淺埋大斷面隧道塌方處治與數值模擬對比分析

王超林，王興宏，段艷平

(湖南科技大學 土木工程學院， 湖南 湘潭市 411201)

0 引 言

隧道工程由于埋深淺、斷面大等特點，當遇復雜地質條件、設計施工不當時常發生坍塌事故。針對隧道施工過程中發生的坍塌事故，國內學者做了大量研究：陳秋南等[1-2]結合某高速公路隧道工程，分析了隧道坍塌原因及加固措施；韓同春等[3]結合高寶隧道塌方事故，對隧道拱腳塌方事故進行了分析與研究；譚代明等[4]采用有限元方法研究了側部巖溶對隧道圍巖穩定性的影響。

本文結合重慶軌道交通六號線二期北碚站開挖過程中出現的冒頂坍塌事故，對引起隧道坍塌的原因進行分析，結合實際情況對塌方區分段采取護拱法和臨時回填砂漿兩種搶險處理措施，并通過對隧道進行現場監控量測，得到了塌方區加固后隧道圍巖位移及支護結構應力變形規律。同時運用FLAC3D軟件對隧道塌方段進行開挖支護模擬分析，得出圍巖豎向及水平位移變化規律，通過與現場監測結果進行對比，評價隧道塌方后加固措施的有效性。本文所研究的方法、得出的結論可為類似工程提供借鑒參考。

1 工程概況

1.1 隧道總體概況

重慶軌道交通六號線二期北碚站位于北碚區政府對面、北碚嘉陵風情街下。車站內部采用單拱雙層島式，主體采用曲墻+仰拱的五心圓馬蹄形斷面，頂部覆土21.4 m，最大開挖斷面寬23.16 m，高18.34 m，隧道起訖樁號為DK55+955.302～DK56+134.302，總長179 m。內部共設3處風道、4個出入口，其中一個為遠期預留與7號線換乘。車站兩端為復合式TBM區間，主體采用掘進通過，在車站大里程端設置復合式TBM接受導硐。車站屬于特大斷面暗挖隧道，IV級圍巖，采用雙側壁導坑法施工。

1.2 隧道現場塌方概況

自2011年6月車站進入主體以來，由于施工等原因出現多次小型坍塌。2011年8月14日發生嚴重坍塌事故，車站左線DK55+985～DK55+962段側壁導坑發生冒頂，坍塌已延伸至掌子面，長度約23 m。

2 隧道坍塌原因分析

隧道開挖過程中導致坍塌的原因主要有兩類，一是地質因素，即圍巖本身的穩定狀態，二是人為因素，即不適當的設計、施工方法等[5]。

2.1 地質因素的影響

北碚站隧道圍巖不穩定，強度低，屬于IV級圍巖，施工時自穩能力差。圍巖結構松散、風化嚴重，地層裂隙發育，結合差，當隧道穿過時，如無其他支護措施或支護措施不當，一經開挖，潛在應力迅速釋放、圍巖失穩，輕則引起圍巖掉塊、塌落，重則引起塌方。該隧道地下水富水性受地形地貌、巖性及裂隙發育程度控制，補給源主要為大氣降水，水量大小與降水關系密切且受氣候和季節變化影響大，而坍塌時處重慶多降雨季節，降水量大。大量的地表水滲透到地層，加大了地下水對圍巖自穩的破壞。

2.2 人為因素的影響

(1) 設計原因：北碚站設計埋深21.4 m，最大開挖寬度23.16 m，高18.34 m，屬淺埋大斷面隧道；隧道的埋深越淺，涉及破碎巖體的幾率越大；同時隧道的跨度越大，圍巖的自身穩定性越差，發生塌方的幾率便隨之增大。該隧道采用暗挖鉆爆法施工，爆破的震動也會改變巖石力學性能，促使裂隙發育，破壞巖體的完整性。

(2) 施工原因：施工時施工單位支護不及時，不按照設計要求的雙側壁導坑法及縱向施工步序進行施工，未留設核心土等人為因素是導致塌方事故發生的直接原因。

3 隧道塌方事故處治

考慮施工安全和施工進度，根據實際情況對塌方段采取了兩種不同的處理方案。對里程DK55+985 ～DK+970段采用護拱法，處治方案如下：

(1) 噴射C25混凝土對塌腔內壁進行封閉加強處理；

(2) 把護拱拱腳做成擴大基礎，將拱架落在堅實的基巖上；

(3) 采用單層鋼架網噴混凝土結構，對該段進行外部護拱；

(4) 分段護拱支護4 m后，對支護段背后空腔采用泵送C30混凝土進行回填；

(5) 采用I25b工字鋼，并用Φ32自進式錨桿作鎖腳桿，工字鋼外圍澆筑C30混凝土，形成間距為4 m的核心柱；

(6) 在塌腔正上方地表鉆注漿孔注水泥砂漿將空腔回填密實。

對里程DK55+970～DK+962段采用臨時回填砂漿，處治方案如下：

(1) 在里程DK55+970處設置堵頭墻：澆筑1 m厚C30混凝土墻，將塌腔封閉；

(2) 地表設置投料孔：用地質鉆機鉆2個Φ250 mm的投料孔，設置在塌腔最高點處；

(3) 分層回填砂漿，每層厚度控制在0.5～1 m；

(4) 開挖及支護：臨時回填砂漿強度達到設計強度后，采用非爆破施工方法開挖，在核心土一側留1 m厚砂漿作臨時支撐；然后用I25工字鋼鋼架+Φ25雙層連接鋼筋+雙層鋼筋網片+C25噴射混凝土+徑向錨桿+鎖腳錨桿進行初期支護，使之封閉成環。

4 塌方段加固后監控量測

為了解塌方段加固后圍巖的穩定性，對塌方區周圍進行監控量測，以及時了解隧道變形情況，保證隧道施工安全和圍巖穩定。監測項目有：拱頂下沉、收斂位移、拱架應力、地表下沉等項目。

4.1 隧道變形量測及變化規律

圖1、圖2分別是DK55+975斷面拱頂沉降、周邊收斂與時間變化的關系曲線。從圖1可以得知，受塌方段影響，隧道向內不斷收斂，塌方采取加固處治一定時間后才逐漸趨于穩定，最大收斂位移達23.76 mm。圖2表明，塌方處治后該斷面的拱頂沉降不斷增大，其中中間測點變化最為明顯，日沉降量最大達6.7 mm，但最終穩定在26 mm左右，原因在于受塌方的影響，土體原有結構受到破壞，加固處治后一定時間內圍巖仍處于較不穩定狀態，隨著支護逐漸發揮作用，應力得到重新分布，使圍巖再次趨于穩定，證實護拱法與臨時回填塌腔的加固措施達到了預期的目的。

4.2 鋼拱架內力量測及變化規律

圖3為DK55+580 斷面工字鋼應力與時間的曲線。從圖3可以看出，應力最大的位置出現在右拱腰，這與隧道塌方發生在右拱肩位置有關。隧道開挖后應力急劇增大，在右拱腰上應力最大接近200 MPa，而且隧道硐內出現環向裂紋現象，為防止隧道再次發生塌方，施工單位立即采取緊急措施停止對掌子面的開挖，并及時將隧道封閉成環，經處理后，各測點的應力值逐漸穩定。

5 數值模擬分析

5.1 模型的建立

采用FLAC3D軟件模擬計算塌方區開挖支護后的豎直、水平方向的最終位移，圍巖尺寸大于隧道3倍硐徑，前進方向取塌方段長度23 m，隧道初期支護結構采用殼體結構單元(shell)進行模擬。為使施工模擬過程盡可能與實際一致，對隧道開挖分三步進行：

(1)左右導硐的開挖；

(2)核心土開挖；

(3)初支并增加混凝土核心柱。圍巖及支護參數見表1。

5.2 模擬結果及分析

由模擬隧道開挖過程得知，初期支護及增加混凝土核心柱后拱頂沉降變化量逐漸減小，左右導硐的拱頂沉降值分別為17.84、34.32 mm，DK55+975模擬斷面各點位移見表2。圖 4～圖5為圍巖豎直和水平方向位移的變形云圖，對比開挖未支護前變形云圖，隧道變形明顯減小，說明留設核心土可有效減小工作面的拱頂下沉，可增強隧道圍巖的穩定性。對比現場監測結果，模擬結果與現場監測值基本符合，說明隧道塌方后采取的加固措施行之有效，可供類似工程參考。

圖1 斷面收斂位移-時間關系曲線

圖2 拱頂下沉量-時間關系曲線

圖3 各測點鋼拱架應力 - 時間曲線

表1 計算參數取值

表2 FLAC3D 模擬各點最終位移/mm

圖4 圍巖支護Z向位移云圖

圖5 圍巖支護X向位移云圖

6 結 論

結合北碚站塌方事故，分析引起塌方的原因，通過采取護拱法和臨時回填法兩種加固處理措施，維護了塌方段的穩定。得出如下結論：

(1) 通過采取具體工程實例，得出對大斷面淺埋隧道施工而言，能否合理留設核心土，對隧道圍巖穩定性影響甚為重要。

(2) 采用護拱法和臨時回填方案處理隧道坍塌后，順利通過了坍塌及變形地段，現場監測和數值模擬結果證實處理方案效果明顯，對類似工程事故處理有一定的借鑒作用。

參考文獻：

[1]陳秋南，趙明華，周國華，等. 復雜層狀巖層隧道塌方原因分析與加固后信息化施工技術[J].巖土力學，2009，30(3)：650-653.

[2]陳秋南，張永興，劉新榮，等. 隧道塌方段加固后的施工監測與仿真分析[J].巖石力學與工程學報，2006，25(1)：158-161.

[3]韓同春，黃福明，鄭俊清,等. 隧道拱腳塌方施工加固及監測分析[J].巖石力學與工程學報，2011(S2):3443-3449.

[4]譚代明，漆泰岳，莫陽春． 側部巖溶隧道圍巖穩定性數值分析與研究[J].巖石力學與工程學報，2009，28(2): 3497-3503.

[5]陳秋南.隧道工程[M].北京：機械工業出版社，2007：146-208.

[6]JTG D70-2004.公路隧道設計規范[S]. .