木寨嶺板巖隧道塌方的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)分析及預(yù)防措施研究

王云龍，譚忠盛

（北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 10044）

1 引 言

隨著隧道工程的逐漸增多，穿越板巖地層的隧道工程較為多見(jiàn)，其中蘭渝鐵路中的木寨嶺隧道、毛羽山隧道等備受關(guān)注。除此之外，正在興建的貴廣鐵路也有大部分隧道通過(guò)板巖地層，規(guī)劃中的成蘭高速鐵路很多隧道穿過(guò)板巖或千枚巖。由于板巖具有獨(dú)特的層理特點(diǎn)加之不少板巖自身性質(zhì)軟弱，板巖隧道施工過(guò)程中經(jīng)常遇到各種工程問(wèn)題，以大變形問(wèn)題和塌方現(xiàn)象最為常見(jiàn)[1－6]，這兩種現(xiàn)象往往同時(shí)發(fā)生并且相互促成，給隧道正常施工帶來(lái)諸多影響。由于板巖大部分呈薄層狀或中厚層狀，研究人員往往利用梁板理論對(duì)其變形破壞現(xiàn)象進(jìn)行分析，最具影響力的是孫廣忠[7]提出的“板裂介質(zhì)巖體”理論。之后，有大量學(xué)者針對(duì)這一理論進(jìn)行深入研究和推廣，并廣泛應(yīng)用于層狀巖體穩(wěn)定性的研究中[8－15]。目前對(duì)于板巖隧道塌方現(xiàn)象總結(jié)的文章較少，大部分已有文獻(xiàn)均以塌方問(wèn)題的治理為主要立意[4－6]。

木寨嶺隧道是較具有代表性的板巖隧道工程，隧道在施工中遇到掉塊或塌方等圍巖失穩(wěn)現(xiàn)象，嚴(yán)重影響隧道安全施工，充分認(rèn)識(shí)隧道塌方機(jī)制并采取相應(yīng)的預(yù)防措施對(duì)于今后板巖隧道工程有重要借鑒意義。本文對(duì)典型塌方地段的分析，推導(dǎo)得到塌方產(chǎn)生機(jī)制，結(jié)合工程實(shí)際，本著“以防為主”的原則，提出板巖隧道塌方現(xiàn)象的關(guān)鍵預(yù)防要點(diǎn)。

2 板巖隧道塌方實(shí)例分析

2.1 木寨嶺隧道塌方實(shí)例

新建蘭渝鐵路木寨嶺隧道為雙洞單線特長(zhǎng)隧道，右線起訖里程為DyK173+321.5～DyK192+390，全線長(zhǎng)19 068.5 m，洞身通過(guò)碳質(zhì)板巖區(qū)，板巖及碳質(zhì)板巖段合計(jì)長(zhǎng)8 850 m，占隧道全長(zhǎng)的46.53%，隧道單位正常涌水量約為547.4～1 025.4 m3/d·km，最大涌水量為964.7～7 332.0 m3/d·km。碳質(zhì)板巖的力學(xué)特性與結(jié)構(gòu)面傾角大小相關(guān)，當(dāng)結(jié)構(gòu)面受力后易發(fā)生剪切破壞和產(chǎn)生順層理面滑移破壞，板巖浸水后強(qiáng)度降低50%。碳質(zhì)板巖巖體層理發(fā)育，富含裂隙水，遇水易軟化，圍巖穩(wěn)定性較差，極易產(chǎn)生大變形和局部垮塌。木寨嶺隧道有3個(gè)背斜及2個(gè)向斜構(gòu)造，基巖節(jié)理、裂隙發(fā)育，多呈“X”型，屬高地應(yīng)力區(qū)。

隧道施工中多處發(fā)生大變形、掉塊或塌方現(xiàn)象，以右線DyK183+872.2處為例，2010年12月3日施工至該處時(shí)，拱部右側(cè)發(fā)生塌方，塌腔高3 m，隨即將掌子面堆積封閉并向塌腔灌漿回填，但塌方尚未停止，塌方完成后的正面示意圖如圖1所示。

圖1 塌腔正面示意圖Fig.1 Front view of collapse range

2.2 隧道塌方成因分析

經(jīng)綜合分析塌方斷面處的地質(zhì)條件及施工過(guò)程，認(rèn)為該處塌方形成的原因有以下幾點(diǎn)。

（1）巖體自身特點(diǎn)

塌方斷面基本為薄層狀炭質(zhì)板巖，層厚 5～10 cm左右，層理發(fā)育，層間為泥質(zhì)充填物，巖體自身強(qiáng)度及層間結(jié)合強(qiáng)度都較低。同時(shí)，該處受褶皺影響明顯，巖層傾向不一，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)觀察掌子面圍巖特征，推斷隧道深處基本符合圖2所示的地質(zhì)素描結(jié)果。

圖2 塌方斷面巖層特征Fig.2 Slate layered characteristics of collapse section

巖體的層狀特征對(duì)塌方性態(tài)有顯著影響，結(jié)合塌方腔體形狀及巖層分布特征可以發(fā)現(xiàn)，該塌方能很好的符合層狀巖體的彎折破壞理論，如圖3所示。由于開(kāi)挖后隧道洞壁的徑向應(yīng)力降低而切向應(yīng)力增高，層狀巖體以板的橫彎作用下發(fā)生撓曲至失穩(wěn)破壞。

圖3 彎折破壞示意圖Fig.3 Sketch of bending destruction

（2）地下水的影響

塌方處富含圍巖裂隙水，經(jīng)實(shí)地觀察，該處有地下水呈線狀或股狀流出，因板巖本身遇水強(qiáng)度急劇下降，加之層間泥質(zhì)充填物在裂隙水的作用下基本失去膠結(jié)作用，造成巖體強(qiáng)度降低的同時(shí)因裂隙水帶走層間結(jié)合物，導(dǎo)致巖體完整性的進(jìn)一步破壞。

板巖自身特點(diǎn)極易受地下水的影響，反之，地下水的大量存在又使板巖的工程缺點(diǎn)進(jìn)一步擴(kuò)大，兩者相互促成。

（3）施工原因

由于施工中對(duì)事故后果估計(jì)不足，導(dǎo)致各項(xiàng)施工措施未能達(dá)標(biāo)主要體現(xiàn)在以下方面：開(kāi)挖進(jìn)尺過(guò)大，最大可達(dá)1.5 m左右；開(kāi)挖完成后未能及時(shí)跟進(jìn)初期支護(hù)；鋼拱架加工與施工過(guò)于粗糙，造成其未能達(dá)到較好的受力，并且施工中挖掘設(shè)備操作不規(guī)范以致拱腳大部分懸空。以上原因總體上可歸納為一點(diǎn)即未能及時(shí)對(duì)開(kāi)挖后的巖體進(jìn)行約束，導(dǎo)致其受力狀態(tài)達(dá)到失穩(wěn)臨界點(diǎn)。

2.3 隧道塌方的演化過(guò)程

由上分析可知，隧道塌方受?chē)鷰r地質(zhì)環(huán)境及施工影響，如施工方法得當(dāng)時(shí)大部分塌方現(xiàn)象是可以避免的，正是由于施工方法的不當(dāng)，激發(fā)了板巖的失穩(wěn)，可見(jiàn)木寨嶺隧道的塌方演化過(guò)程主要表現(xiàn)為：施工過(guò)程不當(dāng)→板巖臨空過(guò)多→地下水導(dǎo)致圍巖力學(xué)性質(zhì)過(guò)差→初次塌方并繼續(xù)發(fā)展。

具體過(guò)程：（1）根據(jù)傳統(tǒng)彈塑性力學(xué)理論，隧道開(kāi)挖后洞周出現(xiàn)較大應(yīng)力集中現(xiàn)象，由于施工措施的不得，當(dāng)致使板巖臨空面積過(guò)大，圍巖中的能量大部分通過(guò)變形釋放，洞周?chē)鷰r出現(xiàn)局部破壞并向縱深發(fā)展，為板巖的失穩(wěn)提供了先決條件。（2）由于巖體臨空過(guò)多，地下水的滲流渠道更為廣泛，諸多裂隙水的不斷滲入，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)面填充物隨之流失，層間結(jié)合力基本降至為 0，根據(jù)文獻(xiàn)[9]的分析，層間結(jié)合力的降低減小了板巖失穩(wěn)的臨界力，進(jìn)一步激化塌方現(xiàn)象的發(fā)生。（3）以上過(guò)程基本同時(shí)發(fā)生，在滿足臨界失穩(wěn)的前提下，因隧道右側(cè)巖體出水情況更為嚴(yán)重，率先發(fā)生失穩(wěn)并導(dǎo)致高度達(dá)3 m的塌方現(xiàn)象發(fā)生，右側(cè)發(fā)生塌方后，雖采取灌注混凝土的辦法加以抑制，但因左側(cè)巖體臨近隧道中間一側(cè)基本呈現(xiàn)為簡(jiǎn)支端，圍巖穩(wěn)定性進(jìn)一步降低，最終發(fā)生更大范圍的塌方。

3 板巖隧道塌方機(jī)制

3.1 模型的建立

從以上對(duì)于板巖隧道塌方的分析可以看出，地下水的作用致使板巖層間結(jié)合力幾乎喪失，塌方過(guò)程基本符合板的失穩(wěn)機(jī)制。因此，選取隧道臨空板巖作為研究對(duì)象，并且忽略分析對(duì)象上下的應(yīng)力差，考慮分析對(duì)象自重的影響，取板兩方向受力為 Nx（N/m）、Ny（N/m），并假設(shè) Ny=λNx（λ為 Nx和 Ny之間倍數(shù)）；板長(zhǎng)為a，寬為b，高度為h，單位均為m；巖層傾角為α，簡(jiǎn)化后的力學(xué)模型如圖4所示。

圖4 力學(xué)模型Fig.4 Mechanical model

3.2 失穩(wěn)臨界力的推導(dǎo)

根據(jù)建立的力學(xué)模型，在板在受縱橫荷載作用下并計(jì)入重力G在x方向?qū)x的加強(qiáng)，得到的屈曲控制方程[16]為

考慮板的邊界為四邊簡(jiǎn)支狀態(tài)，則有

對(duì)應(yīng)的曲面函數(shù)為

將式（3）代入式（1）有

式（4）Amn不能全為 0，否則，得到結(jié)果為平凡解，因此大括號(hào)內(nèi)的值必須為0，即

求解式（5）中的Nx為

為求得最小屈曲荷載，必須使m=1且n=1（因m、n為正整數(shù)），此時(shí)，四邊簡(jiǎn)支情況下的最小屈曲荷載為

即為簡(jiǎn)支狀態(tài)下計(jì)入板巖臨空長(zhǎng)度時(shí)圍巖失穩(wěn)的臨界荷載。若模型中巖層傾角為0°，且Ny為0（即λ =0），且簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問(wèn)題，則式（7）變?yōu)?/p>

是文獻(xiàn)[15]中隧道底鼓機(jī)制分析得到的理論解析。

從式（7）可以看出，板巖的穩(wěn)定性主要受以下幾點(diǎn)因素的影響：（1）板的彎曲剛度D是影響板巖穩(wěn)定性的內(nèi)在因素，巖石剛度越大，臨界失穩(wěn)荷載越大；（2）通過(guò)對(duì)式（7）中第一部分的分析，能夠觀察到板巖臨空長(zhǎng)度 b值越大，臨界失穩(wěn)荷載越小，并且這種趨勢(shì)并非線性發(fā)展，臨界失穩(wěn)荷載減小趨勢(shì)更為顯著；（3）當(dāng)巖層重力較大時(shí)式（7）中的第二項(xiàng)越大，失穩(wěn)臨界荷載越小。

3.3 木寨嶺隧道塌方現(xiàn)象的理論分析

木寨嶺隧道開(kāi)挖斷面為6.8 m × 7.2 m，取板的橫向跨度a=3.0 m，其余主要圍巖力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 隧道圍巖力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of slate

利用式（7）求出不同板巖b時(shí)對(duì)應(yīng)的臨界失穩(wěn)荷載，得到λ=0時(shí)不同b的情況下對(duì)應(yīng)的臨界失穩(wěn)荷載見(jiàn)圖 5，同理給出巖層厚度與臨界失穩(wěn)荷載之間的關(guān)系，如圖6所示。

圖5 臨空長(zhǎng)度b與臨界失穩(wěn)荷載的關(guān)系Fig.5 Relation between (Nx)crand b

圖6 巖層厚度h與臨界失穩(wěn)荷載的關(guān)系Fig.6 Relation between (Nx)crand h

從圖5中能夠觀察到，隨著板巖臨空長(zhǎng)度從0.8 m增加至3 m，臨界失穩(wěn)荷載急劇減小，當(dāng)臨空長(zhǎng)度為1 m時(shí)臨界失穩(wěn)荷載換算面力約為12 MPa，考慮隧道處的最大水平主應(yīng)力達(dá)11.6 MPa，尚處于危險(xiǎn)區(qū)域，而現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)的未支護(hù)長(zhǎng)度更大，圍巖的失穩(wěn)破壞在所難免。

同理，從圖6中可見(jiàn)，巖層厚度對(duì)于圍巖失穩(wěn)的影響也比較明顯，當(dāng)巖層厚度達(dá)到 0.15 m以上時(shí)，臨界失穩(wěn)荷載可達(dá)20 MPa左右，這對(duì)于圍巖穩(wěn)定是比較有利的。木寨嶺隧道塌方現(xiàn)場(chǎng)巖層厚度多處于5～10 cm之間，地下水沖刷致使層間 結(jié)合力消失，更加凸顯巖層過(guò)薄的不利影響，最終致使圍巖失穩(wěn)坍塌。

4 板巖隧道塌方的預(yù)防措施

4.1 隧道塌方預(yù)防的主要原則

因隧道塌方事故影響施工經(jīng)濟(jì)、安全、工期等各個(gè)方面，對(duì)板巖隧道塌方現(xiàn)象實(shí)施“預(yù)防為主”的策略是最為合理的。對(duì)木寨嶺隧道塌方段的演化過(guò)程及成因機(jī)制的分析后總結(jié)出如下預(yù)防經(jīng)驗(yàn)。

在勘察階段，應(yīng)做好地質(zhì)勘查階段的工作，對(duì)隧道的地質(zhì)環(huán)境尤其是圍巖巖性、層理結(jié)構(gòu)、地應(yīng)力以及地下水狀態(tài)需綜合認(rèn)識(shí)，對(duì)于危險(xiǎn)地段應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，以便在設(shè)計(jì)上及時(shí)采取相關(guān)措施。

在設(shè)計(jì)階段，對(duì)于隧道的危險(xiǎn)地段應(yīng)盡量采用超前錨桿或管棚等超前支護(hù)措施，抑或根據(jù)地下水發(fā)育情況采取超前注漿等圍巖加固措施，增加圍巖的整體性。從理論分析中能夠看出，這些措施相當(dāng)于增加了層間結(jié)合力、增大了巖層的厚度，對(duì)于維護(hù)圍巖的穩(wěn)定性有很大幫助。

在施工階段，應(yīng)根據(jù)板巖的巖層傾向?qū)λ淼乐械牟焕恢锰崆邦A(yù)判，做出相應(yīng)的設(shè)計(jì)調(diào)整；對(duì)于塌方易發(fā)地段應(yīng)盡量采取降低一次開(kāi)挖跨度的施工工法如CD法等，并盡量采用小進(jìn)尺開(kāi)挖；初期支護(hù)的施作應(yīng)在開(kāi)挖后及時(shí)跟進(jìn)，鋼拱架輪廓應(yīng)與隧道輪廓良好契合并在分步開(kāi)挖時(shí)保證鋼拱架能夠完全受力，起到抑制圍巖失穩(wěn)的效果。

4.2 隧道塌方的預(yù)防效果

木寨嶺隧道DyK183+872.2塌方段事故處理結(jié)束后，在繼后的DyK183+872.2～DyK183+892施工段地質(zhì)條件與塌方段基本一致，設(shè)計(jì)中增加預(yù)留變形量至50 cm，并將原間距為1.5 m的型鋼鋼拱架加密至0.6 m，拱部設(shè)置φ 42 mm超前小導(dǎo)管預(yù)注漿加固圍巖，長(zhǎng)4.0 m，環(huán)向間距為40 cm，縱向搭接長(zhǎng)度不小于 l m。在施工中嚴(yán)格控制開(kāi)挖步長(zhǎng)，并保證鋼拱架的充分受力，在一系列措施的控制下，隧道施工過(guò)程順利，初期支護(hù)穩(wěn)定。圖7為施工過(guò)程中拱頂及右側(cè)拱腰的沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，相對(duì)拱頂而言右側(cè)拱腰處仍有較大的沉降發(fā)生，但逐漸趨于穩(wěn)定，并未造成重大影響。

圖7 實(shí)際監(jiān)測(cè)的沉降數(shù)值Fig.7 Subsidence values of actual monitoring

隧道繼續(xù)沿用三臺(tái)階法進(jìn)行施工，總結(jié)各個(gè)施工步產(chǎn)生的沉降百分比見(jiàn)表 2。由表可以看出，因上臺(tái)階開(kāi)挖完成后拱部巖層基本全部暴露，上臺(tái)階施工完成時(shí)拱頂沉降與拱腰沉降即完成最終沉降的絕大部分，這與理論模型中板的跨度a較大有關(guān)，在類(lèi)似工程采取臺(tái)階法施工時(shí)，應(yīng)對(duì)上臺(tái)階的施工過(guò)程引起足夠的重視。

表2 各施工階段占總沉降量的百分比Table 2 The subsidence ratios in different steps

5 結(jié) 論

（1）木寨嶺隧道塌方的主要原因是板巖自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及施工中初期支護(hù)跟進(jìn)嚴(yán)重不及時(shí)造成的，同時(shí)地下水對(duì)結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度的影響也是較為重要的因素。

（2）層厚較薄時(shí)，運(yùn)用板的失穩(wěn)理論能較好的解釋板巖隧道的塌方現(xiàn)象，理論研究證明板巖臨空長(zhǎng)度過(guò)大或?qū)雍襁^(guò)薄對(duì)圍巖穩(wěn)定最為不利。

（3）對(duì)于板巖隧道的塌方現(xiàn)象預(yù)防應(yīng)確保以“預(yù)防為主”為主要原則，在勘察階段充分認(rèn)識(shí)，并采取措施間接增加巖層厚度，在施工階段應(yīng)盡量采取小進(jìn)尺開(kāi)挖，保證初期支護(hù)的及時(shí)跟進(jìn)。利用這些預(yù)防措施施工后續(xù)工程段圍巖穩(wěn)定，隧道施工順利。

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