高地應(yīng)力隧底隆起成因分析及治理預(yù)防對(duì)策探討

趙宏博

（武九鐵路客運(yùn)專線湖北有限責(zé)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(nèi)，為時(shí)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(dǎo)+2 橫洞+1泄水洞+1 施工支洞”的輔助坑道模式，中部平導(dǎo)在正線左側(cè)30m，長度為3 295.52m，輔助坑道總長4 985.52m。

1.2 地質(zhì)情況

隧址區(qū)處于神農(nóng)架山系南麓，位于新華夏系構(gòu)造帶內(nèi)，隧址進(jìn)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(chǎn)生的局部褶皺。隧址區(qū)受新華斷裂影響，構(gòu)造作用強(qiáng)烈，地層程序不斷變化，地質(zhì)復(fù)雜。隧道洞身穿越的地層巖性：頁巖夾砂巖、頁巖、灰?guī)r夾頁巖、白云巖、頁巖夾灰?guī)r。其中，興山隧道中部平導(dǎo)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(zhì)頁巖、硅質(zhì)頁巖地層，隧道埋深145～340m。正洞D1K570+942～D1K569+095 段相應(yīng)地質(zhì)，埋深130～285m。

1.3 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.3.1 輔助道坑結(jié)構(gòu)

中部平導(dǎo)采用無軌單車道Ⅲ型斷面，內(nèi)凈空尺寸為6.5m（寬）×6.2m（高），僅初支及底板（無仰拱）結(jié)構(gòu)。其中，Ⅲ級(jí)圍巖為錨網(wǎng)噴混凝土15cm 厚結(jié)構(gòu)，Ⅳ級(jí)圍巖I14 型鋼鋼架間距1.2m 錨網(wǎng)噴混凝土20cm 厚結(jié)構(gòu)，Ⅴ級(jí)圍巖I14 型鋼鋼架間距0.8～1.2m 錨網(wǎng)噴混凝土25cm 厚結(jié)構(gòu)。

正洞按高速鐵路雙線隧道結(jié)構(gòu)斷面設(shè)計(jì)【1】為三圓心型式，其中，拱墻圓心O1，內(nèi)半徑r1為665cm；小邊墻圓心O2，內(nèi)半徑r2為220cm；仰拱圓心O3，內(nèi)半徑r3為1 721cm。

1.4 隧底隆起情況

2018 年7 月17 日，由平導(dǎo)向正洞施工10#橫通道貫通。2018 年7 月20 日，發(fā)現(xiàn)PDK570+910～PDK570+960 段底板有縱向小裂縫，PDK570+972～PDK570+952 段靠正洞側(cè)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(fā)展，向小里程發(fā)展至PDK570+860，向大里程發(fā)展至PDK570+995。經(jīng)持續(xù)觀測(cè)裂縫寬度在5～80mm，隆起最大高度達(dá)到400mm，具體數(shù)值見表1。

表1 開裂、隆起統(tǒng)計(jì)情況表

平導(dǎo)初期支護(hù)裂縫多位于線路右側(cè)（靠正洞側(cè)），線路左側(cè)也有少量裂縫。裂縫形態(tài)多為環(huán)向裂縫，沿拱腳向拱腰發(fā)展，局部地段縱向裂縫與環(huán)向裂縫相互交錯(cuò)，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(dǎo)PDK570+883.6 位置巖石取樣進(jìn)行巖石自由膨脹率和飽和吸水率檢測(cè)。巖石自由膨脹率軸向平均值為0.13%，徑向?yàn)槠骄?.08%；平導(dǎo)自由膨脹率軸向平均值為0.09%，徑向?yàn)槠骄?.11%，不屬于膨脹巖。

經(jīng)過巖體應(yīng)力測(cè)試，圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比為4.78，屬高地應(yīng)力狀態(tài)。隧底隆起主要原因?yàn)榫植康貞?yīng)力偏高，新華斷裂及其次生斷層與局部褶皺構(gòu)造，薄～中厚層狀構(gòu)造，頁理較發(fā)育，巖層傾角平緩、軟弱，形成水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)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(fā)生彎折變形，從而形成“撓曲褶皺性底鼓”【2】。

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

3 治理及預(yù)防措施

3.1 已施工段治理

針對(duì)已施工段，采取以下措施進(jìn)行治理：

此時(shí)此刻才是這個(gè)家族最為榮耀的時(shí)刻，因?yàn)閯倓傉Q生不久的991.2代保時(shí)捷911 GT3 RS擁有更快的最高車速和更強(qiáng)的輸出表現(xiàn)—312公里/小時(shí)和520馬力。在200公里/小時(shí)的狀態(tài)下，它車身上的空氣動(dòng)力學(xué)套件能夠提供144公斤的下壓力，而在這些積極因素的幫助下，它所創(chuàng)造的是紐博格林北環(huán)賽道單圈用時(shí)7分05秒的紀(jì)錄！雖然它的車頭和車尾仍舊為車牌留出了空間，但實(shí)際上它只應(yīng)該屬于賽道。

1）加套拱、鎖腳：對(duì)已開挖施工PDK570+972～PDK570+957 段錨噴襯砌支護(hù)斷面內(nèi)緊貼設(shè)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(shè)置2組4.5m 長φ42mm 鎖腳錨管鎖定。

2）加強(qiáng)支護(hù)：對(duì)PDK570+995～PDK570+972、PDK570+957～PDK570+860 段平導(dǎo)拱墻進(jìn)行支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)，補(bǔ)強(qiáng)措施采用長4.0m 漲殼式低預(yù)應(yīng)力錨桿，間距1.5m×1.2m（環(huán)×縱）。

3）底板拆除：監(jiān)控量測(cè)分析支護(hù)穩(wěn)定后，進(jìn)行PDK570+995～PDK570+860 段平導(dǎo)增設(shè)仰拱初支鋼架封閉成環(huán)，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(dǎo)未施工段加強(qiáng)預(yù)防措施

平導(dǎo)未施工PDK570+860～PDK569+880 段，支護(hù)直邊墻為曲邊墻，同時(shí)增設(shè)仰拱鋼架封閉成環(huán)（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(yīng)，調(diào)整未開挖段平導(dǎo)線位，平導(dǎo)中線距正線線路左中心線距離調(diào)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(jìn)行，具體內(nèi)容有：

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

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

4 治理效果

4.1 施工監(jiān)測(cè)對(duì)比

對(duì)采取上述措施所得治理效果進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)比如下：

1）平導(dǎo)加固前后對(duì)比，拱頂最大沉降量由73mm 降至48mm，最大收斂由146mm 降至45mm。調(diào)整平導(dǎo)與正洞間距后，正洞施工對(duì)平導(dǎo)影響大為減小。

2）正洞測(cè)試：在正洞8 個(gè)斷面進(jìn)行仰拱圍巖壓力、噴混應(yīng)力和二襯應(yīng)力測(cè)試，效果對(duì)比見圖2。

圖2 正洞設(shè)計(jì)參數(shù)調(diào)整效果對(duì)比圖

4.2 治理效果

對(duì)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得，經(jīng)平導(dǎo)加套拱、直墻改曲墻、正洞隧底減小半徑增加曲率措施，現(xiàn)場(chǎng)4～10 個(gè)月沉降、收斂、地應(yīng)力、圍巖位移監(jiān)測(cè)，最大變形量在3mm 以內(nèi)，病害整治段落及后續(xù)施工段落再未出現(xiàn)路面開裂、隆起等現(xiàn)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(dāng)。

5 結(jié)語

綜上所述，隧道開挖后形成臨空面，原圍巖的應(yīng)力由原來三向應(yīng)力穩(wěn)定狀態(tài)改變?yōu)槎S應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，巖體發(fā)生松弛變形、強(qiáng)度降低，作用在隧道支護(hù)和襯砌結(jié)構(gòu)的壓力大于結(jié)構(gòu)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(yīng)力、巖石膨脹等，因此，針對(duì)易發(fā)生隧底隆起地段，在工程設(shè)計(jì)和施工中必須保證仰拱或鋪底的強(qiáng)度，同時(shí)提高隧道結(jié)構(gòu)的整體剛度，可采取以下措施組織治理：遇地下水時(shí)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。