用塊體極限平衡理論分析某大跨度隧道事故

黃 躍

（浙江省隧道工程公司，浙江杭州310030）

用塊體極限平衡理論分析某大跨度隧道事故

黃 躍*

（浙江省隧道工程公司，浙江杭州310030）

以新疆某大跨度山嶺隧道塌方事故為實例，分析了事故發(fā)生的主客觀原因，同時采用塊體極限平衡理論分析了事故發(fā)生的整個過程。采取了管超前、嚴(yán)注漿和強支護的措施，確保隧道全斷面安全掘進。實踐證明了塊體極限平衡理論在硬質(zhì)破碎巖體中的適用性。最后，提出了一些可供類似圍巖隧道爆破掘進的預(yù)防塌方事故的方法。

隧道塌方；塊體極限平衡理論；穩(wěn)定性分析；錨噴支護；超前小導(dǎo)管

1 概述

塊體極限平衡理論已成為工程巖體穩(wěn)定分析的一種有效方法，在洞室穩(wěn)定分析中已得到較為廣泛的應(yīng)用。塊體極限平衡理論假定巖體結(jié)構(gòu)面為平面、結(jié)構(gòu)面切割而成的塊體為剛體、塊體失穩(wěn)為脫離巖體或沿結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生剪切滑移等平動形式，利用幾何拓撲學(xué)方法分析不同開挖面上可能出現(xiàn)或己出現(xiàn)的可移動塊體、關(guān)鍵塊體的類型，分析塊體的幾何形態(tài)特征、塊體失穩(wěn)模式；并結(jié)合剛體極限平衡分析，計算塊體的穩(wěn)定性，探討相應(yīng)的工程支護措施[1]。

許多學(xué)者對該理論進行過研究[2-3]，本文吸取這些文獻中對本工程事故分析有用的部分，采用二維塊體極限平衡理論分析對新疆某山嶺隧道事故進行了分析。根據(jù)本事故的結(jié)構(gòu)面調(diào)查、原始資料分析，結(jié)合本山嶺隧道主要節(jié)理產(chǎn)狀的規(guī)律，本文將塊體視為剛體，假設(shè)滑動面為直線，研究作用在塊體上各種力的平衡關(guān)系，找到本次事故的力學(xué)原因，同時指導(dǎo)下一步的開挖掘進。

2 事故概況

2.1 工程概況

本隧道位于新疆，全長700m，分引洞和主洞，主洞室總長259m（樁號為Ⅰ+142.000m～Ⅰ+401.000m），主洞室錨噴支護后最大凈跨14.36m，埋深112.4～138.4m，軸線角度為北偏西72°。《地質(zhì)勘察報告》顯示整個隧道均處于Ⅳ級[4]圍巖。主洞巖性為褐灰色中粗粒蝕變花崗巖，塊狀構(gòu)造，具輕微糜棱巖化。節(jié)理發(fā)育，有明顯1～12mm厚泥質(zhì)物充填。巖石主要由云母、正長石、石英及暗色礦物組成。X共軛節(jié)理發(fā)育，縱向節(jié)理產(chǎn)狀310～320°∠65～75°，90～100°∠5～10°，致使基巖碎塊多在5～200cm。事故段在頂拱以上3m發(fā)育有產(chǎn)狀為100°∠15°的斷層，斷層寬15～20cm，出現(xiàn)斷層土和斷層碎塊，容易垮塌。

2.2 事故發(fā)生過程

隧道開挖過程及事故發(fā)生過程如圖1所示。

本隧道導(dǎo)洞為雙向掘進，右側(cè)右下導(dǎo)洞從引洞與主洞交點（樁號Ⅰ+142）開始沿引洞軸線掘進，左側(cè)中下導(dǎo)洞，凈跨6.00m，從樁號Ⅰ+401往Ⅰ+142掘進。在樁號Ⅰ+180處，左側(cè)導(dǎo)洞提前15.00m停止掘進，右側(cè)導(dǎo)洞在此擴挖出10.00m長全斷面洞室，作為主洞室開挖鉆孔臺架現(xiàn)場組裝場所。該10.00m長主洞室立即按設(shè)計編織?8mm@200mm×200mm鋼筋網(wǎng)，打設(shè)?22mm@ 1000mm×1000mm系統(tǒng)錨桿，噴射C25素混凝土并養(yǎng)護。主洞由Ⅰ+180往Ⅰ+401方向全斷面擴挖掘進。

事故發(fā)生過程：6月30日，鉆孔臺架拼裝完畢，項目部立刻安排爆破掘進班組進尺2.50m，開挖后發(fā)現(xiàn)頂拱有破碎帶，局部掉石塊。項目部經(jīng)與建設(shè)方、監(jiān)理方溝通后，決定將主洞室的頂拱開挖面增高0.80m，這樣更有利于圍巖的整體穩(wěn)定性。因此，項目部安排焊工重新加工鉆孔臺架。由于工序干擾，項目部只對新進尺的2.5m洞室噴射了5cm厚的C25素混凝土。焊工從7月1日開始加工臺架，5d后，發(fā)現(xiàn)頂拱混凝土表面有一條裂縫，接下來幾天，發(fā)現(xiàn)裂縫在擴張。7月10日，臺架整改完畢，焊工將情況告知項目經(jīng)理部。項目經(jīng)理覺得這條裂縫可能是新疆干燥天氣造成的干縮裂縫，為加快進度，準(zhǔn)備再掘進2.50m后一起施作錨噴支護。7月11日，爆破掘進班組開挖掘進2.50m，項目部施工員現(xiàn)場指揮挖機師傅排渣，挖機鏟剛碰到頂拱危巖即發(fā)生塌方，拱頂從前往后發(fā)生大約5.00m長、3.00m寬的塌方，塌方體頂點高2.50m，石方體積約35m3，為中等塌方。挖機整體被埋沒，施工員僥幸逃生。

圖1 隧道開挖及事故發(fā)生過程簡圖

3 事故原因分析

事故原因主要分客觀因素和主觀因素。客觀因素包括圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育、黃色泥質(zhì)夾層厚、爆破對圍巖擾動大、工期緊；主觀因素包括管理人員對風(fēng)險估計不足，沒有及時編織鋼筋網(wǎng)、打設(shè)系統(tǒng)錨桿和噴射混凝土，更主要的是發(fā)現(xiàn)問題了沒有及時處理，抱有僥幸心理和闖關(guān)心態(tài)。

3.1 開挖方法

根據(jù)引洞的開挖情況，本隧道巖石堅硬，節(jié)理裂隙發(fā)育，根據(jù)《巖土工程勘察設(shè)計手冊》，Ⅳ級圍巖跨度大于5.00m時，巖體一般無自穩(wěn)能力，數(shù)日—數(shù)月內(nèi)可發(fā)生松動變形、小塌方，進而發(fā)展為中—大塌方，因此最好使用分布分區(qū)開挖的施工順序。但是建設(shè)方要求加快進度，邀請到現(xiàn)場的專家也認(rèn)為此圍巖在沒有超前錨桿或超前小導(dǎo)管支護的情況下全斷面開挖風(fēng)險也不大，因此項目部采用了中下導(dǎo)洞加無超前支護全斷面擴挖法，這降低了開挖面的穩(wěn)定性。

3.2 爆破的影響

首先，由圖1可知，右側(cè)導(dǎo)洞在樁號Ⅰ+180處分3次擴挖出10.00m主洞，爆破對事故地點頂拱圍巖進行了多次擾動。其次，按照前期施工方案，圖1中左側(cè)導(dǎo)洞提前15m要停止掘進，由于重新加工鉆孔臺架耽擱了10d，項目部安排爆破掘進班組繼續(xù)開挖左側(cè)導(dǎo)洞直至到達樁號Ⅰ+180，爆破又多次擾動了事故地點圍巖。

3.3 僥幸心理

一方面，本項目處于Ⅳ級圍巖，跨度大（毛洞設(shè)計凈跨14.36m），在沒有超前支護的情況下，一次掘進2.50m，開挖風(fēng)險不小；另一方面，現(xiàn)場施工員沒有仔細觀察開挖面的情況，也沒有詳細做記錄；再一方面，現(xiàn)場工人向項目部反應(yīng)了情況，管理人員沒有采取緊急支護措施；接下來的爆破掘進就是點燃事故的導(dǎo)火索。

4 用塊體極限平衡理論分析事故發(fā)生過程

4.1 計算參數(shù)的選取

主要結(jié)構(gòu)面走向和隧道軸線的關(guān)系如圖2所示，結(jié)構(gòu)面傾角平均值為70°，巖層平均厚度為0.8m。巖層內(nèi)部X共軛節(jié)理裂隙發(fā)育，根據(jù)塌落拱觀察，走向與隧道軸線平行有2大節(jié)理，在此命名為節(jié)理1和節(jié)理2，傾角分別為39°和53°（如圖3所示）。巖石為花崗巖，強度高，剛度大；節(jié)理充滿泥質(zhì)充填物，強度低，結(jié)構(gòu)面比較光滑；巖體主要沿結(jié)構(gòu)面張開、滑動、翻滾。滑坡體本身也是破碎巖體，內(nèi)部節(jié)理裂隙非常發(fā)育，巖石碎塊多在5～30cm。本項目地處西北干旱區(qū)，水量貧乏，對開挖過程沒有影響。

圖2 隧道軸線和主結(jié)構(gòu)面關(guān)系

圖3 滑坡體剖面圖

表1 巖石物理性質(zhì)[5,6]

巖石物理性質(zhì)見表1，這些數(shù)據(jù)是通過查閱《地質(zhì)勘察報告》并參照前輩的工程實踐或?qū)嶒灥玫降摹?/p>

4.2 分析過程

（1）基本假設(shè)：

①由于坍塌體四周的結(jié)構(gòu)面填充了黃色泥質(zhì)物，在爆破沖擊波的作用下，節(jié)理1和節(jié)理2張開，可以假設(shè)填充物的粘聚力為0MPa。

②坍塌體上方的巖體能長時間保持穩(wěn)定，可以假設(shè)上方巖體對坍塌體的粘聚力和壓應(yīng)力均為0MPa。

③根據(jù)塊體理論，假設(shè)巖體為剛體，不考慮巖體自身的變形。

④巖體結(jié)構(gòu)面平滑，分析巖體在重力和摩擦力作用下的穩(wěn)定性。

（2）單層滑坡體分析：分析簡圖如圖4所示。

圖4 單層滑坡體示意圖

巖體A下滑力T=G×sin70°=0.94G；

摩擦力T1=N1×f=G×cos70°×f=0.34×0.64G=0.22G；

巖體A左側(cè)的巖體也為不穩(wěn)定巖體，在此假定T2=0；

圖3中節(jié)理1和節(jié)理2張開，2個結(jié)構(gòu)面對巖體A的摩擦力T3=0（結(jié)構(gòu)面與圖4巖體垂直，未標(biāo)示）；滑坡體下方為凌空面。

綜上所述下滑力T＞T1，在圖3中節(jié)理1和節(jié)理2松動張開的情況下，巖體必然沿著主結(jié)構(gòu)面下滑。要使滑坡體穩(wěn)定，掘進之前必須要打設(shè)超前小導(dǎo)管。

（3）多層滑坡體分析：由圖5可知，隧道一次掘進2.5m，開挖面穿越3層滑坡體（D-F滑坡體）。根據(jù)單層滑坡體的分析，在沒有系統(tǒng)錨桿和超前小導(dǎo)管的錨固作用下，隧道一旦掘進爆破，節(jié)理1和節(jié)理2容易張開，多層滑坡體發(fā)生坍塌是大概率事件。本次事故即可由該大概率事件解釋。

6月30日，圖1中樁號Ⅰ+170隧道全斷面掘進2.5m，滑坡體A-C底下成為臨空面，再加上爆破沖擊波對滑坡體的影響，節(jié)理張開，滑坡體搖搖欲墜（現(xiàn)場掉塊）。此時，項目部忙于重新加工鉆孔臺架和打通圖1中左側(cè)中導(dǎo)洞。7月5日，左側(cè)中導(dǎo)洞貫通，最后一次爆破又?jǐn)_動了滑坡體A-C，局部掉塊。7月11日，圖1中樁號Ⅰ+167.5全斷面爆破掘進2.5m，此時滑坡體A-C的節(jié)理1和節(jié)理2已經(jīng)完全張開，一碰即沿著主結(jié)構(gòu)面滑落。滑坡體A下滑后，滑坡體B、C依次下滑，失去支撐的滑坡體D、E、F也緊跟著下滑，至此坍塌事故已經(jīng)釀成。

圖5 多層滑坡體示意圖

5 掘進工程改善

根據(jù)以上分析，為確保掘進過程的圍巖穩(wěn)定安全，項目部參照淺埋暗挖法的“十八字”方針，最終采取以下措施：

（1）管超前。針對滑坡體的斷層碎塊，采用超前導(dǎo)管注漿加固地層，使松散碎石層經(jīng)注漿加固后形成一個殼體，增強其自穩(wěn)能力，防止出現(xiàn)過多墜石。導(dǎo)管采用?42mm×3.5m鋼管，間距0.40m，仰角約為10°，管的尖端和管上注漿孔專門加工。

（2）嚴(yán)注漿。在導(dǎo)管超前支護后，立即進行壓注水泥漿液充填碎石裂隙，使得破碎巖體形成一個整體，增強其自穩(wěn)能力，為施工提供一個相對安全的環(huán)境。

（3）強支護。按照開挖→初次噴射混凝土→架立鋼拱架→編織鋼筋網(wǎng)→打設(shè)系統(tǒng)錨桿和超前小導(dǎo)管→最終噴射混凝土→開挖的施工順序進行隧道掘進。鋼拱架選用16#普通工字鋼，間距1m。系統(tǒng)錨桿采用全長粘結(jié)式錨桿（?22mm螺紋鋼），全過程均采用超前小導(dǎo)管注漿加固。

系統(tǒng)錨桿和超前小導(dǎo)管如圖6所示。

圖6 隧道初期支護圖

（4）系統(tǒng)錨桿核算。根據(jù)《巖土錨固技術(shù)手冊》[8]，單根錨桿的錨固力計算公式為Tu=pDLΔs。

按系統(tǒng)錨桿深入穩(wěn)定巖層1m計算，取Δs=4MPa。

Tu=276kN＞鋼筋的承載能力T=114kN。因此，取Tu=114kN。

1m寬滑坡體的重力G=1×1×2.5×25.5=63.8kN。

Tu＞G，系統(tǒng)錨桿滿足要求。

（5）勤觀察。隧道爆破掘進后，一定要觀察前一排炮的噴射混凝土表面的裂縫情況，以便采取措施防止掉塊和塌方事故。

（6）改善效果。采取以上措施后，由于巖層裂隙發(fā)育、破碎，雖然沒有獲得良好的光面爆破效果（眼痕率小于20%），但是隧道平均線性超挖值小于150mm，掉塊情況很少，做到了安全穩(wěn)定快速地全斷面掘進，隧道開挖按計劃完成。

6 結(jié)論

經(jīng)過實踐證明，塊體極限平衡理論在本文得到了很好的應(yīng)用，以該理論為基礎(chǔ)獲得了如下結(jié)論：

（1）本文巖石為花崗巖，強度高、剛度大；結(jié)構(gòu)面有泥質(zhì)填充物，強度低；應(yīng)用塊體極限平衡理論假定巖體為結(jié)構(gòu)面切割而成的剛體、塊體失穩(wěn)為脫離巖體產(chǎn)生剪切滑移等平動形式，并結(jié)合剛體極限平衡分析，計算塊體的穩(wěn)定性，探討相應(yīng)的工程支護措施。實踐證明，該理論在節(jié)理發(fā)育的硬質(zhì)巖體中應(yīng)用是成功的。

（2）根據(jù)本文事故的發(fā)生過程，雖然結(jié)構(gòu)面有泥質(zhì)填充物，強度低，但是結(jié)構(gòu)面變形、巖體滑移是有一個過程的。因此，碰到Ⅳ級圍巖，隧道開挖后，一定要立刻噴射一次混凝土，這樣便于觀察結(jié)構(gòu)面的變形情況，以便采取措施防止塌方事故。

（3）本文采用了淺埋暗挖法“十八字”方針中的三點：管超前、嚴(yán)注漿和強支護，“勤量測”換成了“勤觀察”，觀察噴射混凝土表面有無裂縫，裂縫有無發(fā)展。做到了安全穩(wěn)定快速地全斷面掘進，隧道開挖按計劃完成。 參考文獻：

[1] 易菊香.塊體極限平衡理論在隧道施工中的應(yīng)用研究[D]．西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文,2003:1.

[2] 徐明毅,汪衛(wèi)明,陳勝宏.三維剛體極限平衡法中荷載的計算方法及工程應(yīng)用[J].巖土力學(xué),2004,25(5):755-758.

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[4]GB 50086-2001錨桿噴射混凝土支護技術(shù)規(guī)范[S].

[5]林宗元.巖土工程勘察設(shè)計手冊[M].遼寧:遼寧科學(xué)技術(shù)出版社,1996:177-180.

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[7]徐干成,白洪才,鄭穎人，等.地下工程支護結(jié)構(gòu)[M].北京:中國水利水電出版社,2002:67。

[8] 閆莫明,徐禎祥,蘇自約.巖土錨固技術(shù)手冊[M].北京:人民交通出版社,2004:443.

U451.2

A

1004-5716(2015)04-0192-05

2014-04-17

2014-04-24

黃躍（1977-），男（漢族），安徽含山人，工程師，現(xiàn)從事隧道工程、地質(zhì)災(zāi)害施工工作。