高地應力軟巖隧道塌方處置措施及處置效果評價

鄒逸倫，廖 雄，李正輝

(中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031)

引言

隨著我國基礎交通設施不斷向西部地區延伸，受地形地質等條件限制，多以長大深埋隧道穿越。其中，軟弱圍巖、高地應力等不良地質條件進一步加大了隧道施工難度和安全風險。高地應力軟巖地層具有巖體強度低、圍巖穩定性差、初始應力高、開挖擾動易發生塑性變形的特點。由于地質條件復雜、影響因素眾多，高地應力軟巖隧道施工時塌方事故時有發生[1-7]。

目前，國內學者和工程技術人員對軟巖隧道塌方的研究主要集中于塌方事故原因分析及其處置措施、塌方事故預測等方面。魏雪斐等[8]分析了新奧法施工隧道工程中塌方事故原因及其應對策略；侯艷娟等[9]基于典型事故案例統計從圍巖變形、失穩及破壞特征，研究了隧道塌方事故發生機理及其分類；張曉今等[10]以某淺埋山嶺隧道軟巖段塌方處理為工程背景，研究了軟巖段隧道塌方的原因；楊忠民[11]依托工程塌方事故，研究了軟巖大變形隧道巖體及襯砌的失穩破壞程度、塌方機理，并提出相應的處治技術；徐海清等[12]基于尖點突變理論，研究了軟巖隧道塌方預測機制，建立軟巖隧道尖點突變失穩模型；吳永波等[13]采用模型試驗和數值模擬的方式，研究了軟巖隧道拱頂塌方破壞機理；李天斌等[14]基于典型塌方變形監測曲線特征分析，建立了隧道塌方定量預警模型；于麗等[15]基于非線性Mohr-Coulomb準則和極限分析上限法，研究了深埋土質隧道頂部塌落體范圍；宋楊[16]基于能量意外釋放理論和強度準則，研究了隧道施工塌方形成規律；安亞雄等[17]總結多個隧道塌方事故案例，采用逆推分析的方法得出隧道發生塌方是由多因素耦合關聯的結果；李又龍等[18]以小型拱形塌方為研究對象，提出應用錨桿進行塌方處治可較好的加固圍巖，有限控制圍巖變形；張龍生等[19]依托江西省昌寧高速公路蓮花山隧道塌方實例，運用多物理場耦合模擬軟件研究了塌方機理并提出了穩固處置措施；張景等[20]以廣甘高速隧道塌方為依托，認為在強震作用下，隧道初支背后出現空洞時，極易發生破壞。綜上所述，已有不少學者對軟巖隧道塌方開展研究，但關于在高地應力作用下造成軟巖隧道塌方處置措施的文獻不多，而涉足其支護結構安全評價研究更少。

基于某鐵路工程深埋長隧高地應力軟巖段施工塌方處置，分析高地應力軟巖隧道塌方原因，并結合數值計算及現場監控量測數據，評價塌方處置效果和支護結構安全性，以期為類似工程提供借鑒。

1 工程概況與塌方過程

1.1 工程概況

該隧道全長11.298 km，為單洞雙線隧道，最大埋深945 m，隧址區屬構造剝蝕高中山地貌，地形起伏大，相對高差50～990 m，地表植被茂密。洞身穿越主要地層為古元古界康定群冷竹關組石英片巖、片麻巖及咱里組片麻巖；隧區褶皺及斷層密集發育，隧道共穿越6條斷層、2條背斜、4條向斜。隧址區圍巖受構造影響，巖體軟弱破碎、風化程度高、節理發育破碎，局部段地下水較發育。該隧道高地應力軟巖段落施工過程中，隧道侵限、塌方時有發生。深入研究該隧道D1K561+525～D1K561+552段高地應力軟巖大變形段落施工塌方原因及處置措施，并對處置后支護結構進行評價。

1.2 塌方過程

D1K561+525～D1K561+552段隧道平均埋深約423 m，開挖揭示圍巖主要為強風化片麻巖，巖質軟硬不均，局部含軟弱夾層，層狀節理裂隙發育，巖體破碎，巖體強度較低，穩定性差，為V級圍巖。D1K561+540處開挖后的掌子面照片如圖1所示。

圖1 D1K561+540處掌子面

該段襯砌采用Ⅴ級大變形襯砌，超前支護為雙層φ42 mm小導管，初支采用全環HW175型鋼(間距0.8 m)和25.5 cm厚C30早強噴射混凝土，二襯為55 cm(拱墻)和60 cm(仰拱)厚鋼筋混凝土，初支與二襯之間設35 cm預留變形量，如圖2所示。

圖2 D1K561+525～D1K561+552隧道橫斷面(單位：cm)

該段隧道開挖后，出現明顯大變形病害特征，

鋼拱架變形扭曲，初支累計變形過大，最大侵限值93.4 cm，如圖3所示。

圖3 D1K561+532里程處鋼架扭曲變形

為保證施工安全和工期，已綁扎二襯鋼筋段(D1K561+525～+544)采用先施工模筑混凝土方法，初支侵限段(D1K561+544～+552)采取注漿加固、增設套拱并跳打二襯措施穩定該段變形，待全隧貫通后再做處理，如圖4所示。

圖4 D1K561+525～D1K561+552大變形病害段應急處理措施(單位：m)

全隧貫通后，從大里程端向小里程方向采用逐榀拆換的方式對該段支護結構進行拆換。安全完成5榀鋼架拆換后，拆換D1K561+548里程處發生塌方。事發當日凌晨3∶00開始拆除套拱及初支，5∶30完成拆除，拆除長度約1 m，未發現掉塊；6∶00發現破除處圍巖風化速率加快，開始掉塊；為封閉巖體，決定初噴，7∶19初噴機具及材料到場，但現場圍巖塌落嚴重，已不具備施工條件，隨即停止施工，撤出人員及機械設備；此后拱部圍巖塌落速度加快，最終形成塌方，塌方量約700 m3，塌方現場見圖5。塌方造成大里程端已完成拆換3榀鋼架、其余未拆換的初支鋼架均被砸壞，D1K561+525～D1K561+544段模筑混凝土嚴重開裂。

圖5 隧道塌方現場

2 塌方成因分析

2.1 工程地質因素

基于隧道開挖支護后出現鋼架扭曲變形、初支嚴重侵限等大變形病害特征，從地質條件角度分析造成該段塌方的主要原因有：①該段隧道主要穿越古元古界咱里組片麻巖，地層古老且處于構造密集發育地段，圍巖受高溫高壓變質作用及巖漿巖的侵入、擠壓、蝕變作用和多期次構造作用，巖體軟弱破碎；②隧道開挖揭示該段圍巖風化程度為強風化，巖體穩定性差；③地應力測試結果顯示，該段地應力高且主應力方向對隧道結構穩定不利；④該段巖層層面順層擠壓，且地下水及施工用水對圍巖有一定劣化作用。

2.2 施工因素

由圖2可知，該段隧道采用全環HW175型鋼(間距0.8 m)和C30早強噴射混凝土(25.5 cm厚)初支，且設置35 cm預留變形量。該段落施工時采用三臺階法，各級臺階高度約為3 m，全環支護封閉時間約為3 d。圖6為D1K561+527.5處的監控量測曲線，由圖6可知，出現大變形前，拱頂下沉為134.5 mm，邊墻收斂值為114 mm，該段落的支護結構變形以拱頂下沉為主。該段落在高地應力擠壓、構造和強風化作用下巖體軟弱破碎，穩定性差，同時，由于對該段復雜的地質情況認知不充分，支護未及時封閉成環，造成拱部初支鋼架扭曲變形，發生嚴重侵限。

圖6 D1K561+527.5處隧道監控量測結果

出現明顯大變形病害特征后，對該段隧道分段采取施工模筑混凝土或設置套拱的應急處置措施進行臨時加固，雖穩定了支護結構變形，但隧道拱部一定范圍內巖體已不同程度劣化；同時，隧道貫通后拆換該段嚴重侵限支護結構時一次性拆除該榀鋼架拱墻范圍全部鋼支撐。由于對該段地質情況認識不充分、施工經驗不足，拆換前未對拱部巖體進行預加固，拆換時施工振動進一步劣化洞周巖體，拆換后未及時采取初噴等方式封閉開挖臨空面，最終導致本次塌方事故的發生。

3 塌方處置措施

塌方段埋深超過400 m，無明顯地下水，以洞內處置為主。塌方段處置按塌方體固結→D1K561+525～+544段模筑混凝土加固→塌腔處理→塌方段支護結構拆換→施作二襯共5個步驟進行，具體處理措施如圖7所示。

圖7 塌方段處置措施(單位：m)

3.1 塌方體固結

為穩定塌方體，避免施工過程中塌方體滑動、溜坍，采取注漿方式固結塌方體。固結施工前，分別從塌方體兩端用洞砟進行反壓回填，并修整形成工作平臺，為后續施工提供施工條件。待工作平臺修整穩定后，對整個工作平臺及塌方體表面采用C20噴射混凝土進行封閉，以防止塌方體注漿固結過程中漏漿。待表層封閉完成后，采用φ42 mm鋼花管進行注漿加固，鋼花管長6 m，間距1.2 m×1.2 m，呈梅花形布置。

3.2 D1K561+525～+544段模筑混凝土加固

D1K561+525～+544段模筑混凝土厚度不足，受拱部圍巖塌落影響，該段模筑混凝土嚴重開裂。為保證施工安全，設置I20b型鋼臨時拱墻套拱，間距0.8 m/榀，鋼架下端采用擴大鋼板進行支墊。拱部范圍采用φ42 mm鋼花管徑向注漿如固，間距1 m×1 m(環向×縱向)，每根長5 m，注漿液采用水泥漿，漿液配比和注漿壓力由現場實驗確定。注漿效果采用鉆孔取芯法進行評價，通過對注漿后巖樣抗壓強度、劈裂強度、密度、含水率、空隙率、飽和度等指標進行測試，來檢驗是否達到注漿效果。注漿加固時加強現場監控量測，防止注漿壓力過大引起支護結構損壞。

3.3 塌腔處理

為保證后續塌方體開挖、支護結構拆換施工的安全，采取拱部管棚+局部徑向注漿加固+塌腔注漿回填的措施進行塌腔處理，其中，管棚加固+局部注漿加固是為了在塌腔下部形成承載拱，并保證塌腔注漿回填時不跑漿。管棚設置于D1K516+552處，從大里程端向小里程方向施作。由于塌方體松散，難以成孔，采用跟管法，在拱部120°范圍內施作φ108 mm大管棚。同時，預留塌腔注漿回填混凝土泵送管和出氣口。大管棚注漿加固后管棚三角盲區拱墻范圍內采用φ42 mm鋼花管徑向注漿加固。待管棚加固及局部徑向注漿加固完成后，通過預留管泵送C20混凝土填滿塌腔。

3.4 塌方段支護結構拆換

塌方段支護結構拆換需在塌腔處理完畢且該段變形監測穩定后逐榀進行。拆換施工時，采用機械開挖的方式以三臺階預留核心工法開挖塌方體，同時調整預留變形量為65 cm。

3.4.1 D1K561+544～+552段初支拆換

初支拆換后采用HW175型鋼，縮小鋼架間距至0.6 m/榀；上臺階鋼架設雙排φ42 mm鎖腳錨管，每根長4.5 m，下臺階鋼架設2根φ76 mm鎖腳錨管，每根長4.5 m；設置φ22 mm縱向連接筋，環向間距50 cm。由于原鋼架間距0.8 m/榀，新換鋼架間距0.6 m/榀，部分拱墻鋼架與原仰拱鋼架部分不能連接處不再設仰拱鋼架，在仰拱鋼架與邊墻鋼架連接處設置連接鋼板，鋼板寬300 mm，未能與拱墻鋼架搭接的仰拱鋼架焊接在鋼板上，保證仰拱鋼架受力。

拆換時，逐榀施作φ42 mm超前小導管，采用噴混凝土封閉掌子面后再進行注漿施工。初支拆換后，拆換段拱墻范圍采用φ42 mm鋼花管進行徑向注漿加固，每根長5 m，間距0.8 m×0.8 m(環×縱)，注漿時控制注漿壓力，防止因注漿壓力過大造成支護結構損壞。

3.4.2 D1K561+525～+544段支護結構拆換

D1K561+525～+544段支護結構拆換由D1K561+525里程處向大里程方向進行。拆換時先拆除模筑混凝土，再進行斷面掃描判斷初支是否侵限，若初支侵限，則逐榀拆換拱墻初支；模筑混凝土單次拆除進尺1 m，拆換6 m及時施作二襯；待二襯達到強度后按此工序拆換下一循環6 m。拆換過程中加強監控量測，如監測數據異常，立即停止施工。

3.5 施作塌方段二襯

塌方段支護結構拆換完成且監控量測穩定后，先施作D1K561+544～+552段防排水設施，再施作該段二襯。

4 塌方處置結果評價

綜合分析隧道塌方段二次襯砌安全度及監控量測資料，對該隧道塌方段處置結果進行評價。

4.1 塌方段二次襯砌受力及安全系數

采用荷載-結構法，以塌腔范圍內松動圍巖壓力為支護結構承擔荷載，以二襯為承載主體，計算塌方段隧道二次襯砌內力及安全系數。按最不利情況考慮，即不考慮塌方段拆換后超前支護及初支的支撐作用，將全部圍巖荷載直接作用于二襯，實際情況二襯受力狀態將比模擬計算假定偏安全一些。計算時，考慮圍巖對支護結構的彈性支撐作用，通過設置地層彈簧僅受壓來模擬圍巖與支護結構間的相互作用。建立計算模型如圖8所示。

圖8 荷載結構模型

4.1.1 計算參數選取

受塌方影響，該段支護結構所受荷載主要為塌腔范圍內的松動圍巖壓力，即要確定作用在二襯上的荷載，應先確定塌腔高度。根據塌腔處理時混凝土灌注情況推算，隧道上方塌腔高度約8 m。參考普氏平衡拱理論及文獻[15]有塌腔高度計算公式

(1)

式中，h為塌腔高度，m；L為塌腔寬度的一半，m；φ為內摩擦角，(°)。

由于該塌方段為隧道拱部塌方，隧道側壁穩定，L可取隧道開挖跨度的一半，為6.88 m；根據《工程地質手冊》塌方體內摩擦角φ取30°；代入式(1)得塌腔高度h=11.9 m。綜合現場情況推算值和理論計算值，考慮一定安全預留，取塌腔高度為15 m，即考慮作用在二次襯砌上的荷載所對應的巖土柱高度為15 m。其對應豎向荷載按Pz=γh(γ取26 kN/m3)計算為390 kPa。計算時取側壓力系數為0.5。

根據設計規范及現場測試結果，取塌方體及二次襯砌物理力學參數見表1。

表1 圍巖及二次襯砌物理力學參數

4.1.2 計算結果分析

對地層彈簧圍巖段施加水平及豎向位移約束，設置地層彈簧僅受壓以模擬圍巖對支護結構的支撐作用。計算完成后，提取二襯軸力、彎矩內力，如圖9、圖10所示。

圖9 二次襯砌各單元軸力云圖(單位：N)

圖10 二次襯砌各單元彎矩云圖(單位：N·m)

由圖9、圖10可知，塌方段處置完成后，隧道二襯仰拱位置軸力值最大，為2 984.9 kN；拱頂位置負彎矩值最大，為474.1 kN·m，左右邊墻角位置正彎矩值最大，為502.7 kN·m。提取各單元軸力彎矩值，根據TB10003—2016《鐵路隧道設計規范》計算得到隧道二次襯砌安全系數包絡圖，見圖11。

圖11 二次襯砌安全系數包絡圖

從圖11可以看出，塌方段隧道二襯全環安全系數較均勻，無明顯畸變點；與二襯受力狀態對應，拱頂及邊墻腳處安全系數相對較低，其中，拱頂位置為受力最不利點，該點安全系數為4.4，滿足TB10003—2016《鐵路隧道設計規范》要求，即可認為隧道二次襯砌結構是安全的。

5 結論

通過采取注漿固結塌方體、設置套拱及拱部鋼花管注漿加固臨近段支護結構、采取拱部管棚+局部徑向注漿加固+注漿回填處理塌腔后再進行短進尺拆換塌方段支護結構順利通過塌方段。該處高地應力軟巖隧道塌方處置效果明顯，保證了施工安全及隧道結構的可靠性，避免了次生事故發生，加固后塌腔填充情況好，塌方段圍巖穩定，拆換后支護結構變形較小，二次襯砌結構安全可靠。

(1)本隧道塌方段為片麻巖，巖體軟弱破碎，巖體穩定性差，且該段地應力高且主應力方向對隧道結構穩定不利；支護結構承載力不夠，開挖支護后初支出現明顯大變形特征，嚴重侵限；后期拆換時未對拱部巖體進行預加固，施工振動進一步劣化洞周巖體，且未及時采取初噴等方式封閉開挖臨空面，最終導致本次塌方事故的發生。

(2)高地應力軟巖隧道塌方處置中，應先固結塌方體、加固隧道臨近塌方段支護結構，防止塌方范圍繼續擴大；應重視塌腔充填，通過設置管棚于塌腔下形成承載拱，再采用小導管進行注漿加固，逐步充填塌腔至密實，能顯著降低后續塌方處置過程中拱部巖體再次發生坍塌的風險，從而保證施工安全和拆換后襯砌結構安全；支護結構拆換時嚴格控制進尺，隨拆隨撐，拆換后支護結構盡快封閉成環，保證結構穩固。

(3)結合工程實際對該段隧道二次襯砌結構安全性進行計算分析，采取塌方處置措施后，塌方段二次襯砌結構安全系數滿足《鐵路隧道設計規范》要求，可認為隧道二次襯砌結構是安全的。