中老鐵路軟巖隧道溜塌機理及處治措施研究

王凱軍WANG Kai-jun

（中鐵十五局集團第三工程有限公司，成都 611731）

0 引言

我國是巖溶地貌分布廣泛的國家之一，主要集中分布在滇西南地區。隨著我國高速鐵路建設的飛速發展，鐵路交通設施不斷向這些地區延伸，受到巖溶地質地形等條件影響，多以長大隧道穿越。其中軟弱圍巖、富水巖溶等不良地質條件更加大了隧道施工的難度與安全風險。富水巖溶軟巖隧道，圍巖巖性軟弱破碎，強度低穩定性差，且在富水條件下圍巖受到開挖擾動極易發生塑性破壞，由于地質條件復雜，軟弱圍巖隧道在施工過程中極易發生溜塌等事故。

目前，國內專家學者對隧道支護及塌方處治措施方面研究較為廣泛，文獻[1]結合工程實例，分析了高地應力軟巖隧道發生塌方的具體原因，提出具體的處置措施，并通過相關規范和有限元模擬對處治效果進行評價。文獻[2]根據施工過程隧道塌方的發展過程及塌方機理，提出并實施了一套塌方綜合處治措施，通過分析綜合措施實施后的地表沉降，拱頂沉降及拱腰收斂等變化規律，得出該綜合措施能夠有效治理軟巖隧道塌方事故。文獻[3]以蘭渝鐵路為工程背景，分析隧道塌方事故原因，提出針對塌方情況的處治措施，通過數值模擬和現場監測結果對比分析證明了該處治措施的有效性，處治效果達到了工程要求。文獻[4]分析了隧道產生塌方的原因，并給出了針對性的塌方處理措施，同時運用數值模擬和監控量測手段對塌方處治效果進行了分析，最終得出該處治措施能夠保證隧道施工安全，并且能夠有效的避免后續施工中出現二次塌方。文獻[5]以某隧道洞口段塌方治理工程為依托，分析了隧道塌方的主要原因，提出采用超前大管棚與注漿小導管相結合、洞內與地表共同治理的綜合處治措施，并通過現場實測與數值計算相結合的方法詳細分析了處治效果。

當前，雖然對隧道塌方處治措施研究較為廣泛，但是針對富水巖溶地區炭質泥巖地層隧道塌方治理措施的研究相對較少。本文依托中老鐵路玉磨鐵路段巴羅二號隧道工程，通過有限元軟件，建立富水巖溶地區炭質泥巖地層隧道模型，分析隧道溜塌位置圍巖與初支結構的力學特征及隧道溜塌機理，針對實際溜塌情況提出專項治理方案，并為后續施工段類似情況做參考。

1 工程概況

我國“一帶一路”重要項目，中老鐵路玉磨鐵路段位于我國滇西南地區，其中巴羅二號隧道為設計時速160km/h的單線鐵路隧道，從標段起點里程D1K435+380 到出口里程D1K439+280，標段內隧道長度3900m，最大埋深260m。隧道所處區域為中山地貌，地面高程625m～925m，最大高差300m，自然橫坡5°～45°，局部較陡，山間自然淺溝發育，地形波狀起伏，上覆土層較薄，基巖部分裸露。

洞身穿越二疊系上統龍潭組泥巖夾砂巖、碳質頁巖，巖性空間交錯展布，圍巖強度低，節理裂隙發育，圍巖整體較破碎，完整性及穩定性差，施工過程中圍巖受施工擾動極易發生掉塊、溜塌等工程問題。隧道所處區域由于降水量大，地下水量豐富，圍巖強度低且破碎，隧道線路左側存在順層偏壓，擠壓褶曲現象明顯，圍巖受結構面切割，局部呈礫碎石狀松散結構，施工過程中極易發生掉塊和溜塌現象。

2 溜塌原因及機理分析

2.1 圍巖溜塌原因

巴羅二號隧道施工里程DIK437+662 所處施工段，巖層以炭質頁巖為主局部夾泥巖，巖體破碎，地下水較發育，掌子面處可見地下水呈滲滴狀流出，炭質頁巖經水浸泡后巖質更軟且松散，極易掉塊和溜塌。里程DIK437+662 掌子面出渣完成后，在扒渣過程中掌子面右肩部突然出現掉塊現象，之后掌子面右拱部開始溜塌，直至整個掌子面幾乎被全部封閉（見圖2 所示），溜塌體成分主要為炭質泥巖，且滲水成線。由于疏散及時溜塌未造成人員傷亡，無設備損壞。隧道溜塌斷面圖與現場圖片見圖1、圖2 所示。

圖1 巴羅二號隧道溜塌斷面圖

圖2 巴羅二號隧道溜塌現場圖

巴羅二號隧道隧道溜塌主要原因有兩點，一方面由于隧道穿越地層以炭質泥巖為主，圍巖相對較軟，地下水較豐富，于局部段落可能形成不規則、破碎、含砂含泥囊狀富水體圍巖失穩破壞可能性較大。另一方面由于超前地質預報的滯后性和不準確性，未能對掌子面前方地質情況進行較準確有效的預測，導致施工中未能提前采取有效措施防止災害發生。

2.2 圍巖溜塌機理

將在隧道施工過程中，原有地應力場受到擾動重新分布，需要支護加固才穩定的圍巖稱為淺層圍巖，將整體性較好無需支護加固就能夠維持穩定的圍巖稱為深層圍巖。淺層圍巖從松弛發展到離散時，圍巖即會發生失穩破壞，處于松弛階段的淺層圍巖與初期支護一同承受所受到的形變壓力，支護結構主要承受塑性壓力。淺層圍巖隨著隧道圍巖塑性區變形的不斷增大最終達到離散階段，此時淺層圍巖由于壓力松動，在自身重力的作用下發生溜塌或形成對支護結構的荷載。由Kastner 公式能夠得到，最大支護反力pi與圍巖位移量v0之間的關系可表示為：

式中：R0為隧道圍巖半徑；P0為初始地應力，α 為巖體外塌陷角；c 和φ 分別為圍巖的粘聚力和內摩擦角；Rp為圍巖塑性區半徑；Pi為支護反力；G 為溜塌體重力。

依據公式（1）~（3）計算最大支護反力和圍巖位移量，在隧道支護結構設計及隧道開挖過程中有效的預防隧道發生溜塌具有重要作用。

3 數值模擬

3.1 模型參數

根據巴羅二號隧道地質勘察報告，并且根據《鐵路隧道設計規范》，隧道圍巖和初期支護結構力學參數見表1所示。

表1 圍巖及支護結構力學參數

3.2 模型建立

為了有效分析隧道開挖過程中圍巖失穩破壞機理，通過有限元軟件MIDAS-GTS NX 建立隧道開挖施工階段模型，根據圣維南原理XYZ 各方向取約3 倍隧道開挖洞徑，X 軸和Z 軸方向隧洞中心距邊界各取50m，Y 軸開挖方向取60m。模型上下左右四個面為非自由面，因此對豎向方向和水平方向位移進行約束。隧道施工方法為臺階法；φ42 小導管超前支護，縱向間距3.0m，每環17 根，單根小導管長度4.5m；采用格柵鋼架加強支護，鋼架間距1.5m，隧道施工階段模型見圖3 所示。

圖3 隧道施工階段模型

4 結果分析

4.1 圍巖變形分析

通過有限元模擬對隧道施工階段進行分析可知，隧道開始施工后，受開挖擾動圍巖原有結構受到擾動，炭質泥巖圍巖巖性強度較低，力學平橫遭到破壞后開始明顯下沉，最終對隧道初期支護結構造成較大的壓力。圍巖變形云圖見圖4 所示，由圖4（a）可知，圍巖豎向沉降最大值為84.7mm，除此之外隧道仰拱位置受到周圍圍巖擠壓后隆起明顯，仰拱隆起最大值為142.7mm。由圖4（b）能夠明顯看出，隧道拱腰位置處出現收斂，拱腰收斂最大值為167.4mm。根據有限元模擬結果可知，隧道圍巖變形量值較大，對初支結構造成較大壓力，因此需對初支結構進行加固并對這些位置加強變形監測。

圖4 圍巖變形云圖

4.2 圍巖塑性區分析

隧道圍巖塑性區分布云圖，見圖5 所示。由圖5 可知，圍巖塑性區主要在掌子面上下臺階，拱腰和仰拱位置處集中分布。隧道拱腰和仰拱位置塑性應變最大值為6.63×10-2，并且從分布云圖能夠看出，掌子面位置的塑性區范圍明顯多于周圍圍巖塑性區范圍，這說明掌子面在開挖過程中，發生塑性破壞的可能性高于周圍圍巖，和施工現場掌子面右肩部位處發生溜塌的狀況相一致。因此，在開挖過程中應時刻注意掌子面的情況。

圖5 圍巖塑性區分布

4.3 圍巖應力分析

圍巖應力分布云圖，見圖6 所示。通過對隧道施工階段進行有限元計算可知，隧道圍巖受施工開挖擾動的影響，應力發生了重新分布，圍巖原有力學結構遭到破壞，隧道掌子面周圍圍巖出現應力松弛現象。由圖6 可知，圍巖最大主應力和von Mises 應力最大值均出現在上下兩臺階交界處，因此在初支結構相對應的位置產生應力集中現場，會造成初支結構產生疲勞裂縫，并且由于炭質泥巖巖性強度較低，承載能力較差，在掌子面開挖擾動以及地下水軟化的共同作用下，容易導致圍巖發生溜塌事故，因此需對初支結構容易產生應力集中的位置進行加固，以防止發生破壞。

圖6 圍巖應力分布云圖

5 溜塌處治措施與效果

5.1 溜塌處治措施

結合施工現場溜塌狀況與數值模擬結果，針對隧道掌子面溜塌位置提出針對性的處置措施，具體措施如下：

①首先，對掌子面右肩因溜塌后形成空腔的大小和堆積體巖性進行判斷，同時對掌子面塌方位置空腔進行探查，準確掌握空腔內狀況。

②迅速對堆積體表面進行噴錨封閉，標號C25 噴錨料厚度10cm，（見圖7 所示）確保堆積體穩定不再垮塌滑落，同時保證下部人員和機械設備安全。

③對溜塌情況進行綜合分析，確定超前支護措施。?42 壁厚3.5mm 超前小導管的支護有效距離為不大于3m，而溜塌體造成的空腔縱向最大距離為6m，不適宜采用?42 小導管作為超前支護措施。如采用?108 或?89 管棚作為超前支護，超前支護作用距離最大可達30m 左右，但是管棚施作工期較長、費用較大。綜合比較后決定采用如下措施：在堆積體表面與拱頂之間的50cm 空隙內預留?125 拖式混凝土泵管和?42 小導管，確保小導管頂到空腔最高處。同時在小導管最高部位管壁上預留溢漿孔洞，目的是檢查混凝土泵管泵送混凝土擠壓填滿整個空腔（見圖7、8 所示）。預埋完管道后將拱頂與堆積體表面之間的空隙用C25 噴錨料封閉，確保空隙封堵牢固。然后將堆積體上的泵管固定穩定，順接至拖式混凝土泵上，將C20 混凝土通過混凝土泵壓入溜塌空腔內，同時觀察溢漿孔道，確保混凝土填滿整個空腔。

圖7 噴錨示意圖

圖8 溜塌堆積體示意圖

④溜塌空腔被混凝土全部填滿后，空腔內臨空面消失，掌子面前方沿初支輪廓線形成一個不規則的混凝土拱圈，混凝土拱圈厚度約1~2.5m。從而對整個溜塌位置圍巖進行加固，增強圍巖的穩定性，混凝土拱圈見圖9 所示。

圖9 混凝土拱圈示意圖

⑤混凝土達到一定強度后，按照臺階法施工。依據有限元軟件分析結果采取如下措施：采用比原設計拱架增加強度的I18 鋼拱架，間距調整為1m，上下臺階的拱腳采用?42 的雙鎖角錨管，長度4m。在每次開挖完成后，立架之前對裸露圍巖及掌子面噴錨封閉，確保圍巖安全穩定。先施作超前小導管支護，后開挖立架。每次進尺一榀，在混凝土拱圈下部立拱架噴錨支護，共同形成一次襯砌（見圖10 所示）。上臺階進尺5m 左右后跟進下臺階，下臺階左右側錯開6~8m，單邊開挖。同時確保仰拱及時跟進，二襯襯砌及時封閉成環。直至整個施工段落全部通過軟弱圍巖地段。

圖10 堆積體開挖示意圖

⑥由于溜塌位置施工段地下水豐富且圍巖破碎，采用混凝土拱圈支撐后與原有圍巖密度相差較大，容易形成隔水層，在背后形成水壓力。在初支噴錨完成后在有混凝土拱圈部位，沿環向和縱向間隔一定距離打設?50排水降壓孔，保證拱圈的穩定。同時要加強監控量測頻率，密切關注圍巖收斂、沉降變化，為現場的處置提供準確信息。

5.2 溜塌段處治效果

溜塌段初支施工完成后，對溜塌位置DK437+662 及其后施工段初支監控測量斷面增設至每道10m，確保監控測量點位安全牢固，監測頻率至少2 次/d，使用全站儀對處治拱頂及拱腰位置變形進行監測。

運用上述施工措施，對溜塌位置處圍巖進行處理加固后，溜塌位置及后續施工段圍巖累計變形實測數據見表2所示。由表2 可知，采用上述施工措施處治過后，溜塌段圍巖拱頂沉降和拱腰收斂量值較小，均處于安全范圍內，表明上述處治措施加固效果明顯。

表2 圍巖累計變形數據

6 結論

以云南玉磨鐵路巴羅二號隧道工程為依托，通過有限元模擬隧道施工階段，溜塌段位移等變形，對隧道掌子面上方圍巖溜塌機理進行分析，并提出掌子面溜塌處治措施，得到以下結論。

①通過地質探查，掌握隧道溜塌位置溜塌堆積體巖性及地下水發育狀況，分析掌子面發生溜塌事故的原因，確定溜塌段圍巖巖性以及圍巖穩定性較弱的部位，為后續施工段掌子面溜塌的處治提供參考依據。

②依據溜塌段地質勘探數據和溜塌機理分析可知，隧道掌子面位置有地下水滲出，圍巖經水浸泡強度降低，初支結構在圍巖發生失穩破壞后，拱頂和拱腰承受了更大的壓力，加之施工開挖擾動最終導致隧道溜塌。

③通過有限元軟件，對隧道施工階段進行模擬，有模擬計算結果可知，隧道拱頂和拱腰位置處的圍巖變形量值較大，且圍巖塑性區主要集中分布在拱腰位置處，說明圍巖穩定性較差，在開挖過程中發生溜塌風險較大。

④依據現場溜塌的具體情況，采用安全、高效的溜塌處置措施，即保證工程質量又可保證工期目標。

⑤依據現場實際情況并結合有限元模擬結果，提出通過混凝土注漿形成拱圈增強原有圍巖強度，然后以小導管對支護結構進行補強的處治措施，精確控制開挖進尺，減少施工對圍巖的擾動，確保隧道溜塌段開挖施工安全。