高海拔寒冷地區(qū)軟巖公路隧道塌方處置方案研究

(中鐵二十五局集團(tuán)有限公司,廣東 廣州 510030)

1 概述

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展越來(lái)越快，在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，隧道工程發(fā)揮著重要的作用[1]。但隧道工程在修筑過(guò)程中，遇到不良地質(zhì)條件的機(jī)率日漸增大[2]。在這種地質(zhì)環(huán)境中，修筑隧道工程的關(guān)鍵問(wèn)題是圍巖穩(wěn)定性問(wèn)題[3]。在施工過(guò)程中，隧道工程圍巖穩(wěn)定性會(huì)對(duì)地下結(jié)構(gòu)平衡拱的形式造成直接影響，進(jìn)而影響到施工工期、施工方法、工程造價(jià)等[4]。若隧道圍巖開挖及支護(hù)不當(dāng)，或穩(wěn)定性判別失誤，則圍巖會(huì)變形或失穩(wěn)破壞，出現(xiàn)塌方[5]。在開挖過(guò)程中，隧道變形過(guò)大或塌方較大，會(huì)給施工造成諸多困難、延誤工期、增加造價(jià)[6]。

造成隧道圍巖失穩(wěn)或變形的因素比較復(fù)雜，圍巖巖體強(qiáng)度大小、結(jié)構(gòu)特征對(duì)隧道失穩(wěn)有較大作用[7]。在分析軟弱圍巖隧道穩(wěn)定性時(shí)，須考慮圍巖巖體結(jié)構(gòu)特征及強(qiáng)度的影響[8]。隧道塌方后續(xù)處理對(duì)項(xiàng)目建設(shè)會(huì)造成不必要的損失[9]。所以，在本研究中將以高速公路隧道圍巖塌方的破壞機(jī)理以及其種類為重要研究對(duì)象，并且通過(guò)采用多種方式提高圍巖的穩(wěn)定性能，例如削弱、消除，最大程度地排除導(dǎo)致其產(chǎn)生不利影響的因素，最大程度提高圍巖穩(wěn)定性能，對(duì)于公路隧道重建工程起重有利作用。本文以某高海拔寒冷地區(qū)軟巖公路隧道為研究對(duì)象，對(duì)處置塌方的方案進(jìn)行研究。

2 工程地質(zhì)條件

本高速公路隧道屬于中低山深切谷地斜坡的地貌，公路隧道將由中低山的山脊位置穿過(guò)。并且區(qū)域內(nèi)的最高標(biāo)高為675.23 m，最低標(biāo)高為435.42 m，隧道最大埋深為178.25 m。區(qū)內(nèi)地形復(fù)雜，坡陡溝深，山坡坡度較陡，為32.20～45.31°，整個(gè)中低山深切谷地區(qū)域每部所產(chǎn)生的斷裂結(jié)構(gòu)發(fā)育不完善，并未產(chǎn)生顯著斷裂結(jié)構(gòu)痕跡。山體巖石具有較差的完整性能，因而較淺位置的巖石風(fēng)化裂隙發(fā)育，而深部地區(qū)的裂縫出現(xiàn)稍微發(fā)育。并且山體一旦產(chǎn)生節(jié)理裂縫就會(huì)導(dǎo)致圍巖的穩(wěn)定性能出現(xiàn)下降趨勢(shì)。由于本工程高速公路隧道區(qū)域巖石屬于比較軟的碎屑類巖石，因而其中小部分巖石出現(xiàn)了裂縫稍微發(fā)育，強(qiáng)度出現(xiàn)降低，淺部區(qū)域巖石風(fēng)化程度顯著，巖石表層出現(xiàn)普遍風(fēng)化剝落現(xiàn)象，巖體完整性較差，圍巖穩(wěn)定性一般，淺埋地段及洞口邊坡易有坍塌產(chǎn)生。

3 隧道塌方案處置方案

3.1 工程背景

本工程施工自然環(huán)境為：冬季漫長(zhǎng)，氣溫低，晝夜溫差較大，尤其是在年中8月份的時(shí)候，晝夜溫差可達(dá)到20.5℃；具有較大風(fēng)量，沿著峽谷溝河道方向的風(fēng)量比較大；冬季冰雹、雪天氣較多，冬季持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)；地區(qū)氣候非常干燥。該工程施工過(guò)程中，在該隧道K43+358的位置處進(jìn)行挖掘作業(yè)，循環(huán)進(jìn)尺為81.5 cm，對(duì)掌子面處進(jìn)行搭建拱架之前，隧道拱頂?shù)挠覀?cè)區(qū)域出現(xiàn)掉塊現(xiàn)象，并且伴隨著大面積的滲水，由于掉塊現(xiàn)象逐步加深，導(dǎo)致隧道工程產(chǎn)生塌方，塌方面積為148.75 cm3，隧道所掉落的渣塊主要為軟碎屑巖塊、石灰?guī)r、砂巖以及粉砂質(zhì)等等。塌方造成施工的一榀鋼拱架、四榀格柵架被掉落的渣塊砸壞，塌方段落的起止里程為K43+358～K43+381，塌腔寬度為2.95 m，高度為4.05 m。圖1為加塌方處的拱架及塌方體在掌子面堆積。

(a)塌方處的拱架 (b)塌方體在掌子面積

Figure 1 The arch and collapse body at the collapse site accumulate on the palm face

3.2 計(jì)算模型

3.2.1隧址區(qū)圍巖和支護(hù)參數(shù)

在分析數(shù)值時(shí)，通過(guò)力學(xué)模型、等效作用兩種方法分析格柵鋼架，本研究根據(jù)隧道實(shí)際情況，可以通過(guò)等效方法進(jìn)行分析研究，按照抗壓剛度同等原則，把鋼架彈性模量給噴混凝土進(jìn)行折算，使用的計(jì)算公式如下所示：

E=E0[(Sg×Eg)/Sc]

式中：E0表示原混凝土彈性模量；E表示折算后混凝土彈性模量；Eg表示鋼材彈性模量；Sg表示鋼拱架截面積；Sc表示混凝土截面積。采用實(shí)體單元模擬前期的襯砌、圍巖、斷層均，表1為材料物理力學(xué)參數(shù)取值。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)取值Table 1 Physical and mechanical parameters of materials介質(zhì)類型彈性模量/GPa泊松比容重/kN·m-3 粘聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)厚度/直徑/mm砂巖1.060.4122.2201.524.2—泥巖0.550.2921.1101.220.1—粉砂泥巖1.050.3624.2281.428.3—噴射混凝土28.020.2223.0——250.5錨桿211.4—77.1——25.4

3.2.2模型范圍及邊界

以某高海拔寒冷地區(qū)軟巖公路隧道K43+358～K43+381段位施工地質(zhì)原形，通過(guò)構(gòu)建FLAC3D計(jì)算模型。K43+358圍巖起本質(zhì)為長(zhǎng)石石英巖，構(gòu)造為薄中層狀，主要是薄層近水平狀，各個(gè)層間的結(jié)合情況較為一般。因而在本文的研究?jī)H僅只考慮結(jié)構(gòu)在自重應(yīng)力場(chǎng)的圍巖變形破壞和應(yīng)力場(chǎng)特征。

圖2為三維計(jì)算模型示意圖，由圖2知，洞軸線的方向可以使用坐標(biāo)軸Y軸表示，而施工作業(yè)的前進(jìn)方向?yàn)閅軸的正半軸方向，與隧道正交水平方向可以用X軸來(lái)表示，垂直方向使用z軸表示。在模型中，隧道z向洞軸向上取80.5 m，y軸向取50.5 m，水平x向取50.5 m，洞軸向下取50.5 m。在整個(gè)三維極速驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭D中剖分網(wǎng)格為六面體單元結(jié)構(gòu)，單元的總數(shù)為29 312，所構(gòu)成的節(jié)點(diǎn)數(shù)量為32 425，計(jì)算精度能達(dá)到要求。

圖2 三維計(jì)算模型示意圖Figure 2 A sketch of a three-dimensional computational model

3.3 開挖過(guò)程及處治方案

3.3.1開挖過(guò)程

在本隧道開挖過(guò)程中，開挖通過(guò)空單元null得到實(shí)現(xiàn)，在對(duì)應(yīng)區(qū)域開挖后可生成支護(hù)結(jié)構(gòu)單元。開挖分上臺(tái)階、下臺(tái)階進(jìn)行，每次開挖為5.05 m。當(dāng)開挖上臺(tái)階5.05 m后，開始對(duì)下臺(tái)階進(jìn)行開挖，因而上臺(tái)階、下臺(tái)階的距離為5.05 m，在持續(xù)計(jì)算到y(tǒng)軸20.2 m處，開挖循環(huán)共計(jì)4次。

3.3.2處治方案

在發(fā)生塌方事故后，對(duì)于初支產(chǎn)生裂縫的位置，背拱使用I18a工字鋼進(jìn)來(lái)加固處理，其中鋼間距為60.5 cm，原支護(hù)與背拱緊密相靠，把由于塌方而出現(xiàn)破碎位置的硅清除后，再進(jìn)行后續(xù)噴射硅封閉處理，增設(shè)徑向φ42注漿鋼花管于上斷面，對(duì)初支背后松動(dòng)圍巖進(jìn)行固結(jié)，注漿管長(zhǎng)度為4.55 m，縱向間距為1.25 m，環(huán)向間距為2.05 m，其中所使用的注射漿為P.O42.5水泥凈漿，其中水灰的比例為1:1，與此同時(shí)在施工作業(yè)過(guò)程中需要對(duì)水灰比進(jìn)行嚴(yán)格把控。進(jìn)行塌方處注漿后，需要在立拱支護(hù)及上臺(tái)階進(jìn)行開挖工作。在開挖上臺(tái)階前，在施作超前導(dǎo)管后進(jìn)行支護(hù)作業(yè)以及挖掘。尤其是在隧道圍巖的時(shí)候，注漿圍巖效果可以形成環(huán)狀加固圈，尤其是在注漿效果模擬加固時(shí)，大幅提高了圍巖各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)，本文采用Cable單元對(duì)注漿管進(jìn)行模擬，在分析塌方處治措施時(shí)，提出3種徑向注漿不同的處治方案，表2為3種不同的徑向注漿處治方案。

表2 3種不同的徑向注漿處治方案Table 2 Three different radial grouting treatment schemes方案注漿管長(zhǎng)度/m拱部按環(huán)向間距/m注漿縱向間距/m備注13.553.021.53塌腔內(nèi)噴射硅臨時(shí)封閉23.551.521.02塌腔內(nèi)噴射硅臨時(shí)封閉33.550.820.52塌腔內(nèi)噴射硅臨時(shí)封閉

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 開挖后計(jì)算結(jié)果

圖3為未支護(hù)圍巖最小應(yīng)力及總位移圖，由圖3知，在隧道開挖后，從圖3(A)可知，洞室圍巖表層最小主應(yīng)力在-1.27～2.98 e-1MPa范圍內(nèi)變化;拱頂拉應(yīng)力在2.02 MPa時(shí)有最大出現(xiàn)，應(yīng)力松弛帶在整個(gè)洞室大范圍出現(xiàn)，應(yīng)力松弛帶在拱頂范圍最大。由圖3(B)可知，在拱頂部位出現(xiàn)最大位移，為451.5 mm，基本上該范圍垮塌。

(a)未支護(hù)圍巖最小應(yīng)力

(b)未支護(hù)圍巖總位移

Figure 3 Minimum stress and total displacement of surrounding rock without support

4.2 處治后計(jì)算結(jié)果

在注漿管長(zhǎng)度為4.55 m，縱向間距為1.25 m、拱部按環(huán)向間距為2.05 MPa時(shí)進(jìn)行注漿，對(duì)塌腔內(nèi)噴射硅進(jìn)行臨時(shí)封閉。圖4為處治后圍巖最小應(yīng)力及總位移圖，由圖4(a)知，當(dāng)塌方腔搭建支護(hù)后，應(yīng)力釋放區(qū)域應(yīng)在隧道開始挖掘的斷層面出現(xiàn)相應(yīng)的顯著波動(dòng)，拉應(yīng)力成為最小主應(yīng)力，在1.02 MPa內(nèi)主要為拉應(yīng)力，量級(jí)較小。由圖4(b)知，拱頂部位的豎向位移在塌腔支護(hù)后為30.2 mm。

(a)處治后圍巖最小應(yīng)力

(b)處治后圍巖總位移

Figure 4 Minimum stress and total displacement of surrounding rock after treatment

4.3 3種方案計(jì)算結(jié)果

4.3.1方案1計(jì)算結(jié)果

在注漿管長(zhǎng)度為3.55 m，縱向間距為1.53 m，拱部按環(huán)向間距為3.02 m時(shí)進(jìn)行注漿，對(duì)塌腔內(nèi)噴射硅進(jìn)行臨時(shí)封閉。圖5為方案1處治后圍巖塑性破壞區(qū)分布特征，由圖5(a)知，在塌腔支護(hù)后，應(yīng)力釋放區(qū)域在公路隧道的挖掘?qū)用娈a(chǎn)生較為顯著的應(yīng)力波動(dòng)，而其中最重要的拉應(yīng)力約為最大主應(yīng)力，在1.04 MPa內(nèi)主要為拉應(yīng)力，其量級(jí)較小。

(a)方案1處治后圍巖最小應(yīng)力

(b)方案1處治后圍巖豎向位移

(c)方案1處治后圍巖塑性破壞區(qū)分布特征

Figure 5 Distribution characteristics of plastic failure zone of surrounding rock after treatment with the first scheme

由圖5(b)知，拱頂部位的豎向位移在塌腔支護(hù)后最大值為42.1 mm，所導(dǎo)致的深度比較大，而向上產(chǎn)生的延伸距離為4.05 cm。由圖5(c)可知，隧道開挖后有明顯塑性破壞區(qū)在開挖周邊界出現(xiàn)。

4.3.2方案2計(jì)算結(jié)果

在注漿管長(zhǎng)度為3.55 m，縱向間距為1.02 m，拱部按環(huán)向間距為1.52 m時(shí)進(jìn)行注漿，對(duì)塌腔內(nèi)噴射硅進(jìn)行臨時(shí)封閉。圖6為方案2處治后圍巖塑性破壞區(qū)分布特征，由圖6(a)知，在塌腔支護(hù)后，拉應(yīng)力主要為最小主應(yīng)力，在1.03 MPa處主要為內(nèi)拉應(yīng)力，其量級(jí)較小。由圖6(b)知，當(dāng)公路隧道塌方的位置進(jìn)行支護(hù)工作的時(shí)候，在其拱頂?shù)捻敳慨a(chǎn)生了相對(duì)豎向移動(dòng)位移，距離為25.2 mm。由圖6(c)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)我們開始高速公路隧道開始挖掘工作的時(shí)候，塑性破壞區(qū)域在其進(jìn)行挖掘時(shí)候就會(huì)出現(xiàn)顯著變小趨勢(shì)。

(a)方案2處治后圍巖最小應(yīng)力 (b)方案2處治后圍巖豎向位移

(c)方案2處治后圍巖塑性破壞區(qū)分布特征

Figure 6 Distribution characteristics of plastic failure zone of surrounding rock after treatment with the second scheme

4.3.3方案3計(jì)算結(jié)果

在注漿管長(zhǎng)度為3.55 m，縱向間距為0.52 m，拱部按環(huán)向間距為0.82 m時(shí)進(jìn)行注漿，對(duì)塌腔內(nèi)噴射硅進(jìn)行臨時(shí)封閉。圖7為由方案3處治后圍巖塑性破壞區(qū)分布特征，由圖7(a)知，塌腔支護(hù)后，拉應(yīng)力主要為最小主應(yīng)力，與方案2相比，其作用范圍減小，在1.38 MPa內(nèi)主要為拉應(yīng)力，其量級(jí)較小。由圖7(b)知，在塌腔支護(hù)后，其拱頂部位豎向位移為6.05 mm。由圖7(c)知，塑性破壞區(qū)在隧道開挖后出現(xiàn)在開挖周邊界，與方案2相比，其范圍減小。

(a)方案3處治后圍巖最小應(yīng)力 (b)方案3處治后圍巖豎向位移

(c)方案3處治后圍巖塑性破壞區(qū)分布特征

Figure 7 Distribution characteristics of plastic failure zone of surrounding rock after treatment with the third scheme

4.4 處治措施分析

在本文中所提出的3種治理塌方預(yù)期的方案均可獲得十分顯著效果，可以發(fā)現(xiàn)圍巖位移距離產(chǎn)生顯著減小，尤其是豎向位移格外顯著，而在拱頂位移處可產(chǎn)生最大形變值分別為42.1 mm、25.2 mm、6.05 mm。應(yīng)力釋放區(qū)域在隧道開挖斷面周圍一定范圍內(nèi)存明顯，在較完整巖體條件下此范圍偏大；在拱腰部位，開挖面和最小主應(yīng)力垂直或正交于拱頂部位。根據(jù)不同處治方案，拱頂部位應(yīng)力值依次從2.02 MPa降低到1.02、1.04、1.38 MPa。不同處治方案塑性圖表明，伴隨著隧道塌方處支護(hù)工作的開展，圍巖塑性區(qū)域面積出現(xiàn)減小趨勢(shì)，而在地板、拱頂?shù)任恢?，破壞主要為張拉性，拱腳和拱腰部位破壞主要為剪切。這表明在進(jìn)行隧道塌方治理時(shí)，需對(duì)隧道周圍圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行有效處理。所以需要及時(shí)進(jìn)行圍巖的封閉支護(hù)工作，從而完成二襯施工作業(yè)。與此同時(shí)需要進(jìn)行應(yīng)力-應(yīng)變量測(cè)及監(jiān)控量測(cè)，這樣可對(duì)支護(hù)的受力狀態(tài)、圍巖變形情況進(jìn)行檢驗(yàn)。

當(dāng)洞頂具有軟弱夾層又或者是巖性接觸面時(shí)，需要提前使用管棚固定住拱部，避免由于掌子面的爆破而導(dǎo)致的隧道拱部塌陷產(chǎn)生，應(yīng)當(dāng)及時(shí)挖掘斷層面，進(jìn)行爆破操作之后應(yīng)使用注漿操作從而密封開挖面，并且在拱頂部分的小導(dǎo)坑內(nèi)進(jìn)行臨時(shí)底部仰拱的設(shè)置。在本研究中，所得到的最佳防治方案為，注漿管的長(zhǎng)度為3.55 m，縱向間隔距離為1.02 m，在其拱部按環(huán)向間距為1.52 m時(shí)進(jìn)行注漿處理。

5 結(jié)論

以某高海拔寒冷地區(qū)軟巖公路隧道為研究對(duì)象，對(duì)處置塌方的方案進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論：

a.進(jìn)行公路圍巖的挖掘作業(yè)后，需要迅速進(jìn)行相關(guān)支護(hù)施工作業(yè)，一旦支護(hù)工作不及時(shí)到位，就會(huì)導(dǎo)致公路圍巖暴露在無(wú)支護(hù)環(huán)境中，從而十分容易產(chǎn)生局部塌方、掉塊等現(xiàn)象和問(wèn)題。

b.提出了3種防治公路塌方現(xiàn)象的方案，并對(duì)此分別進(jìn)行模擬運(yùn)算，發(fā)現(xiàn)在圍巖力學(xué)條件下，使用鋼拱架作為隧道圍巖的支護(hù)工具可顯著地降低塌方的發(fā)生次數(shù)，其所導(dǎo)致的變形量也顯著減小。對(duì)不同鋼拱架作為圍巖支護(hù)工具進(jìn)行比較分析后，發(fā)現(xiàn)公路圍欄鋼拱架之間的距離在不使用其他支護(hù)方式時(shí)不宜大于1.20 m。掌子面前方圍巖松動(dòng)可通過(guò)超前支護(hù)結(jié)構(gòu)有效抑制，在拱腰部位，開挖面和最小主應(yīng)力在拱頂部位正交或垂直。洞室開挖后，會(huì)導(dǎo)致洞室開挖面的周圍產(chǎn)生不同程度的塑性破壞區(qū)域。且在底板及拱頂位置所產(chǎn)生的破壞大多數(shù)為張拉性破壞，拱腳和拱腰部位主要為剪切破壞。

c.所得到的最佳防治方案為，注漿管的長(zhǎng)度為3.55 m，縱向間隔距離為1.02 m，在其拱部按環(huán)向間距為1.52 m時(shí)進(jìn)行注漿處理。