廣西某鐵路隧道穩(wěn)定性分析與治理措施

廣西某鐵路隧道穩(wěn)定性分析與治理措施

形與穩(wěn)定性研究目前，平壓隧道及其所在地坡的變形極限甚至失穩(wěn)問題十分突出。它的變形和穩(wěn)定性研究日益受到重視。羅興華等針對廣西某鐵路隧道及其所在山體邊坡的變形特征與原因、綜合治理措施、監(jiān)測結(jié)果與綜合加固措施，對坡體和隧道的效果及其穩(wěn)定性影響進(jìn)行分析，為類似工程分析與治理提供參考和借鑒。1山體地層分布該隧道位于廣西藤縣，處于直線段，全長175m。隧道內(nèi)縱坡為單面下坡，坡度為2.958‰。隧道所在山體地層分布縱斷面如圖1所示。隧道進(jìn)出口地表為殘坡積黏土，下伏寒武系砂巖、燕山期花崗巖，為全~強(qiáng)風(fēng)化，呈砂土狀及破碎狀，圍巖穩(wěn)定性差，為Ⅴ級圍巖。全隧暗洞襯砌采用V2隧道的變形特性和原因2.1隧道偏壓地表縱向開裂2010年2月，隧道自進(jìn)口端里程D2K235+752處開始暗洞掘進(jìn)，上導(dǎo)坑進(jìn)尺7m時，因隧道偏壓地表出現(xiàn)縱向開裂，地表變形較大。施工結(jié)束后，2011年11月，現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)邊坡地表存在弧形裂縫，裂縫距隧道中線右側(cè)最遠(yuǎn)處為63m，長約80m，寬度最大約0.2m，現(xiàn)場測量的裂縫深度約5.5m，如圖3所示。2.2拱部襯砌縱向裂縫2011年9月～12月，已施工完成的隧道內(nèi)水溝電纜槽側(cè)壁、仰拱和拱頂?shù)榷嗵幬恢贸霈F(xiàn)裂縫。其中，拱部襯砌縱向裂縫最大長度為23m（位于D2K235+885～D2K235+908），寬度最大值為0.71mm；仰拱最大裂縫發(fā)生在D2K235+829處，呈環(huán)向展布，長約2m，寬度最大值為3.6mm。2.3隧道洞外地面分布2012年9月，已修復(fù)完成的隧道內(nèi)裂縫再次出現(xiàn)細(xì)微裂紋，10月進(jìn)口洞門端墻、出口明洞仰拱填充表面及隧道洞外地表等部位也出現(xiàn)較為明顯的裂縫。如圖4所示。2016年9月，新增隧道進(jìn)口左側(cè)擋墻開裂，洞頂骨架護(hù)坡開裂下挫變形。針對上述不同時間點(diǎn)出現(xiàn)的隧道及其邊坡變形，均及時分析了其原因，并提出了相應(yīng)加固整治措施。2.4施工及隧道邊坡變形規(guī)律基于隧址區(qū)地層條件、氣候條件、施工情況及變形特征，分析變形產(chǎn)生的原因如下。（1）地層巖性隧道明洞段通過丘陵斜坡中下部，隧道所在邊坡表層為第四系殘坡積（Q（2）坡體結(jié)構(gòu)隧址區(qū)自然邊坡陡峭，隧道呈淺埋偏壓狀態(tài)，如圖5所示。施工期間在隧道邊坡坡腳處進(jìn)行了施工便道開挖，造成坡腳地層卸載，形成臨空面，引起應(yīng)力釋放，局部發(fā)生變形開裂。（3）降雨與地下水隧道進(jìn)口明洞施工期間，遇持續(xù)降雨，雨量大、頻率高，使得地表水很難以地表徑流的方式完全排泄，滑體巖土含水量在很短時間內(nèi)升高，巖土體重度增大、抗剪強(qiáng)度降低、抗滑力減弱。同時，地表水下滲及地下水位活動軟化了滑帶土，使滑帶土強(qiáng)度急劇降低，引發(fā)坡體滑動。降雨是滑坡發(fā)展的誘因。（4）施工擾動邊坡臨時開挖易軟化坍塌，造成坡體應(yīng)力松弛，牽引右側(cè)山體蠕滑變形。此外，較大的臨空面削弱了滑坡抗滑力，在明洞施工后雖進(jìn)行了回填，但在長期降雨及地下水作用下坡體逐漸下滑，人工填土及隧道無法承擔(dān)較大的坡體下滑力，導(dǎo)致隧道左側(cè)邊墻受擠壓變形。施工擾動是滑坡形成的外部因素。3處理措施從施工至運(yùn)營初期，隧道與山體邊坡多次出現(xiàn)變形問題，基于上述變形原因分析，及時采取了邊坡反壓卸載、錨索樁加固和注漿加強(qiáng)等綜合治理措施。3.1邊坡防護(hù)設(shè)施針對隧道所在坡體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)明顯的淺埋偏壓狀態(tài)問題，經(jīng)過理論分析與方案比選，確定對山體采取減載反壓，于D2K235+770～+890段，在高程73.6～73.4m處設(shè)置卸荷、反壓平臺，具體方案如下。（1）隧道右側(cè)進(jìn)行挖方減載，洞頂設(shè)置卸荷平臺，共設(shè)置6級邊坡，邊坡坡率1:1.5～1:1.75，總高51.45m，如圖6所示。其中，1~4級邊坡均采用框架錨桿內(nèi)客土草灌結(jié)合防護(hù)，錨桿長12m，傾角15°，其余邊坡采用M7.5漿砌片石截水骨架內(nèi)客土植草種灌木防護(hù)。塹頂外5m處設(shè)置排水天溝，每級邊坡平臺及卸荷平臺均設(shè)置M7.5漿砌片石截水溝。（2）隧道左側(cè)坡腳位置進(jìn)行填方反壓處理，共設(shè)置4級邊坡，其邊坡坡率均為1:1.75，總高41.75m，如圖6所示。邊坡平臺均設(shè)置M7.5漿砌片石截水溝，其中，1~3級邊坡采用骨架護(hù)坡防護(hù)，其余邊坡采用M7.5漿砌片石護(hù)坡防護(hù)。基底及邊坡平臺處設(shè)置3層貫通雙向土工格柵，層間距0.6m。3.2錨索樁設(shè)計針對地層巖性特點(diǎn)，為防止隧道橫向滑移變形進(jìn)一步擴(kuò)大，對該隧址區(qū)進(jìn)行了地質(zhì)補(bǔ)勘工作，未發(fā)現(xiàn)隧底虛碴以外的軟弱夾層，且不存在古滑坡，進(jìn)過方案比選最終于隧道進(jìn)出口設(shè)置錨索樁進(jìn)行加固處理。（1）錨索抗滑樁于隧道進(jìn)出口明暗分界處設(shè)置，樁身位于隧道右側(cè)，進(jìn)口端、出口端樁長分別為37，33m，截面均為3.0m×3.5m，分別設(shè)置4根，共計8根。樁身采用C30鋼筋混凝土現(xiàn)場澆注，樁上設(shè)單支點(diǎn)單孔錨索，位置為樁頂以下2m處，由7根φ15.24mm鋼鉸線組成，錨索長32～45m，傾角20°，錨固段長10m，錨孔φ150mm。如圖7所示。（2）進(jìn)口明洞段右側(cè)設(shè)置錨索樁，樁長37m，截面2.5m×2.5m，共4根。樁身采用C30鋼筋混凝土現(xiàn)場澆注，樁背平臺采用M7.5漿砌片石回填。樁上設(shè)雙支點(diǎn)單孔錨索，樁頂以下1.5m處設(shè)1孔（上支點(diǎn)），樁頂以下3.5m處設(shè)1孔（下支點(diǎn)），上支點(diǎn)錨索長45.0m，傾角25°，下支點(diǎn)錨索長40m，傾角30°，錨固段長10m，錨孔φ150mm，單孔預(yù)張拉力350kN，錨索由7根φ15.24mm鋼鉸線組成。錨索樁內(nèi)均設(shè)置PVC深層測斜孔1根，測斜管管徑70mm，管口高出樁頂0.5m，管底同樁底，如圖8所示。3.3裂縫處理方式針對降雨與地下水對地層強(qiáng)度的不利影響，參考上述隧道襯砌裂縫寬度、長度、位置，采用環(huán)氧砂漿封閉法、鉆孔灌漿法及埋管灌漿法等方式對裂縫進(jìn)行針對性處理。對D2K235+733~+777明洞段洞頂回填土采用地表注漿加固，提高其自穩(wěn)性，減少側(cè)向壓力的產(chǎn)生。4現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果從2017年綜合加固措施完成開始，直至2020年8月，對隧道與山體邊坡進(jìn)行了持續(xù)的現(xiàn)場監(jiān)測，以科學(xué)評價分析綜合加固措施對坡體支擋效果及其穩(wěn)定狀態(tài)。4.1地表變形監(jiān)測點(diǎn)布置本次監(jiān)測內(nèi)容共包含3個方面，分別為：隧道所在山體卸載反壓邊坡地表橫向水平位移、深層橫向水平位移、隧道CPⅢ變形，并進(jìn)行了錨索樁樁體超聲檢測。其監(jiān)測位置如圖9所示。其中，地表變形監(jiān)測覆蓋整個卸載反壓邊坡，編號從1-1~11-1；深部地層變形監(jiān)測孔分別位于進(jìn)口段右側(cè)4根錨索樁內(nèi)，及出口明暗洞交界處右側(cè)天然地層內(nèi)，共計6個測斜孔位，編號1~6；CPⅢ變形監(jiān)測點(diǎn)位于隧道內(nèi)，每間隔60m于對側(cè)拱墻位置布設(shè)1對監(jiān)測點(diǎn)，共計布設(shè)4對，共計8個監(jiān)測點(diǎn)；錨索樁樁身超聲檢測選取了位于隧道進(jìn)口明洞段右側(cè)的4根錨索樁，通過4個預(yù)留聲測管進(jìn)行混凝土灌注質(zhì)量檢測。4.2錨索樁橫向水平位移監(jiān)測分析（1）地表橫向水平位移隧道右側(cè)卸載邊坡平臺、隧道上方平臺與隧道左側(cè)反壓邊坡平臺、隧道進(jìn)出口錨索樁橫向水平位移時程曲線分別如圖10~圖12所示。由圖10可知，隧道右側(cè)卸載邊坡平臺橫向水平位移波動范圍為-2.2～3.2mm，無增加趨勢，已趨穩(wěn)定。由圖11可知，隧頂上方平臺橫向水平位移波動范圍為-1.9～4.5mm，且近兩年其變形具有明顯收斂趨勢。隧道左側(cè)反壓邊坡平臺橫向水平位移在2017年4月～2018年8月期間處于小幅波動范圍，波動區(qū)間為-2.2～2.3mm；此后至2018年12月，位移處于增加狀態(tài)，最大值為8.2mm，然后逐漸減小并趨于收斂，截止2020年5月監(jiān)測結(jié)果顯示其變形穩(wěn)定在4.7mm。由圖12可知，隧道進(jìn)口明洞段右側(cè)錨索樁樁頂橫向水平位移波動范圍為-2.0～3.9mm，無增加趨勢；隧道出口段右側(cè)錨索樁樁頂橫向水平位移同樣處于小幅波動狀態(tài)，其波動范圍為-2.7～3.2mm，無增加趨勢。說明加固措施有效控制了隧道與山體的橫向水平位移。（2）深部橫向水平位移對隧道上方平臺天然地層進(jìn)行深部測斜，分析不同深度地層橫向水平位移隨時間變化關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)，位移波動幅值為16.8mm（歷史變形最大值），且最新偏移量介于歷史位移最大值與最小值之間，說明該位置處橫向水平位移已趨于穩(wěn)定，左右波動現(xiàn)象是由測量操作誤差引起。此外，針對隧道進(jìn)口段右側(cè)的4根錨索樁進(jìn)行了深部橫向水平位移監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果分析可知，隧道進(jìn)口明洞段右側(cè)4根錨索樁內(nèi)不同深度橫向水平位移曲線隨時間先增加，然后小幅波動，趨于穩(wěn)定狀態(tài)。最大橫向水平位移均出現(xiàn)在隧道仰拱下方，且在土石分界線之下，具體分別出現(xiàn)在樁頂以下27.5，28.5，29.5，34.0m位置處。圖13為錨索樁最大橫向水平位移時程曲線。由圖13可知，隧道進(jìn)口段4根錨索樁的最大變形規(guī)律可劃分為3個階段，分別為：位移緩慢增加區(qū)間、快速增加區(qū)間和收斂區(qū)間，趨勢位移曲線可精確表征該規(guī)律。其中，樁體最大橫向位移出現(xiàn)在極速增加區(qū)間結(jié)束時，但其沿豎向最大撓跨比僅為1.47‰。該現(xiàn)象可解釋為：地層推力作用下，錨索樁被動受力，由于樁體上部錨固作用，其位移被約束，因此，下部發(fā)生較小程度的彈性橫向水平變形，以產(chǎn)生抵抗力，從而與地層下滑力構(gòu)成平衡狀態(tài)，保證隧道所在山體的穩(wěn)定。（3）隧道收斂變形通過CPⅢ測量隧道邊墻的相對變形，兩側(cè)拱墻凈空收斂曲線與高差變化曲線如圖14所示。由圖14可知，隧道進(jìn)口段徑向擴(kuò)張位移為7.2mm，出口段徑向擴(kuò)張位移為3.9mm，隧道中部徑向擴(kuò)張位移小于1.2mm。此外，隧道各位置處徑向高差均較小，介于-1.1～1.2mm之間。由此可以判定隧道本身已處于穩(wěn)定狀態(tài)。4.3超聲檢測結(jié)果分析通過聲波透射法對錨索樁樁體質(zhì)量進(jìn)行探測與分析，所選用聲測管內(nèi)徑42mm，外徑48mm，4枚聲測管可形成6個聲測剖面，如圖15所示，分別為剖面1-2、1-3、1-4、2-3、2-4與3-4。分析現(xiàn)場超聲檢測結(jié)果可知，4根錨索樁主要缺陷范圍為距離樁頂28.3～36.5m處，尤其在樁深30.7～33.7m位置處存在明顯異常。上述結(jié)果與錨索樁內(nèi)深部測斜結(jié)果進(jìn)行比對可發(fā)現(xiàn)，變形特征與聲測異常位置具有較好的吻合性，即聲測結(jié)果異常部位附近均發(fā)生了較大程度的橫向水平變形，其原因可歸納為灌樁之前孔底有水或灌樁時振搗不及時，導(dǎo)致局部混凝土離析，造成錨索樁局部抗彎剛度較小，從而在地層推力作用下發(fā)生的相對變形較其他位置稍大，以提供足夠的抗滑力。5地下水岸變形通過對病害隧道設(shè)計、施工、地質(zhì)條件及變形特征進(jìn)行分析，明確了變形產(chǎn)生的主要原因，提出了綜合整治方案，并全程進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，科學(xué)評價分析了綜合加固措施對坡體和隧道的加固效果及其穩(wěn)定性，具體結(jié)論如下。（1）隧道變形特征主要為隧道拱部襯砌、電纜槽側(cè)壁發(fā)生縱向裂縫，仰拱出現(xiàn)環(huán)向裂縫，個別貫穿隧底，最大寬度達(dá)3.6mm；地表變形較大，局部產(chǎn)生縱向裂縫或弧形裂縫，最大寬度、深度分別達(dá)0.2m、5.5m，且隧道拱部隨時間繼續(xù)出現(xiàn)細(xì)微裂縫，局部仰拱填充與洞外地表隨時間也相繼出現(xiàn)裂縫。（2）隧道邊坡變形主要原因可歸納為隧道仰拱下存在虛碴軟弱