富水軟弱圍巖隧道塌方機(jī)理及治理措施

羅治國，張智健，李勇森，梁 斌

(1. 中鐵十五局集團(tuán) 第五工程有限公司，天津 300133；2. 河南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 洛陽 471023)

0 引言

公路隧道修建過程中出現(xiàn)的重大事故主要是塌方，給現(xiàn)場工作人員的人身安全帶來極大隱患，同時會使工期延長、工程成本增加。中國西南地區(qū)地質(zhì)條件非常復(fù)雜，隨著此地區(qū)隧道工程修建的增多，在施工中難免會遭遇富水、軟弱圍巖等不良地質(zhì)條件，導(dǎo)致施工難度增加，塌方事故頻發(fā)，因此，研究富水軟弱圍巖隧道塌方治理措施具有一定的參考意義[1-5]。

文獻(xiàn)[6]根據(jù)石塘隧道塌方事故，通過有限元模型，對石塘隧道塌方經(jīng)過及塌方段圍巖變形機(jī)理進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[7]根據(jù)火風(fēng)山隧道塌方事故，采用有限元分析的方法及現(xiàn)場監(jiān)測，分析了該事故發(fā)生機(jī)理及處置方案。文獻(xiàn)[8]根據(jù)典型事故案例，提出了塌方事故分類，并分別進(jìn)行了塌方機(jī)理分析。文獻(xiàn)[9]通過有限元軟件研究了在上軟下硬圍巖地質(zhì)條件下隧道的塌方機(jī)理，并提出換拱施工技術(shù)。文獻(xiàn)[10]通過有限元數(shù)值模擬，對岳家溝隧道塌方事故中的圍巖應(yīng)力及變形進(jìn)行了分析，研究了塌方機(jī)理。文獻(xiàn)[11]分析了某高寒隧道塌方事故發(fā)生的緣由，并針對該隧道情況提出了合理的塌方處治措施。文獻(xiàn)[12]分析了斷層地質(zhì)隧道施工過程中塌方、涌水的主要因素，并提出相應(yīng)的施工處置方案。文獻(xiàn)[13]以新龍隧道為工程背景，通過數(shù)值模擬，研究了塌方導(dǎo)致圍巖松動區(qū)對支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響，并提出了塌方處置方案。

通過以上文獻(xiàn)可知：已經(jīng)有許多學(xué)者對隧道塌方治理進(jìn)行了深入研究，但對于富水軟弱圍巖的相關(guān)研究較少。本文以國家“一帶一路”重點項目云南臨滄高速馬家寨隧道塌方事故發(fā)生段為研究對象，建立隧道開挖三維有限元實體模型，對隧道圍巖的穩(wěn)定性、塌方機(jī)理進(jìn)行了力學(xué)分析，并結(jié)合隧道實際情況分析塌方的治理技術(shù)，可為今后類似的實際工程提供參考。

1 工程概況

地處云貴高原之西南邊緣，屬橫斷山脈縱谷的南部地區(qū)，為怒山山脈向南延伸部分，東北高、西南低的地勢趨勢造成地形高差十分懸殊。地表在風(fēng)化和流水強(qiáng)烈的侵蝕作用下切割嚴(yán)重，形成了亞高山、中山峽谷和大小不等的山間盆地，地形較為復(fù)雜。根據(jù)馬家寨隧道場區(qū)地質(zhì)勘察報告，可將基巖劃分為強(qiáng)風(fēng)化層和中風(fēng)化層。場區(qū)地下水的補(bǔ)給來源主要靠降水的垂直滲入，大部分雨水以坡面流形式沿進(jìn)出口外地勢低洼處徑流排泄，場區(qū)的水質(zhì)對混凝土結(jié)構(gòu)及鋼筋具有微腐蝕性。

圖1 馬家寨隧道施工現(xiàn)場

2 塌方原因分析

馬家寨隧道右洞K54+297采用環(huán)形開挖留核心土法，下臺階進(jìn)行弱爆破施工時，產(chǎn)生的震動影響了上臺階結(jié)構(gòu)層掌子面的穩(wěn)定性，使其突然發(fā)生崩塌，大量灰黑色的碎石塊、泥和土淹沒了整個開挖工作面，并損害了附近已完工的初期支護(hù)，出現(xiàn)變形開裂現(xiàn)象。所幸發(fā)生塌方事故時附近沒有施工人員，為了保證施工人員的人身安全，掌子面處進(jìn)行封停。隧道右洞塌方現(xiàn)場如圖2所示。

圖2 隧道右洞塌方現(xiàn)場

隧道K54+297段拱頂頂板埋深約230 m，圍巖表層為褐黃、硬塑狀粉質(zhì)黏土，下伏基巖為粉砂質(zhì)泥巖、頁巖，呈強(qiáng)風(fēng)化、碎石狀，成巖性較差，節(jié)理裂隙很發(fā)育，巖體松散破碎，呈角碎狀。經(jīng)現(xiàn)場勘察，塌方段洞內(nèi)巖體主要為炭質(zhì)千枚巖，表面為灰黑色，千枚巖巖性松軟，遇水極易泥化、軟化，抗風(fēng)能力差，手用力捏即碎，因此隧道上臺階及拱部圍巖整體穩(wěn)定性較差。由于隧道開挖后圍巖的力學(xué)平衡遭到破壞，巖體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，施工中如遇支護(hù)不當(dāng)或支護(hù)不及時，易出現(xiàn)大面積塌方事故。

隧道塌方段地下水埋藏較淺，富水性較豐富，隧道拱頂及拱肩處時常出現(xiàn)滴水現(xiàn)象。這是因為隧道開挖后破壞了地下水與圍巖之間的力學(xué)平衡，在地下水的流動下圍巖逐漸軟化，黏聚力及內(nèi)摩擦角降低，嚴(yán)重影響了圍巖的穩(wěn)定性。加之隧道開挖時受到下臺階爆破的擾動，隧道掌子面處圍巖驟然失穩(wěn)，導(dǎo)致該段圍巖發(fā)生塌方。

3 塌方段數(shù)值模擬分析

3.1 模型參數(shù)選取

馬家寨隧道塌方段主要為V級圍巖，初期支護(hù)主要采用噴射混凝土、中空注漿錨桿和鋼拱架聯(lián)合支護(hù)[14-15]，支護(hù)模型參數(shù)根據(jù)馬家寨隧道項目地質(zhì)勘察報告取值。隧道模型參數(shù)如表1所示。

表1 隧道模型參數(shù)

圖3 預(yù)留核心土臺階法

3.2 施工開挖方案

塌方段V級圍巖按新奧法原理指導(dǎo)施工，采用環(huán)形開挖留核心土法開挖。隧道開挖采用弱爆破，機(jī)械與人工相互配合的方式進(jìn)行，以降低對軟弱圍巖結(jié)構(gòu)層的過多擾動。隧道開挖循環(huán)進(jìn)尺為0.5～1.0 m，臺階長度控制在8～10 m，核心土與掌子面之間距離控制在0.7 m左右。預(yù)留核心土臺階法如圖3所示。具體施工步驟為：開挖上部弧形導(dǎo)坑、施作上部弧形導(dǎo)坑初期支護(hù)、開挖核心土、開挖中部圍巖、施作邊墻及初期支護(hù)、開挖下部圍巖、施作仰拱支護(hù)。

3.3 模型建立及邊界條件

采用邁達(dá)斯有限元軟件GTS NX建立隧道三維實體模型，通過模型計算邊界取隧道跨徑的3倍以上進(jìn)行計算分析。本文建立的實體模型在X軸方向取100 m，Z軸方向取80 m，Y軸為開挖方向，取50 m。在隧道三維實體模型的兩側(cè)、下側(cè)施加位移約束作為邊界條件；為模擬隧道上方圍巖自重，在模型上沿施加均布荷載；由于隧道施工段地下水豐富，為確保有限元模型模擬更貼合現(xiàn)場監(jiān)測條件，增設(shè)水位并考慮水壓力作用。隧道三維模型如圖4所示。

3.4 計算結(jié)果分析

3.4.1 圍巖應(yīng)力分析

圍巖應(yīng)力圖如圖5所示。由圖5分析得知：隧道開挖后顯著影響了隧道周邊圍巖的應(yīng)力分布，圍巖最大主應(yīng)力達(dá)到了14.9 MPa。隧道開挖至塌方段時，掌子面周圍出現(xiàn)了顯著的應(yīng)力釋放區(qū)域，掌子面前方圍巖也出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力松弛現(xiàn)象。由于富水軟弱圍巖自身強(qiáng)度極低，施工中過大的擾動將使掌子面難以對前方圍巖起到有效支撐作用。

圖4 隧道三維模型

圖5 圍巖應(yīng)力圖

3.4.2 圍巖沉降分析

圖6為圍巖變形圖。由圖6a分析得知：隧道開挖后圍巖的力學(xué)平衡遭到破壞，富水軟弱圍巖強(qiáng)度極差，開挖至塌方段時，拱頂顯著下沉，最大值達(dá)到了41.3 mm，仰拱處隆起最大值為54.5 mm。由圖6b分析得知：隧道開挖后拱腰處的水平收斂最大值為27.4 mm。塌方段圍巖結(jié)構(gòu)松散軟弱，若施工支護(hù)不及時或爆破開挖時裝藥量過大，將對掌子面附近圍巖造成極大擾動，圍巖變形速率驟增，易導(dǎo)致塌方。

3.4.3 圍巖塑性區(qū)分布

圖7 圍巖塑性區(qū)圖

圖7為圍巖塑性區(qū)圖。由圖7分析得知：隧道開挖后周邊圍巖基本都處于塑性區(qū)內(nèi)，掌子面的塑性區(qū)范圍遠(yuǎn)大于洞周塑性區(qū)范圍。塑性應(yīng)變主要集中在上臺階掌子面中心處，塑性應(yīng)變最大值達(dá)到了1.04×10-2，說明上臺階掌子面處圍巖穩(wěn)定性極差，易發(fā)生塑性破壞，這和現(xiàn)場塌方情況表現(xiàn)一致。

3.4.4 襯砌內(nèi)力分析

圖8為襯砌內(nèi)力圖。由圖8a可知：拱頂、拱腰及拱腳處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，現(xiàn)場應(yīng)對這些部位采取加強(qiáng)措施。塌方段初期支護(hù)最大拉應(yīng)力為25.1 MPa，遠(yuǎn)超C25噴射混凝土的抗拉強(qiáng)度。由圖8b可知：塌方段初期支護(hù)最大壓應(yīng)力為69.3 MPa，遠(yuǎn)超文獻(xiàn)[16]中C25噴射混凝土彎曲抗壓強(qiáng)度(13.5 MPa)。因此，該段隧道圍巖穩(wěn)定性極差，初期支護(hù)易發(fā)生破壞，進(jìn)而導(dǎo)致出現(xiàn)塌方事故，應(yīng)加強(qiáng)超前支護(hù)、初期支護(hù)措施。

(a) 襯砌最大主應(yīng)力 (b) 襯砌最小主應(yīng)力

3.5 塌方機(jī)理分析

隧道開挖后隧道周邊圍巖的力學(xué)平衡狀態(tài)遭到破壞，由于自重應(yīng)力和附加應(yīng)力的雙重作用，巖層將會向下彎曲。將隧道拱部的巖層看作簡支梁，而巖層抗拉強(qiáng)度極差，則巖層彎矩最大處易出現(xiàn)張拉破壞，即臨空面的約束應(yīng)力小于法向應(yīng)力，巖體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，在法向應(yīng)力的不斷作用下，拱部圍巖難以自穩(wěn)，將可能出現(xiàn)掉渣現(xiàn)象。

地下水流動也是造成隧道塌方的一個重要因素，隧道未開挖時地下水與圍巖存在力學(xué)平衡狀態(tài)。隨著隧道的開挖，圍巖應(yīng)力狀態(tài)將會重新分布，地下水的流動也將發(fā)生改變，順著巖體節(jié)理裂隙滲透，并將其中的一些充填物帶走，動水壓力也隨之增大。圍巖主要為炭質(zhì)千枚巖，遇水軟化、泥化，因此在動水壓力及靜水壓力的雙重作用下，圍巖重度增加，強(qiáng)度則進(jìn)一步降低，初期支護(hù)承受荷載增大，隧道更加難以穩(wěn)定。

隧道開挖后，拱部釋放的荷載主要由持力巖層承受，當(dāng)爆破施工擾動過大時，將會損壞該持力巖層。隨著爆破施工的擾動，持力巖層的穩(wěn)定性越來越差，掌子面及周邊圍巖塑性區(qū)面積也將不斷增大。當(dāng)損壞到一定程度時，持力巖層難以產(chǎn)生壓力拱，便會導(dǎo)致塌方。

4 塌方治理措施與監(jiān)測結(jié)果

4.1 塌方治理措施

(1)在對塌方段進(jìn)行處理之前，一定要首先加固塌方段后方，確保塌方段后方的穩(wěn)定后，處理塌方會更安全；否則開挖塌方段時，有可能引起塌方段后方的劇烈變形乃至二次塌方。隧道發(fā)生塌方后為了預(yù)防塌方進(jìn)一步發(fā)展，首先對塌體上表面使用C25噴混進(jìn)行噴漿封閉，噴射厚度約15 cm。

(2)在確保后方安全的前提下，開始對塌方段進(jìn)行處理，將鋼筋網(wǎng)片鋪設(shè)在掌子面上并噴射C25混凝土施作封堵墻，也作管棚導(dǎo)向墻，同時埋設(shè)泵送管4根。超前管棚注漿加固是安全通過塌方段的關(guān)鍵，塌方段的圍巖通常都十分軟弱，不具備自穩(wěn)能力，而超前管棚提供的梁拱效應(yīng)使塌方段圍巖趨于穩(wěn)定。

(3)在塌方得到控制的狀況下，拆除ZK54+297附近已經(jīng)嚴(yán)重破壞的鋼拱架，并施作新的初期支護(hù)，對未拆換的支護(hù)在必要時設(shè)置臨時支撐。塌方段拱頂滲水部位在施作初期支護(hù)前，應(yīng)首先對已經(jīng)軟化的不穩(wěn)定圍巖進(jìn)行清除，對出水量較大的部位采取埋管引排措施，確保施工安全。

(4)在隧道拱部施作超前管棚支護(hù)加固塌方段。超前管棚所用鋼花管每節(jié)長4～6 m，外徑Φ108 mm，壁厚6 mm，鋼花管上鉆注漿孔，孔徑12 mm，孔間距15 cm，尾部預(yù)留250 cm的止?jié){段，環(huán)向管間距為40 cm，傾角約為1°～3°。管棚鋼管共設(shè)17根，其中，拱頂處的3根長15 m，另外的1根長7 m，其余的13根長12 m。

(5)管棚打入隧道拱部后，注入質(zhì)量比為1∶1的水泥漿(水泥與水玻璃混合漿液)進(jìn)行注漿加固，注漿初始壓力0.5～1.0 MPa，終止壓力2.0 MPa。注漿完畢后對表面進(jìn)行噴漿處理。

(6)在左拱腳處設(shè)4根2.40 m、Φ42 mm×4 mm的鎖腳小導(dǎo)管，右拱腳處設(shè)4根3.85 m、Φ42 mm×4 mm的鎖腳小導(dǎo)管進(jìn)行注漿加固，確保施工安全。

圖9 塌方治理現(xiàn)場

(7)塌方段開挖時，要嚴(yán)格控制步序長度，開挖后要及時跟進(jìn)初期支護(hù)，盡早封閉成環(huán)對圍巖進(jìn)行約束，同時嚴(yán)格控制初期支護(hù)的質(zhì)量，杜絕在初期支護(hù)與圍巖間出現(xiàn)空洞。在進(jìn)行爆破施工時一定要堅守少裝藥、少擾動的原則，防止對周邊圍巖造成過大的擾動而再次塌方。

(8)加強(qiáng)對塌方段的監(jiān)控測量，對圍巖穩(wěn)定性及支護(hù)變形及時進(jìn)行跟蹤測量，分析測量數(shù)據(jù)，判斷塌方段圍巖是否穩(wěn)定，防止貿(mào)然施工造成二次塌方事故。塌方治理現(xiàn)場如圖9所示。

4.2 治理后監(jiān)測結(jié)果及效果評價

塌方治理結(jié)束后對K54+297斷面進(jìn)行監(jiān)控測量，通過水準(zhǔn)儀、水準(zhǔn)尺對拱頂進(jìn)行測量，通過收斂儀對隧道拱腰進(jìn)行測量，斷面間隔10～50 m，一個斷面2～3對測點。拱頂沉降及拱腰水平收斂監(jiān)測結(jié)果如圖10所示。

(a) 拱頂沉降 (b) 拱腰水平收斂

由圖10a可知：拱頂沉降在前14 d達(dá)到總沉降值的80%左右；在第18天時圍巖趨于穩(wěn)定，累計沉降量為12.8 mm。由圖10b可知：拱腰水平收斂在前12 d達(dá)到總收斂值的80%以上；在第18天時圍巖趨于穩(wěn)定，累計水平收斂為15.2 mm。監(jiān)測結(jié)果均符合規(guī)范要求，說明塌方治理措施可行且效果良好。

5 結(jié)論

(1)對于隧道出現(xiàn)塌方事故后，應(yīng)首先詳細(xì)勘察塌方的影響范圍以及狀態(tài)，分析導(dǎo)致塌方的原因，調(diào)查塌方段圍巖的力學(xué)特性以及地下水流動情況，為后續(xù)采取塌方治理措施提供一定的參考。

(2)通過模擬隧道塌方段圍巖穩(wěn)定性得知，隧道最大拱頂沉降為41.3 mm、仰拱隆起最大值為54.5 mm、拱腰水平收斂為27.4 mm，圍巖變形量較大，隧道穩(wěn)定性較差。塑性應(yīng)變主要集中在上臺階掌子面中心處，該處易發(fā)生塑性破壞。初期支護(hù)最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力均超過規(guī)范要求，極易發(fā)生破壞，導(dǎo)致塌方。

(3)塌方機(jī)理歸結(jié)為隧道開挖后，拱頂巖層在自身重力以及上覆巖層重力的作用下，圍巖難以自穩(wěn)。地下水的流動會進(jìn)一步降低圍巖強(qiáng)度，使支護(hù)承受更多荷載。爆破施工的擾動會影響持力巖層發(fā)揮穩(wěn)定作用。

(4)根據(jù)本項目隧道的實際情況，確定合理的塌方治理措施，采取合適的支護(hù)結(jié)構(gòu)，減少施工過程對圍巖的擾動，確保施工安全。