610+612～DK 610+712上行线时存在晃车现象，线路测量后轨道异常超高，该段限速80 km/h运行。同时设置观测点对轨道进行监控测量。左线轨道板测量结果如图1所示。从图1可以看出，从2017年6月-2020年3月，DK 610+637断面左侧轨道累计变形22.5 mm。

图1 历次测量结果图

现场调查发现，左线(上行线)DK 610+589.5～DK 610+652段靠边墙侧轨道板与仰拱填充面存在离缝，离缝宽度约1～26 mm，最严重点位于DK 610+632处，宽26 mm，深27 cm。此位置裂缝在2016年4月线路开通前就存在，当时裂缝宽6 mm，深18 cm。DK 610+637处存在一条环向贯通裂纹，贯通了侧沟和中心沟。

对于该段病害，2019年3月完成了仰拱地基钻孔灌注桩(长10 m、桩径300 mm)锚固、中心沟埋管后回填、施作泄水孔引排地下水的综合整治措施。至2020年4月，该段底鼓病害整治后，上行线高程隆起约2 mm，平面位移1.3 mm。

2 隧道区域工程地质条件

2.1 地形地貌

隧道位于构造侵蚀中低山区，单面山迭岭地貌，地面高程500～1 000 m，相对高差300～400 m，自然坡度35°～50°，地形起伏大。进口段纵向河谷深切，沟壁地形陡峻，地面坡度30°～50°。进口位于下王家坝河沟陡崖下，基岩裸露，地势陡峻。洞身穿越多条顺岩层走向切割的单面山山梁，构造坡平缓，地面横坡10°～20°，多村落及耕地，侵蚀坡陡峻，地面横坡达30°～50°，局部为陡崖，地表多为柏树林及灌木荆藤。地面标高560～990 m，相对高差约430 m。出口位于大沟河与尹家河交汇下游约50 m处，地势较陡。

2.2 地层岩性

2.3 地质构造与地震动参数

隧址区位于龙门山印支褶皱带东部、四川中坳陷燕山褶皱带中之川北凹陷东部，侏罗系、白垩系地层广泛分布，形成缓而开阔的背、向斜或孤立的鼻状弯曲穹隆构造，以水平岩层及宽缓褶曲构造为主，主要构造线走向均以东西向为主，褶皱多为宽缓褶皱。隧道北为潼涬关鼻状构造，其南为舒展开阔的向场向斜，隧道洞身为单斜构造，倾角3°～15°，NEE-SWW向展布，无断层构造，地质构造简单。岩体中主要发育两组构造节理，一组走向NW,一组走向NE，倾角陡倾。

根据2008年12月中国地震局地壳应力研究所《兰渝铁路重点工程场地安全性评价和沿线地震动参数区划》，测区地震动峰值加速度0.10 g，地震动反应谱特征周期为0.40 s。

2.4 水文地质条件

隧址区地下水主要存在两种类型，即第四系松散堆积层孔隙水和基岩裂隙水。第四系孔隙水赋存于坡残积、坡崩积层中，因区内土层厚度不大，降水多沿坡面汇集于冲沟排泄，补给水量有限，含水量甚微，主要分布于出口表层覆盖土中。隧道洞身主要为基岩裂隙水，赋存于基岩裂隙中，其中泥岩属相对隔水层，裂隙水较贫乏，多发育于浅层风化裂隙中。砂岩构造裂隙较发育，地下水相对较丰富，主要接受地表水及壤中水下渗补给。本段隧道洞身为泥岩、泥质砂岩，局部夹砂岩，地下水一般沿砂岩、泥岩接触面渗流，地下水相对泥岩较发育，钻孔勘探取样揭示赋存于砂岩中的地下水存在承压性，无侵蚀性。计算隧道平常涌水量为 2 900 m3/d，雨季最大涌水量为 8 600 m3/d。

3 隧道地应力测试及岩石工程特性

3.1 地应力测试

梅岭关隧道最大埋深约410 m，对隧道洞身埋深最大处的DZ-MLG-1钻孔进行地应力测试，根据《兰渝线铁路地应力测量分析报告》，该孔深度在394.50～395.30范围内，实测应力结果为SH=15.23 MPa，Sh=9.87 MPa，Sv=10.26 MPa，不存在发生岩爆的可能。最大水平主应力方向为N25°W～N33°W，与隧道轴线方向(隧道轴线N10°W)夹角较小，最大水平主应力方向有利于围岩的稳定性。

最大主应力随深度的线性回归方程为：

SH=-5.77+0.053D

(1)

最小主应力随深度的线性回归方程为：

Sh=-3.59+0.035D

(2)

式中：D——钻孔深度。

最大主应力线性回归方程相关系数取0.97，最小主应力线性回归方程相关系数取0.984。隧道底鼓段埋深260～280 m，根据上述回归方程，最大主应力为8.01～9.10 MPa,最小主应力为5.51～6.21 MPa，最大主应力与洞轴线夹角为20°。

3.2 岩石强度试验

勘察阶段，通过深孔钻探在隧道洞身取岩样47组，主要试验结果如表2所示。

表2 勘察阶段隧道围岩岩石强度表

补勘中采取岩石样本20组，并对11组岩样进行了岩石强度试验，结果如表3所示。

表3 补勘阶段隧道围岩岩石强度表

由表2、表3的岩石天然抗压强度及天然含水量可知，隧道开通后，隧底岩石天然含水率大幅增加，岩石单轴天然抗压强度大幅降低。岩石天然含水率与抗压强度关系如图2所示。

图2 抗压强度与含水率的关系图

3.3 岩石膨胀特性

选取14组岩样进行了膨胀岩试验，试验结果仅1组岩样自由膨胀率为31%，饱和吸水率为16.72%，达到膨胀岩指标，其余均达不到膨胀岩指标，其中最大膨胀力仅为48.9 kPa。因此，可判定红层泥岩不属于膨胀岩[2]，不会引起隧道底鼓。

3.4 衬砌混凝土强度

选取6组仰拱混凝土试样进行岩芯强度试验，测得混凝土强度最大值为38.3 MPa，最小值为28.9 MPa，平均值为32.68 MPa；选取11组仰拱填充层混凝土试样进行强度试验，测得混凝土强度最大值为34 MPa，最小值为26 MPa，平均值为28.58 MPa。从隧道仰拱和填充层混凝土强度来看，施工已达到设计强度要求。

4 病害成因分析

根据隧道底鼓病害段的地质勘察结果，隧底围岩为四川红层泥岩和泥质砂岩。岩样膨胀性指标显示，底部围岩不属于膨胀岩类，岩石膨胀力极小。因此，隧底围岩变形不是岩石膨胀性引起的，也与混凝土强度无关，而是在残余构造应力作用下，岩石强度变化引起围岩挤压变形缓慢发生的[3-5]。

4.1 红层泥岩蠕变特性

在病害段取2组红层泥岩试样做压缩流变试验(如图3所示)，岩石单轴抗压强度平均值约为8.4 MPa。将岩石制成直径50 mm，高度50 mm的试样，制样时尽量确保试件的含水率接近天然状态。试验进行580～760 h后，结果如图4所示。

图3 红层泥岩蠕变试验图

图4 红层泥岩压缩蠕变特征图

从图4可以看出，红层泥岩长期强度约为3.0～3.6 MPa，约为峰值强度的35.6%～42.8%，岩石破坏时的轴向应变约12.2%～16.3%。这说明红层泥岩在长期较大压应力的作用下，将产生较大的蠕变变形并趋于破坏。

4）订制协议书、协议书附图。按照制定好的模板编制协议书、协议书附图，并录入相关成果表。成果表包括界桩登记表、界桩成果表、界址点成果表和三交点成果表等。

4.2 高应力环境下水平层状结构岩体破坏模式

采用离散单元法对水平层状岩结构岩体破坏模式进行分析。为简化计算，模型尺寸为高150 m，宽120 m，隧道尺寸由兰渝铁路单线单洞洞型简化而成。模型上、左、右边界均采用应力边界，施加的应力与实测应力对应，底边界固定。计算隧道开挖前初始应力后，再进行隧道开挖分析。水平层状结构隧道岩体破坏模式如图5所示。对于水平层状结构岩体，在隧道开挖扰动应力作用下，拱顶岩体产生折断塌陷，仰拱岩体也产生回弹变形，同时产生部分岩体的折断，但不如拱顶严重。水平层状结构岩体变形以拱顶和拱底的竖向变形为主。

图5 水平层状结构岩体破坏模式图

4.3 底鼓机理分析

(1)底鼓段最大水平构造应力

病害段最大水平主应力为8.01～9.01 MPa，最小水平主应力为5.51～6.21 MPa，垂直应力最大水平应力与隧道洞轴线交角20°，因此，垂直洞轴线的最大地应力为：

σmax=SHsin2φ+Shcos2φ

(3)

计算结果显示，隧道洞轴线最大构造主应力为5.81～6.53 MPa，垂直应力为6.76～7.28 MPa；水平垂直应力比σH/σv=1.12～1.16。

(2)地应力等级判断

根据岩样试验资料，隧底大部分为红层泥岩，勘察阶段47组岩石天然抗压强度标准值取30.76 MPa， 强度应力比Rc/σmax约为5.29～4.71,岩石强度应力比4

红层泥岩地区隧道产生变形的原因在于隧道周边一定范围内的围岩产生了较大塑性变形。采用挤压性判断因子Nc判断其挤压等级[7]：

(4)

其中，σcm=

式中：σcm——岩体单轴抗压强度；

P0——最大初始地应力；

δci——岩块强度；

mi——Hoek-Brown常数；

GSI——地质强度指数。

围岩挤压性分级如表4、表5所示。

表4 围岩挤压性分级表(据Jethwa et al，1984)

表5 围岩挤压性分级表(据Hoek，2000)

定测阶段钻探及井中测试显示，本段围岩完整性较好，岩体强度较高，综合判示为Ⅲ级围岩。取岩块强度σci=30.7 MPa，P0=9.0 MPa,mi=8，GSI=75，则Nc=1.17，属轻度挤压围岩，其变形潜势为Ⅰ级，变形量接近0。根据补勘取样试验结果，病害段取岩块强度σci=8.4 MPa，P0=9.0 MPa,mi=8，GSI=60，计算得Nc=0.18，属高度挤压围岩，其变形潜势为Ⅲ级，变形严重。

隧道大部分段落，岩体较为完整，围岩为弱-微风化，地下水不发育，岩体强度较高。勘察阶段判示为轻度挤压围岩，变形潜势为Ⅰ级，实际揭示情况亦未发生变形。底鼓病害段围岩节理裂隙较发育，岩体完整性较差，围岩多为弱风化，因地下水浸润，相较勘察阶段，岩石天然含水率明显增加，天然抗压强度明显降低。判示为高度挤压围岩，变形潜势为Ⅲ级，变形严重，隧底实际情况与判示一致。

(4)综合分析

隧道地处单斜构造，隧道与岩层走向近正交，底鼓段岩层倾角10°左右，近于水平产出。隧址区水平地应力大于垂直应力，显示存在较大水平向构造应力。病害段围岩整体较破碎，加之围岩抗压强度低，且泥岩与砂岩接触带存在一定基岩裂隙水，地下水作用使得隧底围岩进一步软化，表现出强度逐渐降低的时效性。隧底围岩处于高初始地应力区，在构造水平地应力作用下，低强度的泥岩存在缓慢蠕变，加之隧底仰拱矢跨比较大，且为素混凝土结构，其强度不足以抵抗围岩蠕变形变，进而发生向临空面弯曲的底鼓变形。最终隧底围岩底鼓变形引发其上无砟轨道变形，且具有放大作用。

5 结论

本文通过对兰渝铁路梅岭关隧道底鼓段病害成因的分析，得出以下主要结论：

(1)隧道底鼓病害是因为隧道本身处于高应力近水平层状软质岩层中，构造应力长期对围岩产生挤压作用。施工引起围岩松弛，地下水环境发生改变，在残余构造应力作用下，围岩强度降低，软质岩发生蠕变。较大矢跨比的隧底素混凝土仰拱结构不足以抵抗岩石形变，从而产生底鼓病害。

(2)隧道勘察设计应高度重视残余构造地应力、现今构造应力及自重应力背景值、岩石强度及其影响因素，特别是软质围岩在恒定应力作用下的流变特性、时效特性及持续变形特性。研究隧道初始地应力背景下的岩石强度应力比十分必要。

(3)由于岩体及构造的不均一性和差异性，围岩变形存在局部、耦合现象，目前的地质勘察手段难以精准定位围岩挤压变形区段。因此，普遍采用较强的隧底仰拱结构(足够强的曲率仰拱)抵抗局部围岩形变的设计思想是适宜的、正确的。同时，勘察阶段应增加洞身地应力、岩块强度等测试工作，施工过程中应加强地质素描工作，并根据揭示围岩情况及时调整衬砌措施。