林禮華

（福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，福州 350004）

0 引言

1999 年建成通車的原后祠隧道位于龍巖市適中鎮(zhèn)上鄭村與后祠村之間，屬雙洞兩車道分離式隧道，新建后祠隧道為在原址上的改擴(kuò)建工程。 隧道采用的改擴(kuò)建方案受路線控制，上行線（漳州往龍巖方向）為原后祠隧道右洞兩車道擴(kuò)建為四車道，下行線（龍巖往漳州方向）為左洞利用，并在其外側(cè)新建三車道隧道，如圖1 所示：

新建后祠隧道凈空14.0×5.0m （寬×高）， 最大跨度17.0m； 起訖樁號(hào)為ZK130+473～ZK132+015， 長(zhǎng)1542m。2014 年12 月5 日，新建后祠隧道在施工時(shí)發(fā)生坍塌，坍塌樁號(hào)為ZK131+876.2（二襯施作至樁號(hào)ZK131+881.5），距出口洞門約140m，距掌子面約150m，塌體延伸至地表形成冒頂。

圖1 后祠隧道混合關(guān)系圖

1 工程背景

1.1 地質(zhì)概況

隧道區(qū)屬構(gòu)造-剝蝕低山地貌，地形起伏較大，山坡較陡。 左洞出口端自然山坡坡度20～30°，圍巖以坡殘積土-強(qiáng)風(fēng)化花崗巖為主。坡體主要為坡殘積土，強(qiáng)風(fēng)化巖，且厚度較大，橫向坡度較陡，存在偏壓，水量較貧乏。塌方段地質(zhì)縱斷面見(jiàn)圖2。

圖2 新建后祠隧道左洞出口段地質(zhì)縱斷面圖

1.2 塌方情況

本次塌方段圍巖為Ⅴ級(jí)， 隧道埋深41m， 屬深埋隧道。 塌方使拱頂?shù)乇硇纬梢粋€(gè)17.8m×15.4m 的近似方形陷穴，坍塌中心位于隧中左側(cè)5m。塌方時(shí)，隧道已開挖至ZK131+711， 坍塌口樁號(hào)ZK131+876.2～ZK131+879.5，二襯已施作至樁號(hào)ZK131+882.435， 臺(tái)車位于ZK131+884.935（見(jiàn)圖3）。

圖3 隧道塌坑橫斷面

有關(guān)隧道塌方的研究主要集中在圍巖穩(wěn)定性、 失穩(wěn)預(yù)測(cè)以及塌方機(jī)理等方面，研究手段以數(shù)值模擬為主，對(duì)塌方后隧道襯砌結(jié)構(gòu)的變更設(shè)計(jì)， 特別是深埋隧道塌方冒頂后結(jié)構(gòu)受力與設(shè)計(jì)方面的研究較少， 大部分根據(jù)工程類比，結(jié)合地層-結(jié)構(gòu)法做定性分析，或者應(yīng)用全土柱理論，進(jìn)行偏保守的設(shè)計(jì)[1]。本文應(yīng)用結(jié)構(gòu)-荷載法的基本原理，結(jié)合太沙基理論[2-3]，對(duì)大跨深埋隧道塌方冒頂后的圍巖壓力提出新的計(jì)算模式， 在采用規(guī)范公式計(jì)算得出的圍巖壓力的基礎(chǔ)上， 通過(guò)考慮坍塌冒頂對(duì)圍巖力學(xué)參數(shù)的降低及坍塌體對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加荷載， 來(lái)綜合考慮隧道塌方冒頂后的圍巖壓力，計(jì)算結(jié)果更為科學(xué)，對(duì)類似工程也具有較好的借鑒意義。

2 事故原因分析及治理措施

2.1 事故原因分析

由于地下工程及地質(zhì)復(fù)雜性， 隧道工程的設(shè)計(jì)與施工主要是工程類比法結(jié)合數(shù)值模擬進(jìn)行定性分析和少量的定量分析， 決定了隧道的設(shè)計(jì)必須在施工過(guò)程中結(jié)合實(shí)際地質(zhì)情況以及監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整， 以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。實(shí)際施工中，圍巖變化頻繁，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)精度低，監(jiān)控量測(cè)不重視甚至編造數(shù)據(jù)， 致使淺埋隧道容易發(fā)生坍塌事故，冒頂也屢見(jiàn)不鮮，而對(duì)于深埋隧道或埋深較大的隧道，坍塌冒頂情況并不多見(jiàn)[4]。從工程技術(shù)角度分析，本次塌方冒頂?shù)闹饕蛉缦拢?/p>

（1） 原設(shè)計(jì)為雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工， 實(shí)際為上下臺(tái)階法，且支護(hù)不到位，圍巖擾動(dòng)較大，自穩(wěn)能力降低；

（2）二襯至掌子面距離過(guò)大，達(dá)150m，初支承受圍巖壓力時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，且初支強(qiáng)度較低，未達(dá)到設(shè)計(jì)要求；

（3）違規(guī)進(jìn)行換拱作業(yè)，進(jìn)一步削弱土體自穩(wěn)能力，加大了初支受力。隧道坍塌冒頂之前出現(xiàn)過(guò)小塌方，未引起足夠重視，且施工監(jiān)控量測(cè)不到位，最終導(dǎo)致由局部塌方發(fā)展為坍塌冒頂。

除上述主要原因外， 以下原因也是本隧道塌方冒頂?shù)挠绊懸蛩兀?/p>

（1）新建后祠隧道雖屬深埋地段，但埋深僅41m，且坍塌段屬偏壓地段，隧道開挖引起應(yīng)力重分布，低處易產(chǎn)生側(cè)移。

（2）本隧道地下水總體比較貧乏，但受季節(jié)性降雨影響較大，圍巖經(jīng)雨水的長(zhǎng)時(shí)間浸潤(rùn)會(huì)發(fā)生軟化，導(dǎo)致力學(xué)指標(biāo)降低，產(chǎn)生滑動(dòng)面，造成圍巖由局部失穩(wěn)發(fā)展到整體失穩(wěn)，最終導(dǎo)致坍塌冒頂。

綜合以上分析，并結(jié)合其它類似事故，可知深埋隧道發(fā)生塌方冒頂?shù)脑虼蠖嗯c塌方所在位置地形起伏大、二襯未及時(shí)跟進(jìn)、初支受力時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、遭遇強(qiáng)降雨使雨水長(zhǎng)時(shí)間滲透等有關(guān)。此外，施工單位未按設(shè)計(jì)及相關(guān)施工規(guī)范施工， 對(duì)于三車道等大跨隧道采用上下臺(tái)階法甚至全斷面法開挖，對(duì)圍巖擾動(dòng)較大，遇到圍巖突變，極易造成塌方事故，應(yīng)引起足夠重視。

2.2 事故綜合治理措施

對(duì)于此類隧道事故治理，首先應(yīng)保證施工期間人員安全，待安全通過(guò)坍塌段時(shí)，再對(duì)坍塌段前后影響范圍的襯砌結(jié)構(gòu)做全面的檢測(cè)，結(jié)合檢測(cè)結(jié)果，進(jìn)行變更方案設(shè)計(jì)。總的原則概括為“一撐二固三換”，主要措施如下（見(jiàn)圖5）：

（1）塌坑四周設(shè)置臨時(shí)截水溝，防止地表水流入塌坑造成再次塌方。

（2）用沙包反壓回填塌方體坡腳，并在塌方體表面噴射早強(qiáng)砼、施作注漿小導(dǎo)管，將塌方體封閉、固結(jié)。

圖4 臨時(shí)支撐設(shè)計(jì)圖

（3）施作大管棚并輔以超前小導(dǎo)管注漿加固，大管棚根部應(yīng)有效支撐在臨時(shí)鋼拱架上 （管棚至少打入基巖3m）；

（4）塌方段嚴(yán)格按照雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，堅(jiān)持短進(jìn)尺、快支護(hù)、早成環(huán)，減少開挖對(duì)周邊圍巖的損傷，充分發(fā)揮其自承能力。 采用雙層初期支護(hù)，具體參數(shù)見(jiàn)表1（K-2）。

圖5 臨時(shí)支撐設(shè)計(jì)剖面圖

（5）待坍塌影響范圍內(nèi)二襯達(dá)到強(qiáng)度后，對(duì)地表塌坑回填至原地面，并設(shè)不小于5%排水坡，施作膠泥防滲層并進(jìn)行綠化。

3 施工方案數(shù)值模擬分析

由于塌方引起隧道周邊圍巖擾動(dòng)， 受力模式已發(fā)生改變，為保證施工安全及后期運(yùn)營(yíng)要求，通過(guò)方案比選及數(shù)值計(jì)算，確定最終方案為：拆除已施工的仰拱，采用ZDK-2 結(jié)構(gòu)形式。

根據(jù)設(shè)計(jì)文件，后祠隧道支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表1。 基于截面換算原理，得出截面換算后的支護(hù)材料和圍巖參數(shù)，見(jiàn)表2、表3：

表1 支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)表

表2 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

表3 ZDK-2 支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)表

基于荷載結(jié)構(gòu)法原理，采用MIDAS GTS 有限元分析軟件進(jìn)行數(shù)值分析，利用梁?jiǎn)卧M襯砌結(jié)構(gòu)，圍巖對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的作用通過(guò)彈性連接（只受壓）單元實(shí)現(xiàn)。 圍巖壓力包括基本荷載（根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D70-2010）8.2.2 ～8.2.4 深埋單洞隧道V 級(jí)圍巖壓力經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算）及塌方引起的附加荷載（按太沙基理論簡(jiǎn)化計(jì)算）。隧道頂坍塌冒頂形成寬約9m 的塌方體視為散粒體，采用K. 太沙基法近似計(jì)算塌方體土柱對(duì)隧道產(chǎn)生的附加荷載，K 值取為1.25，不考慮散粒體粘聚力，圍巖內(nèi)摩擦角為25°，塌方體高度為31m，簡(jiǎn)化計(jì)算圖示如圖6，計(jì)算所得附加荷載與按《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》計(jì)算所得基本荷載疊加，得圍巖最終壓力（見(jiàn)圖7），有限元模型見(jiàn)圖8。

圖6 塌方體附加荷載簡(jiǎn)化計(jì)算圖（單位m）

圖7 圍巖最終壓力圖（單位m）

圖8 有限元模型

采用綜合安全系數(shù)法，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010-2010）對(duì)每個(gè)單元進(jìn)行驗(yàn)算。 驗(yàn)算施工階段強(qiáng)度時(shí)， 安全系數(shù)采用表 《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D70-2004）9.2.4-2，且應(yīng)大于1.53；驗(yàn)算二次襯砌時(shí)，應(yīng)滿足安全系數(shù)大于2.0 的要求。 計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4，內(nèi)力圖見(jiàn)圖9～圖16。

表4 襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

圖9 Z5（加強(qiáng)）初支軸力圖

圖10 Z5（加強(qiáng)）初支彎矩圖

圖11 Z5（加強(qiáng)）二襯軸力圖

圖12 Z5（加強(qiáng)）二襯彎矩圖

圖13 ZDK-2 初支軸力圖

圖14 ZDK-2 初支彎矩圖

圖15 ZDK-2 二襯軸力圖

圖16 ZDK-2 二襯彎矩圖

綜上所述， 方案采用拆除已施工的仰拱及采用ZDK-2 復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，并按雙側(cè)壁法施工，滿足施工安全及后期運(yùn)營(yíng)要求。

4 結(jié)論

本文對(duì)新建后祠隧道左洞進(jìn)口段塌方冒頂原因進(jìn)行分析并提出事故處理措施， 采用太沙基理論并結(jié)合相關(guān)規(guī)范提出冒頂后隧道圍巖壓力計(jì)算模型， 指導(dǎo)襯砌變更設(shè)計(jì)，主要結(jié)論有：

(1)深埋隧道發(fā)生塌方冒頂?shù)闹饕绊懸蛩赜校核剿谖恢玫匦纹鸱?、二襯未及時(shí)跟進(jìn)、初支受力時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、遭遇強(qiáng)降雨、雨水長(zhǎng)時(shí)間滲透等情況，施工時(shí)應(yīng)引起足夠重視。

(2)對(duì)于此類隧道事故治理，總的原則為“一撐二固三換”，首先應(yīng)保證施工期間人員安全，再對(duì)塌方體進(jìn)行加固處理，待安全通過(guò)塌方影響段路后，再進(jìn)行全面檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果指導(dǎo)襯砌變更設(shè)計(jì)。

(3)提出了塌方冒頂隧道圍巖壓力計(jì)算模型，可指導(dǎo)襯砌結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計(jì)，供相關(guān)工程人員參考。