深埋大斷面隧道土石復合地層塌方機制及處置措施評價

王秋生，董竹勤，李鵬飛，劉小東

(1.北京工業大學 建筑工程學院， 北京　100124；2.中鐵二十二局集團 第一工程有限公司，北京　100040)

隨著我國鐵路新線建設的快速增加，鐵路隧道工程的建設規模不斷擴大，遇到了各種各樣的復雜地層，其中上軟下硬的土石復合地層給隧道施工帶來了很大的挑戰[1-2]。上部土質地層強度低、穩定性差，開挖后圍巖變形量大，易塌方；而下部地層強度高、硬度大，開挖過程中需要局部爆破，對上部土體擾動較大。當隧道開挖斷面較大時，開挖尺度效應顯著，這種土石復合地層的穩定性控制顯得尤為重要。一旦施工處理不當，就易發生變形，甚至塌方等事故；而且塌方處置的效果對隧道的安全至關重要。因此，分析隧道塌方成因的機制，評價處置措施的效果是一項重要的研究任務。

國內外的學者從理論和數值計算、試驗研究、工程實踐的角度對隧道塌方機制進行了研究。在理論和數值計算方面，M.Fraldi等[3-5]采用變分原理在塑性區內給出了隧洞塌方機制的極限解，推導了任意開挖斷面隧道塌方的解析解，并通過數值和理論方法對圓形隧道可能的塌方進行評估；文獻[6—9]將適合處理非連續介質力學問題的PFC軟件成功運用在圍巖的穩定性分析中。在試驗研究方面，文獻[10—13]通過試驗分別研究了隧道施工的力學行為和隧道塌方的特征及演化規律。工程實踐表明，不同的工程條件，影響塌方的因素不同，塌方破壞的表現形式不同。文獻[14—16]從地質條件、地下水、巖層特性方面分析影響隧道穩定的主要因素及掌子面失穩破壞的機制；對于塌方處置措施評價，文獻[14，17—19]提出了不同類型、不同成因的隧道塌方處置對策，并對塌方處置的效果進行了評價。但是，這些研究的對象主要是土質或者巖石單一地層中的隧道，針對上覆黃土的土石復合地層、軟弱圍巖的復雜地質隧道施工過程的塌方研究較少。

因此，本文以黃陵—韓城—侯馬(簡稱“黃韓侯”)鐵路中的如意隧道工程為依托，總結隧道塌方的演化過程，分析隧道塌方的影響因素及機制，提出針對性的塌方處置措施，并結合三維數值模擬和現場監控評價塌方處置的效果，以期為類似工程建設提供借鑒。

1　隧道塌方過程與處置措施

1.1　工程概況

如意隧道是黃韓侯鐵路工程中最長的隧道，為鐵路雙線隧道，長約9 812 m，最大埋深約150 m。所在地層為土石復合地層。以斷面DK74+457為例，地層由上而下依次是第四系上更新統風積砂質黃土、第四系中更新統風積黏質黃土、上第三系紅黏土、二疊系上統泥巖和砂巖；隧道洞頂靠近紅黏土與泥巖、黃土與紅黏土的巖層分界面。該地區的地下水位較淺，含水層主要是第四系黃土孔隙、裂隙，二疊系砂巖夾泥巖風化裂隙及砂巖孔隙，其中在土巖分界面位置地下水較富集；隧洞位于地下水位以下。斷面DK74+457施工參數和地質條件如圖1所示。

圖1　斷面DK74+457施工參數和地質條件圖(單位：m)

該隧道區段圍巖等級為Ⅳ級，隧道采用三臺階法施工，開挖步驟見圖1中的①—⑥，循環臺階開挖進尺①—②榀鋼架。隧道采用復合式襯砌，初期支護是噴錨支護，混凝土噴層厚25 cm，鋼架為Ⅰ20a，間距為50 cm，錨桿間距為1.2 m×1.2 m，長為3.0 m，φ8 mm鋼筋網，其網格尺寸為25 cm×25 cm；二次襯砌為厚45 cm的C35混凝土。

1.2　塌方過程

2015年4月19日，上臺階掌子面施工到里程DK74+516，仰拱里程為DK74+550，監測斷面DK74+535，DK74+540，DK74+545，DK74+555的拱頂沉降分別達到342，557，378，466 mm，拱頂沉降速率最大達到了70 mm·d-1，遠遠超出了規范[20-21]的變形范圍。拱頂和右側初期支護向洞內塑性鼓出，嚴重侵限，錨桿發生了強烈的扭曲，圍巖變形如圖2所示。

在2015年5月29日，隧道施工至里程DK74+461，由掌子面可知，地層為二疊系砂巖夾泥巖，屬較軟巖，上臺階為薄層狀泥巖結構，拱部為風化泥巖，巖性呈土塊狀，穩定性差。泥巖上層是紅黏土、黃土；中臺階以下為中厚層狀砂巖，局部巖體破碎；掌子面上有面狀水流出。對掌子面DK74+461噴射混凝土時，掌子面發生坍塌掉塊現象，塌腔位于隧道拱頂右側，約6 m高，施工單位立即封閉掌子面，對塌腔泵送C20混凝土回填，6月2日，開挖到DK74+457斷面時，隧道拱頂處發生坍塌，坍塌擴展至掌子面前方約3 m。

1.3　塌方成因

1)地層的影響

拱部上方存在紅黏土和泥巖、紅黏土和黃土的巖性接觸帶，由于紅黏土中孔隙十分細小且多數為水填充，所以紅黏土的透水系數極低，即幾乎不能透水，甚至具有阻水作用；因此通過黃土節理下滲的地表水流在黃土—紅黏土分界面匯集，形成局部的黃土飽和區，導致黃土強度大幅下降甚至喪失，對下部產生較大的集中荷載和附加壓力；不同的土巖其物理參數和力學性質差異較大，土石接觸面的黏聚強度較低，易形成剪切破壞面，因此拱部巖體的整體性較差。

通過地質勘察、超前地質預報和現場掌子面調查，拱部各層巖體如圖3所示。塌方段的掌子面上臺階及隧道拱部位置為風化的泥巖，成層狀結構，厚度約1～8 cm，局部分化嚴重，拱部層狀的泥巖巖層，受層狀各向異性力學特性的影響，最大地應力垂直于層狀的方向，開挖后巖體力學平衡受到破壞，受拱部地層巖體力學性質的影響，在自重壓力和附加壓力的作用下，臨空面法向應力大于約束力，巖體層間節理發生破壞，層面的法向應力持續作用下，巖體發生向內鼓起破壞，拱部出現掉塊、塌方的現象，巖體失效破壞示意如圖4所示。由于部分泥巖風化嚴重，遇水軟化，加速了巖體破壞。

圖3　不同地層巖體圖

圖4　斷面DK74+457傾斜巖體失效示意圖

2)地下水的影響

泥巖與紅黏土在地下水的作用下，與巖體孔隙、裂隙相關的物理參數及微結構相應發生改變，導致巖體及其結構面軟化。如泥巖黏土礦物含量高，黏土礦物具有比表面大、親水性強、離子交換容量大等特性，黏粒含量高，巖體遇水后強度大幅降低[22]。軟弱夾層結構面發育，在水的作用下產生泥化、軟化，形成泥化軟化夾層，使夾層強度降低。

隧道地下水主要存在于第四系黃土孔隙、裂隙，二疊系砂巖夾泥巖風化裂隙及砂巖孔，在土巖分界面易形成地下水的富集，現場出水如圖5所示。隧道開挖打破了地下水和巖體的力學平衡，拱部圍巖巖體軟化、巖體結構性破壞，在附加荷載和水壓力作用下，軟弱的臨空面先發生破壞，成為地下水徑流和排泄通道，在動水壓力和靜水壓力共同作用下，圍巖性質進一步惡化，圍巖壓力增大，導致隧道塌方。

圖5　現場出水圖

隧道采用三臺階法施工，臺階拱腳底部的穩定對支護結構承載力至關重要，洞身巖體為砂巖夾泥巖，局部破碎，層間結合面軟弱，地下水使巖體強度弱化，導致基底承載力降低，無法承擔圍巖和支護結構的載荷，表現為初期支護的開裂破壞和大變形，進一步發展為隧道塌方，初期支護開裂如圖6所示。

圖6　拱頂初期支護開裂圖

1.4　塌方處置措施

首先反壓回填石碴，修建超前管棚施工平臺；在掌子面拱部140°范圍內(涵蓋2次塌腔范圍內)施工采用φ89 mm的管棚，環向間距為30 cm，管棚長20 m，外插角為6°，管棚之間采用4.5 m長φ42 mm的超前小導管注漿，外插角為10°～15°，注1∶1的水泥漿；塌方體至DK74+439段圍巖開挖采用三臺階臨時仰拱法施工，臨時仰拱采用I18鋼架，間距為1榀/0.5 m；增大初期支護和二襯的施工參數，混凝土噴層厚32 cm，鋼架為I25a，間距為50 cm，錨桿間距為1.0 m×0.8 m，長為4.5 m，φ8 mm的鋼筋網，其網格尺寸為20 cm×20 cm；二次襯砌為50 cm厚的C35鋼筋混凝土。對坍塌段后方的初期支護增設監測點，提高量測頻率；塌方段拱頂預埋鋼管，拱頂上方3 m采用C20混凝土回填，上方塌腔采用高壓風吹爐渣回填密實，如圖7所示。

圖7　現場塌方處置示意圖(單位：mm)

2　現場監測

為了正確判斷塌方區加固處理后的圍巖情況，對斷面DK74+457的塌方處理后，在該斷面布置監測點，監測初期支護與圍巖間的壓力、隧道拱頂沉降和拱腰水平收斂量。

初期支護與圍巖間壓力的量測采用正弦式土壓力盒，在立鋼拱架后埋設，與圍巖平整緊密接觸；在初期支護上布置3個測點，采用全站儀測量拱頂沉降和拱腰水平收斂位移，監測點布置如圖8所示，其中拱頂沉降箭頭方向為正值，拱腰水平收斂位移指向隧道內的箭頭方向為正值。

圖8　斷面DK74+457監測點位置示意圖

圖9是DK74+457斷面的拱頂沉降和拱腰水平收斂位移的時間變化曲線。由圖9可知：隧道拱頂沉降和拱腰水平收斂穩定很快，從監測點布置開始至第5 d，達到總沉降和總收斂位移的80%以上，至第10 d左右，圍巖趨于穩定，且累計沉降量和累計水平收斂位移分別為26和30 mm，累計值均較小。

圖9　拱頂沉降和拱腰水平收斂位移曲線

圖10是塌方處置斷面的初期支護與圍巖間壓力分布圖。由圖10可知：左右兩側圍巖壓力分布不均勻，拱部的圍巖壓力整體較小，拱頂初期支護與圍巖間的壓力為128 kPa。通過分析可以看出，采用“管棚+小導管注漿”加固圍巖以及加強初期支護和二襯的施工參數等處置措施對隧道塌方地段處理后，拱頂初期支護與圍巖間的壓力和拱頂沉降量均變得比較小，可見圍巖趨于穩定狀態，說明塌方段的處置措施是有效的。

圖10斷面DK74+457初期支護與圍巖間的壓力圖(單位：kPa)

3　三維數值模擬

3.1　三維數值模型建立

對典型塌方洞段建立三維模型，模型左右兩側取4倍洞徑，下部取4倍洞徑，埋深為130 m，如圖11所示。模型力學邊界條件：底部為固端約束，兩側為法向約束，頂部為應力邊界條件。圍巖采用實體單元模擬，選用理想彈塑性本構關系，服從莫爾—庫倫屈服準則，初期支護采用實體單元模擬，用隧道圍巖加固區模擬塌方處置后的圍巖情況。考慮原設計方案和圍巖加固后方案2種計算工況，原設計方案取原地層的參數，圍巖加固后方案采用剛度等效方法，即通過提高計算參數以模擬管棚及注漿區的作用。具體參數見表1。

圖11　三維模型

巖層彈性模量/MPa泊松比黏聚力/kPa內摩擦角/(°)干密度/(kg·m-3)黃土1404031251560紅黏土2003525302020泥巖(風化)4803244302010砂巖200003070302650初期支護200000202500加固區3000025500362500

3.2　數值模擬結果

1)變形特性

數值模擬得到了2種工況開挖完成后的隧道圍巖沉降云圖如圖12所示，以及監測斷面與掌子面距離變化時拱頂沉降的曲線如圖13所示(曲線圖中以拱頂沉降方向為正)。由圖12和圖13可以看出：針對原設計方案的開挖模擬，開挖到0 m(即監測斷面)處拱頂沉降281 mm，此時拱部施工中存在很大的風險；開挖到22 m處拱頂累計沉降很大，達到662 mm，嚴重超過了施工規范的安全范圍，拱頂匣置可能會發生大變形或塌方，這與現場施工中拱頂發生塌方的現象相符；針對隧道圍巖加固后方案的開挖模擬，開挖到0 m處，拱頂累計沉降為17 mm，開挖到22 m處拱頂累計沉降為47 mm，顯然這2個數據均皆遠小于原設計方案。

圖12　變形場云圖(單位：m)

圖13　拱頂沉降全過程曲線

2)塑性區

圖14給出了分析2種工況開挖完成后的塑性區圖。由圖14可以看出，隧道開挖后，洞周一定范圍內進入了塑性狀態，工況1的塑性區面積為298 m2，工況2為188 m2，隧道圍巖加固后塑性區范圍明顯減小，為原設計的63%。

圖14　塑性區云圖

4　結　論

(1)在土石復合地層，上覆黃土層遇水形成局部的飽和區，黃土強度大幅下降甚至喪失，產生較大的集中荷載和附加壓力，導致拱頂巖體鼓起破壞。復雜地層、圍巖軟弱、地下水是引發隧道塌方的主要因素。

(2) 在隧道塌方地段，采用“管棚+小導管注漿” 加固圍巖以及加強初期支護和二襯施工參數等處置措施，拱頂沉降和水平收斂位移分別為26和30 mm，隧道拱頂的初期支護與圍巖間壓力為128 kPa，說明該處置措施有效地控制了圍巖的壓力和變形，降低了施工風險。

(3)數值模擬結果表明，對隧道的處置措施，使隧道拱頂的沉降從662 mm下降到47 mm，隧道洞周的塑性區減小到原設計方案的63%。因此，隧道施工中應注重隧道掌子面的超前加固。

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