無工作室長管棚與自進式錨桿組合處治隧道洞頂塌陷分析

魏文陽

(湘西土家族苗族自治州交通科學技術研究院，湖南 吉首 416000)

1 前言

隧道開挖中，圍巖性質及地質條件發(fā)生變化，巖質由硬變軟，或出現(xiàn)破碎帶、軟弱帶等不良地質情況時，圍巖的自承能力差，掘進面易發(fā)生塌方冒頂，甚至引起地面塌陷形成漏斗，工程處治不當就會造成諸多安全隱患和重大經(jīng)濟損失。

國內外許多學者在隧道洞頂塌陷病害處治技術等方面進行了諸多研究，取得了一定的成果。史東志等介紹了自進式錨桿的施工技術原理、施工工藝流程和自進式錨桿的特點及適用范圍；魏杰闡述了在穿越松散塌方體時用大直徑自進式錨桿作為管棚，配合超前小導管注漿的超前支護方案；付重君探討了某隧道地表凹陷與洞內坍塌的成因，針對洞內坍塌情況，分段采取注漿加固、超前管棚、弧形預留核心土分榀開挖等措施進行處理，在地表凹陷處澆筑3 m混凝土護拱、并用片石回填、黏土封頂?shù)奶幚矸桨?；柳長奔以齊岳山隧道為例，介紹了無工作室管棚技術在隧道超前支護施工中穿越斷層復雜地質段的應用，論證了該技術與常規(guī)管棚施工相比的技術可行性、經(jīng)濟合理性；敖貴勇等以彭水摩圍山隧道工程為背景，介紹了無工作室管棚在處理巖溶地區(qū)塊石土地層隧道掌子面及地表坍塌中的應用，剖析了該工藝的工序和技術要點,論證了該技術在處理坍塌等情況下的優(yōu)越性；王曉星、楊志強通過理論分析、現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬，對大跨度土質隧道圍巖和支護結構的受力與變形狀態(tài)以及監(jiān)控量測數(shù)據(jù)進行了分析；劉艷明以石牛嶺隧道為背景，結合現(xiàn)場觀測狀況及監(jiān)控量測數(shù)據(jù)對造成塌陷的原因進行分析，并采用曲線擬合的方法分析監(jiān)控數(shù)據(jù)，對隧道圍巖未來的發(fā)展趨勢進行預測，初步推斷出地下水與地表水是造成塌陷的重要原因，提出了具體的處理方案；王江飛以具茨山隧道為背景，對超前管棚配合小導管改良土體、用徑向小導管注漿加固塌方體處理方案數(shù)值模擬分析，檢驗處理方案中結構的可靠性；張龍重等運用多物理場耦合模擬軟件對典型斷面進行流固耦合數(shù)值計算，定量分析了富水軟弱圍巖隧道塌方過程中圍巖和支護結構的應力、位移以及滲流場響應特征，研究了塌方發(fā)生機理，提出了塌體穩(wěn)固、塌方影響段加固、塌方情況物理探測、管棚支護參數(shù)設計、塌方段洞內管棚注漿支護、短開挖強支護的綜合治理技術措施。但以上研究采用自進式錨桿與管棚聯(lián)合處治洞頂塌陷的文獻相對較少，該文結合夯吉隧道洞頂塌陷病害工程處治成功案例，探討采用自進式錨桿深孔預注漿加固圍巖配合無工作室長管棚跨越塌陷區(qū)的方法在實踐中的應用價值。

2 工程概況

夯吉隧道為湖南保靖夯沙至吉首二級公路改建工程中新建雙向兩車道隧道工程，隧道平面位于直線上，里程樁號為K4+195～K5+005，長度810 m，為中隧道，縱坡為-1.803%，隧道最大埋深為240.05 m。隧道凈空限界凈寬9.0 m、凈高5.0 m，內輪廓采用三心圓曲邊墻結構形式。進口為端墻臺階明洞，長3 m，出口為端墻式普通明洞，長16 m。隧道圍巖分級見表1。

表1 隧道圍巖分級參數(shù)

3 洞頂塌陷病害及原因分析

(1) 洞頂塌陷病害

隧道施工過程中K4+917處掌子面最先出現(xiàn)拱頂滲水，繼而出現(xiàn)小范圍的冒頂，隨后冒頂速度增快，最終導致地面塌陷形成一倒圓錐形漏斗，洞頂塌陷坑深度約15 m，坍塌總體積約5 000 m3。洞頂塌陷將部分超前小導管沖壓彎曲損毀，坍塌體在隧道內向隧道出口方向涌入約48 m(至K4+965處，已施工的二襯端頭)，并在隧道前進方向右側(板房區(qū))25 m范圍內形成了多條地表裂縫。

(2) 洞頂塌陷原因分析

夯吉隧道K4+917塌陷區(qū)附近，洞頂圍巖從上而下為碎石、泥質白云巖；拱頂圍巖主要為碎石層，泥質白云巖圍巖厚度極薄(拱頂厚度為1.53～-0.29 m)；碎石層20 mm粒徑以上粗顆粒占60%，細顆粒主要為粉質黏土，顆粒之間較松散，圍巖自承能力差，在掌子面施工期間連續(xù)強降雨和地下水作用下誘發(fā)了該次不良地質災害。

4 工程處治方案比選

根據(jù)塌陷病害的位置、規(guī)模、地質條件及成因，工程處治方案有明挖、地表注漿、洞內加固圍巖等方法，其中洞內加固圍巖處治方案中，超前支護常規(guī)采用超前小導管或自進式錨桿，或常規(guī)管棚，或無工作室管棚。

夯吉隧道洞頂塌陷處治經(jīng)過對明挖、地表注漿、洞內加固圍巖(超前支護采用無工作室長管棚與自進式錨桿組合方案)共3個工程處治方案進行經(jīng)濟技術比較，工程實施采用方案3(推薦方案)，方案比較見表2。

表2 隧道頂塌陷工程處治方案比較

5 洞頂塌陷處治方案設計

5.1 總體方案

遵循治塌先治水、治塌先加強的原則，采取臨時支護和永久性支護綜合處治方案，臨時支護是為了防止塌方繼續(xù)發(fā)展，永久支護是為了安全度過塌陷區(qū)和松散軟弱圍巖區(qū)。

隧道洞頂塌陷病害發(fā)生在洞身段，圍巖以碎石松散體為主，永久工程采用綜合工程處治方案，長管棚超前支護作為支撐結構跨越碎石圍巖區(qū)，為確保超前支護工程不侵界，采用無工作室方案；為實現(xiàn)長管棚成孔，采用超前自進式錨桿深孔預注漿加固碎石松散圍巖；再采用小導管注漿加強，確保圍巖注漿體密實，提高圍巖強度與穩(wěn)定性。

5.2 工程處治范圍確定

K4+894處洞頂圍巖巖層厚度約為2.42 m(根據(jù)工程地質勘察資料推測)，以此位置作為長管棚最后一環(huán)打入點，管棚前段伸入至穩(wěn)定巖層(約K4+885處，此處洞頂圍巖巖層厚度約9.7 m)；洞內臨時鋼桁架的中間位置(K4+924.3處)作為長管棚的后支承點起點，長管棚超前支護長度約為39.3 m。

為確保長管棚有后支承點，并確保后支承位置臨時鋼桁架的穩(wěn)定性，方便長管棚施工，臨時鋼桁架長度設計為10 m(K4+919.30～K4+929.30)。

超前自進式錨桿自K4+922.8開始施作，K4+901處(根據(jù)工程地質勘察資料推測此處洞頂圍巖巖層厚度為0.11 m)作為自進式錨桿最后一環(huán)打入點，自進式錨桿前端伸入至K4+895.2處(根據(jù)工程地質勘察資料推測此處洞頂圍巖巖層厚度約為0.89 m，此處灌注漿液后管棚已能成孔)，自進式錨桿超前支護長度約為27.6 m。

5.3 臨時支護方案

5.3.1 洞內塌方處理

清除洞內塌方體至K4+919掌子面處后，噴射厚10 cm 的C20混凝土對掌子面土體進行封閉，再采用長2 mφ42 mm×3.5 mm注漿小導管對坍塌體進行灌注水泥漿加固，確保掌子面穩(wěn)定。

5.3.2 洞內初支已施工段臨時加固

錨桿的后支點位置，原施工的初支工程沒有考慮承載塌陷段錨桿固結環(huán)及其上巖土體荷載。K4+919.30～K4+929.30段(10 m長)臨近塌陷區(qū)已完成初期支護的上導坑內壁增設間距為0.5 m的18#工字鋼臨時拱架支撐，增設間距為0.5 m的 3.5 m長φ42 mm×3.5 mm注漿小導管對臨近塌陷區(qū)已完成段的上導坑拱部和側壁進行注漿加固處理，共21環(huán)，作為洞內無工作室長管棚超前支護桿件后端受力支承點和確保處理塌陷段施工作業(yè)人員安全作業(yè)的洞室。

待塌陷段上導坑施工完畢后拆除臨時鋼支撐，并對影響二次襯砌空間的桿件進行割除，以確保超前支護桿件不侵界。

5.4 永久支護方案

5.4.1 洞外地面處治

對塌陷影響區(qū)周圍松散的地表進行清除，設置截水溝；對塌陷漏斗影響區(qū)拱頂塌陷體及松散碎石層清除至隧道拱頂5 m以上位置，對地基土進行壓實，然后采用1.5 m厚5%水泥穩(wěn)定碎石+8.5 m厚外借普通土進行分層壓實回填至地表，回填壓實完成后在回填體周圍設置截水溝，并與已施工的截水溝連接成一個完整排水系統(tǒng)。確保塌陷影響區(qū)地表不積水，避免因積水影響塌陷區(qū)工程處治施工安全。

5.4.2 洞內工程處治方案

(1) 分循環(huán)超前自進式錨桿

碎石圍巖松散，長管棚處治施工鉆孔易塌孔，管棚成不了孔，利用自進式錨桿鉆孔、注漿錨桿一體化、錨桿不需拔出的特點，采用自進式錨桿深孔預加固圍巖，為長管棚的施工創(chuàng)造條件。

K4+895.2～K4+922.8段采用雙層6 m長φ51 mm超前自進式錨桿沿隧道開挖掘進方向呈30°～15°布設，超前自進式錨桿最后一環(huán)打入位置為K4+901，縱向間距為3.0 m，共8環(huán)，每環(huán)設置范圍為襯砌中線兩側各60°區(qū)域，錨桿注漿擴散半徑為0.5 m，環(huán)向間距為0.5 m，然后進行注漿處理。超前自進式錨桿設計圖如圖1所示。

圖1 超前自進式錨桿設計圖

由圖1可知：超前自進式錨桿施工時，錨桿與襯砌中線平行，上、下層錨桿分別以30°、15°仰角錨入拱部圍巖；自進式錨桿遇初期支護安裝的鋼桁架時，在鋼桁架上打孔穿過。第1環(huán)錨桿尾端支承在鋼桁架上，錨桿注漿采用水泥漿液+水玻璃雙液漿。

(2) 分循環(huán)洞內無工作室長管棚

K4+885～K4+924.3段采用9 m長φ108 mm×6 mm洞內長管棚支護，長管棚最后一環(huán)打入位置為K4+894，縱向間距為3 m，共11環(huán)，每環(huán)設置范圍為襯砌中線兩側各60°區(qū)域，環(huán)向間距為0.4 m。同時為防止長管棚之間有大掉塊，在K4+899～K4+905段長管棚之間采用6 m長φ42 mm×3.5 mm注漿小導管對圍巖進行注漿加強，縱向間距為3.0m，共3環(huán)，環(huán)向間距為0.4 m。注漿加固采用水泥漿液+水玻璃雙液漿。洞內長管棚設計圖如圖2所示。

圖2 洞內長管棚設計圖

由圖2可知：洞內長管棚施工時，管棚與襯砌中線平行，管棚外插角為10°～15°；管棚遇初期支護安裝的鋼桁架時，在鋼桁架上打孔穿過。第1、2環(huán)管棚尾端支承在鋼桁架上。

采用管棚注漿法進行超前預加固圍巖，管棚沿隧道開挖輪廓周邊布設形成加固圈，加固圈起到承載拱的作用；管棚前端伸入較為穩(wěn)定圍巖中，后端支承于鋼桁架上，形成穩(wěn)定的簡支梁支撐結構。

6 處治后隧道圍巖數(shù)值模擬

6.1 單元的選取

選用Ansys提供的Solid186單元模擬圍巖、開挖土體以及錨桿加固部分，采用映射網(wǎng)格劃分賦予單元不同的屬性。Ansys提供的DP模型是一種理想的彈塑性模型，可以通過輸入與實際相對應的黏聚力、摩擦角和膨脹角模擬圍巖情況。選用Shell63單元模擬初期支護，通過設置實常數(shù)確定初期支護厚度。應用“生、死單元”命令和時間步進行隧道施工階段模擬。圍巖兩側施加水平約束，圍巖底部節(jié)點全部施加約束。

6.2 三維有限元模型建立

根據(jù)夯吉隧道塌方的實際情況，采用Ansys有限元軟件進行數(shù)值建模分析。在實際模型中，根據(jù)圣維南原理，開挖只在洞周圍一定范圍內引起應力重分布，實踐和理論分析表明，應力重分布范圍為洞室周圍中心點3～5倍開挖寬度(或高度)，在該模型中取3倍開挖寬度，該隧道寬度為9 m，所以模型的總寬為63 m，隧道上方則按照實際地形設置到地表面。其長度方向取塌方區(qū)主要加固長度30 m。其加固層厚度根據(jù)實際加固設計方案，以管棚插入高度為加固層厚度，在模型計算中取2 m。

6.3 設計參數(shù)選取

依據(jù)工程地質報告、設計資料以及JTG 3370.1—2018《公路隧道設計規(guī)范》，選取的圍巖物理、力學參數(shù)如表3所示。

表3 圍巖、支護結構物理參數(shù)

為了模擬管棚和注漿的作用，將管棚作用范圍內加固層厚度的材料參數(shù)提高75%，而塌方段的巖層雖然進行了加固處理，但為了安全考慮，在計算模擬中全看作荷載，荷載由隧道的初次襯砌全部承受。

6.4 分析結果

在模型中，通過生死單元模擬隧道的開挖過程，每次向前開挖進尺1 m，共分為31個施工階段，進行最后一個施工階段開挖后，拱頂最大下沉為2.35 cm，遠小于設計允許變形量12 cm，通過軟件計算，初步確定此加固方案可行。

7 處治效果施工監(jiān)測數(shù)據(jù)比較

在工程處治施工過程中，對處治段多個斷面的變形進行了連續(xù)監(jiān)控量測，選取發(fā)生塌陷部位K4+915斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，拱頂沉降及周邊收斂變化時態(tài)曲線如圖3、4所示。

圖3 K4+915拱頂沉降及水平收斂變化曲線圖

圖4 K4+915拱頂沉降及水平收斂速率變化曲線圖

從圖3、4可以看出：塌陷段處治施工過程中，拱頂沉降與周邊收斂變化趨勢基本一致。工程處治施工6 d后，拱頂沉降與周邊收斂值均在規(guī)定允許范圍內，圍巖變形處于緩慢變化狀態(tài)；28 d后拱頂下沉與周邊位移速率均小于0.2 mm/d，圍巖變形基本穩(wěn)定。最終拱頂沉降10.56 mm，周邊位移10.41 mm，均小于規(guī)范允許變形量。監(jiān)測結果表明：對隧道洞頂塌陷采用無工作室長管棚與自進式錨桿組合超前支護處治方案，技術措施合理，處治效果良好。

8 結論

合理選擇處治隧道塌陷方案，不僅可以減少工期、節(jié)約造價，更能保障作業(yè)人員的安全和結構安全。該文隧道采用無工作室長管棚與自進式錨桿組合處治隧道洞頂塌陷，實踐證明安全可靠有效。研究得到如下結論：

(1) 自進式錨桿注漿加固碎石等軟弱松散圍巖體，解決碎石等松散圍巖長管棚不能成孔問題。

(2) 利用自進式錨桿實現(xiàn)深孔預注漿，增大了圍巖性能改良層的長度，提高了改良層加固帶的剛度，為長管棚前端提供較長范圍的圍巖注漿體支承，保證了管棚前支點的穩(wěn)定性。

(3) 洞身內采用無工作室長管棚，可實現(xiàn)超前支護工程不侵界，具有一定的先進性。

(4) 優(yōu)化后的自進式錨桿深孔預注漿加固與無工作室長管棚跨越超前支護組合的方法，處治技術方案科學合理，具有很好的應用價值。