李 奧，張頂立，孫振宇，董 飛，黃 俊

(1.蘇交科集團(tuán)股份有限公司 江蘇省水下隧道綠色智慧技術(shù)工程研究中心，江蘇 南京 210019；2.北京交通大學(xué) 城市地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044)

0 引言

隧道施工過(guò)程中，突水突泥、洞口塌方、洞內(nèi)塌方、火工品爆炸等是主要的工程災(zāi)害類型，其中塌方是占比最大的災(zāi)害類型(62%)[1-2]。隧道塌方事故一旦發(fā)生，將對(duì)隧道工程建設(shè)安全構(gòu)成極大威脅，也會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和不良的社會(huì)影響[3-4]。目前相關(guān)學(xué)者已經(jīng)針對(duì)塌方原因和分類進(jìn)行了大量的研究。竇萬(wàn)和[5]統(tǒng)計(jì)了117個(gè)隧道塌方實(shí)例，得出散體結(jié)構(gòu)和碎裂結(jié)構(gòu)是隧道塌方的主要巖體結(jié)構(gòu)。鄭玉欣[6]調(diào)查分析了1 050座隧道的塌方資料，總結(jié)塌方的主要原因?yàn)椴涣嫉刭|(zhì)體、地下水、地壓和施工設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)龋⒏鶕?jù)塌方形態(tài)將塌方歸納為拱形塌方、局部塌方、大變形隧道塌方、異形塌方和膨脹巖塌方等。何曉東[7]指出隧道塌方主要是由地質(zhì)條件差、地下水和不規(guī)范施工等因素造成的，并提出了軟巖隧道塌方主要形式有拱形塌方、塌穿型塌方和V型塌方。汪成兵[8]統(tǒng)計(jì)分析了108例隧道塌方事故，將隧道塌方分為拱形塌方、局部塌方和塌穿型塌方3類，指出地質(zhì)條件差引起的塌方占比最大。王毅才[9]將隧道塌方分為局部塌方、拱形塌方、異型塌方、膨脹巖隧道塌方和巖爆5類。王迎超[3]綜合考慮塌方發(fā)生的縱向、橫向位置以及工程地質(zhì)條件等因素，提出了山嶺隧道塌方層次分類方法。侯艷娟等[10]將隧道塌方事故歸納為圍巖失穩(wěn)、結(jié)構(gòu)失效和環(huán)境失調(diào)3種主要類型。

從現(xiàn)有的研究成果可以看出，雖然不同的工程地質(zhì)條件下，隧道塌方的影響因素各不相同，但軟弱破碎圍巖和地下水是隧道塌方的最主要因素。同時(shí)塌方事故在空間位置、安全性影響、形成機(jī)制及防治措施方面存在較大差異，使得當(dāng)前隧道塌方研究多集中在具體事故原因分析及處治措施，缺少?gòu)墓残缘膰鷰r力學(xué)特性層面對(duì)隧道塌方問(wèn)題進(jìn)行研究。不同空間位置的圍巖失穩(wěn)所引發(fā)的隧道塌方事故類型不盡相同，其對(duì)隧道施工的安全性影響也差異較大，因此必須明確不同空間位置圍巖失穩(wěn)的特點(diǎn)，進(jìn)一步揭示圍巖失穩(wěn)誘發(fā)的隧道塌方事故的危害程度、典型模式及其演化機(jī)制，從而為圍巖穩(wěn)定性控制提供依據(jù)，確保隧道施工安全。

本文基于塌方案例統(tǒng)計(jì)的結(jié)果，闡明了隧道塌方安全事故的基本特征，揭示了隧道開(kāi)挖面失穩(wěn)塌方和關(guān)門塌方2類典型安全事故的特征；將圍巖的縱向變形曲線和圍巖特征曲線進(jìn)行耦合，得到隧道虛擬支護(hù)力縱向分布曲線，進(jìn)一步揭示虛擬支護(hù)力與開(kāi)挖面失穩(wěn)塌方和關(guān)門塌方的關(guān)系，并給出塌方事故的控制要求。本文將從圍巖應(yīng)力釋放角度為隧道塌方安全事故的孕育和演化機(jī)制的理論研究提供借鑒。

1 隧道塌方安全事故統(tǒng)計(jì)分析

1.1 隧道塌方安全事故特征

統(tǒng)計(jì)1985—2017年國(guó)內(nèi)96例山嶺隧道塌方事故[7-11]，得出隧道跨度、圍巖級(jí)別與隧道塌方次數(shù)所占比值的關(guān)系圖以及隧道跨度與圍巖級(jí)別之間的關(guān)系圖，如圖1所示。從圖 1(a)可以看出：當(dāng)隧道跨度小于15 m時(shí)，隨著隧道開(kāi)挖跨度的增大，塌方事故逐漸增多；隧道跨度小于7 m時(shí)塌方次數(shù)僅占總塌方次數(shù)的6%，隧道跨度大于10、12、15 m時(shí)塌方次數(shù)占比分別為77%、46%、12%?！惰F路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[12]鐵路隧道跨度分級(jí)說(shuō)明表中提出隧道跨度12～14 m或開(kāi)挖斷面面積110～140 m2為大斷面隧道。由圖1可知，大斷面隧道的塌方次數(shù)最多，塌方風(fēng)險(xiǎn)最大。當(dāng)隧道開(kāi)挖跨度大于15 m時(shí)，塌方次數(shù)有所下降，其主要原因是：超大斷面隧道多采用分部開(kāi)挖，客觀上減小了隧道單次開(kāi)挖跨度及塌方風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)，設(shè)計(jì)施工人員思想上對(duì)超大斷面隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)也更加重視，使得高性能支護(hù)措施得以系統(tǒng)采用。

從圖1(b)可以看出，隧道塌方大部分發(fā)生于Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖或更差的地層中(占比85%)，其中Ⅴ級(jí)圍巖隧道塌方次數(shù)占比最大為43%，Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖隧道塌方次數(shù)較少，占比之和僅為15%，因此軟弱破碎圍巖地層也是隧道塌方安全事故高發(fā)區(qū)域。

從圖1(c)和(d)可以看出，發(fā)生隧道塌方事故的隧道跨度與圍巖級(jí)別分布較為集中，大部分?jǐn)?shù)值處于箱線圖中上四分位數(shù)(Q3)與下四分位數(shù)(Q1)之間；同時(shí)隧道塌方區(qū)和安全區(qū)之間存在明顯的跨度分界線，即不同圍巖級(jí)別下隧道能夠?qū)崿F(xiàn)自穩(wěn)的最大跨度，圍巖越差時(shí)，其圍巖本身所能允許的隧道開(kāi)挖跨度越小。然而，隧道工程建設(shè)中，不可避免地會(huì)在Ⅴ級(jí)或者更差的圍巖條件下開(kāi)挖超過(guò)其允許跨度的隧道，這就使得軟弱破碎圍巖地層條件下大斷面隧道開(kāi)挖過(guò)程中隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)加劇，其塌方安全性問(wèn)題也尤為突出。

(a)隧道跨度與塌方次數(shù)的關(guān)系

1.2 隧道塌方安全事故類型

隨著我國(guó)鐵路建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，隧道安全事故次數(shù)有所增加，傷亡人數(shù)也逐漸增多，匯總得到2009—2014年鐵路隧道安全事故數(shù)量及傷亡情況統(tǒng)計(jì)(見(jiàn)圖2)和各類型安全事故統(tǒng)計(jì)(見(jiàn)圖3)。分析可得：統(tǒng)計(jì)年份內(nèi)發(fā)生鐵路隧道安全事故44起，其中，開(kāi)挖面失穩(wěn)塌方事故19起(43%)，關(guān)門塌方事故11起(25%)，其他事故14起(32%)。開(kāi)挖面失穩(wěn)塌方事故、關(guān)門塌方事故的根本原因是圍巖自穩(wěn)能力差或圍巖-支護(hù)作用關(guān)系失調(diào)等引發(fā)的圍巖失穩(wěn)，而交通事故、火工品爆炸等其他事故與圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)等關(guān)系較小，且隨機(jī)性極強(qiáng)。本文的研究對(duì)象是與隧道圍巖及支護(hù)相關(guān)的隧道安全性問(wèn)題，同時(shí)考慮到隧道拱頂部位塌方的危害性較大，而隧道拱頂位置出現(xiàn)塌方的情況多為開(kāi)挖面失穩(wěn)塌方和關(guān)門塌方。因此，開(kāi)挖面失穩(wěn)和關(guān)門塌方2類由圍巖失穩(wěn)引發(fā)的塌方事故是隧道安全事故的主要類型(68%)。

(a)事故數(shù)

由圖3可以看出：44起安全事故中涉險(xiǎn)210人，死亡145人，其中，關(guān)門塌方死亡24人(16.5%)，開(kāi)挖面失穩(wěn)塌方死亡54人(37.2%)，其他事故死亡67人(46.3%)；開(kāi)挖面失穩(wěn)和關(guān)門塌方2類由圍巖和結(jié)構(gòu)失穩(wěn)引發(fā)的塌方事故在人員死亡(53.7%)和人員涉險(xiǎn)(68%)方面占比較大。其中，關(guān)門塌方事故涉險(xiǎn)人員最多，占事故涉險(xiǎn)人員總數(shù)的42%，單次事故涉險(xiǎn)人數(shù)也最多(8人)。關(guān)門塌方事故人員傷亡的潛在危害性較大，如果隧道塌方后救援不力使得人員被困時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，則可能造成事故的死亡人數(shù)增多。

(a)事故次數(shù)

隧道開(kāi)挖面失穩(wěn)塌方(見(jiàn)圖4(a))和關(guān)門塌方事故(見(jiàn)圖4(b))在塌方原因、塌方位置和安全性上均有所差異。

(a)隧道開(kāi)挖面失穩(wěn)塌方

1)開(kāi)挖面失穩(wěn)塌方事故表現(xiàn)為開(kāi)挖面前方圍巖侵入隧道開(kāi)挖面界限，其原因是開(kāi)挖面圍巖自穩(wěn)能力差，在無(wú)超前支護(hù)或超前支護(hù)不足的情況下，造成開(kāi)挖面前方圍巖產(chǎn)生破壞，進(jìn)而引發(fā)隧道開(kāi)挖面失穩(wěn)塌方。開(kāi)挖面失穩(wěn)塌方后將直接威脅隧道施工開(kāi)挖面施工機(jī)械設(shè)備及施工人員人身安全，必須采取超前支護(hù)和加固措施，確保開(kāi)挖面穩(wěn)定，從而為后續(xù)施工提供安全的工作面。

2)關(guān)門塌方事故表現(xiàn)為開(kāi)挖面保持穩(wěn)定，但開(kāi)挖面后方一定位置處的拱頂塌方，其原因是開(kāi)挖面后方拱頂處的圍巖在開(kāi)挖完成后未得到有效支護(hù)，使得圍巖變形和松弛增大，直至失穩(wěn)垮落進(jìn)入隧道。關(guān)門塌方發(fā)生后塌方體將會(huì)對(duì)開(kāi)挖區(qū)域進(jìn)行封堵，使得開(kāi)挖區(qū)域的人員無(wú)法逃離，極大地威脅隧道洞內(nèi)施工人員人身安全，因此必須采取及時(shí)有效的支護(hù)措施，確保隧道拱頂安全。

3)從隧道的塌方安全性來(lái)看，開(kāi)挖面失穩(wěn)塌方事故的圍巖參數(shù)更弱，塌方危險(xiǎn)性也更大，如果控制不當(dāng)，其危害和處治難度均很大。

2 隧道圍巖虛擬支護(hù)力推導(dǎo)

隧道開(kāi)挖以后，隨著圍巖虛擬支護(hù)力逐漸降低，伴隨著圍巖變形逐漸增大，圍巖將經(jīng)歷彈性、塑性和失穩(wěn)的過(guò)程。軟弱破碎圍巖隧道塌方往往與圍巖變形時(shí)空演化特征緊密相關(guān)，正確理解隧道圍巖虛擬支護(hù)力的釋放過(guò)程，對(duì)于隧道塌方的預(yù)測(cè)、風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別及安全性控制具有重要的意義。

2.1 隧道虛擬支護(hù)力模型

由于隧道開(kāi)挖面存在一定的支撐作用力，使得圍巖的彈塑性變形得不到充分釋放，圍巖應(yīng)力重分布也不能迅速完成，且不同斷面處開(kāi)挖面支撐作用力隨著與開(kāi)挖面距離的增大而逐步地釋放直至完成。隧道虛擬支護(hù)力模型[13]如圖5所示。在開(kāi)挖面前方較遠(yuǎn)處，圍巖受開(kāi)挖效應(yīng)的影響可以忽略，圍巖應(yīng)力釋放率αi=0，虛擬支護(hù)力等于原巖應(yīng)力，在開(kāi)挖面前方一定范圍內(nèi)，圍巖開(kāi)始受到開(kāi)挖擾動(dòng)影響，虛擬支護(hù)力逐漸釋放，至開(kāi)挖面后方一定距離處，虛擬支護(hù)力將釋放完畢(αi=1)。

(a)pi=0 (b)pi=(1-αi)p0 (c)pi=p0

圍巖的應(yīng)力釋放必將產(chǎn)生隧道洞壁徑向位移，圍巖位移特性曲線描述了平面狀態(tài)下圓形隧道圍巖徑向應(yīng)力釋放與隧道變形的關(guān)系，而縱向變形曲線反映了隧道開(kāi)挖面空間效應(yīng)，即開(kāi)挖面附近由隧道開(kāi)挖引起的圍巖收斂位移[14]。通過(guò)將縱向變形曲線和圍巖特性曲線進(jìn)行耦合[15]，可得出開(kāi)挖面附近任一位置處的圍巖虛擬支護(hù)力。

2.2 圍巖特性曲線

實(shí)際工程中隧道斷面形式多樣，對(duì)于復(fù)雜的非圓斷面形式，目前尚無(wú)完全適合彈塑性分析計(jì)算的解析公式，一般可采用等代圓法將隧道形式等效為圓形斷面進(jìn)行分析[16]；此外，高鐵隧道斷面形狀近似于圓形，因此，理論推導(dǎo)采用圓形隧道進(jìn)行簡(jiǎn)化研究。根據(jù)彈塑性理論可直接推導(dǎo)圍巖特性曲線(見(jiàn)圖6)，則靜水應(yīng)力場(chǎng)下基于摩爾-庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則的圓形隧道變形ui與支護(hù)壓力(虛擬支護(hù)力)pi之間的公式[17]如下。

圖6 圍巖特性曲線

1)當(dāng)pi≥pcr時(shí)，得到彈塑性分界時(shí)臨界支護(hù)力pcr、變形ucr和隧道徑向彈性位移uie表達(dá)式為

(1)

式中：c為圍巖黏聚力，MPa；φ為圍巖內(nèi)摩擦角；R為圓形隧道半徑，m；μ為圍巖泊松比；E為圍巖彈性模量，GPa。

2)當(dāng)pi

(2)

2.3 圍巖縱向變形曲線

Vlachopoulos等[18]采用軸對(duì)稱模型和平面模型，并基于理想彈塑性假定，分析了圓形隧道的變形特性，建立了與最大歸一化塑性區(qū)半徑相關(guān)的隧道變形與縱向位置的計(jì)算公式(見(jiàn)圖7)。

圖7 圍巖縱向變形曲線

(3)

式中：u0*為隧道開(kāi)挖面處的位移u0與隧道最大位移upmax的比值；ux*為隧道任意位置處的位移ux與隧道最大位移upmax的比值；Rp*為歸一化的最大塑性區(qū)半徑，Rp*=Rpmax/R。

當(dāng)支護(hù)力pi=0時(shí)，圍巖最大塑性區(qū)半徑Rpmax和最大位移upmax表達(dá)式為

(4)

2.4 圍巖虛擬支護(hù)力縱向分布曲線

根據(jù)圍巖縱向變形曲線可以得到開(kāi)挖面前后任意位置處的圍巖變形，然后利用圍巖特性曲線中變形與虛擬支護(hù)力的關(guān)系可以得到虛擬支護(hù)力。由于虛擬支護(hù)力的計(jì)算分為彈性變形和塑性變形，因此首先要判斷圍巖的變形是處于彈性階段還是塑性階段，才能將變形代入到相應(yīng)的虛擬支護(hù)力計(jì)算公式中。開(kāi)挖面和彈塑性分界位置圍巖變形歸一化結(jié)果u0*和ucr*為

(5)

式中：ucr*為彈塑性臨界狀態(tài)時(shí)隧道位移ucr與隧道最大位移upmax的比值。

當(dāng)u0*=ucr*時(shí)，開(kāi)挖面處即彈塑性分界處，得到相應(yīng)的塑性區(qū)半徑[Rp*]為

(6)

2.4.1 塑性區(qū)在開(kāi)挖面后方(工況1)

當(dāng)Rp*≤[Rp*]時(shí)，開(kāi)挖面之前的圍巖(x≤0)處于彈性變形階段，而開(kāi)挖面后方的圍巖(x>0)處于既有彈性變形也有塑性變形階段(見(jiàn)圖8)。彈性區(qū)與塑性區(qū)的交界點(diǎn)xp1處的變形為

圖8 工況1的縱向變形曲線與圍巖特性曲線

(7)

聯(lián)立式(6)和(7)可以解出彈塑性交界點(diǎn)的坐標(biāo)xp1表達(dá)式為

(8)

得到工況1條件下的虛擬支護(hù)力分段表達(dá)式為

(9)

2.4.2 塑性區(qū)在開(kāi)挖面前方(工況2)

當(dāng)Rp*≥[Rp*]時(shí)，開(kāi)挖面之前的圍巖(x≤0)處于塑性變形和彈性階段，而開(kāi)挖面后方的圍巖(x≥0)處于塑性變形階段(見(jiàn)圖9)。則開(kāi)挖面前方圍巖的彈性區(qū)與塑性區(qū)的交界點(diǎn)xp2的表達(dá)式為

圖9 工況2的縱向變形曲線與圍巖特性曲線

(10)

得到工況2條件下虛擬支護(hù)力分段表達(dá)式為

(11)

3 圍巖虛擬支護(hù)力分布特性與塌方分析

3.1 影響因素分析

當(dāng)圍巖內(nèi)摩擦角φ=20°，原巖應(yīng)力p0=7 MPa，黏聚力分別為1、0.5、0.25 MPa時(shí)，計(jì)算得到最大塑性區(qū)半徑歸一化結(jié)果Rp*分別為2.26、3.8、6.82，當(dāng)隧道半徑R分別為5、10 m時(shí)，得到虛擬支護(hù)力縱向分布曲線(見(jiàn)圖10)。

(a)R=5 m

分析可得：1)隧道開(kāi)挖面處圍巖虛擬支護(hù)力與隧道半徑R無(wú)關(guān)，當(dāng)前3種參數(shù)下，進(jìn)一步計(jì)算得到開(kāi)挖面處(x=0)虛擬支護(hù)力釋放率α0(α0=1-pi/p0)分別為56.38%、72.89%、80%，但隨著隧道半徑的增大，塑性區(qū)半徑和虛擬支護(hù)力釋放范圍越大；2)開(kāi)挖面前方塑性階段圍巖的虛擬支護(hù)力釋放速度明顯大于彈性階段，且開(kāi)挖面附近圍巖的虛擬支護(hù)力釋放速度最大；3)隨著黏聚力的降低，塑性區(qū)逐漸向開(kāi)挖面前方移動(dòng)，塑性區(qū)范圍逐漸擴(kuò)大，使得開(kāi)挖面處圍巖虛擬支護(hù)力降低，但不同黏聚力下，開(kāi)挖面后方2倍半徑處(2R)的圍巖虛擬支護(hù)力均低于5%pi，此時(shí)虛擬支護(hù)力已大部分釋放，開(kāi)挖面后方4倍半徑處(4R)的圍巖虛擬支護(hù)力均低于2%pi，此時(shí)虛擬支護(hù)力已基本釋放完畢。

3.2 虛擬支護(hù)力縱向分布特性

在隧道施工影響下，圍巖發(fā)生應(yīng)力調(diào)整和轉(zhuǎn)移，通常伴隨著變形和破壞?？v向變形曲線與虛擬支護(hù)力縱向分布曲線均呈現(xiàn)出階段性特點(diǎn)[19]，如圖11所示。由圖可以看出：1)圍巖變形先后經(jīng)歷4個(gè)階段(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ階段)，自開(kāi)挖面前方開(kāi)始依次為緩慢變形、急劇變形、變形減緩和變形穩(wěn)定；2)虛擬支護(hù)力也經(jīng)歷了4個(gè)階段，自開(kāi)挖面前方開(kāi)始依次為緩慢釋放、急劇釋放、釋放減緩和釋放穩(wěn)定，整體上開(kāi)挖面虛擬支護(hù)力釋放為開(kāi)挖面后2R范圍，而變形的釋放范圍則較大。其中圍巖虛擬支護(hù)力急劇釋放(Ⅱ階段)以開(kāi)挖面為界，分為開(kāi)挖面前方(Ⅱ1段)和開(kāi)挖面后方(Ⅱ2段)2個(gè)階段。

圖11 縱向變形曲線與虛擬支護(hù)力縱向分布曲線

由案例統(tǒng)計(jì)[10,20]得知：1)80%以上的塌方發(fā)生于第Ⅰ和第Ⅱ階段，13%的塌方發(fā)生在第Ⅲ階段，只有7%左右的塌方發(fā)生在第Ⅳ階段；2)隧道關(guān)門塌方事故多發(fā)生在與隧道開(kāi)挖面距離大于隧道跨度(x≥B)的開(kāi)挖面后方位置處。根據(jù)虛擬支護(hù)力縱向分布情況可知，此位置處圍巖的虛擬支護(hù)力已基本釋放，如果支護(hù)不密貼或支護(hù)力不足，將直接導(dǎo)致隧道關(guān)門塌方事故產(chǎn)生。對(duì)于軟弱破碎圍巖大斷面隧道，隧道關(guān)門塌方事故塌方體發(fā)生在開(kāi)挖面后方B～3B范圍[21-22]，如采用三臺(tái)階法開(kāi)挖時(shí)，多發(fā)生于下臺(tái)階和仰拱開(kāi)挖作業(yè)時(shí)，且均存在上、中臺(tái)階初期支護(hù)支護(hù)效果差的問(wèn)題。

結(jié)合縱向變形曲線和虛擬支護(hù)力曲線，得到隧道塌方模式和控制示意圖(見(jiàn)圖12)，可見(jiàn)在隧道開(kāi)挖過(guò)程中，圍巖虛擬支護(hù)力pi將經(jīng)歷由p0降低為0的過(guò)程。研究表明[23]：1)當(dāng)圍巖虛擬支護(hù)力pi小于圍巖單軸拉應(yīng)力(σt)的位置，即pi≤σt，將發(fā)生圍巖失穩(wěn)塌方。因此如果隧道開(kāi)挖面處的虛擬支護(hù)力pi≤σt，則開(kāi)挖面前方一定位置處(A點(diǎn))圍巖已失穩(wěn)，表現(xiàn)為隧道開(kāi)挖面失穩(wěn)塌方事故。2)當(dāng)開(kāi)挖面處的虛擬支護(hù)力pi>σt時(shí)，則隧道開(kāi)挖面保持穩(wěn)定，但隧道開(kāi)挖面后方圍巖虛擬支護(hù)力pi降低為σt的位置(B點(diǎn))將產(chǎn)生失穩(wěn)塌方，表現(xiàn)為隧道關(guān)門塌方事故。隧道塌方產(chǎn)生時(shí)，均伴隨著圍巖變形的突然增大(A1和B1點(diǎn))。3)在無(wú)支護(hù)條件下，開(kāi)挖面后方圍巖虛擬支護(hù)力遠(yuǎn)小于開(kāi)挖面前方，因此隧道開(kāi)挖面后方關(guān)門塌方的危險(xiǎn)性大于開(kāi)挖面前方。

(a)開(kāi)挖面失穩(wěn)塌方

3.3 隧道塌方控制要求

從變形和塌方控制原理的角度來(lái)分析(見(jiàn)圖13)，圍巖變形和虛擬支護(hù)力的Ⅱ階段是控制的重點(diǎn)。

圖13 隧道塌方控制原理圖

1)當(dāng)開(kāi)挖面失穩(wěn)塌方時(shí)，開(kāi)挖面前方處的圍巖(Ⅱ1階段)需要采取超前支護(hù)和加固措施，提供預(yù)支護(hù)反力，提高圍巖的黏聚力，進(jìn)而增大圍巖虛擬支護(hù)力。在圖12中，A點(diǎn)為超前支護(hù)應(yīng)發(fā)揮作用的位置，即超前支護(hù)應(yīng)超過(guò)A點(diǎn)，深入未擾動(dòng)圍巖內(nèi)(Ⅱ1階段)；在超前支護(hù)作用的同時(shí)，應(yīng)確保初期支護(hù)及時(shí)，通過(guò)表層初期支護(hù)進(jìn)一步提供支護(hù)反力，初期支護(hù)起作用位置盡可能地接近A0點(diǎn)(開(kāi)挖面位置)；在開(kāi)挖面后方圍巖(Ⅱ2階段)形成超前支護(hù)與初期支護(hù)共同作用體系，比如管棚-初期支護(hù)“棚架”體系等。

2)當(dāng)關(guān)門塌方發(fā)生時(shí)，開(kāi)挖面由于存在一定的虛擬力而保持穩(wěn)定，但開(kāi)挖面后方一定位置處的拱頂發(fā)生關(guān)門塌方。此時(shí)開(kāi)挖面后方圍巖(Ⅱ2段)是控制重點(diǎn)，及時(shí)施作錨索(桿)和初期支護(hù)，通過(guò)錨桿支護(hù)和表層初期支護(hù)結(jié)構(gòu)體系提供支護(hù)反力并承擔(dān)圍巖荷載，從而控制拱頂隧道塌方和圍巖急劇變形；B點(diǎn)為初期支護(hù)發(fā)揮作用位置，因此在A0點(diǎn)(開(kāi)挖面位置)即應(yīng)施作初期支護(hù)，并做好背后回填和及時(shí)封閉，確保初期支護(hù)與圍巖密貼。

4 結(jié)論與建議

1)開(kāi)挖面失穩(wěn)塌方和關(guān)門塌方2類由圍巖失穩(wěn)引發(fā)的塌方事故在事故次數(shù)(68%)、死亡人數(shù)(53.7%)和涉險(xiǎn)人數(shù)(68%)方面占比較大，其中關(guān)門塌方事故涉險(xiǎn)人員最多(42%)，單次事故涉險(xiǎn)人員數(shù)目也最多(8人)，使得關(guān)門塌方事故人員傷亡的潛在危害性較大。

2)將圍巖縱向變形曲線和圍巖特征曲線進(jìn)行耦合，可得出開(kāi)挖面前后任一位置處的圍巖虛擬支護(hù)力。隧道開(kāi)挖面位置的圍巖虛擬支護(hù)力隨著黏聚力的減小而降低，不同黏聚力條件下，開(kāi)挖面后方2倍半徑處(2R)圍巖的虛擬支護(hù)力均得到大部分釋放(低于5%pi)。

3)根據(jù)圍巖虛擬支護(hù)力及圍巖單軸拉應(yīng)力與開(kāi)挖面位置的關(guān)系，可以將隧道塌方事故分為開(kāi)挖面失穩(wěn)和開(kāi)挖面后方的關(guān)門塌方。在圍巖變形和虛擬支護(hù)力釋放Ⅱ 2階段內(nèi)，圍巖急劇變形，虛擬支護(hù)力急劇釋放且釋放量較大，是隧道塌方控制的重點(diǎn)區(qū)域。

本文基于靜水應(yīng)力場(chǎng)和理想彈塑性體推導(dǎo)了圍巖虛擬支護(hù)力，進(jìn)而揭示隧道塌方的力學(xué)機(jī)制，沒(méi)有考慮圍巖非均勻性等影響和隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的支護(hù)效果，后續(xù)建議針對(duì)不同構(gòu)造應(yīng)力作用下節(jié)理巖體隧道的塌方問(wèn)題以及隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)體系中不同支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)的定量化設(shè)計(jì)方法，開(kāi)展進(jìn)一步的研究。