某隧道塌方腔體處治方法數(shù)值分析

鐘乃龍，姜洪亮，黃　剛

(1.廣西交通科學(xué)研究院，廣西　南寧　530007；2.廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西　南寧　530007)

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某隧道塌方腔體處治方法數(shù)值分析

鐘乃龍1，2，姜洪亮1，2，黃剛1，2

(1.廣西交通科學(xué)研究院，廣西南寧530007；2.廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西南寧530007)

文章根據(jù)隧道塌方的特點(diǎn)，對(duì)廣西境內(nèi)某二級(jí)公路隧道塌方區(qū)提出兩種處治方案并進(jìn)行數(shù)值分析，得到了不同施工階段下隧道各個(gè)部位的位移變化規(guī)律及圍巖塑性區(qū)變化特點(diǎn)，同時(shí)對(duì)兩種方案的處治效果作出了評(píng)價(jià)。

隧道工程；塌方；處治方案；數(shù)值分析

0　引言

隨著高速公路的迅速發(fā)展，隧道穿越不良地質(zhì)體成為一種常態(tài)，隧道塌方屢見(jiàn)不鮮，然而針對(duì)隧道塌方問(wèn)題的研究主要集中在原因分析及處治措施，對(duì)塌方腔體內(nèi)部錨桿施作先后順序的問(wèn)題探討較少。本文以某二級(jí)公路隧道作為依托工程，針對(duì)塌方腔體區(qū)不同部位錨桿施作順序提出兩種處治方案，并進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)兩種處治方案在不同施工階段下隧道各個(gè)部位的位移量、圍巖塑性區(qū)的出現(xiàn)進(jìn)行分析對(duì)比，研究結(jié)果可為類似工程建設(shè)提供借鑒，具有重要的工程意義。

1　工程背景

廣西境內(nèi)某二級(jí)公路隧道為單拱越嶺短隧道，起訖樁號(hào)K16+842～K17+085，全長(zhǎng)243 m；設(shè)計(jì)高程246 m，最大埋深位于樁號(hào)K16+960，約77.9 m；隧道全長(zhǎng)均位于直線上，縱坡為-0.6%，進(jìn)、出口均位于山?jīng)_附近，地勢(shì)均較低，中部地勢(shì)高，為兩山頭間的坳口；本隧道進(jìn)出口附近地段部分基巖出露，大部分地段被第四系殘坡積物覆蓋，為沖積、殘坡積層(Q4el+dl)粘土、含礫粘土，基巖為砂巖和泥巖組成。

2014-11-14，上臺(tái)階開(kāi)挖后發(fā)生塌方，塌方時(shí)隧道已出渣并未進(jìn)行初期支護(hù)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)發(fā)現(xiàn)為拱部拱形塌方，塌方高度為2.5 m，塌方段起訖樁號(hào)K16+921～K16+923.5。經(jīng)分析，發(fā)現(xiàn)造成塌方險(xiǎn)情的主要原因是隧區(qū)位于斷層破碎帶上，巖性為中～強(qiáng)風(fēng)化泥巖，圍巖級(jí)別為Ⅳ級(jí)，含孔隙水，巖體強(qiáng)度低，自穩(wěn)能力差；在連續(xù)降雨的作用下，雨水入滲，此段裂隙水發(fā)育，含水量高，使強(qiáng)風(fēng)化泥巖軟化，土體抗剪強(qiáng)度減小，加之施工方未能及時(shí)施作初期支護(hù)，圍巖變形未能得到有效的約束造成塌方。

2　隧道塌方搶險(xiǎn)處治方案

隧道塌方應(yīng)堅(jiān)持“穩(wěn)住塌方區(qū)、快速處理封閉成環(huán)”的基本原則；同時(shí)對(duì)塌方處治部位的處治順序也至關(guān)重要，避免因隧道塌方未能得到及時(shí)處治而引發(fā)二次塌方。由于塌方影響區(qū)很不穩(wěn)定，為了防止塌方引發(fā)的連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致塌方區(qū)的范圍擴(kuò)大，首先應(yīng)對(duì)已經(jīng)施作好初期支護(hù)的影響區(qū)段進(jìn)行加固處理(方案一、方案二相同)。本文根據(jù)隧道塌方特點(diǎn)，對(duì)塌方區(qū)處治提出兩種處治方案，方案一針對(duì)塌方腔體頂部首先進(jìn)行錨桿施作處理，然后再向塌方腔體兩側(cè)進(jìn)行施作錨桿；方案二針對(duì)塌方腔體兩側(cè)首先進(jìn)行錨桿施作處理，然后再向塌方腔體頂部進(jìn)行施作錨桿(塌方腔體錨桿施作順序不一致，其它的處治方法一致)。兩種方案所用的材料參數(shù)相同，錨桿位置相同，錨桿施作角度一致，但錨桿施作順序不一致。具體處治如下：

(1)塌方影響區(qū)的處治

對(duì)已支護(hù)好的影響段采用臨時(shí)鋼拱架內(nèi)支撐，然后采用φ25中空注漿錨桿對(duì)圍巖進(jìn)行加固，長(zhǎng)度為3m，錨桿縱向間距1.0m，環(huán)向間距0.8m，梅花形布設(shè)，并將錨桿端部與鋼拱架焊接牢固。

(2)塌方區(qū)的處治

①塌方土體暫時(shí)不進(jìn)行清理，防止在清理工程中由于對(duì)圍巖的擾動(dòng)而造成塌方面積的擴(kuò)大。②上臺(tái)階進(jìn)行初期支護(hù)。首先采用長(zhǎng)度為3m、φ25系統(tǒng)錨桿對(duì)圍巖進(jìn)行加固，環(huán)向間距為0.8m，錨桿縱向間距為1.0m，梅花形布設(shè)；架立Ⅰ18的鋼拱架；在鋼拱架內(nèi)側(cè)掛一層20cm×20cm、φ8鋼筋網(wǎng)片；兩端采用長(zhǎng)度為4m的鎖腳錨桿對(duì)鋼拱架進(jìn)行加固；噴射厚度為25cm的C25混凝土形成初期支護(hù)；架設(shè)臨時(shí)鋼拱架。③當(dāng)采取方案一時(shí)，首先對(duì)塌方腔體頂部進(jìn)行錨桿施作處理，再對(duì)塌方腔體兩側(cè)施作錨桿(錨桿施作順序：錨桿1、錨桿2；錨桿3、錨桿4；錨桿5、錨桿6；錨桿7、錨桿8)；當(dāng)采取方案二時(shí)，首先針對(duì)塌方腔體兩側(cè)進(jìn)行錨桿施作處理，再對(duì)塌方腔體頂部施作錨桿(錨桿施作順序：錨桿7、錨桿8；錨桿5、錨桿6；錨桿3、錨桿4；錨桿1、錨桿2)。在塌方腔體上噴厚度為5cm的C25混凝土；安設(shè)塌方腔體兩側(cè)長(zhǎng)度為5m、φ25的系統(tǒng)錨桿；在系統(tǒng)錨桿外側(cè)掛設(shè)一層15cm×15cm、φ8鋼筋網(wǎng)片；濕噴厚15cm的C25混凝土。④施作厚度為40cm的C25混凝土護(hù)拱。⑤對(duì)塌方區(qū)進(jìn)行初期支護(hù)。架立Ⅰ18的鋼拱架，在鋼拱架內(nèi)側(cè)掛一層20cm×20cm、φ8鋼筋網(wǎng)片，預(yù)埋φ108鋼管。⑥通過(guò)φ108預(yù)埋鋼管吹灌砂、碎石等混合干料進(jìn)入塌方腔體，直至無(wú)法向塌方腔體灌人混合料為止[1.2]。如圖1所示。

圖1　塌方段處治橫斷面圖

3　隧道施工有限元模擬

3.1有限元模擬計(jì)算

為了更好地比較方案一與方案二的優(yōu)越性，比較兩種處治方案在不同施工階段隧道不同部位位移變化規(guī)律、圍巖塑性區(qū)的變化情況，利用有限元法對(duì)某二級(jí)公路某隧道塌方段(樁號(hào)：K16+921～K16+923.5)施工全階段進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬。

3.1.1基本假定

對(duì)于有限元分析模型做以下基本假定：(1)同一巖層的巖體為各向同性變形體，圍巖應(yīng)力與應(yīng)變均不考慮空間效應(yīng)，為二維平面應(yīng)變問(wèn)題；(2)對(duì)地層的初始位移進(jìn)行清零處理，初始應(yīng)力場(chǎng)不考慮地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力，只考慮土體自重應(yīng)力；(3)錨桿、鋼拱架及襯砌材料均為彈性介質(zhì)，圍巖為彈塑性介質(zhì)[3]。

3.1.2屈服準(zhǔn)則

Mohr-Coulomb彈塑性模型在巖體材料的模擬中得到廣泛應(yīng)用，本文圍巖采用屈服準(zhǔn)則，其表達(dá)式為：

(1)

在π平面上是不等六邊形，當(dāng)σ1>σ2>σ3時(shí)，

(2)

式中：c——粘聚力(kPa)；

φ——內(nèi)摩擦角(°)；

σ1——最大主應(yīng)力(kPa)；

σ3——最小主應(yīng)力(kPa)。

3.1.3材料參數(shù)選取

圍巖力學(xué)參數(shù)依據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》JTGD70-2004[4]及本隧道《工程勘察報(bào)告》，選取圍巖相關(guān)物理參數(shù)取值；按照彈模換算法將鋼拱架和鋼筋網(wǎng)參數(shù)換算到混凝土中，運(yùn)用彈性殼單元體模擬初期支護(hù)結(jié)構(gòu)。支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

鋼拱架和鋼筋網(wǎng)彈性模量折算給噴射混凝土，計(jì)算方式為：

(3)

(4)

式中：E——折算后噴射混凝土的彈性模量；

E0——原噴射混凝土的彈性模量；

Sg——鋼拱架截面積；

Eg——鋼材的彈性模量；

Sc——噴射混凝土截面積；

Sb——鋼筋網(wǎng)的截面積；

L——單位長(zhǎng)度。

表1　支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖的物理力學(xué)參數(shù)表

3.1.4動(dòng)態(tài)施工步驟模擬

利用上述有限元模型，對(duì)某隧道K16+922處按照處治方案的施工工序進(jìn)行有限元?jiǎng)討B(tài)模擬。如表2所示。

表2　兩種處治方案的施工工序表

3.1.5邊界條件選定

隧道開(kāi)挖數(shù)值模擬分析的位移邊界條件設(shè)置如下：左右邊界施加水平向的約束、下底邊界施加豎向的約束、上邊界為自由邊界。計(jì)算區(qū)域上邊界取至地表，隧道中心線兩側(cè)各取3倍的洞徑作為左、右邊界，故模型寬度為79.56 m；縱向底部邊界取3倍洞徑作為下邊界。隧道洞徑為13.26 m，高度10.35 m；隧道拱頂發(fā)生塌方，塌方腔體高度約2.5 m，長(zhǎng)度約5 m，面積約7 m2，如圖2～3所示。

圖2　隧道斷面示意圖(cm)

圖3　計(jì)算模型圖

3.2計(jì)算結(jié)果分析

3.2.1位移場(chǎng)分析

從圖4可以看出，不同部位的累計(jì)位移量隨著隧道施工的進(jìn)行而不斷增大，且在開(kāi)挖時(shí)和隧道發(fā)生塌方時(shí)的位移變化量較大，塌方區(qū)錨桿支護(hù)及開(kāi)挖支護(hù)過(guò)程中對(duì)隧道各個(gè)部位位移量影響較小。上臺(tái)階開(kāi)挖與隧道塌方對(duì)拱頂下沉影響最大，上臺(tái)階開(kāi)挖結(jié)束后拱頂沉降達(dá)到14.88 mm；其次是中臺(tái)階與下臺(tái)階開(kāi)挖，當(dāng)下臺(tái)階開(kāi)挖結(jié)束時(shí)，采取方案一，拱頂沉降達(dá)到18.74 mm；采取方案二，拱頂沉降達(dá)到20.21 mm；塌方區(qū)錨桿支護(hù)以及開(kāi)挖支護(hù)影響較小。左拱腰、右拱腰曲線趨勢(shì)基本一致，各個(gè)施工階段的累計(jì)位移量的大小也基本相同，主要是計(jì)算模型左右?guī)缀鯇?duì)稱和只考慮土體自重應(yīng)力造成，上臺(tái)階開(kāi)挖對(duì)拱腰位移量的影響比較大。中臺(tái)階開(kāi)挖前的各施工階段對(duì)左拱腳、右拱腳的影響很小，當(dāng)中臺(tái)階開(kāi)挖后左、右拱腳均迅速下沉，然而當(dāng)中臺(tái)階支護(hù)結(jié)束，拱腳下沉量迅速趨于穩(wěn)定狀態(tài)，主要原因是下臺(tái)階支護(hù)后上部圍巖自重和支護(hù)結(jié)構(gòu)得到了支承，變形得到有效約束。中臺(tái)階開(kāi)挖和下臺(tái)階開(kāi)挖后仰拱隆起較嚴(yán)重，主要是因仰拱處土體應(yīng)力釋放造成的。中臺(tái)階開(kāi)挖、下臺(tái)階開(kāi)挖對(duì)周邊收斂位移量影響較大，主要原因是臨空面的增大，兩側(cè)圍巖水平應(yīng)力的擠壓，造成周邊收斂值的增大。澆筑仰拱結(jié)束后，采取方案一，拱頂沉降量為19.56 mm，拱腰沉降量為16.89 mm，仰拱隆起值為18.38 mm，周邊收斂值為15.76 mm；采取方案二，拱頂沉降量為20.85 mm，拱腰沉降量為14.70 mm，仰拱隆起值為17.48 mm，周邊收斂值為15.23 mm。綜上所述，采取方案一對(duì)拱頂位移量控制取得很好的效果，但在隧道其余各個(gè)部位的位移量在各個(gè)施工工序中沒(méi)得到有效的控制。采取方案二，塌方區(qū)錨桿支護(hù)時(shí)，拱頂下沉較快，但塌方腔體兩側(cè)圍巖得到了控制，在塌方區(qū)治理后各個(gè)施工工序中隧道的各個(gè)部位位移量得到了有效的控制。

(a)方案一

(b)方案二

3.2.2塑性區(qū)分析

(1)方案一計(jì)算結(jié)果分析

從圖5可以看出：塌方區(qū)錨桿施作前、施作錨桿3與錨桿4、施作錨桿結(jié)束、回填結(jié)束這四個(gè)施工階段塌方腔體周邊圍巖塑性區(qū)與隧道周邊圍巖塑性區(qū)變化不大，圍巖塑性區(qū)主要位于塌方腔體頂部、上臺(tái)階與拱腰交匯處，塌方腔體頂部出現(xiàn)塑性區(qū)主要是土體下沉引起的，而上臺(tái)階與拱腰交匯處主要是因土體隆起所造成。中臺(tái)階支護(hù)結(jié)束，中臺(tái)階與邊墻交匯處出現(xiàn)了明顯的塑性區(qū)，主要是中臺(tái)階開(kāi)挖造成土體隆起。仰拱澆筑結(jié)束，仰拱上出現(xiàn)大面積的塑性區(qū)，在邊墻與仰拱交匯處塑性區(qū)最明顯，說(shuō)明仰拱兩側(cè)土體隆起最為嚴(yán)重。

(a)施作錨桿前

(b)施作錨桿3與錨桿4結(jié)束

(c)施作錨桿結(jié)束

(d)回填結(jié)束

(e)中臺(tái)階支護(hù)結(jié)束

(f)仰拱澆筑結(jié)束

(2)方案二計(jì)算結(jié)果分析

從圖6可以看出：塌方區(qū)施作錨桿前至回填結(jié)束后，隧道周邊圍巖塑性區(qū)并未出現(xiàn)太大的變化，說(shuō)明在隧道塌方處治過(guò)程中周邊圍巖的塑性區(qū)沒(méi)有進(jìn)一步擴(kuò)大，塑性區(qū)主要位于塌方腔體周邊以及上臺(tái)階與拱腰交匯處。中臺(tái)階支護(hù)結(jié)束，中臺(tái)階與邊墻交匯處出現(xiàn)塑性區(qū)，而塌方腔體周邊圍巖塑性區(qū)有小幅度的擴(kuò)大，拱腰處的塑性區(qū)未發(fā)生變化。仰拱澆筑結(jié)束，仰拱與邊墻交匯處的塑性區(qū)最明顯，主要是邊墻圍巖的擠出與仰拱的隆起造成，其余各個(gè)部位塑性區(qū)與中臺(tái)階支護(hù)后的塑性區(qū)變化較小。

(3)塑性區(qū)對(duì)比分析

采取兩種處治方案，在施作錨桿前、施作錨桿3與錨桿4結(jié)束、施作錨桿結(jié)束、回填結(jié)束四個(gè)施工階段，隧道周邊圍巖塑性區(qū)出現(xiàn)的位置及大小基本相同；中臺(tái)階支護(hù)結(jié)束與仰拱澆筑結(jié)束兩個(gè)階段，塑性區(qū)出現(xiàn)的位置基本相同，但采用處治方案二，各個(gè)部位的塑性區(qū)有著明顯的減小。

(a)施作錨桿前

(b)施作錨桿3與錨桿4結(jié)束

(c)施作錨桿結(jié)束

(d)回填結(jié)束

(e)中臺(tái)階支護(hù)結(jié)束

(f)仰拱澆筑結(jié)束

4　結(jié)語(yǔ)

數(shù)值分析結(jié)果表明：隧道拱部發(fā)生拱形塌方，采用噴錨支護(hù)時(shí)，錨桿施作的先后順序?qū)τ兴淼婪€(wěn)定性影響較大，同時(shí)指出先對(duì)塌方腔體兩側(cè)施作錨桿比塌方腔體頂部先施作錨桿效果更佳，能更好地保障隧道后續(xù)施工的安全，且處治方案二在現(xiàn)場(chǎng)施工中也更加簡(jiǎn)易可行。

[1]JTGF60-2009，公路隧道施工技術(shù)規(guī)范[S].

[2]甘小江.隧道貫通段塌方處理施工技術(shù)[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2012，49(6)：168-171.

[3]李圍，等.隧道及地下工程ANSYS實(shí)例分析[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2007.

[4]JTGD70-2004，公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

Cavity Treatment Method Numerical Analysis of A Tunnel Collapse

ZHONG Nai-long1，2，JIANG Hong-liang1，2，HUANG Gang

(1.Guangxi Transportation Research Institute，Nanning，Guangxi，530007；2.Guangxi Key Laboratory of Road Structure and Materials，Nanning，Guangxi，530007)

According to the characteristics of tunnel collapse，this article proposed two treatment pro-grams and conducted the numerical analysis for the tunnel collapse area of a secondary highway in Guangxi，obtained the displacement variation rules of different tunnel parts under different construction stages as well as the variation features of surrounding rock plastic zones，at the same time it evaluated the treatment effects of these two programs.

Tunnel engineering；Collapse；Treatment scheme；Numerical analysis

2016-03-21

U457+.2

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.06.014

1673-4874(2016)06-0052-05

鐘乃龍(1986—)，助理工程師，碩士，研究方向：橋梁與隧道工程檢測(cè)及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究；

姜洪亮(1980—)，工程師，碩士，研究方向：橋梁與隧道工程檢測(cè)及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究；

黃剛(1987—)，助理工程師，主要從事道路工程研究及檢測(cè)工作。