高地应力隧底隆起成因分析及治理预防对策探讨

赵宏博

（武九铁路客运专线湖北有限责任公司，湖北 宜昌443000）

1 工程背景

1.1 工程概况

兴山隧道位于湖北段兴山县境内，为时速350km 的单洞双线隧道，全长10 085.314m。隧道最大埋深725m（D1K570+800～D1K570+550 段最大埋深284m）。采用“1 平导+2 横洞+1泄水洞+1 施工支洞”的辅助坑道模式，中部平导在正线左侧30m，长度为3 295.52m，辅助坑道总长4 985.52m。

1.2 地质情况

隧址区处于神农架山系南麓，位于新华夏系构造带内，隧址进口位于新华断裂与林家湾断层之间，洞身段主要穿过新华断裂和其次生断层及由此产生的局部褶皱。隧址区受新华断裂影响，构造作用强烈，地层程序不断变化，地质复杂。隧道洞身穿越的地层岩性：页岩夹砂岩、页岩、灰岩夹页岩、白云岩、页岩夹灰岩。其中，兴山隧道中部平导PDK571+270～PDK569+095 段穿越志留系页岩夹砂岩及志留系与奥陶系并存的炭质页岩、硅质页岩地层，隧道埋深145～340m。正洞D1K570+942～D1K569+095 段相应地质，埋深130～285m。

1.3 设计结构参数

1.3.1 辅助道坑结构

中部平导采用无轨单车道Ⅲ型断面，内净空尺寸为6.5m（宽）×6.2m（高），仅初支及底板（无仰拱）结构。其中，Ⅲ级围岩为锚网喷混凝土15cm 厚结构，Ⅳ级围岩I14 型钢钢架间距1.2m 锚网喷混凝土20cm 厚结构，Ⅴ级围岩I14 型钢钢架间距0.8～1.2m 锚网喷混凝土25cm 厚结构。

正洞按高速铁路双线隧道结构断面设计【1】为三圆心型式，其中，拱墙圆心O1，内半径r1为665cm；小边墙圆心O2，内半径r2为220cm；仰拱圆心O3，内半径r3为1 721cm。

1.4 隧底隆起情况

2018 年7 月17 日，由平导向正洞施工10#横通道贯通。2018 年7 月20 日，发现PDK570+910～PDK570+960 段底板有纵向小裂缝，PDK570+972～PDK570+952 段靠正洞侧边墙初支开裂、拱架变形。

2018 年8 月10 日，底板开裂向10#通道前后发展，向小里程发展至PDK570+860，向大里程发展至PDK570+995。经持续观测裂缝宽度在5～80mm，隆起最大高度达到400mm，具体数值见表1。

表1 开裂、隆起统计情况表

平导初期支护裂缝多位于线路右侧（靠正洞侧），线路左侧也有少量裂缝。裂缝形态多为环向裂缝，沿拱脚向拱腰发展，局部地段纵向裂缝与环向裂缝相互交错，洞室、通道等地段初支开裂加剧。

2 底板隆起原因分析

兴山隧道正洞D1K570+675 及平导PDK570+883.6 位置岩石取样进行岩石自由膨胀率和饱和吸水率检测。岩石自由膨胀率轴向平均值为0.13%，径向为平均值0.08%；平导自由膨胀率轴向平均值为0.09%，径向为平均值0.11%，不属于膨胀岩。

经过岩体应力测试，围岩强度应力比为4.78，属高地应力状态。隧底隆起主要原因为局部地应力偏高，新华断裂及其次生断层与局部褶皱构造，薄～中厚层状构造，页理较发育，岩层倾角平缓、软弱，形成水平应力大于垂直应力，岩层在受到平行于层理方向的压力作用下向临空方向发生弯折变形，从而形成“挠曲褶皱性底鼓”【2】。

受洞群效应的影响，正洞开挖导致地应力重新分配，也是造成底板开裂、底鼓的原因【3】。

3 治理及预防措施

3.1 已施工段治理

针对已施工段，采取以下措施进行治理：

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1）加套拱、锁脚：对已开挖施工PDK570+972～PDK570+957 段锚喷衬砌支护断面内紧贴设置I18 型钢套拱，间距0.8m/榀，喷C25 混凝土25cm 厚，每榀钢架拱脚、墙脚处设置2组4.5m 长φ42mm 锁脚锚管锁定。

2）加强支护：对PDK570+995～PDK570+972、PDK570+957～PDK570+860 段平导拱墙进行支护补强，补强措施采用长4.0m 涨壳式低预应力锚杆，间距1.5m×1.2m（环×纵）。

3）底板拆除：监控量测分析支护稳定后，进行PDK570+995～PDK570+860 段平导增设仰拱初支钢架封闭成环，底板改为弧形仰拱，仰拱初支完成后浇筑仰拱及填充混凝土。

3.2 平导未施工段加强预防措施

平导未施工PDK570+860～PDK569+880 段，支护直边墙为曲边墙，同时增设仰拱钢架封闭成环（见图1）。

图1 单车道Ⅲ型锚喷衬砌断面（单位：cm）

为减小开挖群洞效应，调整未开挖段平导线位，平导中线距正线线路左中心线距离调整为45m。

3.3 正洞处理措施

正洞处理工作分已施作段与未施作段进行，具体内容有：

1）已施作段：D1K570+800～PDK570+740 段仰拱、拱墙主筋调整为φ22mm；

2）未施作段：调整正洞仰拱曲率，仰拱加深75cm；初支：拱墙锚杆调整为5m 长，钢架间距加密（Ⅳb 钢架间距调整为0.8m/榀，Ⅴa 钢架间距调整为0.6m/榀），仰拱底增设地锚，设置于仰拱钢架之间，每2 榀设置1 环，采用φ32mm 砂浆锚杆，单根长9m，环向间距2.5m，每环5 根。衬砌钢筋调整为φ22mm 主筋。

4 治理效果

4.1 施工监测对比

对采取上述措施所得治理效果进行监测，对比如下：

1）平导加固前后对比，拱顶最大沉降量由73mm 降至48mm，最大收敛由146mm 降至45mm。调整平导与正洞间距后，正洞施工对平导影响大为减小。

2）正洞测试：在正洞8 个断面进行仰拱围岩压力、喷混应力和二衬应力测试，效果对比见图2。

图2 正洞设计参数调整效果对比图

4.2 治理效果

对监控量测数据进行分析得，经平导加套拱、直墙改曲墙、正洞隧底减小半径增加曲率措施，现场4～10 个月沉降、收敛、地应力、围岩位移监测，最大变形量在3mm 以内，病害整治段落及后续施工段落再未出现路面开裂、隆起等现象，隧底变形得到有效控制，说明处理措施是合理的、可行的，且效果得当。

5 结语

综上所述，隧道开挖后形成临空面，原围岩的应力由原来三向应力稳定状态改变为二维应力状态，应力状态发生改变，岩体发生松弛变形、强度降低，作用在隧道支护和衬砌结构的压力大于结构承受能力，形成破坏，引起隧底隆起。其主要成因有水压、高地应力、岩石膨胀等，因此，针对易发生隧底隆起地段，在工程设计和施工中必须保证仰拱或铺底的强度，同时提高隧道结构的整体刚度，可采取以下措施组织治理：遇地下水时引排降压；围岩注浆加固改变岩性；锚杆、锚索、钢管桩、微型桩抗剪加加固；增大仰拱曲率等。