黃金隧道塌方冒頂結構計算及特殊設計

張曉東

(廣鐵集團贛韶鐵路有限公司，廣東韶關 512023)

隨著我國鐵路建設的快速發展，工期緊、長度長、地質復雜、施工難度大的隧道大量出現，在施工過程中，容易因圍巖地質突變、超前地質預報工作不深入、監控量測不及時、設計階段地質調查深度不夠、施工階段應對措施不到位等原因，而造成塌方甚至冒頂事故。如何處理好塌方，盡可能降低塌方對施工進度的影響，保證運營安全，顯得越來越重要。一般淺埋隧道塌方且冒頂屢見不鮮，而黃金隧道DK171+085～DK171+050段埋深約70 m，塌方且冒頂并不多見。本文通過結構計算、工程類比，對黃金隧道塌方冒頂提出了合理的處理方案及措施，并結合施工超前地質預報、監控量測等手段，成功通過了此段。

1 工程概況

黃金隧道是贛(州)韶(關)鐵路重點工程之一，全長1490 m，最大埋深約100 m，為單線隧道。隧道位于黃浪水河流經323國道處的上游左側山丘中，屬丘陵地區，地形起伏較大，地勢東北高西南低。隧道圍巖主要為泥巖粉砂巖地層，粉砂巖:淺黃色，全～強風化，巖石風化成土夾碎塊狀，局部夾弱風化巖塊，中厚層狀構造。泥巖:褐黃色，全～強風化，巖石風化成黏性土狀，含少量風化碎塊，泥質結構，中厚層狀構造，遇水易軟化。地下水主要為第四系孔隙潛水及基巖裂隙水，第四系孔隙潛水主要富集于表層土體及全風化基巖中，基巖裂隙水主要富集于強、弱粉砂巖中，粉砂巖節理裂隙發育且滲透性較好，受大氣降水影響大，裂隙水的水位變化隨降水量變化較大。

2 隧道塌方冒頂情況及原因分析

2.1 塌方冒頂情況介紹

2011年9月18日，隧道從出口端向大里程方向施工，施工至 DK171+075，開挖后因滲水出現塌方，19日～22日對塌方進行了封閉及超前注漿處理，采用1∶1的水泥漿摻水玻璃速凝。于23日下午恢復開挖，開挖長度60 cm(1榀鋼架距離)，初噴過程中掌子面滲水量逐漸增加，初噴尚未完成，掌子面便出現大規模的涌泥，涌泥呈軟塑狀，中間夾灰質巖塊，涌泥約250 m3/h，但掌子面一直未穩定，最后累計涌泥約2 000 m3，最后確定洞內塌方范圍為 DK171+085～DK171+050。同時，洞頂塌方延伸至地表，形成了1個長15 m，寬10 m，深7 m的橢圓形圓柱陷穴，凹坑四周地表出現裂縫，最外緣開裂邊界以內面積約2 000 m2，地表裂縫對應隧道里程為DK171+035～DK171+140。如圖1、圖2所示。

圖1 黃金隧道塌方

圖2 黃金隧道塌方縱斷面(單位:m)

2.2 塌方冒頂原因分析

為避免因塌方處理不當而造成新的損失，在塌方冒頂處理前，工程技術人員對隧道塌方冒頂進行了原因分析。

2.2.1 地質條件分析

塌方冒頂段圍巖為泥巖粉砂巖地層，粉砂巖:淺黃色，全～強風化，巖石風化成土夾碎塊狀，局部夾弱風化巖塊，中厚層狀構造。鉆進過程中，孔壁坍塌，并出現掉塊卡鉆現象。泥巖:褐黃色，全～強風化，巖石風化成黏性土狀，含少量風化碎塊，泥質結構，中厚層狀構造，遇水易軟化。

2.2.2 施工原因分析

在施工過程中，由于圍巖較差，出現過多次小塌方，洞內積水嚴重，二襯相對滯后，初期支護不及時，造成圍巖被多次擾動，基底承載力下降，也是導致塌方冒頂原因之一。

2.2.3 其他原因分析

施工期間正值南方雨季，連續的降雨導致圍巖富水增加，開挖后滲水較大，經施工單位現場測量，滲水量15～20 m3/d。夾層遇水膨脹軟化，產生滑動面，易造成圍巖失穩，大面積垮塌;圍巖受地下水作用由局部失穩發展到整體失穩、破壞導致不斷出現坍塌，最終隧道塌方冒頂。

DK171+050處掌子面出現過2次涌水涌泥，造成該段地表至洞頂土體已失穩，洞身上方存在約2 500 m3的空洞區，受空洞內流塑土的影響，掌子面滲水嚴重，滲水量25～30 m3/d，滲水造成出口掌子面掉塊嚴重。

3 塌方處理方案比選

塌方事故發生后，各方對事故的處理提出各自的方案，歸納有以下2種。

3.1 超前注漿+單層初支

該方法主要是對塌方段拱部 150°范圍內采用φ108 mm壁厚6 mm的管棚作為超前支護，環向間距30 cm，施工外插角3°～5°，并及時對管棚進行注漿，注漿材料采用1∶1水泥漿，注漿參數結合現場試驗合理確定。超前支護完成后，隧道分部開挖架設I25a型鋼鋼架，初噴C25混凝土，厚32 cm。加大初支的剛性結構以抑制圍巖的塑性變形，剛性支護能為圍巖提供強有力的支護，在地應力水平較低、塑性變形不大的情況下可以起到防止變形和坍塌的作用。

3.2 超前注漿+雙層初支

此方案與前方案不同的是采用雙層初期支護，架設I18雙層型鋼鋼架，初噴 C25混凝土，厚45 cm。由于坍體為流塑狀的土，含水量高，冒頂段圍巖具明顯的流變特征，變形一般經過初始變形階段、穩定變形階段、加速變形階段從而發生坍方。在近70 m高的坍體內開挖后會在短時間內釋放壓力，從而產生初始的變形，為防止蠕變加速導致坍塌，采取“先柔后剛，控制變形”的方法，在蠕變階段及時施做控制變形的措施，使擾動的軟塑狀坍體的蠕變得到控制并趨于穩定。支護及二襯采用“第一次支護+第二次加強支護+二次鋼筋混凝土結構”，第一次支護為噴錨網、鋼架聯合支護的柔性支護，在加固圍巖的同時可允許釋放部分圍巖變形;第二次初支為鋼架噴混凝土結構以進一步抑制圍巖變形，并為二襯的安全施做提供條件。

3.3 結構計算

鑒于以上2種情況，采用地層-結構模型對2種方案進行了模擬分析，計算范圍水平方向兩側各取70 m，左右邊界約束X方向的位移;上面覆土約70 m，下底邊取距隧道底30 m，下邊界約束Z方向的位移。采用MIDAS-GTS有限元計算分析軟件對隧道開挖建立平面應變條件下的計算模型，模擬施工全過程。初始地應力由有限元法計算，即將自重荷載轉化為等效節點荷載計算初始地應力場。模型屈服準則為莫爾庫侖準則。

(1)單層剛性支護措施模擬分析

單層剛性支護采用梁單元模擬，地層圍巖采用2D單元模擬。計算參數見表1、表2，模型如圖3所示。

表1 計算輸入支護參數

表2 計算輸入土層參數

圖3 二維計算模型

(2)雙層剛性支護措施模擬分析

計算中采用分步來模擬施工過程，假設開挖圍巖應力瞬間釋放30%，第一次支護完成后釋放50%，第二次支護完成后釋放其余20%。施工中的第一次支護及第二次加強支護均采用梁單元模擬，地層圍巖采用2D單元模擬。2次支護之間采用桿單元連接，計算輸入土層參數見表2。計算模型及支護參數見圖4、表3。

表3 計算輸入支護參數

圖4 二維計算模型

(3)計算結果分析

計算過程中分別得到了隧道開挖后，隧道的豎向位移、大小主應力分布圖。單層剛性支護最大位移在拱部為2.36 cm，雙層剛性支護結構，第一次支護拱部最大位移4.05 cm，第二次支護施做后，拱部總位移達到4.88 cm。隧道拱頂、拱腰、拱腳、墻腰、墻腳及仰拱的初支結構特征點處受力見表4、表5。

表4 隧道初支結構受力

表5 隧道初支結構受力

從計算結果來看，單層剛性支護、全環架設型鋼鋼架措施的最不利截面安全系數小于雙層剛性支護的最不利截面安全系數強度要求。因此雙層支護措施相對安全，結構受力相對合理。

4 塌方處理設計方案

通過地層－結構計算分析及結構受力分析，經比較后，對此次塌方冒頂段采用雙層剛性支護結構特殊設計，開挖預留10 cm變形量。

4.1 地表處理

對陷穴及開裂區域加固及防排水處理:在地表沉陷、開裂區域周圍5 m范圍以外設置漿砌片石截水溝，截水溝尺寸0.5 m×0.5 m，防止地表水流入塌落松散體內部;對塌陷的松散體進行注漿加固處理，減輕松散體對初期支護和后期二襯的壓力;在沉陷、開裂區沉降基本穩定且洞內二次襯砌強度達到100%后，對塌陷的松散體回填至略高于原地面，表面采用M10漿砌片石防護，并設置黏土隔水層，防止雨水滲入坑穴。

4.2 洞內處理

4.2.1 進行超前地質預探預報

塌方冒頂段地質專業進行專項設計，利用水平地質鉆機在塌方掌子面的拱頂、拱腰布置4個水平地質鉆孔進行地質探測，確定塌方冒頂的范圍和地質情況，指導塌方冒頂處理。

4.2.2 對鄰近塌方段加固

在塌方段處理前對掌子面后方20 m進行補強加固，防止塌方范圍向后擴大，確保塌方處理過程施工安全。拱部和邊墻采用φ42 mm徑向小導管注漿，以加固圍巖和回填初支背后不密實之處，小導管長6 m，間距1.2 m×1.2 m，注漿材料采用1∶1水泥單液漿，注漿壓力控制在0.5 MPa以內。

4.2.3 塌方段處理

(1)注漿加固塌渣，增強掌子面穩定性

表面加固:采用挖掘機、打夯機將塌方體表面壓實，設 φ8 mm鋼筋網，網格間距20 cm×20 cm，噴20 cm厚C25混凝土及時封閉塌渣，尤其是塌方與拱部接觸部位，防止塌方體繼續擴大。

塌渣加固:為保證安全通過塌方體，管棚施作完成后，對塌方體采取φ42 mm小導管注漿加固的措施，固結坍塌體，以提高塌方體的自穩能力，防止在二次開挖過程中再次發生塌方。漿液采用超細水泥漿，漿液水灰比按照1∶1的比例，小導管長6 m，間距1 m×1 m，梅花形布置。

(2)超前注漿加固巖體

DK171+050～+085塌方段拱部150°范圍內采用φ108 mm壁厚6 mm的管棚作為超前支護，環向間距30 cm，施工外插角3°～5°，并及時對管棚進行注漿，注漿材料采用1∶1水泥漿，注漿參數結合現場試驗合理確定。

管棚施作完成后，對塌方段拱部和邊墻采取φ42 mm超前小導管注漿加固的措施，小導管長6 m，外插角30°～45°，環向間距40 cm，縱向間距1.8 m設1環，注漿材料采用1∶1水泥漿，注漿參數結合現場試驗合理確定。

(3)及時施工并加強支護

①圍巖的塑性變形的發生與開挖斷面的形狀有關，同樣地層及地應力的條件下，斷面開挖越接近圓形受力越有利。結合本線已開工的實際情況為避免另行制做臺車，在隧道內輪廓不變的前提下加大了外墻的曲率。

②DK171+050～+085塌方段采用環形開挖預留核心土法施工，并設立臨時仰拱，臨時仰拱采用I18型鋼鋼架并噴C25混凝土，及時支護、封閉成環。初期支護結構:全斷面I18型鋼鋼架+錨桿+縱向連接鋼筋+鋼筋網片+C25噴混凝土組成的柔性結構，噴混凝土20 cm，允許一定的變形;第二層全斷面I18型鋼鋼架+錨桿+縱向連接鋼筋+鋼筋網片+C25噴混凝土組成的加強支護，噴混凝土25 cm。鋼架間距0.6 m，鋼架間設φ22 mm縱向連接鋼筋，環向間距0.5 m。雙層φ8 mmm鋼筋網，間距20 cm×20 cm。在拱架腳部上20 cm處布設φ42 mm、壁厚3.5 mm的鎖腳錨管，長4 m。

③同時預留變形量適當加大，施工時應通過反饋的監控量測信息及時調整預留變形量和支護參數，以確保襯砌結構和體系的安全，保證最大的沉降不得大于3 cm。

(4)強化隧底

為改善初期支護結構受力，在拱腳和墻角1 m范圍內加大開挖尺寸后噴射混凝土，增大受力面積，提高承載力。在原設計開挖尺寸的基礎上向外增加50 cm。

(5)洞內排水

在施工現場及時做好集水井及排水溝，及時疏導地下水和施工用水。并做好二襯及初期支護間的橫、縱向排水管，防止運營期間滲漏水。

(6)監控量測

隧道開挖后及時掌握圍巖的變形情況是非常重要的，在隧道的施工中應該重視拱腳水平收斂及拱頂下沉的量測，根據量測數據及時改變施工方案，這對于避免再次塌方是非常必要的。

4.2.4 處理效果

(1)隨著塌方體的掘進，在塌方段內每5 m設置1個斷面分別進行圍巖收斂、拱頂下沉和拱頂壓力的連續監測，通過觀測數據來及時掌握塌方體受力和變形的發展。不間斷的監測結果表明，在整個處理過程中，圍巖沒有發生較大的位移，拱頂最大沉降3.5 cm。

(2)根據對完成后的隧道襯砌變形觀測情況，原塌方冒頂段永久襯砌未發現任何異常。

從本塌方冒頂段處理的結果看，處理是比較成功的。

5 結論及建議

本文主要利用數值計算及工程類比提出了黃金隧道埋深70 m產生塌方冒頂的設計方案，現場實踐及監控量測結果顯示，塌方冒頂段的處理措施是安全、經濟、合理的，在施工期間及施工后，隧道初支及襯砌都是安全的。通過上述分析得到如下主要結論。

(1)隧道施工盡量避開雨季，特別是風化嚴重的軟弱圍巖;加強施工超前地質預探預報，發現異常應及時采取相應措施，避免塌方、冒頂類事件發生。

(2)數值計算和現場監測結果表明:雙層初期支護、超前管棚注漿、環形開挖預留核心土+臨時仰拱法等處理措施對處理黃金隧道塌方冒頂是比較合理的。

(3)根據現場實測資料顯示，在泥巖粉砂巖地層，隧道埋深70 m，通過雙層初期支護，洞內注漿，大管棚超前支護，優化施工方法等一系列措施，效果顯著，塌方冒頂段得以順利通過。

(4)在塌方處理中，對塌方體的保護及采取恰當的開挖工法，是保證塌方處理成功的關鍵。

(5)為了徹底消除工程隱患，為動態設計提供依據，隧道施工過程中應對塌方體進行周密的監控量測。及時利用監控量測結果指導設計和施工。

(6)對埋深70 m的隧道產生塌方冒頂的案例并不多見，通過本工程的實踐，也為其他類似工程提供一定的借鑒意義，在泥巖粉砂巖等不良、軟弱地層的工程，一旦發生塌方冒頂必須采取數值模擬與實踐相結合，經濟技術比選后，主動采取安全合理的措施來保證工程安全、順利完成。

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