中老鐵路軟巖隧道溜塌機(jī)理及處治措施研究

王凱軍WANG Kai-jun

（中鐵十五局集團(tuán)第三工程有限公司，成都 611731）

0 引言

我國是巖溶地貌分布廣泛的國家之一，主要集中分布在滇西南地區(qū)。隨著我國高速鐵路建設(shè)的飛速發(fā)展，鐵路交通設(shè)施不斷向這些地區(qū)延伸，受到巖溶地質(zhì)地形等條件影響，多以長大隧道穿越。其中軟弱圍巖、富水巖溶等不良地質(zhì)條件更加大了隧道施工的難度與安全風(fēng)險(xiǎn)。富水巖溶軟巖隧道，圍巖巖性軟弱破碎，強(qiáng)度低穩(wěn)定性差，且在富水條件下圍巖受到開挖擾動(dòng)極易發(fā)生塑性破壞，由于地質(zhì)條件復(fù)雜，軟弱圍巖隧道在施工過程中極易發(fā)生溜塌等事故。

目前，國內(nèi)專家學(xué)者對(duì)隧道支護(hù)及塌方處治措施方面研究較為廣泛，文獻(xiàn)[1]結(jié)合工程實(shí)例，分析了高地應(yīng)力軟巖隧道發(fā)生塌方的具體原因，提出具體的處置措施，并通過相關(guān)規(guī)范和有限元模擬對(duì)處治效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。文獻(xiàn)[2]根據(jù)施工過程隧道塌方的發(fā)展過程及塌方機(jī)理，提出并實(shí)施了一套塌方綜合處治措施，通過分析綜合措施實(shí)施后的地表沉降，拱頂沉降及拱腰收斂等變化規(guī)律，得出該綜合措施能夠有效治理軟巖隧道塌方事故。文獻(xiàn)[3]以蘭渝鐵路為工程背景，分析隧道塌方事故原因，提出針對(duì)塌方情況的處治措施，通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析證明了該處治措施的有效性，處治效果達(dá)到了工程要求。文獻(xiàn)[4]分析了隧道產(chǎn)生塌方的原因，并給出了針對(duì)性的塌方處理措施，同時(shí)運(yùn)用數(shù)值模擬和監(jiān)控量測(cè)手段對(duì)塌方處治效果進(jìn)行了分析，最終得出該處治措施能夠保證隧道施工安全，并且能夠有效的避免后續(xù)施工中出現(xiàn)二次塌方。文獻(xiàn)[5]以某隧道洞口段塌方治理工程為依托，分析了隧道塌方的主要原因，提出采用超前大管棚與注漿小導(dǎo)管相結(jié)合、洞內(nèi)與地表共同治理的綜合處治措施，并通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方法詳細(xì)分析了處治效果。

當(dāng)前，雖然對(duì)隧道塌方處治措施研究較為廣泛，但是針對(duì)富水巖溶地區(qū)炭質(zhì)泥巖地層隧道塌方治理措施的研究相對(duì)較少。本文依托中老鐵路玉磨鐵路段巴羅二號(hào)隧道工程，通過有限元軟件，建立富水巖溶地區(qū)炭質(zhì)泥巖地層隧道模型，分析隧道溜塌位置圍巖與初支結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征及隧道溜塌機(jī)理，針對(duì)實(shí)際溜塌情況提出專項(xiàng)治理方案，并為后續(xù)施工段類似情況做參考。

1 工程概況

我國“一帶一路”重要項(xiàng)目，中老鐵路玉磨鐵路段位于我國滇西南地區(qū)，其中巴羅二號(hào)隧道為設(shè)計(jì)時(shí)速160km/h的單線鐵路隧道，從標(biāo)段起點(diǎn)里程D1K435+380 到出口里程D1K439+280，標(biāo)段內(nèi)隧道長度3900m，最大埋深260m。隧道所處區(qū)域?yàn)橹猩降孛?，地面高?25m～925m，最大高差300m，自然橫坡5°～45°，局部較陡，山間自然淺溝發(fā)育，地形波狀起伏，上覆土層較薄，基巖部分裸露。

洞身穿越二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M泥巖夾砂巖、碳質(zhì)頁巖，巖性空間交錯(cuò)展布，圍巖強(qiáng)度低，節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖整體較破碎，完整性及穩(wěn)定性差，施工過程中圍巖受施工擾動(dòng)極易發(fā)生掉塊、溜塌等工程問題。隧道所處區(qū)域由于降水量大，地下水量豐富，圍巖強(qiáng)度低且破碎，隧道線路左側(cè)存在順層偏壓，擠壓褶曲現(xiàn)象明顯，圍巖受結(jié)構(gòu)面切割，局部呈礫碎石狀松散結(jié)構(gòu)，施工過程中極易發(fā)生掉塊和溜塌現(xiàn)象。

2 溜塌原因及機(jī)理分析

2.1 圍巖溜塌原因

巴羅二號(hào)隧道施工里程DIK437+662 所處施工段，巖層以炭質(zhì)頁巖為主局部夾泥巖，巖體破碎，地下水較發(fā)育，掌子面處可見地下水呈滲滴狀流出，炭質(zhì)頁巖經(jīng)水浸泡后巖質(zhì)更軟且松散，極易掉塊和溜塌。里程DIK437+662 掌子面出渣完成后，在扒渣過程中掌子面右肩部突然出現(xiàn)掉塊現(xiàn)象，之后掌子面右拱部開始溜塌，直至整個(gè)掌子面幾乎被全部封閉（見圖2 所示），溜塌體成分主要為炭質(zhì)泥巖，且滲水成線。由于疏散及時(shí)溜塌未造成人員傷亡，無設(shè)備損壞。隧道溜塌斷面圖與現(xiàn)場(chǎng)圖片見圖1、圖2 所示。

圖1 巴羅二號(hào)隧道溜塌斷面圖

圖2 巴羅二號(hào)隧道溜塌現(xiàn)場(chǎng)圖

巴羅二號(hào)隧道隧道溜塌主要原因有兩點(diǎn)，一方面由于隧道穿越地層以炭質(zhì)泥巖為主，圍巖相對(duì)較軟，地下水較豐富，于局部段落可能形成不規(guī)則、破碎、含砂含泥囊狀富水體圍巖失穩(wěn)破壞可能性較大。另一方面由于超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的滯后性和不準(zhǔn)確性，未能對(duì)掌子面前方地質(zhì)情況進(jìn)行較準(zhǔn)確有效的預(yù)測(cè)，導(dǎo)致施工中未能提前采取有效措施防止災(zāi)害發(fā)生。

2.2 圍巖溜塌機(jī)理

將在隧道施工過程中，原有地應(yīng)力場(chǎng)受到擾動(dòng)重新分布，需要支護(hù)加固才穩(wěn)定的圍巖稱為淺層圍巖，將整體性較好無需支護(hù)加固就能夠維持穩(wěn)定的圍巖稱為深層圍巖。淺層圍巖從松弛發(fā)展到離散時(shí)，圍巖即會(huì)發(fā)生失穩(wěn)破壞，處于松弛階段的淺層圍巖與初期支護(hù)一同承受所受到的形變壓力，支護(hù)結(jié)構(gòu)主要承受塑性壓力。淺層圍巖隨著隧道圍巖塑性區(qū)變形的不斷增大最終達(dá)到離散階段，此時(shí)淺層圍巖由于壓力松動(dòng)，在自身重力的作用下發(fā)生溜塌或形成對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的荷載。由Kastner 公式能夠得到，最大支護(hù)反力pi與圍巖位移量v0之間的關(guān)系可表示為：

式中：R0為隧道圍巖半徑；P0為初始地應(yīng)力，α 為巖體外塌陷角；c 和φ 分別為圍巖的粘聚力和內(nèi)摩擦角；Rp為圍巖塑性區(qū)半徑；Pi為支護(hù)反力；G 為溜塌體重力。

依據(jù)公式（1）~（3）計(jì)算最大支護(hù)反力和圍巖位移量，在隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及隧道開挖過程中有效的預(yù)防隧道發(fā)生溜塌具有重要作用。

3 數(shù)值模擬

3.1 模型參數(shù)

根據(jù)巴羅二號(hào)隧道地質(zhì)勘察報(bào)告，并且根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》，隧道圍巖和初期支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)見表1所示。

表1 圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)

3.2 模型建立

為了有效分析隧道開挖過程中圍巖失穩(wěn)破壞機(jī)理，通過有限元軟件MIDAS-GTS NX 建立隧道開挖施工階段模型，根據(jù)圣維南原理XYZ 各方向取約3 倍隧道開挖洞徑，X 軸和Z 軸方向隧洞中心距邊界各取50m，Y 軸開挖方向取60m。模型上下左右四個(gè)面為非自由面，因此對(duì)豎向方向和水平方向位移進(jìn)行約束。隧道施工方法為臺(tái)階法；φ42 小導(dǎo)管超前支護(hù)，縱向間距3.0m，每環(huán)17 根，單根小導(dǎo)管長度4.5m；采用格柵鋼架加強(qiáng)支護(hù)，鋼架間距1.5m，隧道施工階段模型見圖3 所示。

圖3 隧道施工階段模型

4 結(jié)果分析

4.1 圍巖變形分析

通過有限元模擬對(duì)隧道施工階段進(jìn)行分析可知，隧道開始施工后，受開挖擾動(dòng)圍巖原有結(jié)構(gòu)受到擾動(dòng)，炭質(zhì)泥巖圍巖巖性強(qiáng)度較低，力學(xué)平橫遭到破壞后開始明顯下沉，最終對(duì)隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)造成較大的壓力。圍巖變形云圖見圖4 所示，由圖4（a）可知，圍巖豎向沉降最大值為84.7mm，除此之外隧道仰拱位置受到周圍圍巖擠壓后隆起明顯，仰拱隆起最大值為142.7mm。由圖4（b）能夠明顯看出，隧道拱腰位置處出現(xiàn)收斂，拱腰收斂最大值為167.4mm。根據(jù)有限元模擬結(jié)果可知，隧道圍巖變形量值較大，對(duì)初支結(jié)構(gòu)造成較大壓力，因此需對(duì)初支結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固并對(duì)這些位置加強(qiáng)變形監(jiān)測(cè)。

圖4 圍巖變形云圖

4.2 圍巖塑性區(qū)分析

隧道圍巖塑性區(qū)分布云圖，見圖5 所示。由圖5 可知，圍巖塑性區(qū)主要在掌子面上下臺(tái)階，拱腰和仰拱位置處集中分布。隧道拱腰和仰拱位置塑性應(yīng)變最大值為6.63×10-2，并且從分布云圖能夠看出，掌子面位置的塑性區(qū)范圍明顯多于周圍圍巖塑性區(qū)范圍，這說明掌子面在開挖過程中，發(fā)生塑性破壞的可能性高于周圍圍巖，和施工現(xiàn)場(chǎng)掌子面右肩部位處發(fā)生溜塌的狀況相一致。因此，在開挖過程中應(yīng)時(shí)刻注意掌子面的情況。

圖5 圍巖塑性區(qū)分布

4.3 圍巖應(yīng)力分析

圍巖應(yīng)力分布云圖，見圖6 所示。通過對(duì)隧道施工階段進(jìn)行有限元計(jì)算可知，隧道圍巖受施工開挖擾動(dòng)的影響，應(yīng)力發(fā)生了重新分布，圍巖原有力學(xué)結(jié)構(gòu)遭到破壞，隧道掌子面周圍圍巖出現(xiàn)應(yīng)力松弛現(xiàn)象。由圖6 可知，圍巖最大主應(yīng)力和von Mises 應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在上下兩臺(tái)階交界處，因此在初支結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的位置產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)場(chǎng)，會(huì)造成初支結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞裂縫，并且由于炭質(zhì)泥巖巖性強(qiáng)度較低，承載能力較差，在掌子面開挖擾動(dòng)以及地下水軟化的共同作用下，容易導(dǎo)致圍巖發(fā)生溜塌事故，因此需對(duì)初支結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的位置進(jìn)行加固，以防止發(fā)生破壞。

圖6 圍巖應(yīng)力分布云圖

5 溜塌處治措施與效果

5.1 溜塌處治措施

結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)溜塌狀況與數(shù)值模擬結(jié)果，針對(duì)隧道掌子面溜塌位置提出針對(duì)性的處置措施，具體措施如下：

①首先，對(duì)掌子面右肩因溜塌后形成空腔的大小和堆積體巖性進(jìn)行判斷，同時(shí)對(duì)掌子面塌方位置空腔進(jìn)行探查，準(zhǔn)確掌握空腔內(nèi)狀況。

②迅速對(duì)堆積體表面進(jìn)行噴錨封閉，標(biāo)號(hào)C25 噴錨料厚度10cm，（見圖7 所示）確保堆積體穩(wěn)定不再垮塌滑落，同時(shí)保證下部人員和機(jī)械設(shè)備安全。

③對(duì)溜塌情況進(jìn)行綜合分析，確定超前支護(hù)措施。?42 壁厚3.5mm 超前小導(dǎo)管的支護(hù)有效距離為不大于3m，而溜塌體造成的空腔縱向最大距離為6m，不適宜采用?42 小導(dǎo)管作為超前支護(hù)措施。如采用?108 或?89 管棚作為超前支護(hù)，超前支護(hù)作用距離最大可達(dá)30m 左右，但是管棚施作工期較長、費(fèi)用較大。綜合比較后決定采用如下措施：在堆積體表面與拱頂之間的50cm 空隙內(nèi)預(yù)留?125 拖式混凝土泵管和?42 小導(dǎo)管，確保小導(dǎo)管頂?shù)娇涨蛔罡咛?。同時(shí)在小導(dǎo)管最高部位管壁上預(yù)留溢漿孔洞，目的是檢查混凝土泵管泵送混凝土擠壓填滿整個(gè)空腔（見圖7、8 所示）。預(yù)埋完管道后將拱頂與堆積體表面之間的空隙用C25 噴錨料封閉，確?？障斗舛吕喂獭Ｈ缓髮⒍逊e體上的泵管固定穩(wěn)定，順接至拖式混凝土泵上，將C20 混凝土通過混凝土泵壓入溜塌空腔內(nèi)，同時(shí)觀察溢漿孔道，確?；炷撂顫M整個(gè)空腔。

圖7 噴錨示意圖

圖8 溜塌堆積體示意圖

④溜塌空腔被混凝土全部填滿后，空腔內(nèi)臨空面消失，掌子面前方沿初支輪廓線形成一個(gè)不規(guī)則的混凝土拱圈，混凝土拱圈厚度約1~2.5m。從而對(duì)整個(gè)溜塌位置圍巖進(jìn)行加固，增強(qiáng)圍巖的穩(wěn)定性，混凝土拱圈見圖9 所示。

圖9 混凝土拱圈示意圖

⑤混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后，按照臺(tái)階法施工。依據(jù)有限元軟件分析結(jié)果采取如下措施：采用比原設(shè)計(jì)拱架增加強(qiáng)度的I18 鋼拱架，間距調(diào)整為1m，上下臺(tái)階的拱腳采用?42 的雙鎖角錨管，長度4m。在每次開挖完成后，立架之前對(duì)裸露圍巖及掌子面噴錨封閉，確保圍巖安全穩(wěn)定。先施作超前小導(dǎo)管支護(hù)，后開挖立架。每次進(jìn)尺一榀，在混凝土拱圈下部立拱架噴錨支護(hù)，共同形成一次襯砌（見圖10 所示）。上臺(tái)階進(jìn)尺5m 左右后跟進(jìn)下臺(tái)階，下臺(tái)階左右側(cè)錯(cuò)開6~8m，單邊開挖。同時(shí)確保仰拱及時(shí)跟進(jìn)，二襯襯砌及時(shí)封閉成環(huán)。直至整個(gè)施工段落全部通過軟弱圍巖地段。

圖10 堆積體開挖示意圖

⑥由于溜塌位置施工段地下水豐富且圍巖破碎，采用混凝土拱圈支撐后與原有圍巖密度相差較大，容易形成隔水層，在背后形成水壓力。在初支噴錨完成后在有混凝土拱圈部位，沿環(huán)向和縱向間隔一定距離打設(shè)?50排水降壓孔，保證拱圈的穩(wěn)定。同時(shí)要加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)頻率，密切關(guān)注圍巖收斂、沉降變化，為現(xiàn)場(chǎng)的處置提供準(zhǔn)確信息。

5.2 溜塌段處治效果

溜塌段初支施工完成后，對(duì)溜塌位置DK437+662 及其后施工段初支監(jiān)控測(cè)量斷面增設(shè)至每道10m，確保監(jiān)控測(cè)量點(diǎn)位安全牢固，監(jiān)測(cè)頻率至少2 次/d，使用全站儀對(duì)處治拱頂及拱腰位置變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

運(yùn)用上述施工措施，對(duì)溜塌位置處圍巖進(jìn)行處理加固后，溜塌位置及后續(xù)施工段圍巖累計(jì)變形實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見表2所示。由表2 可知，采用上述施工措施處治過后，溜塌段圍巖拱頂沉降和拱腰收斂量值較小，均處于安全范圍內(nèi)，表明上述處治措施加固效果明顯。

表2 圍巖累計(jì)變形數(shù)據(jù)

6 結(jié)論

以云南玉磨鐵路巴羅二號(hào)隧道工程為依托，通過有限元模擬隧道施工階段，溜塌段位移等變形，對(duì)隧道掌子面上方圍巖溜塌機(jī)理進(jìn)行分析，并提出掌子面溜塌處治措施，得到以下結(jié)論。

①通過地質(zhì)探查，掌握隧道溜塌位置溜塌堆積體巖性及地下水發(fā)育狀況，分析掌子面發(fā)生溜塌事故的原因，確定溜塌段圍巖巖性以及圍巖穩(wěn)定性較弱的部位，為后續(xù)施工段掌子面溜塌的處治提供參考依據(jù)。

②依據(jù)溜塌段地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)和溜塌機(jī)理分析可知，隧道掌子面位置有地下水滲出，圍巖經(jīng)水浸泡強(qiáng)度降低，初支結(jié)構(gòu)在圍巖發(fā)生失穩(wěn)破壞后，拱頂和拱腰承受了更大的壓力，加之施工開挖擾動(dòng)最終導(dǎo)致隧道溜塌。

③通過有限元軟件，對(duì)隧道施工階段進(jìn)行模擬，有模擬計(jì)算結(jié)果可知，隧道拱頂和拱腰位置處的圍巖變形量值較大，且圍巖塑性區(qū)主要集中分布在拱腰位置處，說明圍巖穩(wěn)定性較差，在開挖過程中發(fā)生溜塌風(fēng)險(xiǎn)較大。

④依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)溜塌的具體情況，采用安全、高效的溜塌處置措施，即保證工程質(zhì)量又可保證工期目標(biāo)。

⑤依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況并結(jié)合有限元模擬結(jié)果，提出通過混凝土注漿形成拱圈增強(qiáng)原有圍巖強(qiáng)度，然后以小導(dǎo)管對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)的處治措施，精確控制開挖進(jìn)尺，減少施工對(duì)圍巖的擾動(dòng)，確保隧道溜塌段開挖施工安全。