淺埋粘土軟巖隧洞整體失穩(wěn)分析與處理技術(shù)

趙金良，賈占軍，李榮偉，2

（1.保定市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，河北 保定 071051；2.保定市江河水利咨詢監(jiān)理有限公司，河北 保定 071051）

隨著國(guó)家大力發(fā)展水利基礎(chǔ)建設(shè)，水利水電工程也越來(lái)越多地遇到軟巖或極軟巖隧洞施工的一系列問題。對(duì)軟巖洞室的研究越來(lái)越受到科研及施工人員的關(guān)注。在應(yīng)力高、含水率大或膨脹性強(qiáng)等特性軟巖中成功掘進(jìn)隧洞的實(shí)例越來(lái)越多，專家及工程師們也逐漸積累了大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)或研究成果［1-3］。但對(duì)具有類似特性的極軟巖隧洞發(fā)生大規(guī)模整體失穩(wěn)的事例報(bào)道不多，其研究成果、治理方案及經(jīng)驗(yàn)更少。

保定市王快—西大洋水庫(kù)綜合管理工程是通過(guò)王快水庫(kù)和西大洋水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度，向白洋淀及保定市一畝泉水源地調(diào)水的長(zhǎng)距離引水工程。其中，灣子隧洞工程是該工程的主要控制性工程，位于河北省曲陽(yáng)縣境內(nèi)。隧洞主洞長(zhǎng)4.45km，采用圓拱直墻式無(wú)壓隧洞，洞寬2.5m，洞高3.35m，其中直墻高2.1m，圓拱中心角180°，縱坡1∶1000，隧洞設(shè)計(jì)流量10m3/s。 灣子隧洞工程出口段圍巖為第三系始新統(tǒng)西坡里組粘土巖（E2x），屬極軟巖。該隧洞出口粘土巖段掘進(jìn)86m后，掌子面拱頂于2009年8月11日先發(fā)生冒頂塌方，隨后掌子面附近46m長(zhǎng)的隧洞整體失穩(wěn)，邊墻內(nèi)移、拱頂下沉、底板起鼓，變形位移達(dá)10～70cm；地表出現(xiàn)多條裂縫，長(zhǎng)度8～25m，縫寬12～20cm。該事故延誤工期173d，處理費(fèi)用約120萬(wàn)元，間接經(jīng)濟(jì)損失400多萬(wàn)元。

本文通過(guò)對(duì)其事故發(fā)展過(guò)程及原因進(jìn)行地質(zhì)定性分析，結(jié)合FLAC3D三維數(shù)值模擬，對(duì)該粘土巖隧洞塌方及變形的發(fā)展，并對(duì)粘土巖隧洞變形特征作定量分析。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)方案比選最終確定了鋼拱架保護(hù)下的“短、頻、快”拆除處理方案。實(shí)踐證明，該方案安全有效，簡(jiǎn)便快捷，經(jīng)濟(jì)可行。

1 淺埋粘土巖隧洞塌方及變形分析

1.1 地質(zhì)定性分析

灣子隧洞主洞出口段（長(zhǎng)750m）巖性分為泥巖和頁(yè)巖，局部夾炭質(zhì)頁(yè)巖或褐煤，飽和單軸抗壓強(qiáng)度0.26～2.49MPa，屬極軟巖。圍巖產(chǎn)狀近于水平，呈強(qiáng)風(fēng)化至弱風(fēng)化，天然狀態(tài)下微含地下水，屬Ⅳ類圍巖，隧洞整體穩(wěn)定性較差。該洞段原設(shè)計(jì)初期支護(hù)采用鋼筋格柵拱架（間距1.0m）、鋼筋網(wǎng)片、噴混凝土（厚度20cm）聯(lián)合支護(hù)。鋼筋混凝土永久襯砌厚度為40cm。

當(dāng)隧洞自出口向上游掘進(jìn)86m時(shí)，發(fā)現(xiàn)掌子面處發(fā)育一條大傾角斷層，后確定為掩埋的廢棄煤井。該煤井回填不密實(shí)，在其影響下，該處掌子面附近洞段粘土巖天然含水量增大，塑性增強(qiáng)。該洞段原設(shè)計(jì)初期支護(hù)鋼格柵拱架底腳未封閉，隧洞底板無(wú)混凝土墊層，初期支護(hù)完成后未及時(shí)進(jìn)行永久襯砌。受到各種不利因素的綜合影響，當(dāng)隧洞掘進(jìn)到廢棄煤井時(shí)，比較松散的回填料失去原有的支撐，瞬間發(fā)生垮落，發(fā)生冒頂塌方，塌方高度16m。掌子面附近洞段近水平圍巖隨之失去持力點(diǎn)，在上述塌方發(fā)生5h后，掌子面附近46m隧洞整體失穩(wěn)，邊墻內(nèi)鼓、拱頂下沉、底板起鼓，變形位移達(dá)10～70cm；該洞段對(duì)應(yīng)的地表出現(xiàn)多條裂縫，長(zhǎng)度8～25m，縫寬12～20cm。

1.2 FLAC3D數(shù)值模擬分析

本項(xiàng)模擬分析應(yīng)用比較流行的FLAC有限差分程序，此程序的基本原理和算法與離散元相似，但它應(yīng)用了節(jié)點(diǎn)位移連續(xù)的條件，可以對(duì)連續(xù)介質(zhì)進(jìn)行大變形分析，特別適合研究軟巖的大變形問題。

1.2.1 數(shù)值模型的建立

灣子隧洞出口屬人工開挖形成的陡坡地形，坡高15～20m，坡度39°左右，洞出口位于陡坡下部。有效差分法數(shù)值模型以自然地表作為頂面，橫向約為10倍洞徑，向上游洞挖方向150m，洞口向下游方向60m，剖分成25140個(gè)單元，結(jié)點(diǎn)總數(shù)27561個(gè)。其中，鋼筋格柵及噴混凝土綜合效用等效為360個(gè)block實(shí)體單元，錨桿等效為400個(gè)cable單元，計(jì)算網(wǎng)格見圖1。

圖1 隧洞數(shù)值模擬模型

用理想彈塑性模型描述介質(zhì)的彈塑性狀，采用摩爾-庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則。除原地表為自由邊界外，模型底部為固定約束邊界，模型四周為單向邊界。僅考慮自重應(yīng)力產(chǎn)生的初始應(yīng)力場(chǎng)。按地質(zhì)勘察所得到的巖體綜合強(qiáng)度指標(biāo)作為分析參數(shù)：天然密度2.12g/cm3，內(nèi)摩擦角15.7°，粘聚力2.2×104Pa，楊氏模量1.2×107Pa，泊松比0.36（不考慮地下水滲流作用）。

1.2.2 計(jì)算結(jié)果分析

粘土巖隧洞全斷面人工采用手持式風(fēng)鎬開挖，簡(jiǎn)化為全斷面分段開挖，步長(zhǎng)為3.0m進(jìn)行仿真計(jì)算，考慮初期支護(hù)效用。分別按毛洞工況（無(wú)支護(hù)）、支護(hù)工況，以及洞挖85m后突遇廢棄煤井等3種工況進(jìn)行了計(jì)算。

1.2.2.1 毛洞工況（無(wú)支護(hù)）

數(shù)值模擬洞挖至15m則模型網(wǎng)格變形過(guò)大而無(wú)法繼續(xù)計(jì)算。

1.2.2.2 正常支護(hù)工況

當(dāng)及時(shí)進(jìn)行初期支護(hù)，并按計(jì)算工況間歇一定時(shí)間時(shí)，雖然拱頂下沉和底鼓位移較大，但圍巖能保持穩(wěn)定。部分成果見圖2、4、5。從圖2知，除洞口因邊坡較陡而出現(xiàn)潛在滑移位移量外，主要表現(xiàn)為底鼓和拱頂下沉，也顯示了拱頂下沉形變范圍隨掘進(jìn)而向前發(fā)展的規(guī)律。從圖3可以看出，垂向位移主要表現(xiàn)為兩側(cè)近似對(duì)稱的底鼓和拱頂下沉，兩側(cè)拱頂下沉位移最大值總體大于底鼓位移量，兩側(cè)邊墻中部幾乎沒有發(fā)生垂向位移。從圖4知，徑向水平位移主要表現(xiàn)為兩側(cè)近似對(duì)稱的內(nèi)縮收斂變形，徑向水平位移最大值位于兩側(cè)邊墻，拱頂至底板中心線上幾乎沒有發(fā)生水平位移。

圖2 縱斷面水平向位移等值線圖（單位：mm）

圖3 橫斷面（y=80m）垂向位移等值線圖（單位：mm）

分析可知，粘土巖隧洞收斂變形主要表現(xiàn)為拱頂下沉、邊墻內(nèi)移及底鼓，且底鼓最大位移量大于邊墻內(nèi)移位移量，拱頂下沉位移量相對(duì)較小。主要原因是，初期支護(hù)在底板位置未封閉，底鼓表現(xiàn)較嚴(yán)重；由于鋼格柵和初期支護(hù)座在軟基上，隨著底鼓變形的發(fā)展，造成邊墻底腳失穩(wěn)，兩側(cè)邊墻隨之發(fā)生內(nèi)移，最后影響到拱頂圍巖的穩(wěn)定性。

設(shè)計(jì)中采用了錨梁網(wǎng)+拱形支架聯(lián)合支護(hù)，它實(shí)際上是一種預(yù)留剛隙柔層支護(hù)，是高應(yīng)力轉(zhuǎn)化最多、圍巖強(qiáng)度保護(hù)最好的一種支護(hù)技術(shù)［4-6］。經(jīng)驗(yàn)表明，如及時(shí)進(jìn)行永久襯砌，這類圍巖的有害變形是完全可控的。

1.2.2.3 洞挖85m后突遇廢棄煤井工況

模擬洞挖至85m后，挖除洞頂上方巖體（長(zhǎng)5m）繼續(xù)運(yùn)算，僅計(jì)算12步網(wǎng)格即發(fā)生畸變而無(wú)法繼續(xù)計(jì)算。分析結(jié)果與該隧洞遇到廢棄煤井后，發(fā)生拱頂冒頂塌方，繼而引發(fā)附近洞段整體失穩(wěn)的情況比較相符。

圖4 橫斷面（y=80m）水平向位移等值線圖（單位：mm）

2 主要治理方案比選

2.1 明挖方案

只能解決塌方和變形段的治理問題，其他粘土巖洞段還需采用洞挖。根據(jù)地表裂縫推算粘土巖臨界坡比為1∶1.0，需按1∶1.5的坡比明挖。該方案主要困難：①土石方開挖和回填量大；②開挖料需運(yùn)到棄渣場(chǎng)堆存；③二次襯砌強(qiáng)度達(dá)到要求后再行分層回填，施工期長(zhǎng)；征地范圍大；軟巖邊坡可能受到降雨影響，如前期工作較慢則可能涉及到冬季施工問題；軟巖基坑較深，邊坡和出坑運(yùn)渣道路維護(hù)較困難；該洞段處理完后，后面將繼續(xù)涉及粘土巖洞挖問題，不能解決工程所遇到的根本問題。經(jīng)核算，設(shè)計(jì)工期為5月，初步預(yù)算直接工程費(fèi)用為340萬(wàn)元。

2.2 鋼拱架和超前小管棚保護(hù)下的拆除處理方案

變形洞段處理時(shí)，先采用型鋼拱架（間距2.5m）對(duì)變形洞段進(jìn)行支撐（如圖5）；變形段和塌方段在拱頂和兩側(cè)邊墻范圍內(nèi)布置超前注漿小導(dǎo)管（準(zhǔn)42mm×3.5mm×3.5m），采用水泥—水玻璃雙液漿進(jìn)行回填灌漿，作為安全預(yù)保護(hù)措施。在雙重保護(hù)下，再拆除已變形的噴層并重新支護(hù)。根據(jù)實(shí)測(cè)斷面確定型鋼拱架尺寸（L、R、H）。本方案已滿足對(duì)掌子面拱頂塌方及推測(cè)延伸段的安全處理要求。

該方案主要困難是：超前小導(dǎo)管及雙液注漿施工技術(shù)要求較高。經(jīng)核算，設(shè)計(jì)工期為3.5月，初步預(yù)算直接工程費(fèi)用為118萬(wàn)元。

2.3 鋼拱架保護(hù)下拆除處理方案

在上述第二方案的基礎(chǔ)上，取消對(duì)隧洞變形段安全預(yù)保護(hù)措施中的超前注漿小導(dǎo)管，型鋼拱架間距加密至1.5m。按“短、頻、快”要求，拆除已變形的噴層并對(duì)其重新支護(hù)。“短、頻、快”是指，在滿足初期支護(hù)中鋼格柵拱架安裝最短距離的前提下，控制對(duì)變形噴層拆除的長(zhǎng)度，越小越安全；由于拆除和重支護(hù)的循環(huán)長(zhǎng)度短而循環(huán)頻率快。方案需保留對(duì)掌子面塌方段處理措施中的超前注漿小導(dǎo)管。

方案要求的技術(shù)復(fù)雜程度中等，需按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行快速支護(hù)。經(jīng)核算，設(shè)計(jì)工期為3月，初步預(yù)算直接工程費(fèi)用為107萬(wàn)元。

圖5 防護(hù)結(jié)構(gòu)布置斷面圖

3 主要施工方法

3.1 型鋼拱架的安裝

將型鋼拱架安裝到原設(shè)計(jì)鋼格柵的部位，鋼拱架底拱直梁封閉。人工開挖槽形坑，將拱架坐落在較完整的基巖上。拱架與現(xiàn)狀洞壁存在空腔部位，采用方木等進(jìn)行充填，保證80%以上的拱架與洞壁密切接觸。

3.2 變形噴層的拆除和重新支護(hù)

人工采用手風(fēng)鎬破碎和鑿除變形噴層，然后重新支護(hù)。拆除鋼拱架間的噴層時(shí)，拱架前后預(yù)留0.25m的保護(hù)圈。變形的噴層拆除后，按原設(shè)計(jì)立即重新安裝鋼格柵拱架。重新安裝的鋼格柵拱架改為底拱封閉，間距加密至0.50m；隧洞底部增加20cm厚的素混凝土墊層。局部超挖嚴(yán)重則改變立柱長(zhǎng)度，確保格柵拱架與拱頂?shù)木o密接觸，并用現(xiàn)澆混凝土回填。

3.3 二次襯砌

當(dāng)處理長(zhǎng)度夠二襯分倉(cāng)長(zhǎng)度時(shí)，即進(jìn)行二次襯砌。為了搶時(shí)間和便于施工，同時(shí)有利于永久襯砌能更好地適應(yīng)圍巖的變形，對(duì)二次襯砌分倉(cāng)長(zhǎng)度作了調(diào)整，由原設(shè)計(jì)的10m調(diào)整為5～8m。為了提高永久襯砌抗力，提高其配筋率，將準(zhǔn)14主筋改為準(zhǔn)18。

4 治理效果

灣子隧洞粘土巖段塌方與大變形治理中，采用本文推薦的治理方案。在方案實(shí)施過(guò)程中，配備了富有經(jīng)驗(yàn)的關(guān)鍵崗位技術(shù)操作人員及專職安全員，對(duì)治理全過(guò)程進(jìn)行了安全監(jiān)控，并配備了運(yùn)行狀況良好的施工機(jī)械，充分準(zhǔn)備了各種原材料和半成品，在型鋼拱架保護(hù)下，按“短、頻、快”拆除處理方案的思路，盡可能縮小拆除段的長(zhǎng)度，確保了快速拆除和快速支護(hù)，為治理方案的成功實(shí)施奠定了基礎(chǔ)。

5 結(jié)語(yǔ)

軟巖隧洞圍巖變形破壞特征及其治理一直是巖土工程界關(guān)注和亟待解決的問題。本文以實(shí)際工程案例為基礎(chǔ)，研究了淺埋軟巖隧洞收斂變形特征，以及在初期支護(hù)后發(fā)生塌方和整體失穩(wěn)的治理措施。結(jié)果顯示，底拱支護(hù)不封閉的粘土巖隧洞收斂變形主要表現(xiàn)為拱頂下沉、邊墻內(nèi)移及底鼓，且底鼓最大位移量大于邊墻內(nèi)移位移量，拱頂下沉位移量相對(duì)較小。軟巖隧洞初期支護(hù)底板封閉很有必要，否則容易發(fā)生底鼓變形，最終將造成邊墻失穩(wěn)，并影響到拱頂圍巖的穩(wěn)定性。本文實(shí)例所述隧洞整體失穩(wěn)是極軟巖性質(zhì)、支護(hù)參數(shù)、施工方法，以及前方突遇廢棄煤井等多種因素共同作用所致。在已變形的隧洞內(nèi)安裝型鋼拱架，然后對(duì)變形支護(hù)體進(jìn)行快速拆除、快速支護(hù)和永久襯砌，是處理極軟巖隧洞初期支護(hù)后塌方和整體失穩(wěn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

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