淺埋軟弱圍巖隧道施工塌方及處治措施研究

謝雄耀 蔡杰龍 周應(yīng)新 曾維成

1. 同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實驗室 上海 200092；2. 同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系 上海 200092；3. 云南省交通投資建設(shè)集團(tuán)有限公司 云南 昆明 650228

隧道常常需要穿越復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境，例如淺埋偏壓、軟弱圍巖等，施工中極易發(fā)生大變形、襯砌開裂，繼而發(fā)展成塌方、冒頂?shù)仁鹿省?/p>

目前，大量學(xué)者對隧道施工的圍巖變形及穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。Han等研究了軟巖隧道圍巖的力學(xué)性質(zhì)及變形破壞特征[1-5]；孫洋等在現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)研和監(jiān)控量測的基礎(chǔ)上，從地質(zhì)條件、埋深影響、軟巖特性、偏壓以及施工因素等方面對隧道大變形的特點(diǎn)和機(jī)理進(jìn)行了定性分析[6-7]。

塌方是隧道圍巖變形失穩(wěn)最嚴(yán)重的后果之一，相關(guān)案例對塌方機(jī)制及處治措施的研究也十分具有參考意義。油坊坪隧道[8]塌方的外部誘因是地質(zhì)構(gòu)造、地下水和大氣降水，人為因素則是施工工法和支護(hù)措施不當(dāng)；木寨嶺隧道[9]的塌方是層狀巖體在橫彎作用下發(fā)生撓曲破壞所致，地下水進(jìn)一步削弱了結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度，初支跟進(jìn)不及時，也導(dǎo)致了圍巖的失穩(wěn)；白山隧道[10]塌方的根本原因是仰拱基底承載力不足導(dǎo)致初支結(jié)構(gòu)整體下沉，暴雨和地表防排水不力導(dǎo)致外荷載增加、圍巖承載能力降低是塌方的直接誘因。高峰等[11]用UDEC離散元法模擬了子尹隧道塌方過程，并研究了不同埋深、巖體結(jié)構(gòu)、圍巖級別隧道的塌方特征；張成平等[12]通過模型試驗發(fā)現(xiàn)城市軟弱圍巖隧道塌方是一個漸進(jìn)性的圍巖破壞過程，不同于深埋隧道形成穩(wěn)定的塌落拱，淺埋隧道地表圍巖破裂會與隧道周邊圍巖破裂面貫通，進(jìn)而發(fā)展為地表塌陷；周宗青等[13]總結(jié)段家屋場隧道孕險環(huán)境為自然氣候、隧道淺埋、地表水庫、節(jié)理裂隙、水文地質(zhì)，并根據(jù)施工揭露情況進(jìn)行塌方風(fēng)險動態(tài)評估。

綜上所述，隧道塌方的成因十分復(fù)雜，只有結(jié)合工程實際，充分分析隧道塌方的成因機(jī)制，才能采取針對性的有效處治措施。本文依托云南武（定）易（門）高速豐收隧道工程，描述了隧道大變形及塌方過程。從地質(zhì)條件、支護(hù)設(shè)計及施工管理方面分析了隧道塌方成因，并通過數(shù)值模擬，分析了三臺階法開挖隧道的拱頂沉降規(guī)律，對比了不同臺階長度及鎖腳錨桿打設(shè)角度對拱頂沉降的影響。給出了右段塌方段的處治措施，并在左洞進(jìn)行了應(yīng)用。結(jié)合自動化監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，左洞隧道變形得到了有效控制。所得結(jié)論可供類似工程參考。

1 工程概況

云南武（定）易（門）高速豐收隧道為分離式小凈距隧道，右幅全長620 m（K89＋630～K90＋250），埋深5.00～62.21 m；左幅全長603 m（K89＋623～K90＋226），埋深9.00～64.91 m。豐收隧道平面如圖1所示。

圖1 豐收隧道平面示意

隧道地層為Pt1lb板巖夾砂巖，K89＋800～K90＋120段順一條山溝布設(shè)，地形偏壓較嚴(yán)重。基巖產(chǎn)狀82°∠56°，走向與線路方向夾角為10°，傾向線路左側(cè)。隧區(qū)位于羅茨至易門斷裂帶內(nèi)，圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，屬于Ⅴ2級圍巖，主要為中風(fēng)化、全風(fēng)化板巖。

由武定端單端掘進(jìn)，右洞先行，后行洞掌子面與先行洞二襯完成段距離不小于40 m，采用三臺階法施工，SF5d型襯砌（圖2）。

圖2 SF5d型襯砌斷面示意

2 隧道大變形及塌方過程

掘進(jìn)至右幅K90＋089處時，初支變形侵入二襯界限（圖3）。該段落現(xiàn)場圍巖地質(zhì)（圖4）以黑色泥質(zhì)巖為主（斷層泥），巖體松散破碎。加之部分段落存在較大偏壓，隧道拱頂日均下沉量2 cm以上，日最大下沉量達(dá)20 cm，累計最大下沉量172 cm，洞頂山體出現(xiàn)開裂情況，最大寬度3.5 cm。加固處治完成后，二襯厚度小于45 cm，需采取換拱處理。

圖3 右洞初期支護(hù)拱頂下沉

圖4 洞內(nèi)圍巖揭露情況

對剩余左幅ZK90＋068～ZK90＋191、右幅K90＋099～K90＋201在原設(shè)計SF5d基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整。采用47根φ108 mm×6 mm注漿鋼花管作為超前支護(hù)，長度9 m，環(huán)向間距0.4 m，水泥-水玻璃雙液注漿。初支鋼支撐調(diào)整為25b#工字鋼，間距0.4 m。徑向小導(dǎo)管間距調(diào)整為1.0 m×0.4 m。中巖柱設(shè)置φ108 mm×6 mm水平注漿鋼花管，向前進(jìn)方向45°水平傾斜施作，設(shè)置4排，長度9.0 m，間距1.0 m×0.8 m。二襯內(nèi)增設(shè)18#工字鋼支撐，縱向間距1.0 m。按上述方案施工，隧道右幅K90＋133～K90＋175出現(xiàn)較大坍塌，塌方體達(dá)600 m3。塌方段經(jīng)回填穩(wěn)定后，對侵入二襯界限的初支進(jìn)行換拱處理。當(dāng)換拱施工至K90＋156時，洞內(nèi)再次出現(xiàn)嚴(yán)重坍塌，致使K90＋133～K90＋156受牽連影響，產(chǎn)生冒頂，地表出現(xiàn)塌陷。此時，與隧道右幅冒頂段落相對應(yīng)的左幅段仍未開挖。

3 塌方成因及影響因素分析

3.1 塌方成因分析

3.1.1 地質(zhì)條件

據(jù)掌子面揭露情況，斷裂帶在隧區(qū)內(nèi)走向近南北方向，與隧道軸線平行，傾向隧道右側(cè)，傾角60°～80°。掌子面的黑色泥質(zhì)巖為炭質(zhì)片巖經(jīng)斷層擠壓作用形成的斷層泥，是一種極不穩(wěn)定的軟弱結(jié)構(gòu)面。掌子面前方土體開挖前已產(chǎn)生很大變形；開挖后，圍巖松動圈進(jìn)一步擴(kuò)展產(chǎn)生較大的松動荷載。加之隧道埋深較淺，無法形成承載拱，圍巖變形發(fā)展至地表，造成初支垂直荷載較大，繼而產(chǎn)生較大的拱頂沉降并發(fā)展成塌方。另一方面，隧道附近基巖產(chǎn)狀為82°∠56°，走向與隧道軸線基本平行，傾向線路左側(cè)。開挖使得隧道左側(cè)（反傾側(cè)）拱腰處圍巖最大主應(yīng)力與巖層面平行，巖體撓曲變形產(chǎn)生垂直于層面的拉應(yīng)力，導(dǎo)致巖層拉裂破壞。因此，隧道反傾側(cè)拱腰處存在順層偏壓問題，加之左側(cè)埋深較大，左側(cè)支護(hù)承受的壓力最大，圍巖最不穩(wěn)定。從圖3可看出隧道左側(cè)變形明顯大于右側(cè)。

3.1.2 支護(hù)設(shè)計

針對大變形調(diào)整了右幅K90＋099～K90＋201的支護(hù)設(shè)計，采用φ108 mm×6 mm注漿鋼花管作為超前管棚，并進(jìn)行注漿加固?？紤]工期壓力，采用水泥-水玻璃雙液注漿，水玻璃作為速凝劑可加速漿液的固化。但隨著后期強(qiáng)度下降，反而增加了荷載。此外，圍巖滲透率低，注漿加固范圍也難以保證。由于巖體破碎，拱腳承載力不足，初支鋼拱架基礎(chǔ)薄弱，且鎖腳錨桿打設(shè)角度偏小，沒有給隧道拱頂提供足夠的支護(hù)力，也是拱頂產(chǎn)生大變形的重要原因。

3.1.3 施工管理

初支鋼拱架安裝質(zhì)量差，搭接處無法采用螺栓連接，而采用鋼筋簡單焊接，初支剛度降低。超前管棚施工不規(guī)范，尾端沒有搭接在鋼拱架上，無法與初支共同形成梁拱效應(yīng)。采用三臺階法施工掘進(jìn)，但現(xiàn)場臺階不明顯，沒有預(yù)留核心土，掌子面支護(hù)欠佳。施工組織效率低，支護(hù)不及時，初支封閉較慢，圍巖的變形沒有得到有效控制。在對侵限段進(jìn)行換拱時，受開挖擾動的松散巖體失去支護(hù)是導(dǎo)致最后塌方的直接原因。

3.2 數(shù)值模型

利用FLAC3D對隧道掘進(jìn)施工進(jìn)行三維精細(xì)化數(shù)值模擬。隧道斷面見圖2。先行隧道二襯完成段與后行隧道掌子面的距離不小于40 m，因此本文僅分析發(fā)生塌方的右幅。模型尺寸為118 m（寬）×113 m（高）×80 m（長），上部邊界取至地表，地表坡度23°，隧道洞頂埋深28 m。計算時，地表為自由邊界，模型前后、左右邊界分別施加相應(yīng)方向的水平位移約束，模型底部邊界施加固定約束。

圍巖采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型；在隧道拱頂及中巖柱處分別設(shè)置超前、水平注漿鋼花管及徑向小導(dǎo)管，采用pile單元模擬；超前注漿采用加強(qiáng)相應(yīng)范圍土體參數(shù)的方法來實現(xiàn)；初支鋼支撐與初噴混凝土采用shell單元模擬；二襯通過增加初支shell單元厚度來實現(xiàn)。模型結(jié)構(gòu)單元見圖5，材料參數(shù)如表1所示。

圖5 豐收隧道數(shù)值模型

表1 模型材料參數(shù)

隧道采用三臺階法開挖，臺階長度6.4 m，每個工作循環(huán)開挖進(jìn)尺為3.2 m。一個工作循環(huán)的具體模擬過程：激活超前鋼花管，加固超前注漿層土體；開挖上臺階；激活上臺階徑向小導(dǎo)管和初期支護(hù)；開挖中臺階；激活中臺階徑向小導(dǎo)管、初期支護(hù)以及中巖柱鋼花管；開挖下臺階；激活下臺階初期支護(hù)；初支成環(huán)后12.8 m激活二襯。

3.3 現(xiàn)場監(jiān)測

豐收隧道施工過程現(xiàn)場監(jiān)測項目主要有洞周收斂以及拱頂下沉。洞周收斂測量采用收斂計，拱頂下沉采用全站儀觀測，測點(diǎn)布置如圖6所示。

圖6 隧道圍巖變形測點(diǎn)布置示意

3.4 計算結(jié)果與分析

3.4.1 拱頂下沉分析

圖7所示的典型斷面拱頂各點(diǎn)沉降及發(fā)展規(guī)律監(jiān)測值與模擬結(jié)果的一致性驗證了數(shù)值模型的可靠性。根據(jù)下沉速率，隧道拱頂下沉可分為3個階段：工作面到達(dá)監(jiān)測斷面之前，前9個開挖步約3倍進(jìn)尺，各監(jiān)測點(diǎn)已累計產(chǎn)生較大沉降，沉降值達(dá)1 m；工傷面到達(dá)監(jiān)測斷面后，拱頂下沉速率急劇增大；監(jiān)測斷面初支封閉后，拱頂下沉速率減緩，此時累計沉降已達(dá)2.8 m，且依舊未收斂。

圖7 隧道拱頂沉降計算值與監(jiān)測值

階段1說明軟弱圍巖隧道掌子面前方巖體開挖擾動范圍大，達(dá)到3倍開挖進(jìn)尺。掌子面變形以向臨空面的擠出變形為主。如果不對掌子面變形加以控制，掌子面帶動周圍巖體變形，極易造成大變形，甚至塌方冒頂。上臺階開挖產(chǎn)生的拱頂沉降最大，約占80%。下臺階開挖完成后，初襯閉環(huán)對隧道變形的抑制作用明顯，因此，初襯應(yīng)盡早封閉，必要時可設(shè)置臨時仰拱。但軟弱圍巖隧道拱頂沉降受后續(xù)開挖影響持續(xù)時間較長，累計變形量大，應(yīng)預(yù)留足夠變形量，避免變形侵限、需要換拱的情況。且應(yīng)考慮早上二襯，抵抗圍巖變形。受偏壓影響，3個測點(diǎn)的沉降值A(chǔ)1＞A2＞A3。

3.4.2 臺階長度及鎖腳錨桿角度的影響

如圖8所示，階段1臺階長度及鎖腳錨桿角度對拱頂沉降影響不大。開挖后，拱頂沉降量及沉降速率均隨著臺階長度的縮短、鎖腳錨桿角度的增大而減小。臺階長度越短意味著初支能夠越早封閉，及時形成支護(hù)抗力。鎖腳錨桿角度越大，其與鋼拱架焊接處的彎矩和剪力越小，錨桿撓曲產(chǎn)生的豎向位移分量也越小，雖然軸力較大，但其軸向剛度較大，所以此時鎖腳錨桿控制拱頂沉降效果較好?？紤]到鎖腳錨桿打設(shè)難度，建議打設(shè)角度為45°。鎖腳錨桿角度對拱頂沉降影響雖不如臺階長度明顯，但可通過增加鎖腳錨桿數(shù)量來獲得更好的支護(hù)效果。

圖8 臺階長度及鎖腳錨桿角度對拱頂沉降的影響

4 處治措施

4.1 右幅塌方段處治措施

1）對塌方段掌子面采用C25噴射混凝土封閉，厚度為20 cm。對塌方體采用長12 m的φ89 mm×6 mm鋼花管進(jìn)行水平注漿加固，間距1.0 m×1.0 m。注漿材料由水泥-水玻璃雙液漿改為水泥單液漿，水灰比1∶1。

2）對塌方段采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖，減少拱頂一次暴露面積，加快開挖塊支護(hù)閉合。隧道右側(cè)為先行洞，左側(cè)為后行洞，先打開工作面，再進(jìn)行預(yù)留核心土拱部施工，最后進(jìn)行核心土下部開挖。

3）開挖后及時施加初襯。側(cè)導(dǎo)坑初襯鋼拱架在主洞初襯鋼拱架閉合之后分段拆除，拆除時加強(qiáng)監(jiān)控量測，并據(jù)此調(diào)整一次拆除長度，不大于15 m，必要時對初支進(jìn)行局部加強(qiáng)。拆除后15 d內(nèi)完成二襯澆筑，二襯厚度由60 cm調(diào)整為70 cm。

掘進(jìn)過程中依舊采用圖6所示的監(jiān)測方案，最終隧道順利貫通，拱頂沉降量小于20 cm，水平收斂位移小于12 mm，整體穩(wěn)定性良好。

4.2 相鄰左洞處治措施

與隧道右幅冒頂段落相對應(yīng)的左幅ZK90＋115～ZK90＋165在右幅貫通并施作二襯后繼續(xù)施工，沿用右幅冒頂段改進(jìn)的支護(hù)方案，嚴(yán)格按照預(yù)留核心土臺階法施工，臺階長度不超過5 m。增設(shè)鎖腳錨桿和臨時仰拱，仰拱與掌子面距離控制在20 m以內(nèi)，加快工作循環(huán)以使初支盡快封閉。嚴(yán)格把控超前支護(hù)和鋼拱架的施工質(zhì)量，鋼拱架之間增設(shè)7道25b#工字鋼進(jìn)行縱向連接。采用靜力水準(zhǔn)自動化監(jiān)測系統(tǒng)，加強(qiáng)施工中監(jiān)控量測的時效性。

靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)采用高精度壓力傳感器，通過測量測點(diǎn)相對于基準(zhǔn)點(diǎn)儲液罐的液位壓力變化來獲取測點(diǎn)的沉降值。如圖9所示，多個靜力水準(zhǔn)儀通過通液管和通氣管與干燥劑管和儲液罐相連形成內(nèi)壓自平衡系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集儀通過電纜連接多個靜力水準(zhǔn)儀，可實現(xiàn)靜力水準(zhǔn)儀的自動測量及數(shù)據(jù)處理等工作，并可通過移動網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測結(jié)果發(fā)布到遠(yuǎn)程主機(jī)及移動客戶端。該系統(tǒng)測量精度高，工作穩(wěn)定，安裝后無需人工操作即可實現(xiàn)實時監(jiān)測，成本較低。

圖9 靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)示意

此次監(jiān)測項目為隧道拱頂沉降，監(jiān)測頻率為1次/h。由于已開挖段受后續(xù)開挖影響持續(xù)時間較長，選取距離監(jiān)測段落50 m已施加二襯的ZK90＋65斷面拱頂作為基準(zhǔn)點(diǎn)，編號S0。各監(jiān)測斷面間距5 m，隨著掌子面的推進(jìn)，將靜力水準(zhǔn)儀固定在拱頂?shù)陌惭b支架上，并預(yù)留通液管和通氣管，編號依次為S1—S11。

選取監(jiān)測斷面S3、S4，初襯及二襯拱頂沉降如圖10所示。S3斷面上臺階開挖后，拱頂沉降持續(xù)快速發(fā)展，截至2017年3月30日，已累計產(chǎn)生沉降117.1 mm，危及施工安全。故決定施加臨時支撐并進(jìn)行補(bǔ)充注漿。拱頂沉降速度得到明顯減緩并最終收斂，累計沉降170.0 mm。S4斷面上臺階開挖后的初期，拱頂也經(jīng)歷了一段快速下沉階段，但累計沉降較小，約為55.2 mm，后逐漸收斂，累計沉降75.9 mm。初支穩(wěn)定后，S3、S4斷面均未侵限。施加二襯后，S3、S4斷面拱頂穩(wěn)定，新增沉降小于3 mm。

圖10 靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)監(jiān)測值

5 結(jié)語

1）受斷裂帶影響且隧道埋深較淺，隧區(qū)巖體破碎無法形成承載拱，導(dǎo)致較大的垂直荷載，隧道左側(cè)的順層偏壓及地形偏壓更加劇了左側(cè)的變形，是隧道產(chǎn)生大變形并塌方的客觀原因；鋼拱架基礎(chǔ)薄弱、連接質(zhì)量差，導(dǎo)致初支剛度下降，超前管棚施工不規(guī)范、臺階不明顯、沒有預(yù)留核心土使得對掌子面的穩(wěn)定性控制不佳，是隧道產(chǎn)生大變形及塌方的重要原因；對侵限段落換拱導(dǎo)致松散巖體失去支護(hù)則是塌方的直接原因。

2）軟弱圍巖隧道開挖對掌子面前方擾動范圍較大，達(dá)到3倍進(jìn)尺，約80%拱頂沉降發(fā)生在上臺階開挖。做好掌子面超前支護(hù)及加固、采用短臺階開挖、減少拱頂一次暴露面積、及時施作支護(hù)并封閉可有效控制圍巖變形，鎖腳錨桿角度宜取45°。對于圍巖條件極差、收斂變形較大的區(qū)段，可采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工。

3）靜力水準(zhǔn)自動化監(jiān)測系統(tǒng)測量精度高，成本低，可實現(xiàn)隧道沉降的持續(xù)性實時監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果確定預(yù)留變形量，盡量避免換拱，不僅可以減少工期延誤，更能有效降低塌方風(fēng)險。