0 引言
随着高速公路隧道运营时间的增长，隧道的病害问题逐渐凸显，特别是软岩隧道病害严重。病害主要表现为渗漏水、衬砌开裂、路面起拱、仰拱开裂、仰拱隆起等
［1-2］。富水软岩的地层特点对隧道长期稳定性和运营安全造成了较大的威胁
［3-4］。特别是在深埋隧道环境下，围岩遇水劣化引起的结构变形问题尤为突出，直接关系到隧道结构的完整性以及后续的维护成本
［5-8］。
千枚岩是典型的软岩类型，其强度低、遇水软化。川青铁路德胜隧道
［9］、黑马关富水千枚岩公路隧道
［10］的建设中，均发生千枚岩长期受水浸泡后软化、泥化严重，导致围岩强度降低，引起大变形问题。因此，应注重隧道开挖运营中渗流‒应力耦合作用机理和软岩水理力学特征的研究。
在隧道渗流‒应力耦合作用研究方面，众多学者提出了岩体渗流‒应力耦合的理论模型，分为等效连续介质渗流‒应力耦合模型、裂隙网络渗流‒应力耦合模型和双重介质渗流应力耦合模型三大类
［11］。赵晨希等
［12］研究渗流作用下，岩体的力学反应（包括岩体的变形、损伤、破坏、稳定性等），建立裂隙岩体中隧道开挖和后续排水诱发损伤和裂隙变形的流固耦合模型。
在千枚岩力学特性研究方面，郑达等
［13］研究了岩石宏观断裂现象与其微观结构、缺陷间的关联性，构建了从宏观到微观的破裂机制桥梁；吴永胜
［14］针对千枚岩的基础物理力学属性，从千枚岩物质结构、损伤断裂演化过程等视角深入研究围岩大变形破坏机理；周航等
［15］研究发现，杨家坪隧道部分区域的大变形现象与渗水紧密相关，水分对千枚岩结构有破坏性影响。
在软岩隧道病害成因及加固研究方面，Zhou等
［16］指出，高地应力破碎断层带隧道开挖过程中，围岩破碎、强度低、稳定性差等因素导致衬砌开裂、隧道塌方和路面起拱等病害；黄忠财等
［17］发现，金龙岩隧道路面起拱存在围岩偏压、基岩软化等多方面的因素影响；邵小军等
［18］针对某高速公路隧道路面起拱、衬砌开裂病害，采用多种调查方法，准确把握了病害成因，并提出了针对性的治理方案。
目前，将软岩隧道渗流与应力耦合、软岩水理及力学特征与流固耦合数值相结合，进行路面起拱病害演变过程的研究较少。为此，本文对软岩隧道病害进行调查统计，研究千枚岩在工程环境中的力学特征和水理性质，采用流固耦合分析隧道在断裂带和地下水共同作用下的破坏规律，开展隧道路面起拱病害演化过程分析。根据病害部位和病害程度提出三类六种病害处治方案，并对路面起拱严重路段提出内嵌式套拱加固结构新工艺。现场施工效果表明，处治加固达到预期效果，具有良好的经济效益和社会效益。
1 隧道概况及其病害特征
云岭隧道位于福银高速公路十漫段郧西县上津镇鄂陕交界处，该隧道为四车道高速公路隧道。隧道右洞长度为2 170 m，左洞长度为2 183 m，最大埋深344 m。该隧道区域属于构造剥蚀形成的中至低山丘陵地带，地形特征显著，高差约350 m。在ZK1478+181~ZK1479+281m段，右侧上津组的炭质千枚岩经挤压后，形成了宽度超过百米的破碎带，此断层产状为38°∠55°，地层间存在轻微的平移现象，表明两郧断裂带在此区域表现为平移逆断层。
云岭隧道地质纵断面及病害类型分布如
图1所示。隧道区地层岩性为强风化千枚岩、灰岩和泥岩。云岭隧道病害统计如
表1所示。由
表1可知：云岭隧道存在不同程度、不同位置的病害，对隧道的结构和交通安全产生了较大的影响。
云岭隧道左洞土建结构技术状况评定分数为66.5
［19］，评定等级为3类
［20］。隧道病害情况如
图2所示，隧道路面出现纵向开裂、路面起拱、二衬混凝土开裂掉块等。隧道内钻芯取样结果显示：隧道沥青路面平均厚度为13.5 cm，部分位置存在厚度不足的问题；部分路段存在仰拱埋深不足、仰拱结构缺失等问题；隧道路拱开裂、起拱严重，影响了隧道结构整体稳定性与道路交通安全。
2 千枚岩的软岩特征
2.1 千枚岩物理特性
现场采集原石，试样按照国际岩石力学学会（ISRM）的制样要求，加工成ϕ50 mm×100 mm的标准圆柱形试样，并进行密度、吸水率试验。千枚岩在干燥状态下密度为2.639 g/cm3，自然状态下密度为2.652 g/cm3，饱和状态下密度为2.656 g/cm3。千枚岩试件干燥后置于常温清水中浸水48 h，测得千枚岩的吸水率为1%。
取两份千枚岩样品送至武汉科技大学分析测试中心进行微观形貌观测与矿物成分分析。千枚岩放大2 000倍的电镜显微照片如
图3所示，图中千枚岩层理面明显，岩样为细粒鳞片变晶结构。
图4为千枚岩矿物X衍射成分分析结果，可以看出，岩石主要成分为石英、绿泥石、斜长石、方解石、白云母与钾长石。其中方解石占40.7%、绿泥石占15.8%、白云母占7.9%。方解石、绿泥石、白云母等矿物质硬度相对较低，均具有一定的解理性，且矿物组成形态多样。这类矿物遇水后的稳定性、强度变化及风化速率等方面表现较弱，因此，遭遇水分侵蚀、自然风化等环境条件时，矿物更易发生破坏，导致千枚岩隧道在挖掘完成后，围岩可能会发生松弛、大变形。
2.2 千枚岩力学特征
为明确水对岩石物理力学性质的弱化作用，本文开展不同状况下千枚岩的三轴试验。试验分为自然状态和饱和（浸水48 h）状态，分别在围压为0 MPa、3 MPa、6 MPa、9 MPa下进行常规三轴压缩试验。千枚岩试样与加载系统如
图5所示。试验采用力控制方式，先施加侧向压力至预定围压值，然后以0.5 MPa/s的稳定加载速率施加纵向荷载直至试件破坏，记录破坏荷载值。卸载后取出试件，记录其破坏状况。
千枚岩试样三轴试验结果汇总如
表2所示。与自然状态相比，饱和状态下，岩石抗压强度和弹性模量的平均值较低。随着围压的增大，岩石峰值强度、弹性模量均增大。自然状态下，岩石内部孔隙和裂隙中含水量较少，变形量相对较小；饱和状态下，水进入岩石的孔隙和裂隙中，岩石压密阶段变形量大，整体强度降低。在饱和条件下，岩石表现出明显的遇水软化特征。
循环荷载作用下，饱和千枚岩的物理力学参数会发生变化。水对千枚岩的单轴循环抗压强度、变形特性、损伤演化、能量释放特征及裂隙扩展模式均有明显的影响。单轴循环荷载下，饱水千枚岩的抗压强度和弹性模量降低，轴向不可逆应变增大。此外，水改变了千枚岩的破裂模式，使千枚岩由拉伸破裂向剪切破裂转变。
3 隧道渗流‒应力耦合数值分析
3.1 数值模型及计算参数
本文采用等效连续介质渗流‒应力耦合模型，分析不同断层渗透系数下隧道开挖的力学响应，研究隧道在断裂带和地下水共同作用下的破坏规律。
采用FLAC3D 6.00软件建立数值模型，以隧道中轴线为界，左右各取50 m，竖直方向各取65 m，y轴方向取100 m。模型中设置断层产状为38°∠55°，断层宽度设置为20 m。断层渗透特性按照微、中、强进行模拟，分别取断层渗透系数为1×10-9 m/s、1×10-7 m/s、1×10-5 m/s。
隧道三维模型如
图6所示。隧道开挖1 m及施作初支二衬1 m，循环开挖100步，监测整个开挖支护过程中隧道的位移及应力变化情况。地下水位设置在距隧道中心上20 m处。假设隧道整体处于饱水状态，将模型的左、右、前、后及下边界设为不透水边界，考虑流固耦合开启渗流模式。围岩采用摩尔‒库仑本构模型，初期支护和二次衬砌为弹性模型。根据地质勘查资料，云岭隧道围岩共分为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级。根据施工现场揭露的情况，原设计中设有仰拱的Ⅴ级围岩隧底病害严重，路面起拱严重及隧底隆起程度已经严重影响隧道使用，需对结构整体进行加固。依据《公路隧道设计细则》（JTG/T D70—2010）
［19］及《公路隧道设计规范 第一册 土建工程》（JTG 3370.1—2018）
［20］，Ⅴ级围岩的取值符合规范中各级围岩基本物理参数取值范围，断层参数相应参考地勘资料。合理选取围岩及相关支护结构计算参数，具体隧道结构参数如
表3所示。
3.2 断层渗透特性影响
断层以倾斜方式贯穿隧道，致使隧道出现偏压现象。纵向50 m处围岩隧道断面处，在不同渗透系数下隧道仰拱各位置的位移如
图7所示。由
图7可知：断层以倾斜方式贯穿隧道，隧道出现偏压，隧道位移分界线与断层倾角近似平行。随着渗透系数增大，仰拱不同位置处的位移量均有不同程度的增大，仰拱中心位移量最大。
不同渗透性系数下的拉伸和剪切破坏下塑性区的体积变化如
图8所示。以渗透系数为1×10
-9 m/s的塑性区体积为基准，剪切屈服状态下，渗透系数1×10
-7 m/s和渗透系数1×10
-5 m/s的塑性区体积分别增加69.3%和163.9%；拉伸屈服状态下，渗透系数1×10
-7 m/s和渗透系数1×10
-5 m/s的塑性区体积分别增加58.1%和741.7%。可见渗透系数对塑性区体积的影响较为明显。从整体塑性区分布来看，隧道围岩在模拟过程中以剪切破坏为主，虽然在较大渗透系数下拉伸破坏区域体积有非常明显的提升，但是相较于剪切破坏状态来看影响有限。
3.3 隧道路面隆起病害与模拟结果分析
沿隧道开挖方向监测不同渗透系数下隧道仰拱的位移情况，结果如
图9所示。由
图9可知：隧道仰拱隆起值随着渗透系数的增大而增加。在接近断层前后隧道仰拱的位移变化经历了缓慢变形、急速变化和趋于稳定3个阶段。
根据
表1中云岭隧道病害统计，隧道路面不同部位局部起拱处与路面高差分别为2.5 cm、4.5 cm、10 cm。说明断层渗透作用强，断层和地下水共同作用下隧道路面起拱严重。
4 病害处治
4.1 病害处治方案
从隧道现场开挖情况来看，所有的病害处治开挖段都出现地下水，说明云岭隧道地下水较为丰富。从千枚岩物理及力学试验情况来看，千枚岩强度较低，遇水后结构易发生损伤劣化，符合软岩的特征。从数值模拟计算看，在断层和地下水的共同作用下，断层渗透系数越大，仰拱处的位移量越大，隧道偏压程度越高，围岩塑性区体积越大，更易产生变形破坏。综合考虑上述病害成因并结合工程实践，提出隧道路面加固、围岩加固和结构加固3种加固类型，如
表4所示。
4.2 现场病害处治
云岭隧道ZK1479+413~ZK1479+435段隧底开挖围岩状态如
图10所示。开挖深度2.5 m，基底未见原仰拱结构。路面以下1.2 m为浸水千枚岩，呈严重破碎状，含水量大，极为软弱，人工用羊镐可轻松挖除。原结构层深度约120 cm。
结合隧底开挖围岩状态和隧道病害处治原则，隧底隆起程度已经严重影响隧道使用，需对结构整体进行加固，采用内嵌式套拱加固方案（
图11）。在两榀临时钢拱架中间沿衬砌环向凿梯形槽，衬砌开槽深度为10 cm，开槽宽度为50 mm。套拱上部结构采用I18型钢，分为6段制作拼接而成，各段通过240 mm×280 mm×14 mm连接钢板和M20螺栓连接成整体。钢架与衬砌采用
ϕ22 mm U形钢筋定位锚固，钢架纵向间距为每榀1 m，拱脚与
ϕ89 mm×6 mm锁脚锚管连接，每榀钢架之间设置
ϕ22 mm连接钢筋加强连接。
内嵌式套拱加固方案现场实施效果如
图13所示。此结构不仅能大幅提升隧道衬砌的承载力，还能有效抑制隧底软岩隆起，进而一次性解决隧道路面拱起、开裂及衬砌脱落等问题，加固成效显著。同时，该方案能减少交通中断次数，降低维护成本，展现出优越的经济效益与社会效益。
4.3 病害处治效果评价
2022年5月5日至9月20日，云岭隧道左洞采取全封闭施工，历时138 d，顺利完成了加固施工任务。ZK1479+413~ZK1479+435加固段布设2个监测断面： ZK1479+420断面、ZK1479+430断面。加固作业完成后，对运营期云岭隧道洞内进行监测。2023年6月14日监测数据表明：ZK1479+420断面累计拱顶下沉量为1.5 mm，拱顶下沉速率从0.08 mm/d降至0.01 mm/d；累计周边位移量为1.9 mm，周边位移速率从0.08 mm/d降至0.02 mm/d。ZK1479+430断面累计拱顶下沉量为0.6 mm，拱顶下沉速率从0.05 mm/d降至0.01 mm/d；累计周边位移量为2.1 mm，周边位移速率从0.08 mm/d降至0.02 mm/d。经过半年的监测，监测断面拱顶下沉和周边位移均满足规范要求，加固处治效果良好。
5 结论
（1） 随着围压的增大，炭质千枚岩峰值强度、弹性模量均增大。饱和状态下岩石的抗压强度和弹性模量低于自然状态，说明千枚岩遇水后结构发生了损伤劣化。
（2） 考虑隧道渗流‒应力耦合作用，断层渗透性越大，拱底各位置的位移量越大；围岩断层渗透系数1×10-7 m/s和1×10-5 m/s与渗透系数1×10-9 m/s的塑性区体积相比，分别增加了69.3%和163.9%。地下水和断层的共同作用，降低了隧底围岩的承载能力和抗剪能力，导致隧道出现裂缝、错台、路面起拱等病害。
（3） 综合现场开挖、室内试验和数值模拟分析结果，针对不同的病害成因、病害程度，提出路面加固、围岩加固、结构加固3种加固类型，以及路面修复、锁脚锚杆、隧底注浆、锚杆框架梁、型钢框架梁、内嵌式套拱6种处治方案。
（4） 相较于传统加固技术，内嵌套拱加固具有不侵界、安全环保与经济节约等特点，是一种能够同时应对多种病害的综合性加固手段，可有效处理衬砌的开裂、脱落以及隧底的隆起、裂缝等问题。
湖北省交通运输厅应用基础研究项目（编号：2023-121-1-21）; 湖北省教育厅科学研究计划青年项目（编号：Q20221104）
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