某地鐵隧道道床隆起原因分析

賀錦美

(中煤科工集團(tuán)南京設(shè)計(jì)研究院，江蘇南京 210031)

1 工程概況

該工程位于某市某山南麓，區(qū)間隧道長(zhǎng)約1 000 m，近東西走向，斷面形式為馬蹄形，洞寬約6.0 m，高約6.0 m，軌頂標(biāo)高5.00 m～-1.55 m，西高東低，相應(yīng)埋深約16 m～41 m，采用礦山法施工。區(qū)間沿線地貌單元為崗地，地面標(biāo)高最大值45.9 m，最小值14.4 m，相對(duì)高差31.5 m;地形中部高，兩端低，東坡緩于西坡，地表植被發(fā)育。沿線地層分布較穩(wěn)定，未見大的構(gòu)造斷裂帶分布。該隧道于2010年4月試運(yùn)營(yíng)，次月正式運(yùn)營(yíng)。2011年8月右線隧道K19+585處道床突然隆起，造成列車停運(yùn)。

2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

2.1 工程地質(zhì)條件

該工程地處崗地，地層為上土下巖結(jié)構(gòu)。上部土層分布較薄，地層較為簡(jiǎn)單，基巖埋深較淺，隧道穿越地層主要為中、微風(fēng)化砂巖，部分為中風(fēng)化泥巖，隆起段地層分布詳見圖1。區(qū)間沿線地層分布情況如下：

①層填土：主要為碎石土及粘性土，松散，層厚1.0 m～1.5 m;

④-1層粉質(zhì)粘土：部分為粘土，混少量鐵錳氧化物，硬塑，層厚0.7 m～5.3 m;

④-e層混粘性土卵石：卵石成分為石英砂巖，亞圓形和次棱角形，粒徑多3 cm～10 cm，混粘性土量不等，多在30%～40%，層厚0.9 m～2.5 m;

⑤-e層殘積土：多呈粘性土狀，少量呈砂土狀，夾有少量風(fēng)化巖碎屑，土質(zhì)不均，層厚1.4 m～2.5 m;

⑥-1a層強(qiáng)風(fēng)化砂巖：紫紅色，原巖以粉細(xì)砂巖為主，偶夾泥質(zhì)粉砂巖，頂部多呈砂土狀，裂隙很發(fā)育，中下部多呈碎裂狀、餅狀，手捏易碎，遇水易軟化，巖質(zhì)很不均勻，層厚1.5 m～9.5 m;

⑥-1b層強(qiáng)風(fēng)化泥巖：紫紅色，原巖為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，經(jīng)風(fēng)化頂部呈土狀，裂隙很發(fā)育，中下部多呈碎塊狀、餅狀，手捏易碎，遇水易軟化泥化;層厚1.4 m～3.4 m;

⑥-2a層中風(fēng)化砂巖：紫紅色，原巖為粉細(xì)砂巖，間夾泥質(zhì)粉砂巖，局部互層狀;多泥質(zhì)膠結(jié)，少量鈣質(zhì)膠結(jié);裂隙發(fā)育，裂面傾角35°～75°，局部充填結(jié)晶方解石。巖芯多呈短柱狀，少呈不規(guī)則塊狀、長(zhǎng)柱狀，層厚4.0 m～13.1 m;

⑥-2b層中風(fēng)化泥巖：紫紅色，原巖為粉砂質(zhì)泥巖、泥巖，偶夾砂巖薄層;裂隙發(fā)育，巖芯多呈短柱狀，少呈扁柱狀、碎塊狀。錘擊聲較啞，較易擊碎，手折易斷，遇水易軟化泥化，層厚4.0 m～8.0 m;

⑥-3a層微風(fēng)化砂巖：紫紅色，原巖為細(xì)砂巖、粉砂巖，間夾泥質(zhì)粉砂巖;多泥質(zhì)膠結(jié)，少量鈣質(zhì)膠結(jié)。裂隙較發(fā)育～發(fā)育，裂面傾角40°～75°，局部充填結(jié)晶方解石。錘擊聲脆～較脆，手難折斷。巖芯多呈短柱狀，長(zhǎng)柱狀、碎塊狀次之。

圖1 隧道地層分布概況（隆起段）

2.2 水文地質(zhì)條件

勘探深度內(nèi)揭露的地下水類型主要有孔隙潛水和基巖裂隙水兩類。潛水主要賦存于①，④-1，④-e，⑤-e地層中，屬弱～微透水性。就總體來(lái)講，其潛水賦水性不強(qiáng)。但①層填土局部空隙較大，與地表排水管道連通性較好，并受地形影響，其透水性較強(qiáng)。

基巖裂隙水主要賦存于⑥-1a，⑥-2a，⑥-3a砂巖地層的裂隙中。砂巖主要為泥質(zhì)粉砂巖、粉細(xì)砂巖，間夾砂質(zhì)泥巖，巖性總體變異性較大，局部巖質(zhì)較純，裂隙較發(fā)育，野外勘探時(shí)，泵量160 L/min～200 L/min條件下⑥-3a層局部漏漿嚴(yán)重，無(wú)泵壓時(shí)不漏漿。⑥-1b，⑥-2b，⑥-3b層為泥巖，遇水泥化，故其賦水性、透水性差。

勘探期間為枯水期，實(shí)測(cè)穩(wěn)定水位埋深0.55 m～3.70 m，平均約1.95 m，其水位隨地形起伏變化。據(jù)調(diào)查，本區(qū)段兩端常年地下水水位埋深約1.5 m～2.5 m，水位變幅3.0 m左右。地下水主要接受降雨入滲、管道滲漏和可能的裂隙水側(cè)向補(bǔ)給，徑流遲緩。

3 隧道道床隆起及原因分析

3.1 隧道道床隆起及處置

2011年8月22日，右線隧道里程K19+585處隧道底板突然隆起，造成列車停運(yùn)，隧道道床損壞約長(zhǎng)30 m，道床最大隆起高度19.5 cm。處置過(guò)程中發(fā)現(xiàn)隆起段二襯結(jié)構(gòu)底板有少許破壞(見圖2)。

圖2 軌道隆起處車廂變形

事故發(fā)生后采取以下措施進(jìn)行了緊急處理：1)對(duì)隆起破壞的道床及二襯結(jié)構(gòu)進(jìn)行了破除并重新施作，架設(shè)工字鋼梁確保隧道安全;2)對(duì)仰拱二襯鋼筋進(jìn)行了加強(qiáng)，鋼筋和原隧道鋼筋焊接連結(jié)，襯砌厚度增加10 cm;3)在初支和二襯之間預(yù)埋泄水盲管，按間距2.0 m布設(shè)，泄水管直徑80 mm。

3.2 隧道道床隆起原因分析

1)巖層膨脹性分析。根據(jù)該區(qū)間巖礦鑒定試驗(yàn)結(jié)果，砂巖主要成分為石英、長(zhǎng)石，為鈣質(zhì)、泥質(zhì)膠結(jié)，為非膨脹性巖石;另隧道結(jié)構(gòu)位于地下水位以下，巖層天然狀態(tài)接近飽和，可排除膨脹造成可能。

2)圍巖巖性及構(gòu)造特征使巖體裂隙成為地下水排泄通道。區(qū)間基巖為侏羅系中下統(tǒng)象山群，巖性主要為砂巖、泥質(zhì)砂巖夾泥巖，砂巖與泥巖呈交錯(cuò)或互層沉積;巖體裂隙發(fā)育，裂隙傾角較陡;砂巖裂隙具有一定張開性，透水性較好;砂巖中節(jié)理裂隙、構(gòu)造裂隙、層間空隙構(gòu)成圍巖體中的“脈狀網(wǎng)絡(luò)”賦水、透水體系，形成地下水的主要通道。隧道底板為⑥-3a微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、粉細(xì)砂巖，裂隙較發(fā)育，裂面傾角30°～50°，其裂隙透水性相對(duì)較好，形成了聯(lián)通體系。

3)地貌、巖層產(chǎn)狀特征可使地下水補(bǔ)給、匯聚。區(qū)間位于某山南麓，地勢(shì)差異變化大，巖層為向南傾的單斜構(gòu)造，巖層傾角多在30°左右。區(qū)間中部基巖覆蓋層厚薄不均，多有人類活動(dòng)形成的坑洞，利于地表水的積聚。另區(qū)間東段地面坡度較緩，地表植被發(fā)育，降雨形成的地表徑流比較遲緩，利于降雨滲入地下，匯集到圍巖裂隙脈絡(luò)體系中，使結(jié)構(gòu)周圍水壓力持續(xù)增大。

4)礦山法施工增強(qiáng)了圍巖裂隙的連通性及賦水性。該區(qū)間隧道埋深16 m～41 m，均位于地下水位以下。礦山法施工使隧道圍巖產(chǎn)生明顯的卸荷、松弛作用，加之爆破作用的累加效應(yīng)，由此引起隧道圍巖裂隙隨時(shí)日延續(xù)逐漸開張、擴(kuò)展，致使圍巖范圍內(nèi)巖體透水性得到增強(qiáng)。連續(xù)降水或暴雨可使隧道襯砌外圍水頭陡增，水壓急劇加大。

此外，礦山法施工難免產(chǎn)生超挖現(xiàn)象，當(dāng)超挖部分不能得到很好地密實(shí)填充，則在襯砌的背后易形成較大的“蓄水空間”，暴雨期間地表水通過(guò)巖層面及巖層裂隙滲入前述“蓄水空間”，若“蓄水空間”內(nèi)水不能得到有效排除而持續(xù)積累，將在隧道周圍產(chǎn)生持續(xù)增大的水壓，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)帶來(lái)不利影響。

5)連續(xù)降水或暴雨使隧道襯砌外圍水頭陡增，水壓急劇加大。2011年7月該市降雨量為278 mm，與常年相比偏多近5成。2011年8月上旬該市降水量為110 mm，與常年相比偏多近1.8倍，旬降水日數(shù)為9 d;2011年8月中旬該市累計(jì)降水量為51 mm～86 mm，與常年相比偏多近6成，旬降水日數(shù)為6 d;2011年8月下旬降水量70 mm～107 mm，比常年同期多5成以上。自當(dāng)月17日至22日連續(xù)降雨，降水時(shí)間長(zhǎng)。連續(xù)的強(qiáng)降雨，通過(guò)巖層面及巖石裂隙不斷向下入滲匯聚，造成圍巖巖體中地下水頭較快上升。

當(dāng)水壓超出了隧道襯砌的極限承載能力時(shí)，就會(huì)使隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。從受力特征來(lái)看，隧道底板處水壓相對(duì)較大，為結(jié)構(gòu)相對(duì)薄弱部位，故多見底板處發(fā)生破損。隨著“蓄水空間”的增大，水壓力亦隨之增加;地下水遇到密閉性能較好的隧道結(jié)構(gòu)外壁時(shí)，由于壓力難以釋放，隨著水壓力的增加，當(dāng)水壓力超過(guò)薄弱部位的結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度就會(huì)造成底板底鼓，嚴(yán)重時(shí)造成結(jié)構(gòu)的破壞。此時(shí)若留有一定數(shù)量的泄水孔，就能很好的減少水壓力的積聚，避免造成結(jié)構(gòu)的破壞。

綜合前述分析，該隧道的特殊地理位置(高大山體南麓)，場(chǎng)地基巖節(jié)理裂隙的高度發(fā)育，礦山法施工引起的基巖裂隙的進(jìn)一步發(fā)展，連續(xù)降水造成地下水位的持續(xù)上升，防水性能好的密閉隧道周圍地下水未能得到及時(shí)有效排泄，在隧道結(jié)構(gòu)周圍產(chǎn)生的水壓力超過(guò)了薄弱部位結(jié)構(gòu)所能承受的極限承載能力是造成此次道床隆起的主要原因。

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合此次事故發(fā)生的原因，有以下幾點(diǎn)值得注意：

1)工程場(chǎng)地位于大型山體附近時(shí)，應(yīng)結(jié)合山體構(gòu)造、地貌等考慮因地勢(shì)高差變化大可能引起的額外水壓力對(duì)工程可能產(chǎn)生的不利影響;

2)礦山法施工時(shí)，應(yīng)注意將隧道周邊因超挖可能形成的空隙填實(shí);

3)對(duì)短期內(nèi)地下水位可能急劇增加的隧道工程，設(shè)計(jì)宜可設(shè)置一定數(shù)量的泄水盲管，防止地下水對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過(guò)大水壓力;

4)長(zhǎng)期降雨及暴雨天氣條件下，應(yīng)加強(qiáng)地下隧道監(jiān)測(cè)工作，加密監(jiān)測(cè)的頻率。

［1］ GB 50307-1999，地下鐵道、軌道交通巖土工程勘察規(guī)范［S］.

［2］ 朱永全，宋玉香.隧道工程［M］.第2版.北京：中國(guó)鐵道出版社，2007：102-106.