鐵路隧道松散破碎圍巖塌方特征數值模擬分析

李國峰

0 引言

目前我國隧道工程的建設規模空前［1-3］，預計2020年僅我國鐵路隧道建設將達到“兩個一萬”，即10 000座隧道，隧道總長10 000 km。隨著我國鐵路交通基礎設施的建設及其發展規劃，在未來的20年內，將大力發展中西部的交通，而我國中西部地質條件復雜，是構造發育地帶，多山，因此需要修建大量隧道。受地形及構造應力場的影響，當進行隧道開挖時，即使隧道埋深不是很大，也會因為淺部圍巖的破碎，極易產生圍巖塌方破壞。

塌方或者說是坍塌，該種破壞形式在鐵路隧道的松散巖體及破碎巖體中經常遇到，當支護不當時容易發生［4，5］。前者是變形達到一定程度后發生的坍塌，后者是巖塊突然的掉落。

可見塌方一直是隧道建設中經常遇到的一種圍巖失穩模式，嚴重影響施工及后期圍巖的穩定性，隨著中西部隧道建設的增加，如果認識不夠，這種破壞形式會經常遇到，因此對隧道圍巖塌方機理的研究是非常必要的。

1 工程概況

該隧道為設計行車速度160 km/h的并行兩座單線電氣化鐵路隧道，左線長度5 875 m，右線長度6 070 m。左線隧道最大埋深約83 m，最淺埋深24 m，右線隧道最大埋深約70 m，最淺埋深21 m。隧道通過范圍地表分布民宅和208高速公路，交通較為便利。

1.1 地層

本區地層巖性較為簡單，上部為人工填土，坡洪積粉土、礫砂，基巖為第三系上新統泥巖夾砂巖、玄武巖，太古界下統大理巖、太古代花崗巖等。

1.2 不良地質及特殊巖土

1)巖溶:隧道出口段通過處大理巖為可溶巖，經地表調查，有微弱溶蝕現象，如溶孔、溶槽等，未發現溶洞，洞身大理巖具輕微的蜂窩狀溶蝕和溶隙，裂隙寬1 mm～2 mm，屬巖溶不發育地區，對工程無大的影響。

2)膨脹性巖土:隧道洞身經過泥巖夾砂巖，其成巖作用差，泥巖巖質軟遇水軟化，易崩解，根據化驗指標:陽離子交換量(CEC)為209 mmol/kg，蒙脫石含量為13%，自由膨脹率(Fs)為26%，判定泥巖具有弱膨脹性。

1.3 隧道原支護情況

全隧道采用曲墻帶仰拱復合襯砌，初期支護采用錨噴支護，為加強以上均采用了鋼拱架，并采用超前小導管進行預加固，局部特殊地段采用大管棚與小導管聯合支護。超前大管棚采用φ108 mm，一般在洞口使用，環向間距0.6 m。小導管環向間距0.6 m，縱向間距為2.4 m，長度3.5 m。錨桿長度2.5 m～3 m，環向間距1.2 m，縱向間距根據圍巖級別不同，分別為1.0 m～1.5 m。鋼筋網設置在拱墻部位，間距20 cm～25 cm。

1.4 隧道破壞特征

隧道于2008年5月開工，計劃工期29.4個月，施工開始后，左右線及斜井有不同程度的塌方出現，嚴重影響了施工工期，造成了重大經濟損失。

從2008年11月左線洞口邊坡發生塌方以來，到2010年6月23日，共發生了大小29次塌方、大變形及滑塌事故，累計長度344.6 m，在Ⅲ級～Ⅴ級圍巖級別內都有塌方產生，主要發生在泥巖夾砂巖及花崗巖內，其中在泥巖中發生5次，在花崗巖中發生塌方23次，在以上兩類巖性交界處發生塌方1次，其中有2次塌方發生于1號斜井中。由于初次支護開裂及開挖后未及時支護而演化成塌方的有25處，有4處因為初次支護開裂后采取加強支護，保證了圍巖的穩定性。

在Ⅴ級圍巖中發生塌方的規模較大，往往塌陷影響到地表，造成嚴重的安全隱患。

根據現場工程地質條件、施工方法及塌方變形破壞情況分析，該隧道變形塌方破壞有其特殊的地質原因，現場發生塌方的兩類圍巖分別為水平狀泥巖夾砂巖及花崗巖，且發生塌方地段都有地下水的作用。

1)碎塊狀塌落體。無論是花崗巖還是泥巖，塌方體都呈碎塊狀。塊體大小不等，最大的可達到0.8 m。

2)泥巖形成大規模塌方。以泥巖為主的塌方地段形成的塌方規模往往很大，在地表形成塌陷坑，塌方體填塞整個隧道。

3)地下水參與。所有塌方部位都有地下水活動。

4)巖體破碎。在發生塌方的地段，雖然有50%的隧道圍巖設計分級為Ⅲ級弱風化，堅硬完整的花崗巖，但在實際施工揭露圍巖后，發現花崗巖節理發育，富水。

2 塌方特征分析

為了進一步分析隧道由于不同部位的單一巖性弱結構而產生的不同的高冒落及塌方，通過建立原隧道的工程地質模型，采用二維離散元程序UDEC軟件進行數值模擬，再現隧道發生坍塌的過程，確定隧道不同部位單一巖性弱結構對于坍塌發生的影響機制，從而為進一步分析支護對策和優化支護參數提供科學依據。

為了簡化計算模型，將原有隧道形狀轉化為直墻半圓拱型斷面，隧道頂板為松散破碎圍巖，隧道圍巖松動圈很大，冒落性強。在隧道開挖后，破碎頂板不具備承載力，頂板破碎巖體則在上部巖層地應力的擠壓作用下向隧道臨空區整體潰散，形成整體、快速、大量冒落體。松散破碎頂板力學模型圖、顯現特征圖、破壞場圖、應力場圖如圖1～圖4所示。

從對松散破碎頂板圍巖型冒落破壞過程模擬結果可以看出，頂板首先產生大變形，頂板應力高度集中，當應力達到一定數量時頂板巖石破裂并開始冒落，應力開始重分布，隨著時間的增加冒落范圍逐漸擴大，應力進一步向圍巖深部轉移，最后形成高冒落。從位移矢量圖上可以看出兩幫基本沒有發生變形破壞，原因是頂板圍巖強度較小且頂板圍巖破碎，而兩幫底角部位圍巖強度較高，所以導致兩幫變形小，由于冒落致使幫部圍巖應力削弱，最后幫部位移小而頂板形成高冒落。因此，當巷道頂板圍巖為強度較小的破碎巖體而兩幫為強度較高的巖體時，其冒落形式為幫部完好的高冒落。

3 結語

本文分析了鐵路松散破碎圍巖隧道坍塌的影響機制，并運用二維離散元軟件對破碎圍巖結構模型進行數值模擬，再現了隧道頂板巖層離層、彎曲、沉降、開裂直至坍塌的全過程，分析了隧道破碎圍巖的位移場分布特征，并得到以下結論:

1)通過現場實地調查，發現所研究隧道節理裂隙發育的碎裂結構花崗巖及泥巖在施工時發生了多次塌方，部分地段位移過大初期支護產生裂縫。在Ⅲ級花崗巖中發生塌方變形滑塌的事故占總事故的50%。泥巖中發生塌方的規模較大，埋深較淺時，塌方一直會延續到地表。

2)影響隧道圍巖塌方失穩的因素主要是巖體破碎程度、膠結面強度及地下水的影響。因施工揭露圍巖級別與設計圍巖級別有差異，導致超前支護強度偏弱，客觀上增加了塌方的頻率和規模。

3)通過數值模擬再現了松散破碎圍巖隧道頂板坍塌的破壞過程，分析其破壞機理，提出了增加花崗巖圍巖結構強度，改善泥巖力學性質是控制圍巖穩定的關鍵措施。

［1］孫志峰，譚世友，押鵬舉，等.隧道塌方的影響因素與治理方法［J］.建材技術與應用，2006(3):67-68.

［2］李 釗.隧道坍方突發事件風險原因統計及范例推理［J］.鐵道科學與工程學報，2009，6(4):54-58.

［3］李 剛.防坍方救援方案淺析［J］.山西建筑，2007，33(21):335-336.

［4］周 峰.山嶺隧道塌方風險模糊層次評估研究［D］.長沙:中南大學土木建筑學院，2008.

［5］劉 君，孔憲京.節理巖體中隧道開挖與地震作用下圍巖的穩定性［J］.巖石力學與工程學報，2005，24(S1):4929-4933.