基于隧道開挖空間效應的掌子面坍塌分析

寧文國

(中鐵電氣化局集團東南公司，江西南昌 330038)

0 引言

隧道是修筑在各種地質體中的穩定的洞室結構。修建于崇山峻嶺之中的山嶺隧道，由于地質條件復雜、構造活動強烈、不良地質災害頻發，具有投資大、施工周期長、工藝復雜、工法轉換多、施工技術復雜、不可預見風險因素多等特點。同時，目前山嶺隧道也正朝著大斷面、扁平化趨勢發展，導致突泥、涌水、坍塌等隧道災害事故頻發。

但是在上述隧道災害中，坍塌、冒頂是隧道施工中最常見的災害現象之一，根據2011年和2012年隧道發生的25起安全事故分析，隧道塌方事故最多，有16起;涌水突泥事故次之，有3起;另外洞內火災和火工品爆炸事故各2起［1-4］。

隧道施工過程中的突發性坍塌常造成嚴重的安全事故。隧道坍塌事故已成為工期延誤、生命財產損失等風險事故的主要原因。2008年7月25日，廣深港鐵路客運專線南沙區獅子洋隧道施工工地發生一起隧道塌方事故;2007年9月2日，合寧鐵路亭子山2號隧道工程在頂部支護換拱作業時發生局部塌方;2012年7月29日凌晨，廈門海滄區在建廈漳公路(廈門段)雷公山隧道右洞在支護作業過程中發生塌方事故;2008年1月20日，鄭西客運專線盤東隧道出口發生隧道塌方;海南環島高速公路大茅隧道的塌方事故造成了特大人員傷亡事故，不但嚴重延誤工期，同時也嚴重影響隧道襯砌、防水質量及運營安全［5，6］。因此，隧道施工中開展坍塌事故的分析，對施工安全、減少生命和經濟損失都具有重要的意義。

本文以在建的杉溪隧道為例，介紹基于開挖空間效應的掌子面坍塌分析中的成功經驗，可為今后類似工程的實施提供參考和借鑒。

1 概況

1.1 工程概況

杉溪隧道位于福建省西北部位，屬剝蝕丘陵地貌單元，微地貌形態為呈近東西向的帶狀陡峻山嶺與山間溝谷相間分布，山巒起伏，地勢陡峭，支溝發育，多呈“V”字形，山坡坡度30°～50°，植被茂盛，高程290.0 m～346.5 m。杉溪隧道為左、右分離式隧道，長222 m，最大埋深52.9 m。

隧址區地處閩西北隆起帶，閩東火山斷拗帶的次級構造單元松溪至建溪拗陷帶，北東向及北北東向構造發育，并且歷經多次構造運動及火山巖漿活動。本區內地表主要為第四系坡殘積土覆蓋，無基巖出露。隧道上覆巖土體由第四系坡殘積層、全風化云母石英片巖組成。第四系坡殘積層主要由松散的粘土組成，可塑～硬塑，結構松散;全風化片呈砂土狀，硬塑～半堅硬。坡積層、全風化云母石英片巖均結構松散，易坍塌，洞口斜坡巖土體的穩定性極差。隧址區地處一呈近東西向分水嶺部位，地表水和地下水都不發育。

1.2 施工概況

杉溪隧道為淺埋、分離式高速公路隧道，全長197 m，隧道圍巖全部為Ⅴ級，施工中采用上下臺階法開挖，上臺階高度為6.4 m，超前下臺階10 m以上，其中洞口段的上臺階開挖時預留核心土，隧道每循環開挖進尺2.0 m。

其施工步驟為:

第一步:開挖上臺階——初支(噴混凝土+錨桿+鋼拱架);

第二步:開挖下臺階——初支(噴混凝土+錨桿+鋼拱架);

第三步:仰拱開挖;

第四步:施作防水板，整體澆筑二襯混凝土。

Ⅴ級圍巖的支護參數如下:φ42超前小導管注漿支護，環向間距為40 cm，長5.2 m，10°角;初期支護為噴 C25混凝土，厚度為25 cm;Φ8鋼筋網，間距20 cm×20 cm;拱部以及邊墻設置φ22錨桿，長3.5 m，梅花形布置，間排距為0.8 m×0.8 m;Ⅰ18鋼拱架支撐，縱向間距為80 cm;仰拱開挖后噴C25混凝土22 cm，4×φ22格柵支撐，縱向間距80 cm;二次襯砌現澆C25鋼筋混凝土，厚度為45 cm。

鑒于隧道斷面跨度比較大、圍巖破碎穩定性差、地形復雜、結構受力不均勻，施工中多次發生坍塌事故。因此，在后期施工的過程中采取加強監控量測，確保工程在安全、可控的條件下有序進行。

2 開挖面支撐的空間效應

處于某一應力狀態的未開挖巖體，均處于一定的應力平衡狀態。在隧道開挖的過程中，將打破巖體內原有的應力平衡，隧道開挖過程中，開挖面的前方是尚未開挖的巖體，后方是已開挖段，開挖面附近的巖體發生應力重分布和變形，此時巖體的力學行為是個復雜的四維時空問題，此時巖體的變形狀態決定著掌子面的穩定性。

對于彈塑性巖土體，其應力—應變關系是非線性的，當洞周的切向應力達到巖土體的屈服條件時，巖體便進入塑性狀態，導致塑性區的出現，從而應力不斷向圍巖深部轉移并同時發生變形，當這種變形超過了圍巖本身所能承受的能力，則圍巖就要發生破壞［8］。圍巖的二次應力場實際上是三維的，因為隧道端部開挖面對圍巖的應力釋放和變形發展都有大的約束作用，使得沿隧道縱向各斷面上的二次應力狀態和變形都不相同，這種現象稱之為開挖面支承的“空間效應”［7］。

縱向變形規律曲線(Longitudinal Deformation Profile，LDP)是指在無支護條件下，以曲線表示的沿掌子面前后隧洞圍巖洞周某點的徑向位移變化，如圖1所示。借助于掌子面空間效應的現場監測，可以獲得隧道開挖的縱向變形規律曲線。其中，水平軸表示分析斷面與掌子面的距離(常采用相對距離x/r)。豎直軸表示距開挖面一定距離處的洞壁變形u(x)與距掌子面無限遠處同一位置的洞壁變形u(在掌子面空間約束效應影響范圍之外)之比(歸一化位移)。

圖1 縱向變形規律曲線圖

3 現場監測

根據杉溪隧道的地質概況和開挖方式，隧道開展的主要監測工作為拱頂下沉和圍巖收斂。

3.1 監測方案

在上臺階初期支護混凝土噴射完畢并固結后，按圖1所示位置在拱頂處布設沉降監測點。測點的布設在避免爆破作業破壞的前提下，盡可能靠近工作面埋設，后視點應布設在距離觀測點3倍洞徑以外的穩定點處;測量時將鋼尺掛在拱頂測點，讀鋼尺讀數，同時讀取后視點標尺讀數;測量儀器采用萊卡高精度水準儀、平板測微器，最小讀數0.01 mm，量測精度±0.06 mm。圍巖收斂監測點的布設原則同拱頂沉降點，測點布設如圖2所示。測點布設斷面分別為ZK27+574，ZK27+585和ZK27+596。

圖2 監測點埋設剖面圖

3.2 監測結果及縱向變形規律

本文選擇拱頂沉降量來研究隧道開挖過程中圍巖的變形規律。3個監測斷面處的拱頂沉降監測結果如圖3所示。

圖3 縱向變形規律曲線

根據以上3個斷面拱頂沉降監測結果研究發現:3個斷面監測圍巖的變形趨勢基本一致，都隨著掌子面的接近而逐漸增大，遠離而減小;當掌子面距離監測斷面為1倍洞徑時，監測斷面處開始產生明顯變形;當掌子面超前監測斷面為2倍洞徑時，監測斷面處的沉降達到總變形量的80%以上;當掌子面距離監測斷面超過4倍洞徑時，監測斷面的變形達到最大。由此可見，根據掌子面的空間效應分析可知，圍巖的變形主要發生在掌子面前2倍洞徑和掌子面后4倍洞徑范圍內。掌子面與監測斷面重合時的歸一化位移比分別為0.36，0.45和0.43。因此，在實際施工過程中，應特別注意掌子面剛開挖通過的隧洞洞段的變形，應及時進行噴錨支護和監測點布設工作，并及時開展監控量測。同樣，將穩定圍巖段的監控量測結果與剛開挖段圍巖的監測結果相比較，根據掌子面的空間效應可以預測前方掌子面的穩定性。

3.3 掌子面坍塌的預警

隧道在掘進過程中發生大變形、坍塌等險情往往發生在毛洞開挖后到支護完成前這一時間段內，尤其在淺埋、破碎、松散的洞口地段。因此，利用監控量測對潛在的險情作出提前預警，對于隧道安全施工具有重要意義。本文通過對監控量測的拱頂下沉的研究分析，應用掌子面的空間效應理論成功預報杉溪隧道的掌子面坍塌事故的發生。

里程ZK27+562處于11月19日上臺階開挖，并施作初期支護，監測單位同步埋設監測點并開展監測工作，伴隨隧道開挖掘進，監測斷面ZK27+565處圍巖變形持續增大，其監測結果如圖4所示。

圖4 拱頂沉降—監測時間曲線圖

如圖4所示拱頂沉降監測結果表明，11月19日上臺階開挖后圍巖發生顯著變形，之后隨著上臺階逐漸遠離和下臺階的逐漸靠近，圍巖變形持續增大，但變形趨勢較平緩，截止11月26日晚，拱頂累積沉降量發展到38.4 mm。11月28日下臺階開挖通過時，拱頂累積沉降量發展到77.6 mm，2 d的沉降速度為19.6 mm/d。圍巖變形監測結果表明，下臺階開挖通過后圍巖變形量和變形速度增大，有進一步惡化趨勢。應用掌子面的空間效應分析，掌子面與監測斷面重合時的歸一化位移比達到0.55，要遠大于穩定圍巖的最大數據0.45。

鑒于圍巖變形具有持續增大的趨勢，11月29日凌晨發出掌子面坍塌預警，29日中午時，掌子面圍巖發生坍塌事故，塌方量達到48 m3，同時地表形成一個約為7 m2大，3 m深的塌坑，如圖5所示。

圖5 掌子面和地面坍塌圖

4 結語

對于淺埋、大斷面、破碎巖體中采用新奧法施工的隧道，施工過程中的監控量測是其必不可少的重要環節。通過對監控量測數據的比對分析，不僅能預報開挖后圍巖的穩定性，同時，通過拱頂沉降結果的分析和研究，采取將穩定圍巖段的監控量測結果與剛開挖段圍巖的監測結果相比較，根據掌子面的空間效應可以預測前方掌子面的穩定性。本研究分析方法可為類似隧道工程提供參考借鑒。

［1］ 戴 剛.新奧法隧道圍巖施工監控量測技術［J］.鐵道建筑，2006(7):31-32.

［2］ 申玉生，高 波.雙連拱隧道施工偏壓力學特性的監測與分析研究［J］.巖土力學，2006，27(1):1733-1739.

［3］ 陳柚州，何正文，鞏 文.巖石隧道開挖面空間效應及其機理的研究［J］.工程科技，2009(4):203-207.

［4］ 王夢恕.對巖溶地區隧道施工水文地質超前預報的意見［J］.鐵道勘查，2004(1):7-9.

［5］ 李術才，薛翊國，張慶松，等.高風險巖溶地區隧道施工地質災害綜合預報預警關鍵技術研究［J］.巖石力學與工程學報，2008，27(7):1297-1307.

［6］ 劉泉聲，白山云，肖春喜.基于現場監控量測的龍潭隧道施工圍巖穩定性研究［J］.巖石力學與工程學報，2007，26(10):1982-1990.

［7］ 劉志春，李文江，朱永全.淤泥質地層地鐵隧道施工地表沉降預測及分析［J］.巖土力學，2005，26(10):1681-1684.

［8］ TB 10108-2002，鐵路隧道噴錨構筑法技術規范［S］.