王超林，王興宏，段艷平

(湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院， 湖南 湘潭市 411201)

0 引 言

隧道工程由于埋深淺、斷面大等特點(diǎn)，當(dāng)遇復(fù)雜地質(zhì)條件、設(shè)計(jì)施工不當(dāng)時(shí)常發(fā)生坍塌事故。針對(duì)隧道施工過(guò)程中發(fā)生的坍塌事故，國(guó)內(nèi)學(xué)者做了大量研究：陳秋南等[1-2]結(jié)合某高速公路隧道工程，分析了隧道坍塌原因及加固措施；韓同春等[3]結(jié)合高寶隧道塌方事故，對(duì)隧道拱腳塌方事故進(jìn)行了分析與研究；譚代明等[4]采用有限元方法研究了側(cè)部巖溶對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響。

本文結(jié)合重慶軌道交通六號(hào)線二期北碚站開(kāi)挖過(guò)程中出現(xiàn)的冒頂坍塌事故，對(duì)引起隧道坍塌的原因進(jìn)行分析，結(jié)合實(shí)際情況對(duì)塌方區(qū)分段采取護(hù)拱法和臨時(shí)回填砂漿兩種搶險(xiǎn)處理措施，并通過(guò)對(duì)隧道進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)，得到了塌方區(qū)加固后隧道圍巖位移及支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力變形規(guī)律。同時(shí)運(yùn)用FLAC3D軟件對(duì)隧道塌方段進(jìn)行開(kāi)挖支護(hù)模擬分析，得出圍巖豎向及水平位移變化規(guī)律，通過(guò)與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，評(píng)價(jià)隧道塌方后加固措施的有效性。本文所研究的方法、得出的結(jié)論可為類似工程提供借鑒參考。

1 工程概況

1.1 隧道總體概況

重慶軌道交通六號(hào)線二期北碚站位于北碚區(qū)政府對(duì)面、北碚嘉陵風(fēng)情街下。車站內(nèi)部采用單拱雙層島式，主體采用曲墻+仰拱的五心圓馬蹄形斷面，頂部覆土21.4 m，最大開(kāi)挖斷面寬23.16 m，高18.34 m，隧道起訖樁號(hào)為DK55+955.302～DK56+134.302，總長(zhǎng)179 m。內(nèi)部共設(shè)3處風(fēng)道、4個(gè)出入口，其中一個(gè)為遠(yuǎn)期預(yù)留與7號(hào)線換乘。車站兩端為復(fù)合式TBM區(qū)間，主體采用掘進(jìn)通過(guò)，在車站大里程端設(shè)置復(fù)合式TBM接受導(dǎo)硐。車站屬于特大斷面暗挖隧道，IV級(jí)圍巖，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工。

1.2 隧道現(xiàn)場(chǎng)塌方概況

自2011年6月車站進(jìn)入主體以來(lái)，由于施工等原因出現(xiàn)多次小型坍塌。2011年8月14日發(fā)生嚴(yán)重坍塌事故，車站左線DK55+985～DK55+962段側(cè)壁導(dǎo)坑發(fā)生冒頂，坍塌已延伸至掌子面，長(zhǎng)度約23 m。

2 隧道坍塌原因分析

隧道開(kāi)挖過(guò)程中導(dǎo)致坍塌的原因主要有兩類，一是地質(zhì)因素，即圍巖本身的穩(wěn)定狀態(tài)，二是人為因素，即不適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)、施工方法等[5]。

2.1 地質(zhì)因素的影響

北碚站隧道圍巖不穩(wěn)定，強(qiáng)度低，屬于IV級(jí)圍巖，施工時(shí)自穩(wěn)能力差。圍巖結(jié)構(gòu)松散、風(fēng)化嚴(yán)重，地層裂隙發(fā)育，結(jié)合差，當(dāng)隧道穿過(guò)時(shí)，如無(wú)其他支護(hù)措施或支護(hù)措施不當(dāng)，一經(jīng)開(kāi)挖，潛在應(yīng)力迅速釋放、圍巖失穩(wěn)，輕則引起圍巖掉塊、塌落，重則引起塌方。該隧道地下水富水性受地形地貌、巖性及裂隙發(fā)育程度控制，補(bǔ)給源主要為大氣降水，水量大小與降水關(guān)系密切且受氣候和季節(jié)變化影響大，而坍塌時(shí)處重慶多降雨季節(jié)，降水量大。大量的地表水滲透到地層，加大了地下水對(duì)圍巖自穩(wěn)的破壞。

2.2 人為因素的影響

(1) 設(shè)計(jì)原因：北碚站設(shè)計(jì)埋深21.4 m，最大開(kāi)挖寬度23.16 m，高18.34 m，屬淺埋大斷面隧道；隧道的埋深越淺，涉及破碎巖體的幾率越大；同時(shí)隧道的跨度越大，圍巖的自身穩(wěn)定性越差，發(fā)生塌方的幾率便隨之增大。該隧道采用暗挖鉆爆法施工，爆破的震動(dòng)也會(huì)改變巖石力學(xué)性能，促使裂隙發(fā)育，破壞巖體的完整性。

(2) 施工原因：施工時(shí)施工單位支護(hù)不及時(shí)，不按照設(shè)計(jì)要求的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法及縱向施工步序進(jìn)行施工，未留設(shè)核心土等人為因素是導(dǎo)致塌方事故發(fā)生的直接原因。

3 隧道塌方事故處治

考慮施工安全和施工進(jìn)度，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)塌方段采取了兩種不同的處理方案。對(duì)里程DK55+985 ～DK+970段采用護(hù)拱法，處治方案如下：

(1) 噴射C25混凝土對(duì)塌腔內(nèi)壁進(jìn)行封閉加強(qiáng)處理；

(2) 把護(hù)拱拱腳做成擴(kuò)大基礎(chǔ)，將拱架落在堅(jiān)實(shí)的基巖上；

(3) 采用單層鋼架網(wǎng)噴混凝土結(jié)構(gòu)，對(duì)該段進(jìn)行外部護(hù)拱；

(4) 分段護(hù)拱支護(hù)4 m后，對(duì)支護(hù)段背后空腔采用泵送C30混凝土進(jìn)行回填；

(5) 采用I25b工字鋼，并用Φ32自進(jìn)式錨桿作鎖腳桿，工字鋼外圍澆筑C30混凝土，形成間距為4 m的核心柱；

(6) 在塌腔正上方地表鉆注漿孔注水泥砂漿將空腔回填密實(shí)。

對(duì)里程DK55+970～DK+962段采用臨時(shí)回填砂漿，處治方案如下：

(1) 在里程DK55+970處設(shè)置堵頭墻：澆筑1 m厚C30混凝土墻，將塌腔封閉；

(2) 地表設(shè)置投料孔：用地質(zhì)鉆機(jī)鉆2個(gè)Φ250 mm的投料孔，設(shè)置在塌腔最高點(diǎn)處；

(3) 分層回填砂漿，每層厚度控制在0.5～1 m；

(4) 開(kāi)挖及支護(hù)：臨時(shí)回填砂漿強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，采用非爆破施工方法開(kāi)挖，在核心土一側(cè)留1 m厚砂漿作臨時(shí)支撐；然后用I25工字鋼鋼架+Φ25雙層連接鋼筋+雙層鋼筋網(wǎng)片+C25噴射混凝土+徑向錨桿+鎖腳錨桿進(jìn)行初期支護(hù)，使之封閉成環(huán)。

4 塌方段加固后監(jiān)控量測(cè)

為了解塌方段加固后圍巖的穩(wěn)定性，對(duì)塌方區(qū)周圍進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，以及時(shí)了解隧道變形情況，保證隧道施工安全和圍巖穩(wěn)定。監(jiān)測(cè)項(xiàng)目有：拱頂下沉、收斂位移、拱架應(yīng)力、地表下沉等項(xiàng)目。

4.1 隧道變形量測(cè)及變化規(guī)律

圖1、圖2分別是DK55+975斷面拱頂沉降、周邊收斂與時(shí)間變化的關(guān)系曲線。從圖1可以得知，受塌方段影響，隧道向內(nèi)不斷收斂，塌方采取加固處治一定時(shí)間后才逐漸趨于穩(wěn)定，最大收斂位移達(dá)23.76 mm。圖2表明，塌方處治后該斷面的拱頂沉降不斷增大，其中中間測(cè)點(diǎn)變化最為明顯，日沉降量最大達(dá)6.7 mm，但最終穩(wěn)定在26 mm左右，原因在于受塌方的影響，土體原有結(jié)構(gòu)受到破壞，加固處治后一定時(shí)間內(nèi)圍巖仍處于較不穩(wěn)定狀態(tài)，隨著支護(hù)逐漸發(fā)揮作用，應(yīng)力得到重新分布，使圍巖再次趨于穩(wěn)定，證實(shí)護(hù)拱法與臨時(shí)回填塌腔的加固措施達(dá)到了預(yù)期的目的。

4.2 鋼拱架內(nèi)力量測(cè)及變化規(guī)律

圖3為DK55+580 斷面工字鋼應(yīng)力與時(shí)間的曲線。從圖3可以看出，應(yīng)力最大的位置出現(xiàn)在右拱腰，這與隧道塌方發(fā)生在右拱肩位置有關(guān)。隧道開(kāi)挖后應(yīng)力急劇增大，在右拱腰上應(yīng)力最大接近200 MPa，而且隧道硐內(nèi)出現(xiàn)環(huán)向裂紋現(xiàn)象，為防止隧道再次發(fā)生塌方，施工單位立即采取緊急措施停止對(duì)掌子面的開(kāi)挖，并及時(shí)將隧道封閉成環(huán)，經(jīng)處理后，各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值逐漸穩(wěn)定。

5 數(shù)值模擬分析

5.1 模型的建立

采用FLAC3D軟件模擬計(jì)算塌方區(qū)開(kāi)挖支護(hù)后的豎直、水平方向的最終位移，圍巖尺寸大于隧道3倍硐徑，前進(jìn)方向取塌方段長(zhǎng)度23 m，隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)采用殼體結(jié)構(gòu)單元(shell)進(jìn)行模擬。為使施工模擬過(guò)程盡可能與實(shí)際一致，對(duì)隧道開(kāi)挖分三步進(jìn)行：

(1)左右導(dǎo)硐的開(kāi)挖；

(2)核心土開(kāi)挖；

(3)初支并增加混凝土核心柱。圍巖及支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表1。

5.2 模擬結(jié)果及分析

由模擬隧道開(kāi)挖過(guò)程得知，初期支護(hù)及增加混凝土核心柱后拱頂沉降變化量逐漸減小，左右導(dǎo)硐的拱頂沉降值分別為17.84、34.32 mm，DK55+975模擬斷面各點(diǎn)位移見(jiàn)表2。圖 4～圖5為圍巖豎直和水平方向位移的變形云圖，對(duì)比開(kāi)挖未支護(hù)前變形云圖，隧道變形明顯減小，說(shuō)明留設(shè)核心土可有效減小工作面的拱頂下沉，可增強(qiáng)隧道圍巖的穩(wěn)定性。對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值基本符合，說(shuō)明隧道塌方后采取的加固措施行之有效，可供類似工程參考。

圖1 斷面收斂位移-時(shí)間關(guān)系曲線

圖2 拱頂下沉量-時(shí)間關(guān)系曲線

圖3 各測(cè)點(diǎn)鋼拱架應(yīng)力 - 時(shí)間曲線

表1 計(jì)算參數(shù)取值

表2 FLAC3D 模擬各點(diǎn)最終位移/mm

圖4 圍巖支護(hù)Z向位移云圖

圖5 圍巖支護(hù)X向位移云圖

6 結(jié) 論

結(jié)合北碚站塌方事故，分析引起塌方的原因，通過(guò)采取護(hù)拱法和臨時(shí)回填法兩種加固處理措施，維護(hù)了塌方段的穩(wěn)定。得出如下結(jié)論：

(1) 通過(guò)采取具體工程實(shí)例，得出對(duì)大斷面淺埋隧道施工而言，能否合理留設(shè)核心土，對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性影響甚為重要。

(2) 采用護(hù)拱法和臨時(shí)回填方案處理隧道坍塌后，順利通過(guò)了坍塌及變形地段，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬結(jié)果證實(shí)處理方案效果明顯，對(duì)類似工程事故處理有一定的借鑒作用。

參考文獻(xiàn)：

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