新龍隧道大變形成因分析

唐富軍, 宋 莉, 倪春梅, 韋 琴

(四川交通職業技術學院道路與橋梁工程系, 四川成都 611130)

[定稿日期]2017-09-15

1 隧道大變形分類

根據圍巖破壞形式及隧道大變形形成原因，將大變形分為以下三大主要類型[1-2]。

1.1 膨脹型大變形

當圍巖中含有蒙脫石、高嶺土、伊利石等黏土礦物或是其他具有膨脹性礦物時，由于隧道開挖使得圍巖發生松動，使得地下水能夠滲透到隧道附近；隧道的存在猶如一個抽水機的存在，這加速了地下水向隧道周圍富集。膨脹性礦物在地下水作用下發生水解反應使得隧道產生大變形，由于巖石水解作用緩慢，因此此類大變形的發展時間較長。

1.2 擠壓型大變形

在高地應力條件下開挖隧道會使得圍巖產生塑性區，巖石發生塑性流動。當強度應力比小于0.3～0.5時，圍巖的塑性區分布范圍可達5倍的洞徑，在巖石剪脹效應作用下，洞壁將產生很大的收斂位移[2]。

1.3 局部承壓型大變形

當初期支護施作完成后，由于圍巖局部破損，掌子面施工時發生坍塌，導致圍巖發生松動，圍巖松動圈擴大，接近掌子面的初支由此而承受了較大的松動壓力，隨著施工不斷地推進，松動圈的不斷擴大，初支承受的松動壓力越來越大，從而使得隧道發生大變形。

2 新龍隧道變形發展過程

新龍隧道屬于甘君路改建工程S2合同段，洞口里程K94+790。該隧道2013年5月開工，2013年11月14日在K95+150開挖掌子面左側突然發生大量坍塌并伴隨大量涌水(拱頂坍塌情況)，該部位坍塌發生后，業主、監理、設計、咨詢、施工等相關參建單位人員進行了現場踏勘，根據設計提交的處置方案在K95+138至K95+148已施做初期支護處增設縱向間距1m的I18臨時鋼支撐，拱頂塌方體5m范圍采用1m×1m(縱×環) 4.5m長Φ42小導管徑向注漿加固，拱頂塌方體注漿固結后縱向采用9m長Φ127中管棚超前支護進行過渡，同時結合現場圍巖較差實際，在K95+150至K95+160掘進段落按設計的初支參數支護完成后又增加了縱向間距1m的I18臨時鋼支撐予以加固。在此后施工期間，通過監控量測數據反映，該塌方段落通過監測量測未出現大的變形。

2014年1月6日因為冬休和春節原因放假，整個隧道封閉。2014年2月12日復工，技術人員進場恢復施工后發現新龍隧道K95+135～K95+205(共計80m)段已施做初支及臨時鋼支撐已發生嚴重變形(圖1、圖2)，最大變形量近700mm，嚴重超過了設計允許的預留變形范圍，隧道初期支護隨時都有坍塌的可能。

圖1 拱架變形

圖2 初支開裂

2014年3月6日對該隧道大變形地段進行處置(K95+135～K95+205)，2014年3月29日上午，變形初期支護拆除施工至K95+160處，拱頂突然發生坍塌，塌方體約200m3,坍塌體將施工斷面全部封閉(圖3、圖4)。

圖3 變形初支

圖4 塌方體

3 隧道斷面變形分析

根據圖5～圖7可知，斷面中只有隧道拱部發生了較大的變形，邊墻及仰拱未發生較大變形。

在K95+135斷面處，隧道拱頂、拱腰部位產生了面向隧道內部的變形，而拱腳部位產生了較小的背離隧道內部的變形。根據隧道斷面變形特點可知，隧道拱部由于受到了較大的荷載作用，使得隧道拱部被壓屈，拱腳兩側的圍巖受到拱腳較大的水平作用而產生了背離隧道的移動；K95+150、K95+155斷面變形特點與K95+135斷面的變形形態是一致的，誘發的原因也是相同的。

在K95+140斷面處拱頂處產生了較大(0.18m)的背離隧道的移動，而拱腰處的位移則是面向隧道的，拱腳處的位移也是背離隧道的，位移量較小。之所以會產生如此變形，是由于拱頂處荷載較小，或是拱頂出現了空洞，而拱腰附近圍巖對初支的作用較為強烈；K95+145斷面處的變形與K95+140斷面的變形類似，形成的原因類似。

與前兩種變形形態相比，K95+160斷面處則表現的明顯不同，隧道左側拱面向隧道產生移動，而右側拱則是背離隧道移動，除拱腳外，其他部位變形量較小。當隧道左側承受了較大的荷載作用，而右邊圍巖地質條件較好，能夠有效約束初支變形時，隧道斷面即會產生如此的變形。從圖8中可知，K95+160斷面右側圍巖較為完整，因此在換拱時，右側未出現塌方，而當施工到拱頂時，發生了較大的塌方。K95+165～K95+195的斷面變形特點與K95+135相似，且變形程度逐漸減輕。

圖5 隧道斷面變形一

圖6 隧道斷面變形二

圖7 隧道斷面變形三

圖8 K95+160斷面換拱

4 大變形成因分析

4.1 地質成因分析

根據《K95+150～K95+270地質超前預報檢測報告》描述該段圍巖節理裂隙較發育，也較破碎，完整性較差，易發生局部坍塌。K95+160處塌腔揭示該段位于褶曲(背斜)核部，巖性為全～強風化薄層絹云板巖，具有遇水軟化的特性，巖層傾角60～70°，局部扭曲，節理裂隙發育，巖體受張拉作用導致巖體破碎，呈碎石及角礫狀。

4.2 施工影響分析

隧道開挖后，拱部形成一條縱向排水通道，遠處的地下水不斷匯聚于此，周邊圍巖在地下水的長期浸泡下，物理力學指標急劇下降，初支支護荷載大幅增加。

2013年11月14日K95+148～K95+150段發生過塌方，使得K95+140～K95+145斷面拱頂上方附近出現空洞，改變了該段初支的受力模式，在地應力作用下，拱部上方圍巖不斷發生坍塌，直到新穩定的壓力拱出現為止，因此K95+140～K95+145斷面才會出現拱頂產生背離隧道的變形，而拱腰產生面向隧道的變形。由于K95+140～K95+145段圍巖產生了新的平衡狀態，導致K95+135斷面附近的圍巖也發生了應力調整，拱部上方的巖體在圍巖應力調整過程中發生坍塌，K95+135斷面初支由于受到了較大的松動荷載，隧道拱部才會產生如圖1～圖4所示的變形。

在施工中由于對塌腔填充不夠密實，且坍塌的發生也使得K95+150前方的圍巖產生了較大的影響，圍巖產生了較大的松動圈。當不能有效約束隧道圍巖的位移時，圍巖松動圈的大小受圍巖的地質條件決定，正是由于塌腔的填充不密實導致支護結構不能夠有效地約束圍巖的位移，圍巖的松動圈比正常施工時要明顯增大，導致K95+150～K95+160斷面產生較大的變形，這點可以從K95+160處換拱時發生200m3的坍塌可以得到證實。

5 大變形模擬分析

5.1 模擬方法

隧道發生塌方后，圍巖中將產生塌腔，空腔壁周圍的巖體應力狀態發生了改變，根據圍巖漸進性破壞理論可知，在塌腔附近的巖體會首先在薄弱處發生破壞，并且逐漸往圍巖深處發展，破壞范圍將逐漸擴大[3-7]。由于塌腔的存在，塌腔周圍的巖體在地應力的作用下將向塌腔發生移動，原來已經穩定了的巖層在巖體移動作用下，重新變得不穩定，圍巖將再次進入應力調整的過程中；圍巖中先前形成的穩定壓力拱也遭到影響，重新進入動態發展的狀況；塌方附近的初支受圍巖應力調整及壓力拱動態發展的影響，內力大小及變形收斂等隨之發生了變化。

無論是圍巖應力發生調整，還是支護結構內力變形發生變化，都是由于坍塌的發生使得圍巖中物質發生了流失。圍巖物質的流失導致圍巖之間的相互接觸作用受到破壞，當圍巖巖體較為破碎時，圍巖間的接觸約束消除后，巖體發生松弛現象，圍巖中的應力被釋放出來。

由于FLAC3D軟件采用連續介質力學方法求解，不能直接模擬塌方的發生，但塌方對圍巖及支護結構的影響是由于圍巖巖體發生松弛引起的，因此，在采用連續介質力學方法模擬塌方對隧道及圍巖的影響的關鍵在于如何對模型施加松弛作用。圍巖的松弛作用使得松弛區域巖體的應力被釋放了。巖體松散后，圍巖的壓縮性得到了提高。因此本文通過釋放圍巖的應力與提高巖體的可壓縮性來模擬坍塌作用對圍巖及支護結構的影響(圖9)。

(a) 松動區位于拱腳附近

(b) 松動區位于拱腰附近

(c) 松動區位于拱頂附近

5.2 坍塌作用模擬及影響分析

圖10是隧道開挖穩定后圍巖的主應力矢量。從圖中可以發現，實線內圍巖的主應力比虛線與實線間圍巖的主應力要小，這一區域通常被認為是由于隧道開挖引起的松動區，該區域的圍巖不能抵抗自重而作用在支護結構上；虛線與實線間圍巖主應力方向繞著隧道軸發生旋轉，并且主應力明顯比周圍圍巖要高，而這一區域通常被認為是壓力拱所在位置，它不僅能夠承受自身重量，而且還能夠有效約束虛線以外的圍巖，減小圍巖對支護結構的荷載作用。圖10(b)～圖10(d)為圍巖受塌方影響出現松動區后圍巖經過應力重分布后達到穩定狀態時的主應力矢量圖，與圖10(a)對比可以發現，虛線范圍與實線范圍擴大了，這表明圍巖中的壓力拱位置發生了移動，在壓力拱移動的過程中，壓力拱對圍巖的約束作用會降低，導致支護結構上承受的荷載增加；同時，拱頂的松動區范圍也擴大了，作用在支護結構上的松動壓力也將增加，支護結構上荷載的增加將導致支護結構的變形也進一步增加。如圖11所示，當荷載增大到一定量后，支護結構將產生破壞。

(a) 松動區發生前

(b) 松動區位于拱腳附近

(c) 松動區位于拱腰附近

(d) 松動區位于拱頂附近

(a) 松動區位于拱腳附近

(b) 松動區位于拱腰附近

(c) 松動區位于拱頂附近

在模擬塌方引起的松動區對圍巖及支護結構的影響時，松動區的單元體積基本是一致的，因此松動巖體質量也應該是一致，根據前文分析可知松動區越靠近拱頂，松動荷載也越大，但對比分析支護結構的變形云圖可發現，支護結構產生的變形量卻存在明顯的差異，松動區位于拱腳附近時，支護結構的最大變形量為9.22cm；而當松動區位于拱腰附近時，最大變形卻只有6.52cm，位于拱頂時，只剩下3.53cm，因此可知，塌方誘發的松動區對支護結構的影響與松動區的位置有密切關系。

圖12為圍巖地應力重新分布后產生的位移矢量圖。從圖中可以發現：當塌方導致拱腳附近圍巖產生松動區后，隧道拱頂上方較大范圍內的巖體產生了豎向移動見圖12(a)。因此在圍巖穩定后支護結構承受了較大的變形壓力，引起的變形也較大；當松動區在拱腰附近出現時，盡管隧道上方圍巖產生移動的范圍也較大，但是由于圍巖的移動方向與隧道拱頂切線斜交，減弱了對支護結構的作用，因此支護結構承擔的形變壓力要比松動區出現在拱腳時的要小，支護結構產生的變形也自然較小；當松動區位于拱頂附近時，圍巖在應力重分布過程中形成的位移與前兩者存在明顯的不同：在拱頂上方實線以上部分，圍巖產生豎向移動，而虛線內的圍巖卻是產生水平向的移動，因此，盡管當松動區出現在拱頂時，發生移動的巖體范圍較大，但只有小部分圍巖的移動能夠對支護結構產生作用，因此支護結構上承受的變形壓力很小，支護結構由此產生的變形值也很小。

(a) 松動區位于拱腳附近

(c) 松動區位于拱頂附近

6 結論

本文結合隧道施工過程中出現的問題及隧道施工過程中揭示的地質情況，分析了隧道大變形產生的原因，并根據大變形段各斷面的變形特征分析了導致各斷面變形的具體原因，得到了以下幾點結論：

(1) 隧道產生大變形的總體原因是由于塌方引起的圍巖松動圈擴大，從而導致支護結構承受較大的松動壓力與形變壓力，鋼拱架壓潰，混凝土開裂。

(2) 在施工過程中應該注重對塌腔的處理，處理后要重點檢查塌腔是否填充密實；對于破碎圍巖而言，坍塌的影響范圍通常較大，應該對坍塌影響范圍進行調查，并進行處理。

(3) 從現場實際處置效果可知，當坍塌出現后僅僅通過注漿來加固圍巖無法達到穩定圍巖的目的，還應增加其他的措施。

[1] 徐林生,李永林,程崇國.公路隧道圍巖變形破裂類型與等級的判定[J].重慶交通學院學報,2002, 21(2): 16-20.

[2] 劉志春,朱永全,李文江,等. 擠壓性圍巖隧道大變形機理及分級標準研究[J]. 巖土工程學報,2008(5):690-697.

[3]KTerzaghi.Stabilityofslopesinnaturalclays[J].Proc.Int.Conf.SoilMechanicsandEngng,Cabridge,MA,USA.Vol.1,1936: 161-165.

[4]BjerrumL.Progressivefailureinslopesofoverconsolidatedplasticclayandclayshales[J].J.SoilMech.FoundDiv.ASCE,1967a,93(SM5): 1-49.

[5]ChanDH,MorgensternNR.AnalysisofprogressivedeformationoftheEdmontonConventionCentre[J].CanGeotech.J,1987,24(3):430-440.

[6] 汪成兵. 軟弱破碎隧道圍巖漸進性破壞機理研究[D]. 上海: 同濟大學,2007.

[7] 朱合華,黃鋒,徐前衛. 變埋深下軟弱破碎隧道圍巖漸進性破壞試驗與數值模擬[J]. 巖石力學與工程學報,2010(6):1113-1122.