苗景川,肖鵬帥,洪富義,陳諾,李文杰,梁斌*

(1.中鐵十五局集團(tuán)第一工程有限公司,西安 710018; 2.河南科技大學(xué)土木工程學(xué)院,洛陽(yáng) 471000)

隨著中國(guó)交通建設(shè)的快速發(fā)展,在軟巖山區(qū)將不可避免修建大量深埋隧道,增大了施工的難度和安全風(fēng)險(xiǎn)。由于軟巖山區(qū)圍巖條件復(fù)雜、巖體力學(xué)參數(shù)不準(zhǔn)確、節(jié)理裂隙眾多等原因,隧道在施工過(guò)程中極易發(fā)生塌方等事故,塌方事故不僅造成經(jīng)濟(jì)損失和工期延誤,而且對(duì)施工人員的生命安全產(chǎn)生極大威脅[1-5]。

孫瑞義等[6]依托懷邵衡鐵路蒼稼嶺隧道工程,基于層次分析法建立復(fù)雜山嶺隧道的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型,確定了該隧道風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為較高風(fēng)險(xiǎn),提出了針對(duì)塌方風(fēng)險(xiǎn)的具體應(yīng)對(duì)措施;侯艷娟等[7]結(jié)合典型事故案例統(tǒng)計(jì),根據(jù)其演化過(guò)程將塌方事故分為圍巖失穩(wěn)、結(jié)構(gòu)失效和環(huán)境失調(diào)3種類型,指出了塌方原因及控制措施;徐海清等[8]以武漢地鐵六號(hào)線隧道為背景,基于沙漏型地面塌陷機(jī)理提出具體巖溶處置措施,并通過(guò)數(shù)值模擬驗(yàn)證其合理性;李?yuàn)W等[9]通過(guò)有限元極限分析法,從邊坡安全性研究隧道洞口段塌方模式和機(jī)理,驗(yàn)證管棚施工的必要性;于麗等[10]基于非線性摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)測(cè),運(yùn)用極限分析上限法,研究各參數(shù)對(duì)塌落體范圍的影響,計(jì)算深埋土質(zhì)隧道塌落體范圍;王秋生等[11]依托黃韓侯鐵路如意隧道工程,分析隧道塌方原因,提出相應(yīng)的處理措施并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和數(shù)值模擬對(duì)其效果進(jìn)行評(píng)價(jià);吳永波等[12]通過(guò)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬,對(duì)軟巖隧道拱頂塌方機(jī)理進(jìn)行研究,結(jié)果表明應(yīng)加強(qiáng)保護(hù)的區(qū)域是拱頂上方一倍洞徑高度范圍內(nèi)的圍巖;單超等[13]通過(guò)有限元軟件建立Ⅳ級(jí)圍巖淺埋隧道力學(xué)模型,模擬分析支護(hù)調(diào)整前后拱頂沉降和拱腰收斂,確定了預(yù)留變形量的大小進(jìn)而降低施工風(fēng)險(xiǎn);安亞雄等[14]通過(guò)142個(gè)隧道塌方事故案例,基于N-K耦合模型,研究出最主要的耦合致災(zāi)關(guān)聯(lián)組合和主要影響因素;張成平等[15]建立模型試驗(yàn)系統(tǒng),分別研究軟弱圍巖深埋隧道和淺埋隧道塌方特征和機(jī)理,對(duì)比分析塌落拱的形狀并提出塌方防控的重點(diǎn);馬士偉等[16]通過(guò)分析軟弱圍巖力學(xué)性質(zhì)和圍巖變形特征,確定防塌方預(yù)警值,并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到驗(yàn)證。劉騰等[17]針對(duì)富水黏土地層盾構(gòu)隧道,對(duì)不排水條件下的開(kāi)挖面穩(wěn)定性進(jìn)行了研究,通過(guò)數(shù)值模擬分析了直徑、埋深比與內(nèi)聚力對(duì)開(kāi)挖面極限支護(hù)力的影響規(guī)律。

盡管不少學(xué)者對(duì)隧道塌方模式、機(jī)理以及預(yù)測(cè)方面有較多的研究成果,但關(guān)于隧道開(kāi)挖時(shí)容易失穩(wěn)位置的研究相對(duì)較少,同時(shí)缺乏對(duì)深埋軟弱圍巖隧道塌方處治措施的研究?，F(xiàn)以樂(lè)西高速公路大涼山2號(hào)隧道工程為研究背景,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況結(jié)合Kastner公式分析塌方機(jī)理,采用軟件MIDAS GTS NX建立力學(xué)模型,對(duì)圍巖應(yīng)力、位移、塑性區(qū)分布進(jìn)行分析,得出隧道圍巖容易失穩(wěn)的位置,提出相應(yīng)的處治措施,并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)驗(yàn)證其合理性,為類似工程提供參考和借鑒。

1 工程概況

大涼山2號(hào)隧道設(shè)計(jì)為分離式隧道,全長(zhǎng)12.5 km,最大埋深774 m,屬于特長(zhǎng)深埋公路隧道,位于云貴高原與川西南山地過(guò)渡帶,東北部與四川盆地毗連,2 000 m左右的一般高程,隧道周邊主要有6條深大斷裂帶。

隧道所處地貌屬構(gòu)造侵蝕深切割高山區(qū),工程區(qū)地表主要為新生界覆蓋,下伏基巖除泥盆、石炭系及第三系缺失外,其余各系地層均有分布,其中以早古生界二疊系,中生界三疊系、侏羅系地層分布最廣,復(fù)雜的巖體結(jié)構(gòu)導(dǎo)致圍巖的穩(wěn)定性較差,施工中部分區(qū)段容易發(fā)生塌方等災(zāi)害。場(chǎng)地屬于美姑河水文單元,地下水主要類型有松散堆積層孔隙水、碎屑巖孔隙裂隙水、碳酸鹽巖夾碎屑巖巖溶裂隙水、巖漿巖裂隙水、斷裂破碎帶孔隙裂隙水類型和含水巖系。隧道洞口如圖1所示。

圖1 隧道洞口

2 塌方事故過(guò)程及機(jī)理

2.1 塌方事故過(guò)程

K105+220～K105+270段隧道平均埋深約420 m,上臺(tái)階開(kāi)挖至K105+233時(shí),掌子面揭示主要為粉砂質(zhì)泥巖,層狀節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體破碎,巖體強(qiáng)度較低,穩(wěn)定性差,為V級(jí)圍巖。2022年9月28日,大涼山2號(hào)隧道開(kāi)挖至K105+233處,掌子面泥砂巖和灰?guī)r交界,受構(gòu)造影響,巖層產(chǎn)狀雜亂,拱頂塌方約186 m3,塌腔約長(zhǎng)2.5 m×寬4.2 m×高4.2 m,此次塌方未造成洞內(nèi)人員傷亡,塌方現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示。

圖2 隧道塌方現(xiàn)場(chǎng)

2.2 塌方原因

該段位于泥砂巖地層與灰?guī)r地層交界處,圍巖以粉砂質(zhì)泥巖與玄武巖為主,中～微風(fēng)化,薄～中厚層狀構(gòu)造,巖體較破碎,綜合劃分為Ⅴ級(jí)圍巖,受斷裂影響嚴(yán)重,局部地段存在層間錯(cuò)動(dòng)或次級(jí)小斷層及褶皺擠壓破碎帶,洞頂易產(chǎn)生剝層狀垮塌或?qū)用媾c節(jié)理切割的塊狀垮塌,側(cè)壁易掉塊。含裂隙水,以點(diǎn)滴狀、線狀為主,在砂巖及裂隙發(fā)育帶、巖體破碎帶有股狀水流,具有承壓性和弱腐蝕性。在裂隙水作用下,巖土體自重增大,黏聚力下降,內(nèi)摩擦角減小,大大降低圍巖自身穩(wěn)定性,引發(fā)掌子面泥砂巖的塌方。

2.3 塌方機(jī)理

原有地應(yīng)力場(chǎng)在隧道開(kāi)挖后受到擾動(dòng)引起應(yīng)力重分布,將圍巖分為淺層圍巖和深層圍巖兩類,淺層圍巖是需要加固才能維持穩(wěn)定的圍巖,深層圍巖是指自身穩(wěn)定性較好不需要加固也能穩(wěn)定的圍巖。淺層圍巖由松弛到離散會(huì)導(dǎo)致圍巖失穩(wěn)破壞,當(dāng)淺層圍巖和初期支護(hù)共同承擔(dān)形變壓力,支護(hù)結(jié)構(gòu)主要承擔(dān)塑性形變壓力時(shí),此時(shí)淺層圍巖處于松弛階段,隨著圍巖塑性區(qū)不斷增大淺層圍巖會(huì)從松弛階段達(dá)到離散階段,在自重作用下淺層圍巖產(chǎn)生的松動(dòng)壓力會(huì)使其發(fā)生失穩(wěn)破壞,導(dǎo)致隧道塌方。由Kastner公式得出最大支護(hù)反力pi與圍巖位移量v0為

(1)

(2)

(3)

式中:Rp為圍巖塑性區(qū)半徑;R0為隧道圍巖半徑;p0為初始地應(yīng)力;α為巖體外塌陷角;c為圍巖的黏聚力;φ為內(nèi)摩擦角;pi為支護(hù)反力;G為塌方體重力。

由式(1)～式(3)計(jì)算最大支護(hù)反力及圍巖位移量,對(duì)設(shè)計(jì)支護(hù)結(jié)構(gòu)及預(yù)防塌方非常重要。

3 數(shù)值模擬

3.1 模型建立

采用有限元軟件MIDAS GTS NX建立塌方段力學(xué)模型,為消除邊界效應(yīng)影響,模型尺寸應(yīng)取隧道跨徑的3～5倍,因此模型圍巖寬度取60 m,高度取60 m,開(kāi)挖深度取30 m。模型兩側(cè)約束水平方向位移,底部為法向位移約束;上部按覆蓋巖層自重施加豎向均布荷載10 MPa,力學(xué)模型如圖3所示。圍巖及材料力學(xué)參數(shù)依據(jù)大涼山2號(hào)隧道地質(zhì)勘察報(bào)告選取如表1所示。

表1 圍巖及材料力學(xué)參數(shù)

圖3 隧道力學(xué)模型

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 圍巖應(yīng)力

圍巖因隧道開(kāi)挖擾動(dòng)的影響而發(fā)生應(yīng)力重分布,原有的力學(xué)平衡被破壞,掌子面四周發(fā)生應(yīng)力松弛。由圖4可知,圍巖最大主應(yīng)力出現(xiàn)在上下兩臺(tái)階交界處,最大值為12.6 MPa,初期支護(hù)產(chǎn)生疲勞裂縫的主要原因是相應(yīng)位置出現(xiàn)應(yīng)力集中,并且由于粉砂質(zhì)泥巖屬于軟弱圍巖,其承載力和穩(wěn)定性較差,在施工擾動(dòng)和裂隙水滲流的共同作用下導(dǎo)致隧道塌方,因此應(yīng)加固上下兩臺(tái)階交界處的初期支護(hù)。

圖4 圍巖應(yīng)力

3.2.2 圍巖位移

由于粉砂質(zhì)泥巖強(qiáng)度小,自穩(wěn)能力差,隧道開(kāi)挖后圍巖力學(xué)平衡遭到破壞,拱頂開(kāi)始下沉,最大沉降量為177.02 mm。同時(shí)圍巖不能承受隧道周邊應(yīng)力產(chǎn)生的塑性變形,拱腰處水平收斂最大值為68.21 mm。圍巖為達(dá)到新的平衡狀態(tài)不斷向隧道內(nèi)部變形,造成仰拱隆起,最大值為65.47 mm。圍巖位移如圖5所示。判斷隧道圍巖穩(wěn)定的重要依據(jù)是圍巖變形情況,收斂應(yīng)變率是最大變形量與隧道開(kāi)挖跨度一半的比值,臨界值為2%,該里程圍巖收斂應(yīng)變率為3.29%,隧道會(huì)發(fā)生塌方,與現(xiàn)場(chǎng)情況相符。

圖5 圍巖位移

3.2.3 圍巖塑性區(qū)

由圖6可知,隧道開(kāi)挖后洞口四周圍巖基本都處于塑性狀態(tài),洞口四周的塑性區(qū)范圍遠(yuǎn)小于掌子面的塑性區(qū)范圍。塑性應(yīng)變集中于上臺(tái)階掌子面處,最大值為3.027×10-2,說(shuō)明上臺(tái)階發(fā)生塑性破壞的可能性較大,在開(kāi)挖過(guò)程中受到爆破擾動(dòng)容易失穩(wěn),與現(xiàn)場(chǎng)塌方情況一致。

圖6 圍巖塑性區(qū)

4 塌方治理措施與效果

4.1 修整塌方體

為便于隧道開(kāi)挖施工設(shè)備的布置,對(duì)塌方體進(jìn)行反壓回填,修整后的塌方體呈三段式臺(tái)階狀,即塌方體遠(yuǎn)離掌子面的一側(cè)向靠近掌子面的一側(cè)呈上升狀。對(duì)塌方體噴射厚約10 cm的C25混凝土進(jìn)行封閉,并采用Φ42 mm鋼花管對(duì)回填體坡腳進(jìn)行注漿加固。掌子面反壓回填如圖7所示。

圖7 掌子面反壓回填

4.2 封閉掌子面

在確保塌方體安全的情況下,在掌子面施作由鋼筋網(wǎng)和C25混凝土形成的管棚導(dǎo)向墻,采用砂漿錨桿連接管棚導(dǎo)向墻周邊與初支背后巖體,同時(shí)在拱頂預(yù)埋兩根108注漿管及兩根70泄水管。在K105+232斷面處設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)以加強(qiáng)塌方監(jiān)測(cè)。噴漿封閉掌子面如圖8所示。

圖8 掌子面噴漿封閉

4.3 塌腔處理

采在拱頂上方打入2根長(zhǎng)15 m的Φ105 mm鋼管,一根泵送混凝土形成厚度不小于2 m的混凝土護(hù)拱,角度為55°,注漿壓力為0.3～0.5 MPa,另一根檢驗(yàn)混凝土是否達(dá)到要求,當(dāng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)會(huì)有水流出,角度為45°。塌腔回填如圖9所示。

圖9 泵送C20混凝土回填塌腔

4.4 超前支護(hù)

如圖10所示,在K105+232處拱部利用管棚鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔并安裝32根長(zhǎng)管棚,管棚端頭應(yīng)伸入基巖3～5 m,環(huán)向間距40 cm,每根長(zhǎng)度20 m。向長(zhǎng)管棚內(nèi)注入水泥漿,以使通過(guò)長(zhǎng)管棚從隧道的拱頂向隧道的兩側(cè)對(duì)塌方體進(jìn)行注漿加固,注漿壓力為0.5～1.0 MPa。在隧道初期支護(hù)的拱頂傾斜布置外層超前小導(dǎo)管和內(nèi)層超前小導(dǎo)管后形成雙層超前小導(dǎo)管,外側(cè)超前小導(dǎo)管的外插角為40°左右,所述內(nèi)側(cè)超前小導(dǎo)管的外插角為25°左右;多個(gè)外側(cè)超前小導(dǎo)管沿隧道的環(huán)向呈等間距布設(shè),相鄰兩個(gè)外側(cè)超前小導(dǎo)管之間的環(huán)向間距為0.5 m。采用雙層超前小導(dǎo)管進(jìn)行二次注漿時(shí),漿液采用水泥-水玻璃雙漿液,注漿壓力為0.5～1.0 MPa,當(dāng)注漿壓力達(dá)到1.5 MPa時(shí)停止注漿。小導(dǎo)管安裝如圖11所示。

圖11 小導(dǎo)管安裝

4.5 塌方段處置效果

采用上述綜合技術(shù)治理塌方后,隧道安全順利通過(guò)塌方段。塌方段初支施工后將初支監(jiān)控量測(cè)設(shè)置為5 m一個(gè)斷面,監(jiān)測(cè)頻率每天不少于2次,以及時(shí)掌握圍巖狀況。監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖12所示。

圖12 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

由圖12可知:在隧道開(kāi)挖過(guò)程中,前20 d拱頂沉降速率和拱腰收斂幅度較大,在開(kāi)挖20 d后都基本穩(wěn)定,拱頂累計(jì)沉降18.3 mm,日均沉降量0.76 mm/d,拱腰累計(jì)水平收斂13.6 mm,日均收斂量0.56 mm/d。監(jiān)測(cè)點(diǎn)的圍巖變形都趨于穩(wěn)定,拱頂沉降和拱腰收斂均滿足規(guī)范要求,說(shuō)明處置效果良好。

5 結(jié)論

針對(duì)大涼山2號(hào)隧道塌方事故,基于Kastner公式并結(jié)合數(shù)值模擬對(duì)塌方機(jī)理進(jìn)行分析,提出相應(yīng)的處治措施,得出如下結(jié)論。

(1)塌方段處于泥巖和砂巖接觸帶,節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體松散破碎,地下水通過(guò)裂隙滲入圍巖,使圍巖強(qiáng)度降低,加上施工擾動(dòng)的因素導(dǎo)致塌方。

(2)隧道最大拱頂沉降為177.02 mm、仰拱隆起最大值為65.47 mm、拱腰水平收斂為68.21 mm,圍巖變形量較大,隧道穩(wěn)定性較差,塑性應(yīng)變集中在上臺(tái)階掌子面處,該處易發(fā)生塑性破壞。

(3)通過(guò)修整塌方體、封閉掌子面、泵送混凝土回填塌腔和大管棚+雙層超前小導(dǎo)管等綜合處治措施能夠有效處理隧道塌方問(wèn)題,現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了這一措施的合理性。