張龍生， 翁賢杰

(江西交通咨詢公司， 江西 南昌　330008)

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塌方影響下鳳嶺隧道貫通施工技術及數(shù)值模擬研究

張龍生， 翁賢杰

(江西交通咨詢公司， 江西 南昌330008)

摘要：隧道即將貫通時遭遇塌方，會使貫通面臨塌方可靠處理和貫通安全施工雙重困難。為保障隧道貫通施工安全，避免塌方，依托江西省昌寧高速公路鳳嶺隧道在塌方影響下的貫通施工，通過分析研究隧道貫通施工處理過程中的重點和難點，提出綜合物理探測、塌方段管棚注漿支護、貫通面合理確定、貫通段管棚注漿支護以及洞身短開挖強支護等系統(tǒng)化的技術方法，并采用三維數(shù)值模擬方法對施工過程中圍巖、初期支護的應力和位移進行分析，驗證施工處理技術的可行性?，F(xiàn)場監(jiān)測結果和處理效果證明，該系統(tǒng)化施工技術體系在塌方影響下的隧道貫通施工是安全有效的。

關鍵詞：鳳嶺隧道； 塌方； 隧道貫通； 系統(tǒng)化處理技術； 數(shù)值模擬； 監(jiān)測

0引言

近年來，伴隨著隧道工程的大量建設，隧道施工中所面臨的地質條件越來越復雜，因而，施工期間塌方等地質災害時有發(fā)生，給隧道工程建設帶來困難[1-2]。隧道貫通是隧道建設過程中十分關鍵的一步，具有較大的施工風險和技術難度。如果在即將進入貫通段或在貫通段施工中發(fā)生塌方，將會使隧道貫通施工面臨圍巖應力釋放重組、塌方不穩(wěn)定性等多重不利因素的影響，會使隧道貫通施工變得復雜。

目前，國內(nèi)外關于塌方影響下隧道貫通段的施工處理積累了一定經(jīng)驗，也提出了相應的措施。如文獻[3]對公山隧道貫通段塌方原因進行了分析，主要提出了管棚支護和初期支護加強處理技術；文獻[4]以大棕坡隧道貫通段因穿越斷層而造成的塌方為工程背景，主要提出了初期支護加固、管棚超前支護、徑向固結注漿等治理措施；文獻[5]依托南村隧道工程，針對貫通段圍巖較軟弱、易發(fā)生坍塌等特點，提出采用超前小導管、增強初期支護和減振爆破的技術方法防止塌方；文獻[6]針對雙江口水電站阿斯布隧道貫通段塌方，分析了塌方的原因及形態(tài)，提出了先加固塌方兩端影響帶、后加固塌方中心區(qū)的施工原則，并采用自鉆式錨桿加強初期支護和提高襯砌混凝土強度等級的施工技術。然而以上研究多數(shù)采用工程類比和經(jīng)驗方法施工，缺乏一定的系統(tǒng)性和可靠性。因此，研究可靠的塌方影響下的隧道貫通技術，對于隧道安全貫通具有重要意義。

本文結合江西省昌寧高速公路鳳嶺隧道工程，針對塌方影響下隧道貫通施工的特點、難點和重點，提出了包含物理探測、塌方處理、超前支護和洞身開挖支護等系統(tǒng)化的隧道貫通段施工技術措施，并對技術措施的可行性進行數(shù)值模擬分析論證，取得了預期的效果。

1工程概況

江西省昌寧高速公路鳳嶺隧道為越嶺分離式公路隧道，隧道左線起訖樁號ZK156+130～ZK157+385，長1 255 m，右線起訖樁號K156+125～K157+360，長1 235 m，隧道最大埋深約160 m。隧址區(qū)屬侵蝕低山地貌，隧道中線對應的山體地面標高200～360 m，相對高差較小。隧道進口地形較緩，坡度10～12°；出口地形上陡下緩，坡度15～30°；隧道進、出口與山體相交角度均較大。

隧道進口右洞開挖至YK156+813附近時，揭露圍巖風化嚴重，呈泥夾石狀，膠結力弱，圍巖穩(wěn)定性差。2015年6月3日，隧道右洞YK156+817上導開挖后不久，正準備立初期支護鋼拱架時，掌子面拱部出現(xiàn)局部小掉塊，僅一小段時間后，掌子面開始有陸續(xù)的大量掉塊，最大塊徑約為1 m。持續(xù)塌方過程中，地下水順巖體裂隙滲出，出水量較大。至塌方穩(wěn)定后，塌方堆積體縱向長度約為9 m，橫向寬度約為10 m，塌方量約為300 m3。

2015年6月3日塌方時，隧道右洞進口端上臺階掌子面施作至YK156+817，出口端掌子面施作至YK156+853，進出口掌子面僅相距36 m即可貫通。

2貫通施工總體技術

2.1施工重難點分析

根據(jù)開挖揭露及前期地質勘察資料，目前隧道剩下的30～40 m圍巖級別達到V級，巖體破碎、裂隙發(fā)育、富水性較好。在圍巖軟弱破碎的情況下，隧道開挖施工過程中極易發(fā)生失穩(wěn)坍塌。

隧道貫通段巖體開挖過程中會產(chǎn)生應力集中、釋放和重組，使隧道圍巖處于不穩(wěn)定狀態(tài)，易發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象；加之該貫通段圍巖破碎軟弱，使貫通過程中圍巖的不穩(wěn)定性加劇。此外，受進口右洞塌方影響，掌子面前方原軟弱圍巖結構進一步擾動，塊體間結合性更差，且圍巖富水性增加，導致圍巖自穩(wěn)能力極低，隧道安全貫通施工風險急劇增加。

可見，隧道貫通段受軟弱圍巖和塌方的雙重不良地質條件影響，研究制定科學、合理、有效的技術處理措施方案，對隧道安全順利貫通具有重要作用。

2.2總體技術路線

為有效處理塌方，防止塌方進一步擴大，并保證隧道順利貫通，考慮以管棚注漿法為主要技術手段，遵循“先行加固、防止擴展、后續(xù)處理、穩(wěn)步通過”的原則，采取包含探測了解、塌方治理、圍巖加固、穩(wěn)步開挖支護的系統(tǒng)化貫通施工技術體系。施工技術路線如圖1所示。

圖1　隧道貫通施工技術路線

1)對貫通段圍巖進行探測，進一步獲取塌方段前方地質情況、塌方大致影響范圍等信息，以便有針對性地設計治理措施和方案。

2)對進口塌方及其影響段圍巖進行管棚注漿加固，提高影響段圍巖的自穩(wěn)能力，為后續(xù)開挖創(chuàng)造條件。

3)合理確定隧道右洞貫通面及貫通單頭掘進方向，使隧道貫通面處于較有利的受力狀態(tài)。

4)出口掌子面采取三臺階預留核心土開挖法，及時支護，穩(wěn)固推進至設計貫通面。

5)由出口向進口方向施作管棚，與進口端施作的管棚形成有效的搭接，共同對隧道貫通段巖體進行加固，利于貫通段軟弱圍巖開挖過程中的穩(wěn)定。

6)采用三臺階預留核心土法從進口端向貫通面單頭掘進，超前支護配合開挖，直至隧道貫通。

3貫通施工綜合技術措施

3.1貫通段地質情況探測

根據(jù)總體技術路線，為查明隧道右洞進出口掌子面前方及周邊圍巖地質情況、塌方影響范圍，并保證探測精度，在兩端掌子面相距20～30 m時，進行地質雷達超前預報。結合現(xiàn)場情況，右洞出口端掌子面施作至YK156+847時進行探測。采用美國地質雷達，型號SIR-3000，天線主頻100 MHz。掌子面的測線布置情況如圖2所示，地質雷達探測成果如圖3所示。

圖2　掌子面測線布設(單位： cm)

圖3　地質雷達探測成果

根據(jù)探測成果，并結合相應的地質資料，分析得到以下結論。

1)地質雷達成果圖顯示，在預報范圍內(nèi)雷達的反射信號較強，同相軸錯斷，波形雜亂，出現(xiàn)中高頻反射波，呈多次波反射性狀。同時，從揭露的掌子面圍巖情況來看，判斷貫通段圍巖以砂巖為主，圍巖等級為V級，巖體破碎，呈碎裂狀結構，強風化，節(jié)理裂隙發(fā)育，層面不連續(xù)，整體濕潤，圍巖整體穩(wěn)定性差，且有不斷變差的趨勢。

2)掌子面前方21 m范圍內(nèi)反射信號強，之后能量衰減較快。結合右洞進口塌方情況，判斷YK156+826至進口掌子面段9 m巖體破碎程度加劇，為塌方及其影響段，施工時應給予重視。

3.2進口端管棚注漿法處理塌方

塌方的安全處理很重要，不同的塌方情況，其處理方法也不同，應根據(jù)塌方的具體形態(tài)，合理選用處治措施。從形態(tài)角度看，隧道塌方可歸結為局部塌方、拱形塌方、異形塌方、膨脹巖塌方、大變形及巖爆；從規(guī)模角度看，隧道塌方可分為小塌方(塌方量小于30 m3)、中塌方(塌方量30～100 m3)和大塌方(塌方量大于100 m3)。隧道塌方治理主要有錨噴支護法、小導管法、管棚法、注漿法、襯砌加強法、回填法以及各種方法組合等[7-8]。對于洞身內(nèi)小型塌方，常采用錨噴法、小導管注漿法或者襯砌加強等；若塌方量較大、影響較嚴重時，較多采用加強襯砌、注漿或者管棚法等；當洞內(nèi)有大量涌水、涌泥時，多用構筑擋墻，采取注漿加固等方法。

本次塌方屬于大型塌方，且塌方對于安全貫通影響較大。基于安全、可靠和經(jīng)濟的原則，綜合考慮地質情況、現(xiàn)場機械設備、技術力量、合理施工工期等因素，采用管棚注漿加固方案處理塌方，并在開挖前配合超前小導管支護技術措施，防止隧道右洞進口掌子面坍塌擴展、圍巖穩(wěn)定性進一步變差。

塌方處理前，為防止塌方向后擴展，并為管棚創(chuàng)造有效支點，對塌方附近6 m已支護段進行加強。先在原初期支護各臺階拱腳部位增設4根6 m長φ42鎖腳鋼管加強；然后緊貼原初期支護設置I18工字鋼臨時支撐，縱距0.5 m；再對拱部135°范圍內(nèi)采用5 m長φ42徑向小導管注漿，小導管縱、環(huán)向間距均為1 m，梅花形布置，注漿采用1∶1水泥漿液，注漿壓力為0.5～1.0 MPa。

對進口掌子面及塌方體坡腳以上部分土體表面掛φ8鋼筋網(wǎng)@20 cm×20 cm，并噴射20 cm厚C20混凝土封閉，穩(wěn)固塌體，防止塌方擴大。回填石渣，構筑管棚施工作業(yè)平臺，平臺段長度4 m，斜坡坡率1∶2，便于鉆機平穩(wěn)工作和管棚注漿施工。

選取管棚鋼管直徑89 mm，壁厚6 mm，環(huán)向間距35 cm，并在拱頂120°范圍內(nèi)布置，仰角3～5°。根據(jù)探測結果，塌方及其影響段為YK156+817～+826的9 m范圍內(nèi)，考慮到管棚應深入較好圍巖以形成穩(wěn)定的支點，所以管棚長度應大于9 m。此外，根據(jù)現(xiàn)場鉆孔施工情況來看，在目前的圍巖情況下，若采用長管棚，鉆孔施工中易出現(xiàn)抱鉆、卡鉆、塌孔和鉆孔精度難以保證等問題，因此，選取管棚長度為10 m。

由于塌穴口附近圍巖穩(wěn)定性極差，若采用傳統(tǒng)的在掌子面附近擴挖管棚工作洞室的方法，施工安全風險非常高，且工期較長。因此，采用在掌子面附近初期支護鋼架下方安裝3榀I18工字鋼套拱，套拱上設置1.5 m長φ108導向管，作為管棚支點和定位。套拱間距0.5 m，通過拼接板與初期支護鋼架焊接，拱腳兩側前后設置2根4 m長φ42鎖腳鋼管，并與初期支護鋼架牛腿焊接牢固；環(huán)向每隔1 m貼近初期支護鋼架打入3 m長φ22水泥砂漿錨桿，錨桿末端彎成“L”型，與初期支護鋼拱架和套拱卡緊焊牢；縱向采用1 m長φ22鋼筋連接。套拱安裝好后，準確測量放樣導向管孔位，導向管間距0.35 m，檢查無誤后，與套拱焊接固定。套拱、導向管安裝完畢后，噴射混凝土封閉，與初期支護形成穩(wěn)固的整體。套拱、導向管安裝如圖4所示。

圖4　套拱、導向管安裝示意圖(單位： cm)

采用履帶式鉆機鉆孔，開鉆前，鉆機應停放平穩(wěn)，鉆具與導向管的軸線應一致。鉆孔按照先邊墻后拱頂、跳孔施工，鉆孔間隔距離應滿足不使注漿孔串漿的原則。鉆進過程中每鉆進1～2 m，使用地質羅盤儀、全站儀、懸吊式量角器等經(jīng)常檢查鉆孔角度并及時調(diào)整，確保鉆孔角度滿足設計要求。施工過程中發(fā)生抱鉆、卡鉆、塌孔時，可采用跟管鉆進或注漿充填后重新鉆進的方法。鉆孔施作完畢后，管棚分節(jié)送入鉆孔，分節(jié)接頭錯開布置，管棚長度應包含導向管長度。實際施工時，奇數(shù)孔采用5 m+7 m接長，偶數(shù)孔采用7 m+5 m接長。管棚端部預留2.5 m止?jié){段，管體每0.3 m設孔徑為15 mm的注漿孔，梅花形布置。

塌方及其影響段內(nèi)圍巖破碎、膠結差，應重視管棚注漿施工，以發(fā)揮注漿填充圍巖裂隙、提高圍巖自穩(wěn)能力的作用。管棚注漿采用1∶1水泥漿液，注漿初壓0.5～1.0 MPa，終壓2.0 MPa。注漿按照從下到上、兩側對稱、奇偶孔錯開的原則施工，使?jié){液由下至上逐步充填巖體空隙，并且后序孔可以檢查前序孔的注漿效果。注漿過程中，若注漿壓力長時間不升高，可采用提高漿液濃度、間歇式注漿或改注雙液漿等方法；若出現(xiàn)串漿，可采用麻紗、錨固劑封堵處理，如效果不佳，可采用間歇式注漿或改注濃漿、雙液漿。注漿施工中，應根據(jù)堵排相結合的原則，留設引排水孔，保障注漿安全。

3.3隧道貫通面確定

貫通面應避開地質災害發(fā)生的部位，選擇距離塌方影響范圍之外的一定距離處，并且應選擇在圍巖較好的地方。YK156+817～+826為隧道塌方及其影響段，雖然經(jīng)過進口右洞10 m管棚注漿加固，但是貫通過程中，隧道應力集中效應顯著，由于地質條件的復雜性，為防止塌方的可能擴展，貫通面應選取在YK156+827之后的一定范圍內(nèi)。

根據(jù)隧道右洞出口的施工情況和超前地質預報，YK156+847前方約16 m圍巖(小里程方向)相對較好。此外，在進口端處理塌方的同時，為合理保證施工進度，出口端施工掌子面還可向前推進10 m左右。但是，若貫通面再往前推，則減少了隧道貫通段及其較好圍巖段的長度，不利于貫通開挖過程中圍巖的穩(wěn)定性。

因此，為減少貫通面附近圍巖受應力釋放、重組的影響，并保證有適宜長度的貫通段巖體，隧道應在較好的圍巖地段貫通。確定YK156+837為隧道右洞貫通面，貫通開挖由進口端向出口端單頭掘進。

3.4出口端穩(wěn)固推進至貫通面

根據(jù)確定的隧道貫通面，出口右洞采用三臺階預留核心土法開挖，超前小導管支護配合，穩(wěn)固推進至YK156+837后，掛φ8鋼筋網(wǎng)@20 cm×20 cm，并噴射20 cm厚C20混凝土封閉掌子面，不再開挖掘進。施工過程中，應嚴格遵循“短進尺、弱爆破、強支護、勤量測”的施工原則，確保施工安全。

3.5出口端管棚注漿支護

貫通段巖體為軟弱圍巖，強度低，遇水易軟化，在貫通開挖的應力集中下，極易發(fā)生坍塌。因此，右洞出口端開挖支護至YK156+837后，封閉掌子面，實施超前管棚注漿支護，與進口端施作的管棚形成有效搭接，在拱頂上方形成一定范圍的“硬殼”，增強貫通段巖體的自穩(wěn)能力，確保隧道貫通安全。管棚鋼管直徑89 mm，壁厚6 mm，環(huán)向間距35 cm，拱頂120°范圍內(nèi)布設，仰角 3～5°。

掌子面開挖后，設破裂面與掌子面成45°-φ/2夾角[9-10]，掌子面與破裂面之間的巖體對管棚的支點效應減弱。由于貫通采用從進口向出口方向開挖，當掌子面施工至進口端管棚末端時，因支點削弱效應，造成進口端管棚末端部分成為“懸臂結構”，使結構受力較為不利。因此，出口端管棚應伸入進口端管棚懸臂段，與之形成有效搭接，共同受力。搭接長度分析模型如圖5所示。

根據(jù)圖5，設掌子面上導開挖高度H，圍巖內(nèi)摩擦角φ，則開挖影響段

l2=Htan(45°-φ/2)。

(1)

設初期支護距掌子面開挖未支護段長l1，則進口端管棚末端的懸臂段長度

l=l1+l2。

(2)

取隧道上臺階開挖高度H=2m；每循環(huán)開挖進尺0.5m，因實際施工偏差以及最靠近掌子面的初期支護不能立即沉降穩(wěn)定，故適當擴大初期支護距離掌子面未支護距離，取l1=0.8m；管棚注漿加固后圍巖力學性質會有所提高，可視為較好的Ⅴ級圍巖，故取內(nèi)摩擦角φ=27°代入式(2)可得

l=0.8+2×tan31.5°=2.03m。

圖5　管棚搭接長度分析模型

出口端管棚伸入進口端管棚的搭接長度應不小于進口端管棚末端的懸臂段長度，故搭接長度取3 m，設計出口端管棚總長度13 m。

出口端掌子面后方圍巖相對較好，為方便管棚施工操作，避免因管棚侵入隧道輪廓后期需割除而影響管棚加固段的整體性和穩(wěn)定性，出口右洞管棚施工采用擴挖管棚工作洞室的方法。根據(jù)洞內(nèi)空間和管棚角度，同時為減弱擴挖長度、跨度對擴洞段圍巖的擾動，

設計擴挖高度0.4 m、長度4 m。工作洞室內(nèi)的導向管、套管安裝方法，管棚鉆孔，注漿工藝與進口端一致。管棚實際施工時，奇數(shù)孔采用6 m+9 m接長，偶數(shù)孔采用9 m+6 m接長。

3.6隧道右洞貫通開挖及支護

待上述系統(tǒng)的管棚注漿加固完成后，隧道貫通段巖體自穩(wěn)能力增強，采用三臺階預留核心土開挖方法，從進口端YK156+817向出口端YK156+837開挖，直至貫通。管棚上方圍巖加固區(qū)域較小，開挖前，施作超前注漿小導管對圍巖進行加固補強。 超前注漿小導管采用φ42×3.5 mm，仰角15～20°，拱部120°范圍內(nèi)設置。小導管長4 m，環(huán)向間距40 cm，梅花形布置，2.5 m施作1環(huán)，搭接長度1 m以上。采用1∶1水泥單漿液注漿，注漿壓力取0.5～1.0 MPa。

貫通段采用機械開挖為主、人工開挖為輔的施工方法，局部需爆破時，必須采用弱爆破。施工過程中，各臺階循環(huán)開挖進尺應嚴格控制在0.5 m，上臺階核心土長度宜為4 m左右；中、下臺階開挖高度宜為3～3.5 m，兩側臺階錯開2～3 m；仰拱每循環(huán)開挖2～3 m，各步隨挖隨支，及時封閉。初期支護采用φ8@20 cm×20 cm雙層鋼筋網(wǎng)，I18工字鋼拱架縱距50 cm，25 cm厚C20噴射混凝土，300 cm長φ25@100 cm×50 cm中注式錨桿。具備二次襯砌施工空間和條件后，及時澆筑二次襯砌鋼筋混凝土。貫通段剩余3 m時，采取超前鉆孔先穿透、再采取上臺階貫通，然后逐步全斷面貫通，以減少圍巖的急劇擾動，保障貫通安全。貫通過程中，應及時進行貫通測量，控制貫通誤差。

綜上分析，制定隧道貫通處理方案如圖6所示。

圖6　隧道貫通施工方案

4貫通施工數(shù)值模擬分析

隧道工程事故中有1/3～1/2是因支護設計不當或不及時而造成的[11-12]。施工過程中，若方案選取的設計參數(shù)不能滿足圍巖穩(wěn)定性要求，就會造成塌方或者再次塌方。因此，為保證隧道施工安全，采用數(shù)值計算方法對采取的技術方案進行分析和論證。

4.1模型建立

根據(jù)施工方案，建立管棚預注漿加固并輔以超前小導管注漿支護后的計算模型，采用COMSOL Multiphysics有限元數(shù)值模擬軟件計算。模型水平方向由隧道中心向兩側各取40 m，豎直方向下邊界取至隧道中心下25 m，上邊界取至隧道中心上40 m，縱向取20 m。模型上邊界為自由邊界，受125 m巖體自重應力，開挖段及掌子面為自由邊界，左右、前后邊界限制水平位移，設為輥支承約束，底部邊界設為固定約束。

為簡化計算，管棚注漿、小導管注漿支護區(qū)采用適當提高加固區(qū)域圍巖級別及其力學參數(shù)的方式模擬[13-14]?？紤]到塌方影響區(qū)域圍巖強度弱化，相對較好段的圍巖力學參數(shù)較塌方影響段應適當提高。二次襯砌作為隧道安全儲備結構，在本次模擬中不予計算分析。

初期支護中的錨桿，按將加固范圍內(nèi)圍巖的彈性模量、黏聚力和內(nèi)摩擦角提高10%，可獲得較好的計算效果[15]。綜合考慮鋼筋網(wǎng)、鋼拱架與噴射混凝土，鋼筋網(wǎng)應適當提高噴層參數(shù)，鋼拱架按等效法將其模量折算于噴射混凝土[16]，則

E=E0+SgEg/Sc。

(3)

式中： E為折算后混凝土彈性模量； E0為原混凝土彈性模量； Sg為拱架支護等效面積； Eg為拱架彈性模量； Sc為支護斷面面積。

經(jīng)計算，取噴射混凝土厚度為30 cm，按彈性模型計算。

模型及網(wǎng)格劃分如圖7所示。為了便于分析說明，設計了管棚輔以小導管注漿支護、僅按小導管注漿支護2種工況，對施工技術方案進行評價分析。

圖7　三維計算模型及網(wǎng)格劃分

4.2計算參數(shù)

圍巖和支護結構的力學參數(shù)參照工程地質報告、上述分析和現(xiàn)行設計規(guī)范選取，見表1。

表1　模型計算參數(shù)

4.3數(shù)值模擬計算方法

在COMSOL Multiphysics中，隧道開挖時土的力學行為通常采用2步求解[17]。第1步求解開挖前巖土體的初始應力狀態(tài)；第2步求解開挖后巖土體的彈塑性行為，并采用第1步求解的原位應力，反復計算，直至開挖完成。數(shù)值計算根據(jù)上述施工開挖方法進行，分別計算在管棚輔以小導管注漿支護、僅按小導管注漿支護2種工況下隧道貫通段圍巖的應力、位移情況。

4.4計算結果分析

隧道施工完成后，為便于比較，截取塌方影響區(qū)域中部斷面YK156+822進行應力、位移比較分析。

4.4.1應力分析

隧道開挖后，在管棚輔以小導管注漿支護、僅按小導管注漿支護2種工況下，圍巖、初期支護應力情況如圖8和圖9所示。

由圖8和圖9可以看出： 圍巖、初期支護主應力主要集中于隧道側壁、拱腳區(qū)域；在管棚輔以小導管注漿支護條件下，初期支護第一主應力最大為3.65 MPa，初期支護結構最大拉應力為0.89 MPa；僅采用小導管注漿支護條件下，初期支護第一主應力最大值為4.59 MPa，較前者支護方式應力提高了0.94 MPa，增加了25.7%，初期支護結構最大拉應力為1.29 MPa，已超出了噴射混凝土的允許拉應力。此外，僅采用小導管注漿支護條件下圍巖應力均比管棚輔以小導管注漿支護條件下得高，且應力集中程度有所擴大，隧道圍巖、初期支護結構承受較大的應力，不利于隧道結構的穩(wěn)定。

4.4.2位移分析

管棚輔以小導管注漿支護、僅按小導管注漿支護2種工況下隧道的豎向位移、水平位移情況如圖10和圖11所示。

(a) 圍巖第一主應力

(b) 初期支護第一主應力

Fig. 8Stress of surrounding rocks and primary support under pipe-roof + small duct grouting (Pa)

(a) 圍巖第一主應力

(b) 初期支護第一主應力

Fig. 9Stress of surrounding rocks and primary support under small duct grouting (Pa)

(a) 豎向位移

(b) 水平位移

Fig. 10Displacement of surrounding rocks and primary support under pipe-roof + small duct grouting (m)

(a) 豎向位移

(b) 水平位移

Fig. 11Displacement of surrounding rocks and primary support under small duct grouting (m)

由圖10和圖11可以看出： 隧道沉降最大值出現(xiàn)在拱頂，水平位移最大值位于拱腰附近；采用管棚輔以小導管注漿支護時，最大拱頂沉降值為16.4 mm，最大拱底隆起值為23.7 mm；僅采用小導管注漿支護時，拱頂最大沉降值為48.2 mm，拱頂沉降增加近2倍，拱底隆起最大值為66.1 mm，非常接近設計允許值，不利于施工安全；管棚輔以小導管注漿支護時，水平收斂最大值為14.8 mm，小導管注漿支護時，水平位移最大值為29.2 mm，水平收斂增加近1倍。

由上述分析可知，采用管棚輔以小導管注漿加固方式相對于普通的僅采用小導管注漿支護方式，隧道圍巖的應力、位移可以得到更好地控制，利于施工過程的安全。

5施作效果監(jiān)測分析

按照該技術體系實施處理后，隧道實現(xiàn)安全順利貫通。在貫通段開挖支護過程中，按照每5 m布設1個監(jiān)測斷面，監(jiān)測頻率為1～2次/d，對多個斷面的拱頂沉降、水平收斂進行嚴密監(jiān)測。對塌方影響區(qū)域YK156+822斷面數(shù)據(jù)進行分析，結果見圖12。

圖12　YK156+822斷面拱頂沉降、水平收斂時間曲線

Fig. 12Time-dependent curves of crown settlement and horizontal convergence at YK156+822

從圖12可以看出： 在隧道貫通段開挖13 d后，圍巖變形速率明顯降低，20 d后變形基本穩(wěn)定；拱頂最大下沉量為26.1 mm，水平收斂最大值為22.2 mm，小于設計預留變形量10 cm，且實際情況與數(shù)值計算結果較接近?？梢姡扇〉募庸碳夹g措施是安全可靠的。

6結論與討論

1)塌方影響下隧道貫通面臨塌方處理和貫通安全施工雙重困難，施工難度大，風險高。施工處理前，采用地質雷達法對塌方影響下的貫通段進行探測，有效獲取塌方影響段范圍、貫通段圍巖情況及其變化規(guī)律。這種“探查先行”的技術方法對于后續(xù)采取合理的技術措施具有重要的指導作用。

2)隧道貫通施工中，綜合采用進口端塌方段加固處理、出口端超前支護貫通段圍巖、根據(jù)圍巖條件選取貫通面、由塌方段向較好的地段貫通開挖、三臺階預留核心土法開挖和強支護的系統(tǒng)化技術處理方法，是安全貫通的重要保證。

3)根據(jù)數(shù)值模擬結果對比分析，管棚注漿在塌方處理和軟弱圍巖加固中發(fā)揮了較大作用。相對于普通的小導管注漿處理措施，管棚注漿支護對圍巖及初期支護結構的應力分布有較大影響，減少了應力集中現(xiàn)象，并有效抑制了圍巖變形。

采用數(shù)值模擬方法驗證所選施工方案的可行性，保證了隧道的安全順利施工，這種方法可以為類似工程的設計和施工提供借鑒。但是，由于塌方影響下隧道貫通的復雜性，貫通段塌方機制、更接近工程實際的數(shù)值模擬方法需進一步研究，以提出全方位的技術措施，以便更好地指導工程實踐。

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Study of Construction Technologies and Numerical Simulation of Fengling Tunnel Breakthrough under Impact of Collapse

ZHANG Longsheng, WENG Xianjie

(JiangxiTransportConsultationCompany,Nanchang330008,Jiangxi,China)

Abstract:Great difficulties will occur at tunnel breakthrough when collapse happens. In order to guarantee the construction safety of tunnel breakthrough and to avoid secondary collapse, the key points and difficulties of breakthrough construction of Fengling Tunnel on Nanchang-Ningdu Highway in Jiangxi are analyzed; the systematic processing technologies, including comprehensive geophysical prospecting, pipe-roof grouting support of collapse section, decision of rational tunnel breakthrough cross-section, pipe-roof grouting support of breakthrough section and short-distance excavation and strengthened support of tunnel, are proposed; the stress and displacement of surrounding rocks and primary support during construction are numerically simulated by means of 3D numerical simulation method. The monitoring results show that the technologies used are safe and feasible.

Keywords:Fengling Tunnel; collapse; tunnel breakthrough; systematic processing technology; numerical simulation; monitoring

中圖分類號：U 456.3+3

文獻標志碼：B

文章編號：1672-741X(2016)04-0465-09

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.04.015

第一作者簡介：張龍生(1966—)，男，江西南昌人，1991年畢業(yè)于湘潭礦業(yè)學院，采礦專業(yè)，本科，高級工程師，現(xiàn)從事公路工程建設管理及隧道技術研究工作。E-mail: 1404802526@qq.com。

收稿日期：2015-08-15; 修回日期: 2015-10-13