超淺埋隧道下穿沖溝邊坡塌方分析與處治

吳東鵬，楊新安

（同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201804）

隧道塌方冒頂是隧道施工中常見的一種事故，已成為造成工期延誤和人們生命財產損失的一個重要安全隱患。對于淺埋隧道坍塌冒頂的分析和處置，國內外工程實例分析較多［1-3］。馬濤［4］探討了淺埋隧道塌方處治中超前支護系統的作用原理，利用有限元手段分析了二次襯砌結構的內力情況，給出了塌方處治方案。汪宏等［5］研究表明淺埋偏壓、圍巖力學性質差及施工支護不當是造成淺埋偏壓隧道塌方的原因。王迎超等［6］開展降雨作用下的塌方機制分析和判據研究，表明降雨是引起淺埋隧道塌方的一個重要因素。王新兵［7］對大斷面黃土隧道下穿既有鐵路段采用雙層支護臺階法的適用性進行了研究。周宗青等［8］分析了淺埋隧道塌方地質災害成因及風險控制。但國內外對隧道下穿沖溝邊坡處塌方冒頂工程研究較少，而從理論上討論其下穿坍塌的機制并提出處置措施的更少。本文以巴準鐵路敖包溝隧道下穿沖溝邊坡施工塌方冒頂工程為例，通過FLAC3D程序模擬隧道施工力學行為，從理論上討論超淺埋隧道下穿沖溝邊坡坍塌的機制，提出處治措施。

1 工程概況

巴準鐵路敖包溝隧道全長3180m，地處內蒙高原低中山區，地形起伏較大，溝梁相間。敖包溝隧道在D1K34+492由下穿運煤道路過渡至下穿沖溝，溝谷深約5m，谷底距隧道拱頂設計標高約4m，隧道上部穿越強風化砂巖夾泥巖，上覆沉積質土。

1.1 地質情況

隧址地層軟弱，大范圍分布砂質黃土、泥巖、礫巖、砂巖夾泥巖，隧道洞身穿越地層為砂巖夾泥巖，屬于Ⅴ級圍巖。下穿段巖層層理走勢平緩，地質構造簡單，隧道上覆三層巖層，依次為Qml4，J1的④21和④22；其中Qml4以砂質黃土為主，稍濕，稍密；④21層為砂巖夾泥巖，全風化，原巖結構已破壞；④22層為砂巖夾泥巖：強風化，原巖結構已破壞。隧道位于J1的④23層，為砂夾泥巖，呈灰綠色，強風化，泥砂質結構，層狀構造，巖芯呈小塊狀。

1.2 設計情況

本隧道為雙線鐵路隧道，水平開挖跨度12.26 m，高度10.55 m；水平最大凈空10.76 m，拱高9.80 m。隧道下穿沖溝邊坡段原超前支護采用φ89大管棚注漿加固，兩組管棚間搭接長度2.5 m，環向間距40 cm，孔徑10～16 mm，孔間距15～20 cm。原支護設計采用網噴混凝土25 cm，支護直徑22 mm，砂漿錨桿12 cm，長2.5 m，環縱間隔為1×1m；鋼筋網直徑8 mm，并用直徑22 mm組合中空錨桿，桿數14，桿長度2.5 m，呈梅花狀布置。

1.3 施工情況

隧道下穿沖溝邊坡段施工采用兩臺階臨時仰拱分部弱爆破開挖，嚴格控制裝藥量和炮眼深度，施工循環進尺2 m·d-1，上下臺階間距30 m。施工前做好排水、導水、防水系統，初期支護采用噴錨支護+格柵拱+鋼筋網的聯合支護形式。二次襯砌采用液壓襯砌臺車，全斷面一次澆筑。裝碴運輸采用無軌運輸。

2 塌方冒頂情況

2012年8月3日，白天持續降水，在隧道放炮開挖至沖溝邊坡正下方時，隧道出現滲水，當天夜間降雨增強，沖溝積水后隧道發生冒頂，坍塌面高4 m、長3 m、寬5 m左右，坍塌的土石方充滿隧道，隧道坍塌伴隨中量涌水。冒頂位置和現場情況如圖1所示。

3 塌方冒頂原因分析

通過設計、施工、監理等各方在現場進行察看和分析后，認為造成本次大規模坍方的原因有以下幾點：

1）該隧道下穿沖溝邊坡段圍巖非常破碎，巖性為全、強風化砂夾泥巖，層狀構造，原巖結構已經破壞。從坍塌體表面觀察，約90%的坍塌體已經完全風化成砂質粘土，粒徑較小，少有結塊。這樣的松散結構，其結合力主要依靠砂粒之間的摩擦力和砂巖層與泥巖層之間的軟弱粘聚力，開挖后難以自穩，極易發生坍塌冒頂。

2）施工期間為當地雨季，降水較多，隧道內常出現滲漏。特別是發生塌方前兩天持續降水，沖溝積水，塌方前5小時隧道內開始發生滲水，泥巖遇水后自穩能力急劇減小。

3）隧道超淺埋，沖溝底部埋深只有4 m，圍巖難以形成拱效應。同時原設計支護形式不能滿足安全與質量要求；先期管棚未能有效改善圍巖條件，未能形成圍巖承載拱［9］；鋼架底腳巖土遇水軟化，承載能力大大降低。

3.1 數值模型建立

該隧道模型斷面采用原隧道斷面，對設計圖利用Midas-gts 劃分網格后導入FLAC3D拉伸形成三維模型。該模型中，隧道淺埋斜下穿沖溝邊坡簡化為二者平面垂直交叉，隧道下穿運煤通道后經沖溝邊坡下穿沖溝。利用FLAC3D中生死單元功能，按照實際工程開挖與支護情況進行模擬。模型如圖2所示。

圖1 隧道冒頂現場情況圖Fig.1 Collapsed hole of the tunnel

圖2 數值計算模型Fig.2 Numerical model

計算模型的水平方向長度取70 m；縱向運煤通道延伸18 m，邊坡延伸2 m，沖溝延伸10 m至模型后邊界；垂直方向從隧道拱頂分別向上4 m和9 m至沖溝底部和地表，拱頂向下45 m至模型底部，模型自上而下為三層巖體。模型的邊界采用位移約束條件，由于沖溝深5 m，坡度較陡，故模型垂直于隧道方向靠近沖刷溝谷面從地面起5 m設為自由邊界，該面5 m以下全約束；頂部模擬真實地表狀況不加約束條件，底部全約束，其余側邊約束了水平位移。

在三維模型中隧道圍巖采用摩爾-庫倫模型，超前大管棚加固。計算過程中，超前大管棚采用Beam單元，噴混和格柵拱、鋼筋網采用加強實體單元，二襯采用Shell單元，錨桿采用Cable單元進行模擬［10］。圍巖、錨桿、大管棚和混凝土襯砌具體幾何參數為實際設計和施工的數值，其物理力學指標取值見表1。

表1 材料特性參數Tab.1 Properties of materials

數值模擬分兩步進行，首先對模型施加重力，生成初始地應力場；然后模擬隧道開挖并支護，分步釋放100%的初始地應力，每部開挖2 m，下臺階滯后8 m，大管棚長12 m，搭接長度為3 m。為模擬隧道下穿沖溝邊坡時持續降水及沖溝積水的影響，從開挖至沖溝邊坡開始，在沖溝底面施加等效水壓力，在隧道軸線兩側寬8 m、長10 m范圍巖體內施加孔隙水壓力；分析水壓力和孔壓施加前后圍巖、錨桿和大管棚的應力、應變以及破壞特征，進而分析坍方的原因。

3.2 數值計算結果分析

通過數值分析可以得出隧道圍巖和支護結構應力、位移與最大不平衡力分布等，借此評價圍巖與支護結構的穩定性和可靠性［11］。主要從以下3個方面進行分析：

1）應力分布情況，包括圍巖、大管棚和錨桿的應力分布。

2）位移分布情況，主要關注垂直方向位移。

3）最大不平衡力分布。

隧道下穿沖溝邊坡前后隧道中軸斷面地層應力分布、大管棚應力分布和錨桿應力分布分別如圖3、圖4所示。隧道淺埋，主要承受上覆土層自重壓力，在隧道下穿沖溝時埋深變得更淺，自重壓力減小；隨著隧道開挖，在沖溝邊坡底部下方有應力突變；深度增加，地層應力逐漸平緩。相比圖3（a）中施加水壓和孔壓作用前接近水平的應力分布，圖3（b）中地層應力分布在沖溝邊坡下部出現明顯的V型突變，表明降水和積水對地層應力分布影響較大。

由圖3中大管棚受力可以看出，隨著隧道開挖逐漸接近沖溝，第二組大管棚（10～23 m）所受彎矩較第一組大管棚（0～13 m）所受彎矩變大。同時，隧道開挖下穿沖溝邊坡，大管棚最前端受力由負彎矩突變為正彎矩，表明沖溝邊坡處圍巖已發生向下塌落趨勢。

由圖4中錨桿受力可以看出，不同部位的錨桿受力不同，拱頂部位錨桿受拉，兩幫部位錨桿受壓，拱頂部位的錨桿受力較大。隨著隧道開挖逐漸接近沖溝，錨桿受力逐漸減小，當隧道開挖下穿沖溝邊坡時，拱頂部位的錨桿受力由受壓突變為受拉，表明隧道存在失穩現象。

從圖4中隧道中軸截面位移云圖可知，隧道開挖至沖溝邊坡前垂直位移較小，隧道底部有小量隆起，沖溝邊坡穩定；隧道開挖至沖溝邊坡后，地層垂直位移急劇增大，邊坡位移極大，說明已經失穩，這個結果與實際發生坍塌的位置一致。

圖3 地層與大管棚應力分布圖（單位：Pa）Fig.3 Distribution of the horizontal stress and beam moment（unit：Pa）

從圖4中最大不平衡力檢測情況可知，隧道在開挖至沖溝邊坡前每個開挖步均能收斂達到平衡；但隧道開挖至沖溝邊坡后，最大不平衡力未有收斂趨勢，難以達到平衡，證明隧道在沖溝邊坡已發生坍塌。

4 處理措施的分析

以上分析探究了塌方冒頂原因，為塌方冒頂處理提供了基本思路和相應判據。綜合相關規范［12］，參照數值分析結果和施工經驗，提出采用邊坡錨固、地表注漿加固和洞內大管棚結合超前小導管加固的綜合處置措施，保證超淺埋隧道下穿沖溝邊坡施工的安全，提高隧道結構的安全性，特別是提高巖體部分圍巖的穩定性。主要包括以下措施：

1）采用錨桿對沖溝邊坡進行加固，錨桿間距為1.2 m×1.2 m梅花型布置；

2）對塌陷區分層回填，碾壓密實，對坍塌體進行注漿加固；

3）地表豎向注漿加固塌陷回填區，注漿范圍向外擴8 m，間距為1.5 m×1.5 m梅花型布置；

4）為了隧道施工和地表道路的安全，對隧道開挖引起的爆破振動進行控制［13］，減緩對周圍環境的影響；

5）洞內采用超前大管棚配合小導管預加固塌陷區，采用長15 m，Φ108 mm大管棚，環向間距40 cm，管棚內插入鋼筋籠，灌注M30水泥沙漿；

圖4 錨桿應力、垂直方向位移分布及最大不平衡力分布圖Fig.4 Distribution of the horizontal displacements，cable force and max unbalanced force

6）初期支護采用工字鋼拱架閉合支撐，間距50 cm，噴射混凝土30 cm，系統錨桿同原設計采用Φ25 mm自進式中空注漿錨桿，間距1.0 m×0.5 m；

7）安裝拱頂型鋼，采用滿堂式鋼管腳手架將拱頂型鋼撐住，直接在拱墻上掏槽，將型鋼拱腳斜向安裝在槽內，打上鎖腳錨桿，噴射混凝土形成保護殼，再開挖巖體；

8）型鋼鋼架由原來的1 m/榀調整為0.5 m/榀；當有條件實施型鋼至基底時，及時安裝型鋼，與拱頂型鋼采用焊接固定，槽內撐腳不拆除，保持整體受力，如此循環反復直至隧道掘進工作面。

5 結論

1）超淺埋隧道圍巖力學性質較差時，持續性降水和積水作用易使圍巖自穩能力驟降，導致圍巖大變形；如施工支護不及時或者支護強度不足，將使圍巖產生較大的應力釋放、圍巖和支護結構產生過大的變形，進而導致坍方冒頂。

2）降水和積水對地層應力分布影響較大；隧道開挖至沖溝邊坡時，大管棚最前端和拱頂部位錨桿受力會發生突變，此時應注意沖溝邊坡處圍巖是否有向下塌落的趨勢；隧道下穿沖溝邊坡后，地層垂直位移可能急劇增大，圍巖及土體最大不平衡力無法收斂，邊坡將產生極大位移，導致塌方。

3）針對該隧道的實際情況，結合數值分析結果，考慮超淺埋和易受降水影響的特殊性，提出采用邊坡錨固、地表注漿加固和洞內大管棚結合超前小導管加固的綜合處置措施，取得了理想的效果，同類隧道的設計和施工可進行參考與借鑒。

[1]李錦平,黃武來.淺埋隧道通頂坍塌整治與思考[J].中國鐵路,1996(7):49-51.

[2]馮秀國.采用地表注漿方法使隧道穿越坍塌區[J].鐵道建筑,1998(2):28-30.

[3]DAY M J.Karstic problems in the construction of Milwaukee′s Deep Tunnels[J].Environmental Geology, 2003,45(6):859-863.

[4]馬濤.淺埋隧道塌方處治方法研究[J].巖石力學與工程學報,2006(S2):3976-3981.

[5]汪宏,蔣超.淺埋偏壓隧道洞口坍方數值分析與處治[J].巖土力學,2009(11):3481-3485.

[6]王迎超,尚岳全,嚴細水,等.降雨作用下淺埋隧道松散圍巖塌方機制[J].哈爾濱工業大學學報,2012（2）:142-148.

[7]王新東.鄭西客專高橋隧道下穿既有鐵路設計與施工[J].現代隧道技術,2012（1）:132-137.

[8]周宗青,李術才,李利平,等.淺埋隧道塌方地質災害成因及風險控制[J].巖土力學,2013（5）:1375-1382.

[9]王全勝,向曉峰.某隧道工程長管棚失效所引起的幾點思考[C].//中國土木工程學會:第五屆中國國際隧道工程研討會文集.北京:中國建筑工業出版社,2011(5):263-267.

[10]陳育民,徐鼎平.FLAC3D基礎與工程實例[M].北京:中國水利水電出版社,2009.

[11]李志勇,晏莉,陽軍生.淺埋偏壓連拱隧道中導洞坍方數值分析與處治[J].巖土力學,2007,28(1):102-106.

[12]中華人民共和國鐵道部.TB10204-2002鐵路隧道施工規范[S].北京:中國鐵道出版社,2002.

[13]張建波,楊新安,何知思.淺埋隧道下穿建筑物爆破振動規律及控制研究[J].華東交通大學學報,2014(1):17-22.