隧洞底鼓产生原因分析及治理措施

何 欣

(滇中引水工程有限公司，云南 丽江 674100)

0 引言

隧洞底鼓现象是隧洞病害的常见类型，对此学者们也进行了大量的研究。万正等[1]对富水煤系地层的隧道底鼓进行了研究，研究结果表明：基底围岩软化和高水压力是隧道仰拱隆起的2大因素。宋锋[2]对弱缩性隧道底鼓病害问题展开了深入研究，最终发现：其结构产生形变最受围岩等级及胀缩性控制，其次为衬砌厚度，最后为仰拱曲率半径、混凝土强度、隧道洞径。黄华等[3]对缓倾围岩隧道底鼓问题进行了研究，研究结果表明：隧道底鼓出现的主要原因为仰拱结构形式不符合实际情况以及其混凝土强度欠缺。杨建民等[4]通过现场实测对隧道底鼓问题进行了研究，研究结果表明：采用加长锚杆难以改善隧道底鼓问题，增加仰拱半径能够从根本上解决隧道底鼓现象。高震等[5]对围岩强度劣化条件下的隧道底鼓现象进行了研究，研究结果表明：围岩处粘聚力降低是导致隧道底鼓发生的主要原因。

综合以上学者的研究，本文将结合引水隧洞工程，通过地质勘察、数值模拟、现场实测相结合的方式对隧道底鼓产生的原因进行分析，提出相应的治理措施，对治理效果进行评价。

1 工程概况

滇中引水工程由水源工程和输水工程2部分组成，水源工程位于玉龙县石鼓镇，从金沙江取水，由泵站提水至总干渠。输水工程自丽江石鼓镇望城坡开始，终点为红河州新坡背。全线各类建筑物总长755.44km，其中输水总干渠总长664.24km，共有58座主隧洞长611.99km、120条施工支洞长91.2km。

2 工程地址条件

隧洞穿越不同的岩层，结合地勘报告，隧洞口穿越的岩土体自上而下力学性质见表1。

表1 岩土体力学性质

本文使用空心包体应力传感计进行应力测试，并在3个不同的测试点进行了测量，具体测量数据见表2—3。

表2 代表性测点地应力测试成果表

表3 3个测点最大主应力σ1值表

由表2—3数据可知，隧道外13～15m处的3个测点的围岩最大主应力在10.2～18.9MPa。将其岩石单轴抗压强度和最大主应力相关数据进行计算，可以判断出这些测点的围岩处于极高的地应力状态。此外，通过计算得出水平主应力与上覆自重应力的比值为1.5～2.5。为了评估隧洞围岩的挤压变形情况、变形量级、速率以及滑移区范围等因素，本隧洞选定了3个测试点开展应力测试。通过测试结果发现，这3个测点的最大主应力σ1、最小主应力σ3依次是14.6、7.2MPa，相差7.4MPa。同时，灰岩的天然单轴抗压强度平均值为7.2MPa。

3 数值模拟

3.1 模型的建立

为了研究隧洞K367+040～K367+060段的受力和位移情况，采用了MIDAS软件进行数值模拟。研究区域的隧洞边界长度为90m，高度为60m，延伸20m(如图1所示)。

图1 隧洞模型图

为了进行开挖，采用了CD法，在隧道开挖面的左侧采用了5根锚杆，右侧采用了6根锚杆进行初期支护。

在数值模拟中，采用了初期支护混凝土(C30)、二衬混凝土(C35)和锚杆，这3种材料都被假定为弹性材料，采用结构单元来描述它们的行为。具体的基本参数和属性选择见表4—5。对于初期支护和二衬，共计采用了2320个单元和1554个节点；整个三维模型包括了岩土体，共计使用了15942个单元和12031个节点，如图2所示。

图2 初期支护和二衬

表4 隧洞结构参数

表5 隧洞模型属性

3.2 计算步骤

建造模型后，依据岩土体特征对其展开赋值，借助莫尔库仑模型去描述岩土体的相关联系。在给予岩土体自重以及约束的期间，也给予了初始地应力。当此操作完成后，将岩土体位移清零。

接下来，根据表2—3中的数据对岩土体施加了地应力。同时，根据表4—5中的性质对岩土体和支护措施进行了赋值。

3.3 模拟结果

在模拟隧洞施工过程中，遵循了CD法的严格施工步骤，同时设置了收敛精度为1e-5，以保证计算的准确性和稳定性。隧洞模型在达到平衡状态后即停止计算。

3.3.1围岩变形分析

隧洞整体竖向位移如图3—4所示。

图3 隧洞整体竖向位移(单位：m)

根据图4的结果显示，隧洞岩土体85%的竖向位移大于20mm，其中仰拱位置出现了最大位移。进一步证实了在高地应力的前提下，隧洞仰拱地方会出现隆起，即为底鼓效应[6-7]。

图4 隧洞仰拱竖向位移(单位：m)

为了深入研究隧洞断面的位移情况，选择了K367+050纵断面，并从仰拱的左侧截取了该断面进行研究，把仰拱当作中心点然后朝左延伸到仰拱边界，对涉及的10个点进行实测仰拱隆起高度，位移数据如图5所示，结果显示位移主要集中在仰拱处，最大隆起高度达到了61.2mm，85%的岩土体在42～54mm的范围内隆起。

图5 现场实测仰拱隆起高度(单位：mm)

图5的监测结果显示，80%的岩土体隆起高度在38～55mm之间。这与数值模拟结果一致，进一步证实了致使隧道出现仰拱隆起现象的关键因素为高地应力以及衬砌设计不具有过高强度。

3.3.2支护结构变形分析

在高地应力前提下隧道衬砌的竖向应力如图6所示。

图6 隧洞衬砌竖向应力(单位：kN/m2)

从图6得知，在地应力的作用下，二衬发生了相当程度的竖向变形和破坏，尤其在仰拱处，竖向应变达到了95%。

3.3.3锚杆位移及应力分析

隧洞K367+050锚杆具体情况如图7所示。

图7 K367+050处锚杆受力

由图7可以看出截面处1/2的锚杆承受的力超过了1.0GPa，表明地应力的作用下，锚杆承受了相当大的拉力。锚杆产生的整体位移如图8所示。

图8 锚杆的整体位移(单位：m)

可以看出锚杆无法承受足够的应力，导致它们在承受地应力的过程中发生了不可逆的形变和损伤，无法有效地支护隧洞结构，从而产生隧洞底部变形、锚杆位移和顶部混凝土开裂现象。

因此，高地应力作用下，很明显发现隧洞出现了底鼓现象，锚杆存在变形和位移，导致顶部混凝土有些许开裂。此结果与模拟情况相同，在一定程度上证明了致使隧道变形破坏的关键因素为高地应力以及衬砌设计中不满足应有的强度。

4 隧洞底鼓处理措施及监测数据分析

4.1 隧洞底鼓处理措施

(1)设计处理措施

为了解决隧洞发生的变形破坏问题采取下工程措施：拆除破损的仰拱，把C35素混凝土升级为成C40钢筋混凝土，为了更好的保障其稳定性在仰拱底部构建了长度为6m的锚杆。同时把隧道顶部的锚杆改为32mm的涨壳式预应力锚杆，将锚杆长度延长到8m，借助锚固剂锚固，将纯水泥浆注浆入自由段，预张拉应力利用90kN的预应力。加固隧洞结构，提高其稳定性、安全性。

(2)施工处理措施

为改进施工质量，可以采取以下措施：首先，在施工前应做好地质勘探和分析，对可能出现的问题进行预测和评估，制定合理的支护方案，避免因施工不当导致的破坏。其次，在施工过程中，应严格按照“弱爆破、短进尺、强支护、勤量测、早封闭”的原则，尽量减小开挖对围岩的影响，确保施工安全。另外，要持续强化监测、控制施工过程中产生的变形以及位移，保障能及时处理出现的相关问题，避免发生不可逆的变形和破坏。最后，在施工结束后，应加强隧洞的监测和管理，及时发现和处理问题，确保隧洞的稳定和安全。

4.2 现场监测数据分析

针对加固后的隧洞受力情况进行数值模拟，竖向位移如图9所示。

图9 隧洞整体竖向位移(单位：m)

根据图9显示的数值模拟结果，可以得出结论：通过处理底鼓部位，隧洞岩土体的位移问题得到了有效的控制，隧洞稳定性得到了保证。隧洞整体位移趋于平稳后，监测人员进行了位移监测，相关数据如图10所示。

图10 处理后实测仰拱隆起高度(单位：mm)

从图10所示的监测数据中可以看出，模拟结果与实际测量结果比较吻合。表明治理仰拱的措施非常有效，达到了治理隧道底鼓的目标。

对2个不同的断面实施围岩接触压力监测操作，监测结果见表6。

表6 围岩接触压力汇总表 单位：MPa

由表6得知，治理措施有效地减轻了隧洞围岩的承载压力，达到了稳定围岩和保障隧洞安全的目标。

当完成仰拱换填混凝土的操作后，监测了混凝土的应变，监测结果见表7。

表7 仰拱填充混凝土应变汇总 单位：με

对比表7的监测和数值模拟结果，经过底鼓处理后，隧洞岩土体的竖向位移得到了有效控制。换填混凝土后，混凝土的应变值变化较小，显示出其膨胀变形已趋于稳定，选用的混凝土已满足隧洞稳定性的要求。综合数据表明处理措施是有效的，隧道底鼓得到了有效治理。

5 结论

本文结合引水隧洞工程实例，对隧洞低鼓产生的原因进行了分析，提出了相应的治理措施，可得出如下结论。

(1)通过现场勘察数据和数值模拟分析可知，高地应力条件下仰拱混凝土强度不足，是造成隧道底鼓的主要原因。

(2)在高地应力的作用下，隧洞仰拱地方出现了隆起现象，选择了K367+050纵断面，显示位移基本都位于仰拱处，其中绝大多数岩土体隆起高度在42～54mm之间，最大隆起高度为61.2mm。

(3)隧洞改变仰拱混凝土，能够解决隧洞仰拱隆起问题。根据实测和数值模拟结果，经过底鼓处理后，隧洞岩土体的竖向位移得到了有效控制，符合隧洞的位移要求。换填混凝土后，混凝土的应变值变化较小，显示出其膨胀变形已趋于稳定，选用的混凝土已满足隧洞稳定性的要求。