李國(guó)峰

0 引言

目前我國(guó)隧道工程的建設(shè)規(guī)?？涨埃?-3］，預(yù)計(jì)2020年僅我國(guó)鐵路隧道建設(shè)將達(dá)到“兩個(gè)一萬(wàn)”，即10 000座隧道，隧道總長(zhǎng)10 000 km。隨著我國(guó)鐵路交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)及其發(fā)展規(guī)劃，在未來(lái)的20年內(nèi)，將大力發(fā)展中西部的交通，而我國(guó)中西部地質(zhì)條件復(fù)雜，是構(gòu)造發(fā)育地帶，多山，因此需要修建大量隧道。受地形及構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的影響，當(dāng)進(jìn)行隧道開(kāi)挖時(shí)，即使隧道埋深不是很大，也會(huì)因?yàn)闇\部圍巖的破碎，極易產(chǎn)生圍巖塌方破壞。

塌方或者說(shuō)是坍塌，該種破壞形式在鐵路隧道的松散巖體及破碎巖體中經(jīng)常遇到，當(dāng)支護(hù)不當(dāng)時(shí)容易發(fā)生［4，5］。前者是變形達(dá)到一定程度后發(fā)生的坍塌，后者是巖塊突然的掉落。

可見(jiàn)塌方一直是隧道建設(shè)中經(jīng)常遇到的一種圍巖失穩(wěn)模式，嚴(yán)重影響施工及后期圍巖的穩(wěn)定性，隨著中西部隧道建設(shè)的增加，如果認(rèn)識(shí)不夠，這種破壞形式會(huì)經(jīng)常遇到，因此對(duì)隧道圍巖塌方機(jī)理的研究是非常必要的。

1 工程概況

該隧道為設(shè)計(jì)行車速度160 km/h的并行兩座單線電氣化鐵路隧道，左線長(zhǎng)度5 875 m，右線長(zhǎng)度6 070 m。左線隧道最大埋深約83 m，最淺埋深24 m，右線隧道最大埋深約70 m，最淺埋深21 m。隧道通過(guò)范圍地表分布民宅和208高速公路，交通較為便利。

1.1 地層

本區(qū)地層巖性較為簡(jiǎn)單，上部為人工填土，坡洪積粉土、礫砂，基巖為第三系上新統(tǒng)泥巖夾砂巖、玄武巖，太古界下統(tǒng)大理巖、太古代花崗巖等。

1.2 不良地質(zhì)及特殊巖土

1)巖溶:隧道出口段通過(guò)處大理巖為可溶巖，經(jīng)地表調(diào)查，有微弱溶蝕現(xiàn)象，如溶孔、溶槽等，未發(fā)現(xiàn)溶洞，洞身大理巖具輕微的蜂窩狀溶蝕和溶隙，裂隙寬1 mm～2 mm，屬巖溶不發(fā)育地區(qū)，對(duì)工程無(wú)大的影響。

2)膨脹性巖土:隧道洞身經(jīng)過(guò)泥巖夾砂巖，其成巖作用差，泥巖巖質(zhì)軟遇水軟化，易崩解，根據(jù)化驗(yàn)指標(biāo):陽(yáng)離子交換量(CEC)為209 mmol/kg，蒙脫石含量為13%，自由膨脹率(Fs)為26%，判定泥巖具有弱膨脹性。

1.3 隧道原支護(hù)情況

全隧道采用曲墻帶仰拱復(fù)合襯砌，初期支護(hù)采用錨噴支護(hù)，為加強(qiáng)以上均采用了鋼拱架，并采用超前小導(dǎo)管進(jìn)行預(yù)加固，局部特殊地段采用大管棚與小導(dǎo)管聯(lián)合支護(hù)。超前大管棚采用φ108 mm，一般在洞口使用，環(huán)向間距0.6 m。小導(dǎo)管環(huán)向間距0.6 m，縱向間距為2.4 m，長(zhǎng)度3.5 m。錨桿長(zhǎng)度2.5 m～3 m，環(huán)向間距1.2 m，縱向間距根據(jù)圍巖級(jí)別不同，分別為1.0 m～1.5 m。鋼筋網(wǎng)設(shè)置在拱墻部位，間距20 cm～25 cm。

1.4 隧道破壞特征

隧道于2008年5月開(kāi)工，計(jì)劃工期29.4個(gè)月，施工開(kāi)始后，左右線及斜井有不同程度的塌方出現(xiàn)，嚴(yán)重影響了施工工期，造成了重大經(jīng)濟(jì)損失。

從2008年11月左線洞口邊坡發(fā)生塌方以來(lái)，到2010年6月23日，共發(fā)生了大小29次塌方、大變形及滑塌事故，累計(jì)長(zhǎng)度344.6 m，在Ⅲ級(jí)～Ⅴ級(jí)圍巖級(jí)別內(nèi)都有塌方產(chǎn)生，主要發(fā)生在泥巖夾砂巖及花崗巖內(nèi)，其中在泥巖中發(fā)生5次，在花崗巖中發(fā)生塌方23次，在以上兩類巖性交界處發(fā)生塌方1次，其中有2次塌方發(fā)生于1號(hào)斜井中。由于初次支護(hù)開(kāi)裂及開(kāi)挖后未及時(shí)支護(hù)而演化成塌方的有25處，有4處因?yàn)槌醮沃ёo(hù)開(kāi)裂后采取加強(qiáng)支護(hù)，保證了圍巖的穩(wěn)定性。

在Ⅴ級(jí)圍巖中發(fā)生塌方的規(guī)模較大，往往塌陷影響到地表，造成嚴(yán)重的安全隱患。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)條件、施工方法及塌方變形破壞情況分析，該隧道變形塌方破壞有其特殊的地質(zhì)原因，現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生塌方的兩類圍巖分別為水平狀泥巖夾砂巖及花崗巖，且發(fā)生塌方地段都有地下水的作用。

1)碎塊狀塌落體。無(wú)論是花崗巖還是泥巖，塌方體都呈碎塊狀。塊體大小不等，最大的可達(dá)到0.8 m。

2)泥巖形成大規(guī)模塌方。以泥巖為主的塌方地段形成的塌方規(guī)模往往很大，在地表形成塌陷坑，塌方體填塞整個(gè)隧道。

3)地下水參與。所有塌方部位都有地下水活動(dòng)。

4)巖體破碎。在發(fā)生塌方的地段，雖然有50%的隧道圍巖設(shè)計(jì)分級(jí)為Ⅲ級(jí)弱風(fēng)化，堅(jiān)硬完整的花崗巖，但在實(shí)際施工揭露圍巖后，發(fā)現(xiàn)花崗巖節(jié)理發(fā)育，富水。

2 塌方特征分析

為了進(jìn)一步分析隧道由于不同部位的單一巖性弱結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生的不同的高冒落及塌方，通過(guò)建立原隧道的工程地質(zhì)模型，采用二維離散元程序UDEC軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，再現(xiàn)隧道發(fā)生坍塌的過(guò)程，確定隧道不同部位單一巖性弱結(jié)構(gòu)對(duì)于坍塌發(fā)生的影響機(jī)制，從而為進(jìn)一步分析支護(hù)對(duì)策和優(yōu)化支護(hù)參數(shù)提供科學(xué)依據(jù)。

為了簡(jiǎn)化計(jì)算模型，將原有隧道形狀轉(zhuǎn)化為直墻半圓拱型斷面，隧道頂板為松散破碎圍巖，隧道圍巖松動(dòng)圈很大，冒落性強(qiáng)。在隧道開(kāi)挖后，破碎頂板不具備承載力，頂板破碎巖體則在上部巖層地應(yīng)力的擠壓作用下向隧道臨空區(qū)整體潰散，形成整體、快速、大量冒落體。松散破碎頂板力學(xué)模型圖、顯現(xiàn)特征圖、破壞場(chǎng)圖、應(yīng)力場(chǎng)圖如圖1～圖4所示。

從對(duì)松散破碎頂板圍巖型冒落破壞過(guò)程模擬結(jié)果可以看出，頂板首先產(chǎn)生大變形，頂板應(yīng)力高度集中，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定數(shù)量時(shí)頂板巖石破裂并開(kāi)始冒落，應(yīng)力開(kāi)始重分布，隨著時(shí)間的增加冒落范圍逐漸擴(kuò)大，應(yīng)力進(jìn)一步向圍巖深部轉(zhuǎn)移，最后形成高冒落。從位移矢量圖上可以看出兩幫基本沒(méi)有發(fā)生變形破壞，原因是頂板圍巖強(qiáng)度較小且頂板圍巖破碎，而兩幫底角部位圍巖強(qiáng)度較高，所以導(dǎo)致兩幫變形小，由于冒落致使幫部圍巖應(yīng)力削弱，最后幫部位移小而頂板形成高冒落。因此，當(dāng)巷道頂板圍巖為強(qiáng)度較小的破碎巖體而兩幫為強(qiáng)度較高的巖體時(shí)，其冒落形式為幫部完好的高冒落。

3 結(jié)語(yǔ)

本文分析了鐵路松散破碎圍巖隧道坍塌的影響機(jī)制，并運(yùn)用二維離散元軟件對(duì)破碎圍巖結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行數(shù)值模擬，再現(xiàn)了隧道頂板巖層離層、彎曲、沉降、開(kāi)裂直至坍塌的全過(guò)程，分析了隧道破碎圍巖的位移場(chǎng)分布特征，并得到以下結(jié)論:

1)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)查，發(fā)現(xiàn)所研究隧道節(jié)理裂隙發(fā)育的碎裂結(jié)構(gòu)花崗巖及泥巖在施工時(shí)發(fā)生了多次塌方，部分地段位移過(guò)大初期支護(hù)產(chǎn)生裂縫。在Ⅲ級(jí)花崗巖中發(fā)生塌方變形滑塌的事故占總事故的50%。泥巖中發(fā)生塌方的規(guī)模較大，埋深較淺時(shí)，塌方一直會(huì)延續(xù)到地表。

2)影響隧道圍巖塌方失穩(wěn)的因素主要是巖體破碎程度、膠結(jié)面強(qiáng)度及地下水的影響。因施工揭露圍巖級(jí)別與設(shè)計(jì)圍巖級(jí)別有差異，導(dǎo)致超前支護(hù)強(qiáng)度偏弱，客觀上增加了塌方的頻率和規(guī)模。

3)通過(guò)數(shù)值模擬再現(xiàn)了松散破碎圍巖隧道頂板坍塌的破壞過(guò)程，分析其破壞機(jī)理，提出了增加花崗巖圍巖結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，改善泥巖力學(xué)性質(zhì)是控制圍巖穩(wěn)定的關(guān)鍵措施。

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