软弱膨胀围岩段隧道仰拱开裂成因分析及处治措施

李 胜 利

(中铁十四局集团第三工程有限公司，山东 济南 250000)

1 工程概况

国家高速公路网昆明绕城高速公路东南段杨林隧道位于昆明市嵩明县、宜良县境内。起点位于嵩明县杨林镇甸头村，终点位于宜良县北羊街，杨林隧道左线桩号为ZK13+250～ZK22+712全长9 462 m；右线桩号K13+270～K22+680全长9 410 m，为双线分离式六车道隧道，进口至出口方向一直为下坡施工，坡度为-1.98%。该隧道是云南省目前施工里程最长的公路隧道，也是国内在建最长的三车道公路隧道。隧道区基本地震烈度为9度，隧道建设需克服岩溶地层、断层破碎富水带、瓦斯地层、软弱破碎、膨胀性围岩等不良地质，极易发生不良地质灾害，为全线的重难点工程和控制性工程。

2 地质情况概述

杨林隧道进口右线K14+700～K14+800段施工揭示，围岩主要以强～全风化页岩、碳泥质灰岩、粉砂岩夹页岩为主，同时有泥质白云岩，泥质砂岩、局部夹砂岩层等。灰色～灰黑色、灰白色岩层相互交错，从线路左侧向右上方倾斜，倾角较小，单岩层厚度总体较薄，分布不均，且节理发育，破碎呈镶嵌层状碎裂结构。页岩和泥灰岩层呈薄片状、层间光滑，暴露后自行松散脱落、遇水软化呈泥状，且岩层沿隧道纵向变化较快，有的岩层扭曲呈现褶皱形式，手捏即碎，部分手捏成团，可塑性强。经第三方试验检测，岩体自由膨胀率为45%～68%，见图1。

3 仰拱填充开裂情况

杨林隧道进口右线K14+700～K14+800段设计衬砌类型SF5a1，仰拱为钢筋混凝土，仰拱初期支护均采用与边顶拱成环的工字钢，施工中仰拱整体浇筑。仰拱施工典型设计参数如图2所示。

从现场仰拱裂缝分析，具有以下特性：

1)仰拱裂缝位置多数分布在仰拱中间偏左或右侧1 m，以及仰拱1/3位置，形状不规则，裂缝宽度大小不一，基本处于0.5 cm～2 cm之间。

2)仰拱裂缝出现的情况有仰拱浇筑后几天开裂，也有部分为二衬施工后开裂。

3)K14+700～K14+800段纵向范围共有三条裂缝，三条裂缝中间有一定距离的间隔。裂缝上宽下窄，从上到下明显减小，最长一条纵向裂缝为11 m。

4)裂缝均位于围岩软弱破碎、膨胀性围岩段落。

5)通过监控量测得出，部分裂缝趋于稳定，但部分裂缝有持续发展趋势。

4 裂缝原因分析

根据设计资料及地质调查，施工及监控量测情况进行分析，仰拱出现裂缝的原因主要有以下几点：

1)围岩应力。

裂缝位于Ⅴ级围岩段，在山体应力及重力作用下导致两侧边墙、拱脚混凝土向洞轴线挤压，造成仰拱混凝土向上挤压变形开裂。

2)地下水作用。

出现裂缝段围岩裂隙水发育，由于反坡施工，仰拱内积水不能全部排出，积水存在仰拱底部，导致碳泥质灰岩、粉砂岩、页岩等软化、泥化。严重削弱仰拱地基承载力，隧道整体结构下沉，致使长段落的仰拱变形开裂。

3)仰拱底部虚渣。

仰拱底部的虚渣清理不彻底，造成仰拱底部地基承载力下降。

4)设计问题。

隧道跨度大，边墙拱脚钢拱架形成圆弧效果差，不能有效将围岩压力传递到仰拱底部。同时仰拱整体偏于平缓，中间仰拱底部设计开挖深度不足。通过仰拱下围岩取芯情况看，底部围岩软硬不均且交错出现，泥岩和页岩层泥化严重，取芯呈泥浆状，手搓有较大粘性。

5 裂缝处治措施

在仰拱裂缝段横向布设5个监控量测点，分别为中间一个点、左、右1/3以及水沟内边缘位置各两个点。通过监控量测数据，根据裂缝宽度、是否稳定制定不同的处治措施。

5.1 较小且稳定裂缝

由于裂缝稳定，没有持续发展且裂缝宽度较小的，清理干净后进行灌浆处理，不做其他措施处理。

5.2 不稳定持续发展裂缝

对于不稳定裂缝，无论缝宽大小均进行如下处治：

1)沿仰拱横断面打设5根φ76注浆钢管，横向间距2 m/根，深度4.5 m/根，隧道纵向每排钢管间距5 m。

2)采用低速低压注浆，浆液采用P.O42.5纯水泥浆，浆液水灰比为0.6∶1，注浆压力为0.1 MPa～0.2 MPa。

3)混凝土面层浇筑时调整为钢筋混凝土面板，钢筋采用纵、横向间距为25 cm的φ16钢筋网。

针对以上情况，为避免仰拱裂缝向上返水影响路面质量，在仰拱开裂段设置路面排水碎石盲沟，盲沟紧贴仰拱填充面设置，纵横向坡度与隧道纵横坡度一致，见图3。

碎石由岩石或砾石轧制而成，应洁净、干燥，并具有足够的强度和耐磨性，其颗粒形状应具有棱角，不得掺有软质和其他杂质，粒径宜为19 mm～63 mm，含泥量应小于10%。

6 仰拱施工改进措施

针对围岩软弱膨胀段仰拱开裂施工情况，在仰拱施工中可采取以下措施，保证施工质量。

1)边墙底部拱脚改为斜边墙，并调整为条形扩大基础，增强围岩压力传递的有效性。

2)增大仰拱弧度，中间开挖深度加大，确保基底承载力满足要求。

3)在反坡施工中，严禁水沟内的水流入仰拱，防止仰拱底部有积水。

4)仰拱浇筑之前必须将底部虚渣清理干净，避免影响基底承载力。

5)严格控制仰拱及仰拱填充施工质量，振捣密实，仰拱与仰拱填充应错台浇筑。

7 结语

杨林隧道围岩软弱膨胀段仰拱开裂处治施工效果十分理想，根据现场施工情况，得到一些认识，以供参考。

1)杨林隧道为大跨度三车道公路隧道，岩体破碎软弱，围岩具有膨胀性，围岩压力大。

2)围岩垂直应力大、持续时间长，应力无法有效传递到仰拱底部。

3)通过开裂段处治，对仰拱及仰拱填充施工有了充分认识，并可通过边墙底部调整为条形扩大基础、增加仰拱弧度及控制施工质量等措施有效控制仰拱开裂。