王秋生，董竹勤，李鵬飛，劉小東

(1.北京工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 北京　100124；2.中鐵二十二局集團(tuán) 第一工程有限公司，北京　100040)

隨著我國(guó)鐵路新線建設(shè)的快速增加，鐵路隧道工程的建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，遇到了各種各樣的復(fù)雜地層，其中上軟下硬的土石復(fù)合地層給隧道施工帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)[1-2]。上部土質(zhì)地層強(qiáng)度低、穩(wěn)定性差，開(kāi)挖后圍巖變形量大，易塌方；而下部地層強(qiáng)度高、硬度大，開(kāi)挖過(guò)程中需要局部爆破，對(duì)上部土體擾動(dòng)較大。當(dāng)隧道開(kāi)挖斷面較大時(shí)，開(kāi)挖尺度效應(yīng)顯著，這種土石復(fù)合地層的穩(wěn)定性控制顯得尤為重要。一旦施工處理不當(dāng)，就易發(fā)生變形，甚至塌方等事故；而且塌方處置的效果對(duì)隧道的安全至關(guān)重要。因此，分析隧道塌方成因的機(jī)制，評(píng)價(jià)處置措施的效果是一項(xiàng)重要的研究任務(wù)。

國(guó)內(nèi)外的學(xué)者從理論和數(shù)值計(jì)算、試驗(yàn)研究、工程實(shí)踐的角度對(duì)隧道塌方機(jī)制進(jìn)行了研究。在理論和數(shù)值計(jì)算方面，M.Fraldi等[3-5]采用變分原理在塑性區(qū)內(nèi)給出了隧洞塌方機(jī)制的極限解，推導(dǎo)了任意開(kāi)挖斷面隧道塌方的解析解，并通過(guò)數(shù)值和理論方法對(duì)圓形隧道可能的塌方進(jìn)行評(píng)估；文獻(xiàn)[6—9]將適合處理非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)問(wèn)題的PFC軟件成功運(yùn)用在圍巖的穩(wěn)定性分析中。在試驗(yàn)研究方面，文獻(xiàn)[10—13]通過(guò)試驗(yàn)分別研究了隧道施工的力學(xué)行為和隧道塌方的特征及演化規(guī)律。工程實(shí)踐表明，不同的工程條件，影響塌方的因素不同，塌方破壞的表現(xiàn)形式不同。文獻(xiàn)[14—16]從地質(zhì)條件、地下水、巖層特性方面分析影響隧道穩(wěn)定的主要因素及掌子面失穩(wěn)破壞的機(jī)制；對(duì)于塌方處置措施評(píng)價(jià)，文獻(xiàn)[14，17—19]提出了不同類型、不同成因的隧道塌方處置對(duì)策，并對(duì)塌方處置的效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。但是，這些研究的對(duì)象主要是土質(zhì)或者巖石單一地層中的隧道，針對(duì)上覆黃土的土石復(fù)合地層、軟弱圍巖的復(fù)雜地質(zhì)隧道施工過(guò)程的塌方研究較少。

因此，本文以黃陵—韓城—侯馬(簡(jiǎn)稱“黃韓侯”)鐵路中的如意隧道工程為依托，總結(jié)隧道塌方的演化過(guò)程，分析隧道塌方的影響因素及機(jī)制，提出針對(duì)性的塌方處置措施，并結(jié)合三維數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控評(píng)價(jià)塌方處置的效果，以期為類似工程建設(shè)提供借鑒。

1　隧道塌方過(guò)程與處置措施

1.1　工程概況

如意隧道是黃韓侯鐵路工程中最長(zhǎng)的隧道，為鐵路雙線隧道，長(zhǎng)約9 812 m，最大埋深約150 m。所在地層為土石復(fù)合地層。以斷面DK74+457為例，地層由上而下依次是第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積砂質(zhì)黃土、第四系中更新統(tǒng)風(fēng)積黏質(zhì)黃土、上第三系紅黏土、二疊系上統(tǒng)泥巖和砂巖；隧道洞頂靠近紅黏土與泥巖、黃土與紅黏土的巖層分界面。該地區(qū)的地下水位較淺，含水層主要是第四系黃土孔隙、裂隙，二疊系砂巖夾泥巖風(fēng)化裂隙及砂巖孔隙，其中在土巖分界面位置地下水較富集；隧洞位于地下水位以下。斷面DK74+457施工參數(shù)和地質(zhì)條件如圖1所示。

圖1　斷面DK74+457施工參數(shù)和地質(zhì)條件圖(單位：m)

該隧道區(qū)段圍巖等級(jí)為Ⅳ級(jí)，隧道采用三臺(tái)階法施工，開(kāi)挖步驟見(jiàn)圖1中的①—⑥，循環(huán)臺(tái)階開(kāi)挖進(jìn)尺①—②榀鋼架。隧道采用復(fù)合式襯砌，初期支護(hù)是噴錨支護(hù)，混凝土噴層厚25 cm，鋼架為Ⅰ20a，間距為50 cm，錨桿間距為1.2 m×1.2 m，長(zhǎng)為3.0 m，φ8 mm鋼筋網(wǎng)，其網(wǎng)格尺寸為25 cm×25 cm；二次襯砌為厚45 cm的C35混凝土。

1.2　塌方過(guò)程

2015年4月19日，上臺(tái)階掌子面施工到里程DK74+516，仰拱里程為DK74+550，監(jiān)測(cè)斷面DK74+535，DK74+540，DK74+545，DK74+555的拱頂沉降分別達(dá)到342，557，378，466 mm，拱頂沉降速率最大達(dá)到了70 mm·d-1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了規(guī)范[20-21]的變形范圍。拱頂和右側(cè)初期支護(hù)向洞內(nèi)塑性鼓出，嚴(yán)重侵限，錨桿發(fā)生了強(qiáng)烈的扭曲，圍巖變形如圖2所示。

在2015年5月29日，隧道施工至里程DK74+461，由掌子面可知，地層為二疊系砂巖夾泥巖，屬較軟巖，上臺(tái)階為薄層狀泥巖結(jié)構(gòu)，拱部為風(fēng)化泥巖，巖性呈土塊狀，穩(wěn)定性差。泥巖上層是紅黏土、黃土；中臺(tái)階以下為中厚層狀砂巖，局部巖體破碎；掌子面上有面狀水流出。對(duì)掌子面DK74+461噴射混凝土?xí)r，掌子面發(fā)生坍塌掉塊現(xiàn)象，塌腔位于隧道拱頂右側(cè)，約6 m高，施工單位立即封閉掌子面，對(duì)塌腔泵送C20混凝土回填，6月2日，開(kāi)挖到DK74+457斷面時(shí)，隧道拱頂處發(fā)生坍塌，坍塌擴(kuò)展至掌子面前方約3 m。

1.3　塌方成因

1)地層的影響

拱部上方存在紅黏土和泥巖、紅黏土和黃土的巖性接觸帶，由于紅黏土中孔隙十分細(xì)小且多數(shù)為水填充，所以紅黏土的透水系數(shù)極低，即幾乎不能透水，甚至具有阻水作用；因此通過(guò)黃土節(jié)理下滲的地表水流在黃土—紅黏土分界面匯集，形成局部的黃土飽和區(qū)，導(dǎo)致黃土強(qiáng)度大幅下降甚至喪失，對(duì)下部產(chǎn)生較大的集中荷載和附加壓力；不同的土巖其物理參數(shù)和力學(xué)性質(zhì)差異較大，土石接觸面的黏聚強(qiáng)度較低，易形成剪切破壞面，因此拱部巖體的整體性較差。

通過(guò)地質(zhì)勘察、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和現(xiàn)場(chǎng)掌子面調(diào)查，拱部各層巖體如圖3所示。塌方段的掌子面上臺(tái)階及隧道拱部位置為風(fēng)化的泥巖，成層狀結(jié)構(gòu)，厚度約1～8 cm，局部分化嚴(yán)重，拱部層狀的泥巖巖層，受層狀各向異性力學(xué)特性的影響，最大地應(yīng)力垂直于層狀的方向，開(kāi)挖后巖體力學(xué)平衡受到破壞，受拱部地層巖體力學(xué)性質(zhì)的影響，在自重壓力和附加壓力的作用下，臨空面法向應(yīng)力大于約束力，巖體層間節(jié)理發(fā)生破壞，層面的法向應(yīng)力持續(xù)作用下，巖體發(fā)生向內(nèi)鼓起破壞，拱部出現(xiàn)掉塊、塌方的現(xiàn)象，巖體失效破壞示意如圖4所示。由于部分泥巖風(fēng)化嚴(yán)重，遇水軟化，加速了巖體破壞。

圖3　不同地層巖體圖

圖4　斷面DK74+457傾斜巖體失效示意圖

2)地下水的影響

泥巖與紅黏土在地下水的作用下，與巖體孔隙、裂隙相關(guān)的物理參數(shù)及微結(jié)構(gòu)相應(yīng)發(fā)生改變，導(dǎo)致巖體及其結(jié)構(gòu)面軟化。如泥巖黏土礦物含量高，黏土礦物具有比表面大、親水性強(qiáng)、離子交換容量大等特性，黏粒含量高，巖體遇水后強(qiáng)度大幅降低[22]。軟弱夾層結(jié)構(gòu)面發(fā)育，在水的作用下產(chǎn)生泥化、軟化，形成泥化軟化夾層，使夾層強(qiáng)度降低。

隧道地下水主要存在于第四系黃土孔隙、裂隙，二疊系砂巖夾泥巖風(fēng)化裂隙及砂巖孔，在土巖分界面易形成地下水的富集，現(xiàn)場(chǎng)出水如圖5所示。隧道開(kāi)挖打破了地下水和巖體的力學(xué)平衡，拱部圍巖巖體軟化、巖體結(jié)構(gòu)性破壞，在附加荷載和水壓力作用下，軟弱的臨空面先發(fā)生破壞，成為地下水徑流和排泄通道，在動(dòng)水壓力和靜水壓力共同作用下，圍巖性質(zhì)進(jìn)一步惡化，圍巖壓力增大，導(dǎo)致隧道塌方。

圖5　現(xiàn)場(chǎng)出水圖

隧道采用三臺(tái)階法施工，臺(tái)階拱腳底部的穩(wěn)定對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)承載力至關(guān)重要，洞身巖體為砂巖夾泥巖，局部破碎，層間結(jié)合面軟弱，地下水使巖體強(qiáng)度弱化，導(dǎo)致基底承載力降低，無(wú)法承擔(dān)圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的載荷，表現(xiàn)為初期支護(hù)的開(kāi)裂破壞和大變形，進(jìn)一步發(fā)展為隧道塌方，初期支護(hù)開(kāi)裂如圖6所示。

圖6　拱頂初期支護(hù)開(kāi)裂圖

1.4　塌方處置措施

首先反壓回填石碴，修建超前管棚施工平臺(tái)；在掌子面拱部140°范圍內(nèi)(涵蓋2次塌腔范圍內(nèi))施工采用φ89 mm的管棚，環(huán)向間距為30 cm，管棚長(zhǎng)20 m，外插角為6°，管棚之間采用4.5 m長(zhǎng)φ42 mm的超前小導(dǎo)管注漿，外插角為10°～15°，注1∶1的水泥漿；塌方體至DK74+439段圍巖開(kāi)挖采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法施工，臨時(shí)仰拱采用I18鋼架，間距為1榀/0.5 m；增大初期支護(hù)和二襯的施工參數(shù)，混凝土噴層厚32 cm，鋼架為I25a，間距為50 cm，錨桿間距為1.0 m×0.8 m，長(zhǎng)為4.5 m，φ8 mm的鋼筋網(wǎng)，其網(wǎng)格尺寸為20 cm×20 cm；二次襯砌為50 cm厚的C35鋼筋混凝土。對(duì)坍塌段后方的初期支護(hù)增設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，提高量測(cè)頻率；塌方段拱頂預(yù)埋鋼管，拱頂上方3 m采用C20混凝土回填，上方塌腔采用高壓風(fēng)吹爐渣回填密實(shí)，如圖7所示。

圖7　現(xiàn)場(chǎng)塌方處置示意圖(單位：mm)

2　現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

為了正確判斷塌方區(qū)加固處理后的圍巖情況，對(duì)斷面DK74+457的塌方處理后，在該斷面布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)初期支護(hù)與圍巖間的壓力、隧道拱頂沉降和拱腰水平收斂量。

初期支護(hù)與圍巖間壓力的量測(cè)采用正弦式土壓力盒，在立鋼拱架后埋設(shè)，與圍巖平整緊密接觸；在初期支護(hù)上布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，采用全站儀測(cè)量拱頂沉降和拱腰水平收斂位移，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖8所示，其中拱頂沉降箭頭方向?yàn)檎?，拱腰水平收斂位移指向隧道?nèi)的箭頭方向?yàn)檎怠?/p>

圖8　斷面DK74+457監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置示意圖

圖9是DK74+457斷面的拱頂沉降和拱腰水平收斂位移的時(shí)間變化曲線。由圖9可知：隧道拱頂沉降和拱腰水平收斂穩(wěn)定很快，從監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置開(kāi)始至第5 d，達(dá)到總沉降和總收斂位移的80%以上，至第10 d左右，圍巖趨于穩(wěn)定，且累計(jì)沉降量和累計(jì)水平收斂位移分別為26和30 mm，累計(jì)值均較小。

圖9　拱頂沉降和拱腰水平收斂位移曲線

圖10是塌方處置斷面的初期支護(hù)與圍巖間壓力分布圖。由圖10可知：左右兩側(cè)圍巖壓力分布不均勻，拱部的圍巖壓力整體較小，拱頂初期支護(hù)與圍巖間的壓力為128 kPa。通過(guò)分析可以看出，采用“管棚+小導(dǎo)管注漿”加固圍巖以及加強(qiáng)初期支護(hù)和二襯的施工參數(shù)等處置措施對(duì)隧道塌方地段處理后，拱頂初期支護(hù)與圍巖間的壓力和拱頂沉降量均變得比較小，可見(jiàn)圍巖趨于穩(wěn)定狀態(tài)，說(shuō)明塌方段的處置措施是有效的。

圖10斷面DK74+457初期支護(hù)與圍巖間的壓力圖(單位：kPa)

3　三維數(shù)值模擬

3.1　三維數(shù)值模型建立

對(duì)典型塌方洞段建立三維模型，模型左右兩側(cè)取4倍洞徑，下部取4倍洞徑，埋深為130 m，如圖11所示。模型力學(xué)邊界條件：底部為固端約束，兩側(cè)為法向約束，頂部為應(yīng)力邊界條件。圍巖采用實(shí)體單元模擬，選用理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系，服從莫爾—庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則，初期支護(hù)采用實(shí)體單元模擬，用隧道圍巖加固區(qū)模擬塌方處置后的圍巖情況?？紤]原設(shè)計(jì)方案和圍巖加固后方案2種計(jì)算工況，原設(shè)計(jì)方案取原地層的參數(shù)，圍巖加固后方案采用剛度等效方法，即通過(guò)提高計(jì)算參數(shù)以模擬管棚及注漿區(qū)的作用。具體參數(shù)見(jiàn)表1。

圖11　三維模型

巖層彈性模量/MPa泊松比黏聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)干密度/(kg·m-3)黃土1404031251560紅黏土2003525302020泥巖(風(fēng)化)4803244302010砂巖200003070302650初期支護(hù)200000202500加固區(qū)3000025500362500

3.2　數(shù)值模擬結(jié)果

1)變形特性

數(shù)值模擬得到了2種工況開(kāi)挖完成后的隧道圍巖沉降云圖如圖12所示，以及監(jiān)測(cè)斷面與掌子面距離變化時(shí)拱頂沉降的曲線如圖13所示(曲線圖中以拱頂沉降方向?yàn)檎?。由圖12和圖13可以看出：針對(duì)原設(shè)計(jì)方案的開(kāi)挖模擬，開(kāi)挖到0 m(即監(jiān)測(cè)斷面)處拱頂沉降281 mm，此時(shí)拱部施工中存在很大的風(fēng)險(xiǎn)；開(kāi)挖到22 m處拱頂累計(jì)沉降很大，達(dá)到662 mm，嚴(yán)重超過(guò)了施工規(guī)范的安全范圍，拱頂匣置可能會(huì)發(fā)生大變形或塌方，這與現(xiàn)場(chǎng)施工中拱頂發(fā)生塌方的現(xiàn)象相符；針對(duì)隧道圍巖加固后方案的開(kāi)挖模擬，開(kāi)挖到0 m處，拱頂累計(jì)沉降為17 mm，開(kāi)挖到22 m處拱頂累計(jì)沉降為47 mm，顯然這2個(gè)數(shù)據(jù)均皆遠(yuǎn)小于原設(shè)計(jì)方案。

圖12　變形場(chǎng)云圖(單位：m)

圖13　拱頂沉降全過(guò)程曲線

2)塑性區(qū)

圖14給出了分析2種工況開(kāi)挖完成后的塑性區(qū)圖。由圖14可以看出，隧道開(kāi)挖后，洞周一定范圍內(nèi)進(jìn)入了塑性狀態(tài)，工況1的塑性區(qū)面積為298 m2，工況2為188 m2，隧道圍巖加固后塑性區(qū)范圍明顯減小，為原設(shè)計(jì)的63%。

圖14　塑性區(qū)云圖

4　結(jié)　論

(1)在土石復(fù)合地層，上覆黃土層遇水形成局部的飽和區(qū)，黃土強(qiáng)度大幅下降甚至喪失，產(chǎn)生較大的集中荷載和附加壓力，導(dǎo)致拱頂巖體鼓起破壞。復(fù)雜地層、圍巖軟弱、地下水是引發(fā)隧道塌方的主要因素。

(2) 在隧道塌方地段，采用“管棚+小導(dǎo)管注漿” 加固圍巖以及加強(qiáng)初期支護(hù)和二襯施工參數(shù)等處置措施，拱頂沉降和水平收斂位移分別為26和30 mm，隧道拱頂?shù)某跗谥ёo(hù)與圍巖間壓力為128 kPa，說(shuō)明該處置措施有效地控制了圍巖的壓力和變形，降低了施工風(fēng)險(xiǎn)。

(3)數(shù)值模擬結(jié)果表明，對(duì)隧道的處置措施，使隧道拱頂?shù)某两祻?62 mm下降到47 mm，隧道洞周的塑性區(qū)減小到原設(shè)計(jì)方案的63%。因此，隧道施工中應(yīng)注重隧道掌子面的超前加固。

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