成昆铁路保安营1号隧道底鼓病害整治技术

邓 波

（中国铁路成都局集团有限公司 610082）

0 引言

随着中国铁路网的建设，穿越复杂地形与软弱岩层的隧道越来越多，隧道施工过程中极易发生初期支护剥落、钢架扭曲、仰拱底鼓等病害。仰拱底鼓是一种常见病害，严重影响隧道支护结构的整体稳定，对隧道施工及运营安全造成极大威胁。张恒等[1]总结和分析了隧底隆起破坏的 3种基本外在表现形式，提出了隧底隆起分类的4种基本形式，并总结归纳了隆起控制的一般原则及技术途径。汪洋等[2]依托云岭隧道探讨了影响隧道底鼓的多种因素并推导了隧道由底板压弯引起的底鼓的表达式，针对云岭隧道仰拱底鼓变形的问题提出了整治措施。周森[3]针对某高速公路隧道仰拱底鼓破坏等病害，通过现场调查、破损检测等方式探明了隧道排水不畅、仰拱围岩深部破坏、仰拱施工质量不足是该隧道仰拱发生整体底鼓的原因。张建等[4]采用了现场变形观测、数值模拟等方法对某黄土隧道仰拱底鼓病害机理及发展过程进行了分析，得出了仰拱结构中部产生的拉应力过大导致仰拱产生裂缝。高登[5]以福建省某高速公路隧道底鼓为例，通过地质雷达扫描和钻孔取芯方式确定了仰拱施工不到位是导致隧道底鼓病害的主要原因。邓涛等[6]通过对石林隧道现场地质情况的调查及底鼓灾害的特征分析，表明石林隧道底鼓灾害是一种集遇水膨胀性和挤压流动性为一体，且极具时效变形特性的综合型底鼓，其中隧道底板岩层弯曲失稳引起的底鼓量起控制作用。钟祖良等[7]依托桃树垭隧道，利用连续介质力学原理对底板岩层压曲、膨胀和流变引起的底鼓量计算理论进行推导，并通过现场监测证明了该理论的正确性。张文涛[8]等提出3个假设条件对薄板压曲微分方程进行简化，并归纳出影响隧道仰拱底鼓的七个关键点。陈鸿[9]等介绍了锚杆对控制膨胀土隧道底鼓的作用和效果，并提出了膨胀土隧道仰拱施工的相关建议。胡胜强[10]针对某高速公路隧道出现的仰拱底鼓破坏，采用全面疏通排水设施的方法，利用导管注浆+锁脚+锚杆加固措施进行整治，并通过有限元软件验证了加固措施的可行性。

上述研究分别对隧道底鼓产生的机理与整治方法进行了探讨，但研究针对的隧道通常仰拱底鼓段围岩岩性较差，大多为软弱围岩且具有一定的膨胀性，对于成昆铁路保安营1号隧道此类地质条件较好，围岩等级较高却发生较大程度仰拱底鼓的隧道破坏机理与整治方法是否相似尚未可知。本文针对成昆铁路保安营1号隧道施工期间出现的底鼓开裂现象，分析底鼓病害产生原因并对已出现的隧道仰拱开裂及底鼓段落进行整治，调整未施工段支护方案，为类似工程提供参考。

1 工程概况

成昆铁路保安营 1号隧道为单线隧道，地处四川省攀枝花市，全长13326m，设计时速为80km/h。由野外调查、钻探和物探资料可知，隧址区属构造剥蚀高中山地貌单元，地形起伏较大，地面高程980～2010.8m，相对高差 200～1000m，自然坡度 15～55º不等，局部形成陡崖。地表沟谷总体不发育，本隧道为越岭隧道，最大埋深约887m。主要地质构造以南北向和北东向断裂构造为主，褶皱构造次之，且具有明显的继承性和多期活动性特点。隧区出口工区为第三系昔格达组（N2x）页岩夹砂岩，元古界康定群大田组上段（Pt1d2）混合岩、角闪岩夹云母片岩、花岗岩，晋宁期（δo2）花岗闪长岩；进口工区主要为晋宁期（δo2）花岗闪长岩。埋深大于400m地段隧道通过地层以晋宁期花岗闪长岩及三叠系上统宝鼎组（T3bd1）砂岩、页岩互层夹炭质页岩、砾岩及煤为主。

隧道采用新奥法原理设计与施工。施工全环设置I20b型钢架，初期支护拱部采用Φ8mm钢筋网，间距为20×20mm；喷射混凝土为C25混凝土，全环厚度为 27cm；二衬采用 C35钢筋混凝土。复合式衬砌的具体情况如图 1所示。

图1 复合式衬砌设计图Fig.1 Design diagram of composite lining

保安营1号隧道在隧道掘进过程中，部分段落出现拱部初支混凝土的剥落、掉块和开裂现象，局部型钢钢架变形，如图2所示。正洞多个段落出现隧底仰拱开裂的现象，包括 LXD4K4+873～+988、LXD4K4+218～+252、LXD4K+257～+267、LXD4K4+285～+303、LXD4K4+340～+375、LXD4K4+400～+414、LXD4K4+833～+873、LXD4K4+988～LXD4K5+022共 8段总长293m仰拱填充层出现裂纹，如图3所示。底鼓段落地层岩性为三叠系上统宝鼎组下段（T3bd1）砂岩、页岩互层夹炭质页岩及煤线，薄层～中厚层状，位于舒缓向斜，岩层近水平状缓倾，如图4所示。

图2 隧道初支剥落、钢架变形扭曲Fig.2 Spalling of initial support of tunnel and deformation and distortion of steel frame

图3 LXD4K4+218～+252段仰拱填充裂纹Fig. 3 Cracks in concrete filling layer of inverted arch at section LXD4K4 + 218～+252

图4 LXD4K4+892～+955掌子面Fig. 4 Tunnel face of LXD4K4 + 892～+ 955

保安营1号隧道在隧道掘进过程中，多个段落出现仰拱底板隆起的现象，其中1号斜井X1DK1+342～+255段仰拱隆起现象较为严重，底板最大隆起高度约1m，且该段边墙出现开裂，部分地段边墙喷射混凝土出现剥落，如图5所示。正洞LXD4K4+873～+988段（115m）仰拱于施工完成后7天左右表面出现纵向开裂，裂纹基本沿隧道中心线混凝土填充层纵向发展，表面呈闭合～微张状，宽度0～5mm，肉眼观察隆起不明显。进口工区LXD4K4+218～+252、LXD4K4+257～+267、LXD4K4+285～+303、LXD4K4 +340～+375、LXD4K4+400～+405、LXD4K4+412～+414和 1号斜井工区 LXD4K4+833～+873、LXD4K4+988～LXD4K5+000、LXD4K5+000～+022段正洞工区存在隧道底鼓现象，隧道底鼓长度总计178m。1号斜井隧底隆起段岩性以薄层状页岩、炭质页岩为主，偶夹薄～中厚层状粉砂岩，属软质岩。正洞开裂段岩性为三叠系上统宝鼎组下段（T3bd1）砂岩、页岩互层夹炭质页岩、砾岩及煤，缓倾岩层，Ⅲ级围岩，采用Ⅲh型复合衬砌（二衬采用素混凝土40cm厚、拱墙钢架、仰拱矢跨比1/12）。

图5 X1DK1+342～+255段底板隆起、边墙开裂Fig. 5 Floor heave and side wall cracking of X1DK1 + 342～+ 255

2 底鼓发育及原因分析

针对保安营1号隧道出现的底鼓及仰拱开裂情况，在上述底鼓及仰拱开裂段落内，以不同间距共布置19个监测断面，每个监测断面布置2个监测点，测量点位置分别位于仰拱裂纹的左、右侧0.1m处。根据对开裂段落监测断面的长期监测及分析，其中LXD4K4+230断面为底鼓开裂最大处，开裂宽度达到47.82mm，该断面监测点仰拱开裂底板隆起趋势如图5所示。

图5 LXD4K4+230观测点仰拱开裂（张开）底板隆起趋势图Fig. 5 Heave tendency of inverted arch cracking (opening) floor at LXD4K4 + 230 observation point

为了分析隧道仰拱开裂与底板隆起的原因，对仰拱底鼓断面围岩进行试验分析，并于保安营 1号隧道入口 LXD4K3+770、1号斜井 X1DK0+580、X1DK0+920和2号斜井LXD4K8+460、LXD4K8+190处设置地应力测点，采用应力解除法对该5个测点的地应力测试工作，地应力测试钻孔位置如表1所示。

仰拱开裂段为砂岩夹页岩、局部夹炭质页岩的Ⅲ级围岩，薄层状～中厚层，岩层产状N20～30°W/2～7°SW，为近水平状的缓倾岩层，线路标高处于竹木山（保安营）“碗状”舒缓向斜“碗底”一带。根据岩样试验可得，砂岩取样试验岩石单轴饱和抗压强度Rc平均值50.9MPa，属硬质岩，钻孔分层砂岩占比85～94%，页岩单轴饱和抗压强度Rc平均值27.8MPa，属较软岩，占比 6～15%。隧底钻孔和掌子面揭示围岩较完整为主，局部较破碎，无地下水发育，围岩符合Ⅲ级围岩条件。

地应力测试结果如表1所示。根据地应力测试可得，保安营1号隧道地应力水平相对较高，属于高应力区，保安营1号隧道2号斜井（LXD4K8+190）附近地应力水平相对较高，属于极高地应力区。

表1 各测点地应力测试结果Tab.1 In-situ stress evaluation of measuring point

正洞隧底仰拱开裂段隧道埋深 500m～640m，埋深较大。隧道实测最大水平主应力为21.69MPa，垂直主应力15.24MPa，最小水平主应力12.68MPa，地应力状态以水平向的构造应力为主。水平向的构造应力水平明显偏高，最大主应力方向与隧道走向接近垂直（87°），对隧道稳定性最为不利，埋深及较高应力具备产生围岩变形的地质条件，这是导致局部区段产生缓倾岩层隧底开裂及轻微隆起变形的力学原因。施工过程中出现的拱顶喷射混凝土剥落、钢架扭曲变形、隧底隆起等病害，主要原因是高地应力环境下近水平、中薄和软硬相间岩层的弯曲变形。

3 底鼓整治措施

针对已出现的仰拱开裂段落，先进行边墙、仰拱一起拆除，调整仰拱曲率，按新仰拱曲率施作仰拱钢架，并对仰拱、边墙重新进行配筋，恢复边墙、仰拱二衬。

仰拱整治施工工序：边墙脚打设锚杆→跳槽拆除局部沟槽、边墙底并设置 I20b支顶型钢→跳槽拆除仰拱填充及仰拱→清除基底软化岩体→及时施作仰拱封闭喷混凝土→恢复瓦斯隔离层→施做仰拱衬砌及养护→恢复沟槽、仰拱填充并养护。仰拱整治具体工序如下：

（1）在隧道两侧的水沟盖板顶面下方施做拱墙锁脚锚杆，锚杆采用Φ32精轧螺纹钢筋。

（2）采用机械拆除隧道两侧的水沟电缆槽。

（3）左右侧边墙底跳槽开挖采用机械破碎，每次跳槽长度不大于4m。跳槽开挖后，设置I20b型钢支顶边墙底临空面，按I20b钢架纵向间距1m/榀进行设置。

（4）开挖围岩调整仰拱曲率为1/6，隧底虚渣必须清理干净。

（5）拆除旧混凝土后，应将新旧混凝土结合处凿毛并采用高压水冲洗干净，铺设边墙、仰拱闭孔型泡沫塑料垫层、防水板，保证搭接长度不小于15cm。

（6）边墙底部植入Φ22钢筋作为边墙与仰拱的接茬，纵向间距25cm；相邻段仰拱填充层底部植入Φ22钢筋,长度1m，穿过接缝50cm作为接；采用钻孔植筋的方式，植筋埋入既有二衬长度不少于500mm，以保证新旧混凝土之间连接良好。

（7）安装型钢钢架，封闭喷混凝土。安装过程中钢架定位要准确，靠围岩侧利用砌块楔紧，纵向连接筋将各榀钢架连接牢靠。

（8）施工钢筋混凝土仰拱、仰拱填充（仰拱和仰拱填充应分层浇筑）。

针对隧道未施工段落，为了避免出现隧道底鼓的现象，采用调整支护参数及断面形式等加强方案。

由于正确分析了保安营隧道底鼓病害产生的原因，采取相应措施对已出现的仰拱开裂与底鼓段落进行整治，并调整支护方案避免未施工段出现此类现象，有效地控制了隧道底鼓的发生，确保了保安营1号隧道的施工运营安全。

4 结论及建议

（1）基于保安营隧道仰拱底鼓段落地应力测试可知，保安营 1号隧道地应力水平较高，符合高地应用和极高地应力条件。

（2）在高地应力条件下，近水平、中薄和软硬相间岩层的弯曲变形是保安营隧道施工过程中产生仰拱底鼓的主要原因。

（3）基于本隧道底鼓原因的分析，针对已经施工仰拱段采用拆除重建方案；对未施工段隧道支护参数及仰拱曲率进行调整。结果表明，采取处治措施有效解决了底鼓问题