韓光欽，田宏月，毛金龍

（1.貴州省公路工程集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550008，2.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210017）

公路隧道泥質(zhì)冒頂處置研究

韓光欽1，田宏月1，毛金龍2

（1.貴州省公路工程集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550008，2.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210017）

隨著我國(guó)山區(qū)高等級(jí)公路的發(fā)展和建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，山區(qū)公路隧道的建設(shè)也日益增多。隧道工程作為整個(gè)工程的控制性因素，由于冒頂引起的工期延誤、經(jīng)濟(jì)損失甚至人員傷亡給工程帶來(lái)不可估量的損失。文章結(jié)合貴州省盤(pán)興高速公路某隧道冒頂事故，對(duì)其原因進(jìn)行分析，采取相應(yīng)的加固處理措施，并采用有限元分析程序?qū)Τ跗谥ёo(hù)及二次襯砌進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，實(shí)測(cè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析表明，該處理方案行之有效，可供類(lèi)似工程施工參考。

公路隧道；冒頂；處理方案，監(jiān)控量測(cè)

由于山區(qū)復(fù)雜的地質(zhì)條件和山嶺隧道洞口淺埋段較差的圍巖情況，加之施工過(guò)程中的不可控因素，冒頂是隧道施工中常遇到的工程事故之一。為保證隧道施工安全和施工質(zhì)量，避免處理不當(dāng)發(fā)生二次坍塌，冒頂?shù)奶幚硗て谳^長(zhǎng)，工程措施必然偏于保守且造價(jià)偏高。近年來(lái)，隨著隧道施工技術(shù)的不斷發(fā)展和施工新方法、新理念的提出，隧道冒頂處理技術(shù)也越來(lái)越成熟和趨于多樣化［1］。然而，在冒頂事故的處理過(guò)程中，結(jié)合數(shù)值分析和后期數(shù)據(jù)采集對(duì)比的工程實(shí)例并不多見(jiàn)。本文依托貴州省盤(pán)興高速公路某隧道冒頂事故，對(duì)其處理加固措施進(jìn)行介紹。

1 工程概況

貴州省盤(pán)興高速公路某隧道位于位于貴州省西南部高原中山地區(qū)，地勢(shì)總體北高南低，屬于挽近強(qiáng)烈隆升的云貴高原向廣西丘陵盆地過(guò)渡的斜坡地帶，地形起伏大，隧道穿越山脊高聳，屬中山構(gòu)造剝蝕地貌。本隧道設(shè)計(jì)為雙線隧道，全長(zhǎng)3 891 m，屬于特長(zhǎng)隧道，全隧道地質(zhì)情況復(fù)雜，溶洞和節(jié)理裂隙非常發(fā)育。

隧道冒頂發(fā)生在隧道右洞進(jìn)口段，該處為寬闊的灰?guī)r溶蝕山間洼地，表層為坡洪積含碎石粉質(zhì)粘土、含角礫粉質(zhì)粘土覆蓋，局部基巖出露。冒頂事故附近巖體較破碎～較完整，巖性主要為灰?guī)r，表層坡洪積松散堆積體厚度較薄，陡坡地帶基巖多裸露，經(jīng)穩(wěn)定性分析，自然狀態(tài)下結(jié)構(gòu)面對(duì)邊、仰坡穩(wěn)定有利，但隧道開(kāi)挖形成較大臨空面時(shí)，存在不利于巖體穩(wěn)定的外傾結(jié)構(gòu)面，對(duì)該位置穩(wěn)定不利。

2 冒頂原因分析

隧道冒頂發(fā)生在隧道右洞進(jìn)口埋深約39 m處，冒頂開(kāi)始掌子面里程為K29+906，右洞施工至該位置時(shí)，掌子面左側(cè)拱頂出現(xiàn)較大溶洞，溶洞內(nèi)填充高含水量黏土等物質(zhì)。掌子面開(kāi)挖過(guò)程中，形成較大臨空面，溶洞內(nèi)大量填充物自溶腔落下，洞內(nèi)大段落被填充，充填體后緣樁號(hào)為K29+898，前緣樁號(hào)為K29+890，坍方體由施工掌子面向小里程方向充填16 m。冒頂示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 隧道冒頂?shù)刭|(zhì)示意圖

由于大量填充物自洞內(nèi)塌落引起地表塌陷，形成漏斗狀的坍坑，坍坑最大深度約7 m，直徑約8 m。

（1）地質(zhì)原因

冒頂事故段隧道圍巖主要為灰?guī)r，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，層間結(jié)合較差，巖體破碎，呈塊（碎）石狀鑲嵌結(jié)構(gòu)。隧道開(kāi)挖后，形成臨空面，軟弱破碎圍巖的洞內(nèi)收縮甚至坍塌變形又都是向臨空面發(fā)生的［2］，圍巖在開(kāi)挖后應(yīng)力重分布的過(guò)程中承載地應(yīng)力的主要是圍巖體本身［3］，軟弱圍巖一旦發(fā)生坍塌，臨空面將受到破壞。K29+906掌子面恰巧位于巖溶漏斗處，漏斗與隧道開(kāi)挖界限貫通，流塑狀填充物由于施工擾動(dòng)在重力作用下向洞內(nèi)涌出，是本次冒頂事故的重要誘因。

（2）埋深原因

據(jù)地面調(diào)查，進(jìn)口段石芽、溶溝、溶蝕裂隙及落水洞強(qiáng)烈發(fā)育，局部可見(jiàn)溶洞發(fā)育及下降泉初露，裂隙經(jīng)溶蝕作用加寬加大，并填充紅色黏土。該段隧道埋深較淺，同時(shí)受到地表風(fēng)化力影響，利于地表水的下滲。隧道開(kāi)挖掌子面左側(cè)拱頂溶洞填充黏土，由于地表水的下滲且水量較大以及施工擾動(dòng)等原因?qū)е氯芏刺畛湮镉砍?，通過(guò)若干溶洞連接至地表，導(dǎo)致洞內(nèi)坍塌及地表塌陷。

3 處理方案分析

本著由外至內(nèi)、避免二次事故發(fā)生的處理原則，處理過(guò)程分為地表處理、坍方體后方初期支護(hù)處理及塌腔處理3個(gè)階段。

3.1 地表處理

在洞內(nèi)工作施做之前，將地表塌陷區(qū)域采用警戒線圍住，防止人員靠近以免發(fā)生危險(xiǎn)。并在地表沉降范圍外5m施做截水溝，塌腔上方進(jìn)行防水材料遮蓋，以截排地表水，防止雨水沖刷下滲，進(jìn)入坍坑，造成二次坍塌。待冒頂段二襯施工完畢后進(jìn)行坍坑回填復(fù)耕。

3.2 坍體后方初期支護(hù)處理

為保證坍塌范圍不再向已開(kāi)挖方向延伸，對(duì)坍塌體后方10 m范圍內(nèi)的初期支護(hù)進(jìn)行進(jìn)一步加固。由于臨近冒頂體側(cè)的初期支護(hù)基本穩(wěn)定，只需要做進(jìn)一步加固措施。在初期支護(hù)鋼架兩側(cè)增設(shè)鎖腳錨管，并與拱架焊接牢固，注水泥單液漿對(duì)圍巖進(jìn)行注漿加固。

3.3 塌腔處理

塌腔處理過(guò)程中，要考慮以下三方面：第一，清除坍方體過(guò)程防止二次坍塌問(wèn)題；第二，冒頂段開(kāi)挖防護(hù)問(wèn)題；第三，隧道后續(xù)開(kāi)挖的安全問(wèn)題。

針對(duì)防止二次坍塌方面，首先采用注漿小導(dǎo)管注漿的方式，將坍方土體固結(jié)。其次，對(duì)冒頂后段初期支護(hù)鋼拱架布設(shè)鎖腳錨管，每榀鋼架按照8根布設(shè)。隧道拱頂120°范圍內(nèi)以小導(dǎo)管對(duì)圍巖進(jìn)行注漿加固。確定安全后，分段清除坍方體，每清除一段坍方體重復(fù)以上工作，直至清方結(jié)束。

針對(duì)冒頂段開(kāi)挖防護(hù)方面，在清除坍方體至冒頂位置后，在拱頂120°范圍內(nèi)布設(shè)Φ76 mm超前長(zhǎng)管棚，注水泥單液漿至前方巖體，將坍方體固結(jié)形成應(yīng)力承載環(huán)，利于后續(xù)開(kāi)挖支護(hù)，順利通過(guò)冒頂段。同時(shí)，調(diào)整支護(hù)參數(shù)至最強(qiáng)，加密型鋼鋼架，并將其基礎(chǔ)進(jìn)行擴(kuò)挖，施做混凝土墊塊，形成穩(wěn)定的大拱腳基座。鎖腳錨桿調(diào)整為鎖腳錨管，并注漿加固。

為確保后續(xù)開(kāi)挖安全，清除坍方體段及后續(xù)圍巖開(kāi)挖均采用人工配合機(jī)械挖除洞內(nèi)土石方，開(kāi)挖工序采用上下臺(tái)階預(yù)留核心土法。

4 數(shù)值模擬

建模分析運(yùn)用隧道與巖土工程專(zhuān)用有限元分析程序MIDAS-GTS完成。計(jì)算采用基于巖體力學(xué)的“地層-結(jié)構(gòu)”法和施工方案進(jìn)行隧道施工過(guò)程模擬，分析初期支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和圍巖變形特性。采用基于結(jié)構(gòu)力學(xué)的“荷載-結(jié)構(gòu)”法，對(duì)分離式隧道中主洞復(fù)合式襯砌對(duì)應(yīng)的隧道二次襯砌的結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行模擬分析。

4.1 計(jì)算參數(shù)

圍巖的物理力學(xué)參數(shù)及支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)［4］見(jiàn)表1～表3，荷載及其系數(shù)見(jiàn)表4。

4.2 初期支護(hù)地層結(jié)構(gòu)模型計(jì)算分析

本隧道V級(jí)圍巖段擬采用預(yù)留核心土法施工，采用分步開(kāi)挖與分步支護(hù)（錨噴）的動(dòng)態(tài)模擬，具體模擬了隧道施工過(guò)程的沉降位移及初期支護(hù)各結(jié)構(gòu)單元的受力。V級(jí)圍巖隧道預(yù)留核心土法開(kāi)挖支護(hù)模型見(jiàn)圖2，初支結(jié)構(gòu)驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表1 “荷載-結(jié)構(gòu)”模型計(jì)算物理力學(xué)參數(shù)值

表2 “荷載-結(jié)構(gòu)”模型地層物理力學(xué)參數(shù)值

表3 “地層-結(jié)構(gòu)”模型圍巖物理力學(xué)參數(shù)值

表4 荷載綜合系數(shù)表

圖2 Ⅴ級(jí)圍巖預(yù)留核心土法地層結(jié)構(gòu)模型

表5 Ⅴ級(jí)圍巖初支結(jié)構(gòu)驗(yàn)算表

通過(guò)計(jì)算分析可知，按照預(yù)留核心土法開(kāi)挖隧道引起的主洞Ⅴ級(jí)圍巖豎向位移較小，初期支護(hù)施作后的拱頂沉降為2.15 mm，水平收斂為0.72 mm，滿足施工安全監(jiān)控量測(cè)要求。根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D70—2010），鋼結(jié)構(gòu)抗壓標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度安全系數(shù)達(dá)到2.0，鋼結(jié)構(gòu)抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度達(dá)到2.0，滿足安全系數(shù)要求。

4.3 二次襯砌荷載結(jié)構(gòu)模型計(jì)算分析

荷載結(jié)構(gòu)模型中，分析計(jì)算的對(duì)象是隧道二次襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)。建模時(shí)二次襯砌結(jié)構(gòu)離散為有限個(gè)梁?jiǎn)卧?，并將彈性支撐以鉸接的方式支撐在襯砌梁?jiǎn)卧g的節(jié)點(diǎn)上，彈性支撐采用彈簧單元，不承受彎矩，只承受軸力，彈性支撐沿襯砌軸線的法向設(shè)置。二次襯砌“荷載-結(jié)構(gòu)”計(jì)算模型見(jiàn)圖3、圖4，二襯結(jié)構(gòu)斷面驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)表6。

圖3 二次襯砌的圍巖作荷載用模型

圖4 二次襯砌的彈簧地層邊界條件

表6 Ⅴ級(jí)圍巖二襯結(jié)構(gòu)斷面驗(yàn)算表

根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D70—2010），混凝土達(dá)到抗壓標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度安全系數(shù)2.0，混凝土達(dá)到抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度2.4。經(jīng)計(jì)算結(jié)構(gòu)滿足安全系數(shù)要求。

5 監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)分析

K29+900斷面初期支護(hù)參數(shù)采用初噴24 cm厚C25混凝土，拱墻部位打設(shè)Φ25 mm中空注漿錨桿，鋪設(shè)Φ6.5 mm鋼筋網(wǎng)并架設(shè)I18型工字鋼，鋼架間距75 cm。冒頂后初期支護(hù)參數(shù)在原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上加密了工字鋼架間距（50 cm），其余與原設(shè)計(jì)參數(shù)大體相同。冒頂前、后初期支護(hù)狀態(tài)良好，拱頂沉降及周邊收斂趨于穩(wěn)定，其中拱頂沉降量累計(jì)值為26 mm，周邊收斂量累計(jì)值為16 mm，說(shuō)明初期支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)是合理的，監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖5。

圖5 K29+900拱頂沉降和周邊收斂-時(shí)間曲線

通過(guò)上述處理方案對(duì)冒頂段進(jìn)行

處理，并對(duì)后續(xù)施做的K29+910斷面初期支護(hù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖6。從監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)中可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)由本方案對(duì)該冒頂事故處理后，拱頂沉降及周邊收斂值相對(duì)處理前更小，初期支護(hù)更早進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，說(shuō)明該冒頂處理方案是合理的。

圖6 K29+910拱頂沉降和周邊收斂-時(shí)間曲線

6 結(jié)論

（1）隧道冒頂處理應(yīng)根據(jù)具體情況具體分析，針對(duì)不同原因?qū)е碌拿绊敳扇『侠砬‘?dāng)?shù)奶幹梅桨浮?/p>

（2）在對(duì)隧道內(nèi)坍方進(jìn)行清方之前，為保證施工過(guò)程中隧道臨空面不再坍塌，必須待冒頂情況穩(wěn)定后方可進(jìn)洞施工，且應(yīng)對(duì)初期支護(hù)及坍方體進(jìn)行加固，可采取鎖腳錨管、初支外圍巖注漿及坍方體注漿等方法加固。

（3）從現(xiàn)場(chǎng)施工情況來(lái)看，隧道初期支護(hù)施做后拱頂沉降及水平收斂均滿足施工安全監(jiān)控量測(cè)要求，施工過(guò)程中未發(fā)生再次坍塌及侵限情況，該冒頂處理方案是成功的，可供類(lèi)似工程施工參考。

［1］匡樹(shù)鈞，涂潔.淺談隧道塌方處理措施［J］.山西建筑，2011，37（6）：132-133.

［2］張秀良.臨空面理論在蘭渝鐵路LYS-2標(biāo)隧道中的應(yīng)用［J］.蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2014（1）：19-22.

［3］朱漢華，楊建輝，尚岳全.隧道新奧法原理與發(fā)展［J］.隧道建設(shè)，2008，28（1）：11-14.

［4］JTG D70—2004公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

Research on Treatment of Highway Tunnel Argillaceous Roof Collaspe

Han Guangqin1， Tian Hongyue1， Mao Jinlong2
（1. Guizhou Highway Engineering Group Co.， Ltd.， Guiyang 550008， China； 2. JSTI Group， Nanjing 210017， China）

With the development and continuous expansion of construction scale in high-grade mountain highway， the construction of mountain highway tunnel is increasing. Tunnel engineering is the controlling factor of the whole project， roft collaspe of tunnel will lead to construction delay， economic losses or even casualties. Combining with the tunnel roof callaspe accident of Panxing expressway in Guizhou province， it's causes are analyzed and corresponding reinforcement measures are used， the finite element program is used to check the structure of initial support and secondary lining. The actual monitoring data show that the treatment measurs are effective and could provide reference for similar incidents.

highway tunnel； roof collaspe； treatment measures； monitoring measurement

U458.3

B

1672-9889（2016）01-0076-03

韓光欽（1971-），男，河南孟津人，高級(jí)工程師，主要從事公路工程施工與管理工作。

2015-11-07）