高地應力隧底隆起成因分析及治理預防對策探討

趙宏博

（武九鐵路客運專線湖北有限責任公司，湖北 宜昌443000）

1 工程背景

1.1 工程概況

興山隧道位于湖北段興山縣境內，為時速350km 的單洞雙線隧道，全長10 085.314m。隧道最大埋深725m（D1K570+800～D1K570+550 段最大埋深284m）。采用“1 平導+2 橫洞+1泄水洞+1 施工支洞”的輔助坑道模式，中部平導在正線左側30m，長度為3 295.52m，輔助坑道總長4 985.52m。

1.2 地質情況

隧址區處于神農架山系南麓，位于新華夏系構造帶內，隧址進口位于新華斷裂與林家灣斷層之間，洞身段主要穿過新華斷裂和其次生斷層及由此產生的局部褶皺。隧址區受新華斷裂影響，構造作用強烈，地層程序不斷變化，地質復雜。隧道洞身穿越的地層巖性：頁巖夾砂巖、頁巖、灰巖夾頁巖、白云巖、頁巖夾灰巖。其中，興山隧道中部平導PDK571+270～PDK569+095 段穿越志留系頁巖夾砂巖及志留系與奧陶系并存的炭質頁巖、硅質頁巖地層，隧道埋深145～340m。正洞D1K570+942～D1K569+095 段相應地質，埋深130～285m。

1.3 設計結構參數

1.3.1 輔助道坑結構

中部平導采用無軌單車道Ⅲ型斷面，內凈空尺寸為6.5m（寬）×6.2m（高），僅初支及底板（無仰拱）結構。其中，Ⅲ級圍巖為錨網噴混凝土15cm 厚結構，Ⅳ級圍巖I14 型鋼鋼架間距1.2m 錨網噴混凝土20cm 厚結構，Ⅴ級圍巖I14 型鋼鋼架間距0.8～1.2m 錨網噴混凝土25cm 厚結構。

正洞按高速鐵路雙線隧道結構斷面設計【1】為三圓心型式，其中，拱墻圓心O1，內半徑r1為665cm；小邊墻圓心O2，內半徑r2為220cm；仰拱圓心O3，內半徑r3為1 721cm。

1.4 隧底隆起情況

2018 年7 月17 日，由平導向正洞施工10#橫通道貫通。2018 年7 月20 日，發現PDK570+910～PDK570+960 段底板有縱向小裂縫，PDK570+972～PDK570+952 段靠正洞側邊墻初支開裂、拱架變形。

2018 年8 月10 日，底板開裂向10#通道前后發展，向小里程發展至PDK570+860，向大里程發展至PDK570+995。經持續觀測裂縫寬度在5～80mm，隆起最大高度達到400mm，具體數值見表1。

表1 開裂、隆起統計情況表

平導初期支護裂縫多位于線路右側（靠正洞側），線路左側也有少量裂縫。裂縫形態多為環向裂縫，沿拱腳向拱腰發展，局部地段縱向裂縫與環向裂縫相互交錯，洞室、通道等地段初支開裂加劇。

2 底板隆起原因分析

興山隧道正洞D1K570+675 及平導PDK570+883.6 位置巖石取樣進行巖石自由膨脹率和飽和吸水率檢測。巖石自由膨脹率軸向平均值為0.13%，徑向為平均值0.08%；平導自由膨脹率軸向平均值為0.09%，徑向為平均值0.11%，不屬于膨脹巖。

經過巖體應力測試，圍巖強度應力比為4.78，屬高地應力狀態。隧底隆起主要原因為局部地應力偏高，新華斷裂及其次生斷層與局部褶皺構造，薄～中厚層狀構造，頁理較發育，巖層傾角平緩、軟弱，形成水平應力大于垂直應力，巖層在受到平行于層理方向的壓力作用下向臨空方向發生彎折變形，從而形成“撓曲褶皺性底鼓”【2】。

受洞群效應的影響，正洞開挖導致地應力重新分配，也是造成底板開裂、底鼓的原因【3】。

3 治理及預防措施

3.1 已施工段治理

針對已施工段，采取以下措施進行治理：

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1）加套拱、鎖腳：對已開挖施工PDK570+972～PDK570+957 段錨噴襯砌支護斷面內緊貼設置I18 型鋼套拱，間距0.8m/榀，噴C25 混凝土25cm 厚，每榀鋼架拱腳、墻腳處設置2組4.5m 長φ42mm 鎖腳錨管鎖定。

2）加強支護：對PDK570+995～PDK570+972、PDK570+957～PDK570+860 段平導拱墻進行支護補強，補強措施采用長4.0m 漲殼式低預應力錨桿，間距1.5m×1.2m（環×縱）。

3）底板拆除：監控量測分析支護穩定后，進行PDK570+995～PDK570+860 段平導增設仰拱初支鋼架封閉成環，底板改為弧形仰拱，仰拱初支完成后澆筑仰拱及填充混凝土。

3.2 平導未施工段加強預防措施

平導未施工PDK570+860～PDK569+880 段，支護直邊墻為曲邊墻，同時增設仰拱鋼架封閉成環（見圖1）。

圖1 單車道Ⅲ型錨噴襯砌斷面（單位：cm）

為減小開挖群洞效應，調整未開挖段平導線位，平導中線距正線線路左中心線距離調整為45m。

3.3 正洞處理措施

正洞處理工作分已施作段與未施作段進行，具體內容有：

1）已施作段：D1K570+800～PDK570+740 段仰拱、拱墻主筋調整為φ22mm；

2）未施作段：調整正洞仰拱曲率，仰拱加深75cm；初支：拱墻錨桿調整為5m 長，鋼架間距加密（Ⅳb 鋼架間距調整為0.8m/榀，Ⅴa 鋼架間距調整為0.6m/榀），仰拱底增設地錨，設置于仰拱鋼架之間，每2 榀設置1 環，采用φ32mm 砂漿錨桿，單根長9m，環向間距2.5m，每環5 根。襯砌鋼筋調整為φ22mm 主筋。

4 治理效果

4.1 施工監測對比

對采取上述措施所得治理效果進行監測，對比如下：

1）平導加固前后對比，拱頂最大沉降量由73mm 降至48mm，最大收斂由146mm 降至45mm。調整平導與正洞間距后，正洞施工對平導影響大為減小。

2）正洞測試：在正洞8 個斷面進行仰拱圍巖壓力、噴混應力和二襯應力測試，效果對比見圖2。

圖2 正洞設計參數調整效果對比圖

4.2 治理效果

對監控量測數據進行分析得，經平導加套拱、直墻改曲墻、正洞隧底減小半徑增加曲率措施，現場4～10 個月沉降、收斂、地應力、圍巖位移監測，最大變形量在3mm 以內，病害整治段落及后續施工段落再未出現路面開裂、隆起等現象，隧底變形得到有效控制，說明處理措施是合理的、可行的，且效果得當。

5 結語

綜上所述，隧道開挖后形成臨空面，原圍巖的應力由原來三向應力穩定狀態改變為二維應力狀態，應力狀態發生改變，巖體發生松弛變形、強度降低，作用在隧道支護和襯砌結構的壓力大于結構承受能力，形成破壞，引起隧底隆起。其主要成因有水壓、高地應力、巖石膨脹等，因此，針對易發生隧底隆起地段，在工程設計和施工中必須保證仰拱或鋪底的強度，同時提高隧道結構的整體剛度，可采取以下措施組織治理：遇地下水時引排降壓；圍巖注漿加固改變巖性；錨桿、錨索、鋼管樁、微型樁抗剪加加固；增大仰拱曲率等。