(中鐵二十五局集團有限公司,廣東 廣州 510030)

1 概述

隨著我國經(jīng)濟發(fā)展越來越快，在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，隧道工程發(fā)揮著重要的作用[1]。但隧道工程在修筑過程中，遇到不良地質(zhì)條件的機率日漸增大[2]。在這種地質(zhì)環(huán)境中，修筑隧道工程的關(guān)鍵問題是圍巖穩(wěn)定性問題[3]。在施工過程中，隧道工程圍巖穩(wěn)定性會對地下結(jié)構(gòu)平衡拱的形式造成直接影響，進而影響到施工工期、施工方法、工程造價等[4]。若隧道圍巖開挖及支護不當(dāng)，或穩(wěn)定性判別失誤，則圍巖會變形或失穩(wěn)破壞，出現(xiàn)塌方[5]。在開挖過程中，隧道變形過大或塌方較大，會給施工造成諸多困難、延誤工期、增加造價[6]。

造成隧道圍巖失穩(wěn)或變形的因素比較復(fù)雜，圍巖巖體強度大小、結(jié)構(gòu)特征對隧道失穩(wěn)有較大作用[7]。在分析軟弱圍巖隧道穩(wěn)定性時，須考慮圍巖巖體結(jié)構(gòu)特征及強度的影響[8]。隧道塌方后續(xù)處理對項目建設(shè)會造成不必要的損失[9]。所以，在本研究中將以高速公路隧道圍巖塌方的破壞機理以及其種類為重要研究對象，并且通過采用多種方式提高圍巖的穩(wěn)定性能，例如削弱、消除，最大程度地排除導(dǎo)致其產(chǎn)生不利影響的因素，最大程度提高圍巖穩(wěn)定性能，對于公路隧道重建工程起重有利作用。本文以某高海拔寒冷地區(qū)軟巖公路隧道為研究對象，對處置塌方的方案進行研究。

2 工程地質(zhì)條件

本高速公路隧道屬于中低山深切谷地斜坡的地貌，公路隧道將由中低山的山脊位置穿過。并且區(qū)域內(nèi)的最高標(biāo)高為675.23 m，最低標(biāo)高為435.42 m，隧道最大埋深為178.25 m。區(qū)內(nèi)地形復(fù)雜，坡陡溝深，山坡坡度較陡，為32.20～45.31°，整個中低山深切谷地區(qū)域每部所產(chǎn)生的斷裂結(jié)構(gòu)發(fā)育不完善，并未產(chǎn)生顯著斷裂結(jié)構(gòu)痕跡。山體巖石具有較差的完整性能，因而較淺位置的巖石風(fēng)化裂隙發(fā)育，而深部地區(qū)的裂縫出現(xiàn)稍微發(fā)育。并且山體一旦產(chǎn)生節(jié)理裂縫就會導(dǎo)致圍巖的穩(wěn)定性能出現(xiàn)下降趨勢。由于本工程高速公路隧道區(qū)域巖石屬于比較軟的碎屑類巖石，因而其中小部分巖石出現(xiàn)了裂縫稍微發(fā)育，強度出現(xiàn)降低，淺部區(qū)域巖石風(fēng)化程度顯著，巖石表層出現(xiàn)普遍風(fēng)化剝落現(xiàn)象，巖體完整性較差，圍巖穩(wěn)定性一般，淺埋地段及洞口邊坡易有坍塌產(chǎn)生。

3 隧道塌方案處置方案

3.1 工程背景

本工程施工自然環(huán)境為：冬季漫長，氣溫低，晝夜溫差較大，尤其是在年中8月份的時候，晝夜溫差可達到20.5℃；具有較大風(fēng)量，沿著峽谷溝河道方向的風(fēng)量比較大；冬季冰雹、雪天氣較多，冬季持續(xù)時間較長；地區(qū)氣候非常干燥。該工程施工過程中，在該隧道K43+358的位置處進行挖掘作業(yè)，循環(huán)進尺為81.5 cm，對掌子面處進行搭建拱架之前，隧道拱頂?shù)挠覀?cè)區(qū)域出現(xiàn)掉塊現(xiàn)象，并且伴隨著大面積的滲水，由于掉塊現(xiàn)象逐步加深，導(dǎo)致隧道工程產(chǎn)生塌方，塌方面積為148.75 cm3，隧道所掉落的渣塊主要為軟碎屑巖塊、石灰?guī)r、砂巖以及粉砂質(zhì)等等。塌方造成施工的一榀鋼拱架、四榀格柵架被掉落的渣塊砸壞，塌方段落的起止里程為K43+358～K43+381，塌腔寬度為2.95 m，高度為4.05 m。圖1為加塌方處的拱架及塌方體在掌子面堆積。

(a)塌方處的拱架 (b)塌方體在掌子面積

Figure 1 The arch and collapse body at the collapse site accumulate on the palm face

3.2 計算模型

3.2.1隧址區(qū)圍巖和支護參數(shù)

在分析數(shù)值時，通過力學(xué)模型、等效作用兩種方法分析格柵鋼架，本研究根據(jù)隧道實際情況，可以通過等效方法進行分析研究，按照抗壓剛度同等原則，把鋼架彈性模量給噴混凝土進行折算，使用的計算公式如下所示：

E=E0[(Sg×Eg)/Sc]

式中：E0表示原混凝土彈性模量；E表示折算后混凝土彈性模量；Eg表示鋼材彈性模量；Sg表示鋼拱架截面積；Sc表示混凝土截面積。采用實體單元模擬前期的襯砌、圍巖、斷層均，表1為材料物理力學(xué)參數(shù)取值。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)取值Table 1 Physical and mechanical parameters of materials介質(zhì)類型彈性模量/GPa泊松比容重/kN·m-3 粘聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)厚度/直徑/mm砂巖1.060.4122.2201.524.2—泥巖0.550.2921.1101.220.1—粉砂泥巖1.050.3624.2281.428.3—噴射混凝土28.020.2223.0——250.5錨桿211.4—77.1——25.4

3.2.2模型范圍及邊界

以某高海拔寒冷地區(qū)軟巖公路隧道K43+358～K43+381段位施工地質(zhì)原形，通過構(gòu)建FLAC3D計算模型。K43+358圍巖起本質(zhì)為長石石英巖，構(gòu)造為薄中層狀，主要是薄層近水平狀，各個層間的結(jié)合情況較為一般。因而在本文的研究僅僅只考慮結(jié)構(gòu)在自重應(yīng)力場的圍巖變形破壞和應(yīng)力場特征。

圖2為三維計算模型示意圖，由圖2知，洞軸線的方向可以使用坐標(biāo)軸Y軸表示，而施工作業(yè)的前進方向為Y軸的正半軸方向，與隧道正交水平方向可以用X軸來表示，垂直方向使用z軸表示。在模型中，隧道z向洞軸向上取80.5 m，y軸向取50.5 m，水平x向取50.5 m，洞軸向下取50.5 m。在整個三維極速驗?zāi)Ｐ褪疽鈭D中剖分網(wǎng)格為六面體單元結(jié)構(gòu)，單元的總數(shù)為29 312，所構(gòu)成的節(jié)點數(shù)量為32 425，計算精度能達到要求。

圖2 三維計算模型示意圖Figure 2 A sketch of a three-dimensional computational model

3.3 開挖過程及處治方案

3.3.1開挖過程

在本隧道開挖過程中，開挖通過空單元null得到實現(xiàn)，在對應(yīng)區(qū)域開挖后可生成支護結(jié)構(gòu)單元。開挖分上臺階、下臺階進行，每次開挖為5.05 m。當(dāng)開挖上臺階5.05 m后，開始對下臺階進行開挖，因而上臺階、下臺階的距離為5.05 m，在持續(xù)計算到y(tǒng)軸20.2 m處，開挖循環(huán)共計4次。

3.3.2處治方案

在發(fā)生塌方事故后，對于初支產(chǎn)生裂縫的位置，背拱使用I18a工字鋼進來加固處理，其中鋼間距為60.5 cm，原支護與背拱緊密相靠，把由于塌方而出現(xiàn)破碎位置的硅清除后，再進行后續(xù)噴射硅封閉處理，增設(shè)徑向φ42注漿鋼花管于上斷面，對初支背后松動圍巖進行固結(jié)，注漿管長度為4.55 m，縱向間距為1.25 m，環(huán)向間距為2.05 m，其中所使用的注射漿為P.O42.5水泥凈漿，其中水灰的比例為1:1，與此同時在施工作業(yè)過程中需要對水灰比進行嚴格把控。進行塌方處注漿后，需要在立拱支護及上臺階進行開挖工作。在開挖上臺階前，在施作超前導(dǎo)管后進行支護作業(yè)以及挖掘。尤其是在隧道圍巖的時候，注漿圍巖效果可以形成環(huán)狀加固圈，尤其是在注漿效果模擬加固時，大幅提高了圍巖各項參數(shù)指標(biāo)，本文采用Cable單元對注漿管進行模擬，在分析塌方處治措施時，提出3種徑向注漿不同的處治方案，表2為3種不同的徑向注漿處治方案。

表2 3種不同的徑向注漿處治方案Table 2 Three different radial grouting treatment schemes方案注漿管長度/m拱部按環(huán)向間距/m注漿縱向間距/m備注13.553.021.53塌腔內(nèi)噴射硅臨時封閉23.551.521.02塌腔內(nèi)噴射硅臨時封閉33.550.820.52塌腔內(nèi)噴射硅臨時封閉

4 計算結(jié)果分析

4.1 開挖后計算結(jié)果

圖3為未支護圍巖最小應(yīng)力及總位移圖，由圖3知，在隧道開挖后，從圖3(A)可知，洞室圍巖表層最小主應(yīng)力在-1.27～2.98 e-1MPa范圍內(nèi)變化;拱頂拉應(yīng)力在2.02 MPa時有最大出現(xiàn)，應(yīng)力松弛帶在整個洞室大范圍出現(xiàn)，應(yīng)力松弛帶在拱頂范圍最大。由圖3(B)可知，在拱頂部位出現(xiàn)最大位移，為451.5 mm，基本上該范圍垮塌。

(a)未支護圍巖最小應(yīng)力

(b)未支護圍巖總位移

Figure 3 Minimum stress and total displacement of surrounding rock without support

4.2 處治后計算結(jié)果

在注漿管長度為4.55 m，縱向間距為1.25 m、拱部按環(huán)向間距為2.05 MPa時進行注漿，對塌腔內(nèi)噴射硅進行臨時封閉。圖4為處治后圍巖最小應(yīng)力及總位移圖，由圖4(a)知，當(dāng)塌方腔搭建支護后，應(yīng)力釋放區(qū)域應(yīng)在隧道開始挖掘的斷層面出現(xiàn)相應(yīng)的顯著波動，拉應(yīng)力成為最小主應(yīng)力，在1.02 MPa內(nèi)主要為拉應(yīng)力，量級較小。由圖4(b)知，拱頂部位的豎向位移在塌腔支護后為30.2 mm。

(a)處治后圍巖最小應(yīng)力

(b)處治后圍巖總位移

Figure 4 Minimum stress and total displacement of surrounding rock after treatment

4.3 3種方案計算結(jié)果

4.3.1方案1計算結(jié)果

在注漿管長度為3.55 m，縱向間距為1.53 m，拱部按環(huán)向間距為3.02 m時進行注漿，對塌腔內(nèi)噴射硅進行臨時封閉。圖5為方案1處治后圍巖塑性破壞區(qū)分布特征，由圖5(a)知，在塌腔支護后，應(yīng)力釋放區(qū)域在公路隧道的挖掘?qū)用娈a(chǎn)生較為顯著的應(yīng)力波動，而其中最重要的拉應(yīng)力約為最大主應(yīng)力，在1.04 MPa內(nèi)主要為拉應(yīng)力，其量級較小。

(a)方案1處治后圍巖最小應(yīng)力

(b)方案1處治后圍巖豎向位移

(c)方案1處治后圍巖塑性破壞區(qū)分布特征

Figure 5 Distribution characteristics of plastic failure zone of surrounding rock after treatment with the first scheme

由圖5(b)知，拱頂部位的豎向位移在塌腔支護后最大值為42.1 mm，所導(dǎo)致的深度比較大，而向上產(chǎn)生的延伸距離為4.05 cm。由圖5(c)可知，隧道開挖后有明顯塑性破壞區(qū)在開挖周邊界出現(xiàn)。

4.3.2方案2計算結(jié)果

在注漿管長度為3.55 m，縱向間距為1.02 m，拱部按環(huán)向間距為1.52 m時進行注漿，對塌腔內(nèi)噴射硅進行臨時封閉。圖6為方案2處治后圍巖塑性破壞區(qū)分布特征，由圖6(a)知，在塌腔支護后，拉應(yīng)力主要為最小主應(yīng)力，在1.03 MPa處主要為內(nèi)拉應(yīng)力，其量級較小。由圖6(b)知，當(dāng)公路隧道塌方的位置進行支護工作的時候，在其拱頂?shù)捻敳慨a(chǎn)生了相對豎向移動位移，距離為25.2 mm。由圖6(c)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)我們開始高速公路隧道開始挖掘工作的時候，塑性破壞區(qū)域在其進行挖掘時候就會出現(xiàn)顯著變小趨勢。

(a)方案2處治后圍巖最小應(yīng)力 (b)方案2處治后圍巖豎向位移

(c)方案2處治后圍巖塑性破壞區(qū)分布特征

Figure 6 Distribution characteristics of plastic failure zone of surrounding rock after treatment with the second scheme

4.3.3方案3計算結(jié)果

在注漿管長度為3.55 m，縱向間距為0.52 m，拱部按環(huán)向間距為0.82 m時進行注漿，對塌腔內(nèi)噴射硅進行臨時封閉。圖7為由方案3處治后圍巖塑性破壞區(qū)分布特征，由圖7(a)知，塌腔支護后，拉應(yīng)力主要為最小主應(yīng)力，與方案2相比，其作用范圍減小，在1.38 MPa內(nèi)主要為拉應(yīng)力，其量級較小。由圖7(b)知，在塌腔支護后，其拱頂部位豎向位移為6.05 mm。由圖7(c)知，塑性破壞區(qū)在隧道開挖后出現(xiàn)在開挖周邊界，與方案2相比，其范圍減小。

(a)方案3處治后圍巖最小應(yīng)力 (b)方案3處治后圍巖豎向位移

(c)方案3處治后圍巖塑性破壞區(qū)分布特征

Figure 7 Distribution characteristics of plastic failure zone of surrounding rock after treatment with the third scheme

4.4 處治措施分析

在本文中所提出的3種治理塌方預(yù)期的方案均可獲得十分顯著效果，可以發(fā)現(xiàn)圍巖位移距離產(chǎn)生顯著減小，尤其是豎向位移格外顯著，而在拱頂位移處可產(chǎn)生最大形變值分別為42.1 mm、25.2 mm、6.05 mm。應(yīng)力釋放區(qū)域在隧道開挖斷面周圍一定范圍內(nèi)存明顯，在較完整巖體條件下此范圍偏大；在拱腰部位，開挖面和最小主應(yīng)力垂直或正交于拱頂部位。根據(jù)不同處治方案，拱頂部位應(yīng)力值依次從2.02 MPa降低到1.02、1.04、1.38 MPa。不同處治方案塑性圖表明，伴隨著隧道塌方處支護工作的開展，圍巖塑性區(qū)域面積出現(xiàn)減小趨勢，而在地板、拱頂?shù)任恢?，破壞主要為張拉性，拱腳和拱腰部位破壞主要為剪切。這表明在進行隧道塌方治理時，需對隧道周圍圍巖的穩(wěn)定性進行有效處理。所以需要及時進行圍巖的封閉支護工作，從而完成二襯施工作業(yè)。與此同時需要進行應(yīng)力-應(yīng)變量測及監(jiān)控量測，這樣可對支護的受力狀態(tài)、圍巖變形情況進行檢驗。

當(dāng)洞頂具有軟弱夾層又或者是巖性接觸面時，需要提前使用管棚固定住拱部，避免由于掌子面的爆破而導(dǎo)致的隧道拱部塌陷產(chǎn)生，應(yīng)當(dāng)及時挖掘斷層面，進行爆破操作之后應(yīng)使用注漿操作從而密封開挖面，并且在拱頂部分的小導(dǎo)坑內(nèi)進行臨時底部仰拱的設(shè)置。在本研究中，所得到的最佳防治方案為，注漿管的長度為3.55 m，縱向間隔距離為1.02 m，在其拱部按環(huán)向間距為1.52 m時進行注漿處理。

5 結(jié)論

以某高海拔寒冷地區(qū)軟巖公路隧道為研究對象，對處置塌方的方案進行了研究，得出以下結(jié)論：

a.進行公路圍巖的挖掘作業(yè)后，需要迅速進行相關(guān)支護施工作業(yè)，一旦支護工作不及時到位，就會導(dǎo)致公路圍巖暴露在無支護環(huán)境中，從而十分容易產(chǎn)生局部塌方、掉塊等現(xiàn)象和問題。

b.提出了3種防治公路塌方現(xiàn)象的方案，并對此分別進行模擬運算，發(fā)現(xiàn)在圍巖力學(xué)條件下，使用鋼拱架作為隧道圍巖的支護工具可顯著地降低塌方的發(fā)生次數(shù)，其所導(dǎo)致的變形量也顯著減小。對不同鋼拱架作為圍巖支護工具進行比較分析后，發(fā)現(xiàn)公路圍欄鋼拱架之間的距離在不使用其他支護方式時不宜大于1.20 m。掌子面前方圍巖松動可通過超前支護結(jié)構(gòu)有效抑制，在拱腰部位，開挖面和最小主應(yīng)力在拱頂部位正交或垂直。洞室開挖后，會導(dǎo)致洞室開挖面的周圍產(chǎn)生不同程度的塑性破壞區(qū)域。且在底板及拱頂位置所產(chǎn)生的破壞大多數(shù)為張拉性破壞，拱腳和拱腰部位主要為剪切破壞。

c.所得到的最佳防治方案為，注漿管的長度為3.55 m，縱向間隔距離為1.02 m，在其拱部按環(huán)向間距為1.52 m時進行注漿處理。