淺埋粘土軟巖隧洞整體失穩(wěn)分析與處理技術(shù)

趙金良，賈占軍，李榮偉，2

（1.保定市水利水電勘測設(shè)計院，河北 保定 071051；2.保定市江河水利咨詢監(jiān)理有限公司，河北 保定 071051）

隨著國家大力發(fā)展水利基礎(chǔ)建設(shè)，水利水電工程也越來越多地遇到軟巖或極軟巖隧洞施工的一系列問題。對軟巖洞室的研究越來越受到科研及施工人員的關(guān)注。在應(yīng)力高、含水率大或膨脹性強(qiáng)等特性軟巖中成功掘進(jìn)隧洞的實例越來越多，專家及工程師們也逐漸積累了大量實踐經(jīng)驗或研究成果［1-3］。但對具有類似特性的極軟巖隧洞發(fā)生大規(guī)模整體失穩(wěn)的事例報道不多，其研究成果、治理方案及經(jīng)驗更少。

保定市王快—西大洋水庫綜合管理工程是通過王快水庫和西大洋水庫聯(lián)合調(diào)度，向白洋淀及保定市一畝泉水源地調(diào)水的長距離引水工程。其中，灣子隧洞工程是該工程的主要控制性工程，位于河北省曲陽縣境內(nèi)。隧洞主洞長4.45km，采用圓拱直墻式無壓隧洞，洞寬2.5m，洞高3.35m，其中直墻高2.1m，圓拱中心角180°，縱坡1∶1000，隧洞設(shè)計流量10m3/s。 灣子隧洞工程出口段圍巖為第三系始新統(tǒng)西坡里組粘土巖（E2x），屬極軟巖。該隧洞出口粘土巖段掘進(jìn)86m后，掌子面拱頂于2009年8月11日先發(fā)生冒頂塌方，隨后掌子面附近46m長的隧洞整體失穩(wěn)，邊墻內(nèi)移、拱頂下沉、底板起鼓，變形位移達(dá)10～70cm；地表出現(xiàn)多條裂縫，長度8～25m，縫寬12～20cm。該事故延誤工期173d，處理費用約120萬元，間接經(jīng)濟(jì)損失400多萬元。

本文通過對其事故發(fā)展過程及原因進(jìn)行地質(zhì)定性分析，結(jié)合FLAC3D三維數(shù)值模擬，對該粘土巖隧洞塌方及變形的發(fā)展，并對粘土巖隧洞變形特征作定量分析。在此基礎(chǔ)上，通過方案比選最終確定了鋼拱架保護(hù)下的“短、頻、快”拆除處理方案。實踐證明，該方案安全有效，簡便快捷，經(jīng)濟(jì)可行。

1 淺埋粘土巖隧洞塌方及變形分析

1.1 地質(zhì)定性分析

灣子隧洞主洞出口段（長750m）巖性分為泥巖和頁巖，局部夾炭質(zhì)頁巖或褐煤，飽和單軸抗壓強(qiáng)度0.26～2.49MPa，屬極軟巖。圍巖產(chǎn)狀近于水平，呈強(qiáng)風(fēng)化至弱風(fēng)化，天然狀態(tài)下微含地下水，屬Ⅳ類圍巖，隧洞整體穩(wěn)定性較差。該洞段原設(shè)計初期支護(hù)采用鋼筋格柵拱架（間距1.0m）、鋼筋網(wǎng)片、噴混凝土（厚度20cm）聯(lián)合支護(hù)。鋼筋混凝土永久襯砌厚度為40cm。

當(dāng)隧洞自出口向上游掘進(jìn)86m時，發(fā)現(xiàn)掌子面處發(fā)育一條大傾角斷層，后確定為掩埋的廢棄煤井。該煤井回填不密實，在其影響下，該處掌子面附近洞段粘土巖天然含水量增大，塑性增強(qiáng)。該洞段原設(shè)計初期支護(hù)鋼格柵拱架底腳未封閉，隧洞底板無混凝土墊層，初期支護(hù)完成后未及時進(jìn)行永久襯砌。受到各種不利因素的綜合影響，當(dāng)隧洞掘進(jìn)到廢棄煤井時，比較松散的回填料失去原有的支撐，瞬間發(fā)生垮落，發(fā)生冒頂塌方，塌方高度16m。掌子面附近洞段近水平圍巖隨之失去持力點，在上述塌方發(fā)生5h后，掌子面附近46m隧洞整體失穩(wěn)，邊墻內(nèi)鼓、拱頂下沉、底板起鼓，變形位移達(dá)10～70cm；該洞段對應(yīng)的地表出現(xiàn)多條裂縫，長度8～25m，縫寬12～20cm。

1.2 FLAC3D數(shù)值模擬分析

本項模擬分析應(yīng)用比較流行的FLAC有限差分程序，此程序的基本原理和算法與離散元相似，但它應(yīng)用了節(jié)點位移連續(xù)的條件，可以對連續(xù)介質(zhì)進(jìn)行大變形分析，特別適合研究軟巖的大變形問題。

1.2.1 數(shù)值模型的建立

灣子隧洞出口屬人工開挖形成的陡坡地形，坡高15～20m，坡度39°左右，洞出口位于陡坡下部。有效差分法數(shù)值模型以自然地表作為頂面，橫向約為10倍洞徑，向上游洞挖方向150m，洞口向下游方向60m，剖分成25140個單元，結(jié)點總數(shù)27561個。其中，鋼筋格柵及噴混凝土綜合效用等效為360個block實體單元，錨桿等效為400個cable單元，計算網(wǎng)格見圖1。

圖1 隧洞數(shù)值模擬模型

用理想彈塑性模型描述介質(zhì)的彈塑性狀，采用摩爾-庫侖破壞準(zhǔn)則。除原地表為自由邊界外，模型底部為固定約束邊界，模型四周為單向邊界。僅考慮自重應(yīng)力產(chǎn)生的初始應(yīng)力場。按地質(zhì)勘察所得到的巖體綜合強(qiáng)度指標(biāo)作為分析參數(shù)：天然密度2.12g/cm3，內(nèi)摩擦角15.7°，粘聚力2.2×104Pa，楊氏模量1.2×107Pa，泊松比0.36（不考慮地下水滲流作用）。

1.2.2 計算結(jié)果分析

粘土巖隧洞全斷面人工采用手持式風(fēng)鎬開挖，簡化為全斷面分段開挖，步長為3.0m進(jìn)行仿真計算，考慮初期支護(hù)效用。分別按毛洞工況（無支護(hù)）、支護(hù)工況，以及洞挖85m后突遇廢棄煤井等3種工況進(jìn)行了計算。

1.2.2.1 毛洞工況（無支護(hù)）

數(shù)值模擬洞挖至15m則模型網(wǎng)格變形過大而無法繼續(xù)計算。

1.2.2.2 正常支護(hù)工況

當(dāng)及時進(jìn)行初期支護(hù)，并按計算工況間歇一定時間時，雖然拱頂下沉和底鼓位移較大，但圍巖能保持穩(wěn)定。部分成果見圖2、4、5。從圖2知，除洞口因邊坡較陡而出現(xiàn)潛在滑移位移量外，主要表現(xiàn)為底鼓和拱頂下沉，也顯示了拱頂下沉形變范圍隨掘進(jìn)而向前發(fā)展的規(guī)律。從圖3可以看出，垂向位移主要表現(xiàn)為兩側(cè)近似對稱的底鼓和拱頂下沉，兩側(cè)拱頂下沉位移最大值總體大于底鼓位移量，兩側(cè)邊墻中部幾乎沒有發(fā)生垂向位移。從圖4知，徑向水平位移主要表現(xiàn)為兩側(cè)近似對稱的內(nèi)縮收斂變形，徑向水平位移最大值位于兩側(cè)邊墻，拱頂至底板中心線上幾乎沒有發(fā)生水平位移。

圖2 縱斷面水平向位移等值線圖（單位：mm）

圖3 橫斷面（y=80m）垂向位移等值線圖（單位：mm）

分析可知，粘土巖隧洞收斂變形主要表現(xiàn)為拱頂下沉、邊墻內(nèi)移及底鼓，且底鼓最大位移量大于邊墻內(nèi)移位移量，拱頂下沉位移量相對較小。主要原因是，初期支護(hù)在底板位置未封閉，底鼓表現(xiàn)較嚴(yán)重；由于鋼格柵和初期支護(hù)座在軟基上，隨著底鼓變形的發(fā)展，造成邊墻底腳失穩(wěn)，兩側(cè)邊墻隨之發(fā)生內(nèi)移，最后影響到拱頂圍巖的穩(wěn)定性。

設(shè)計中采用了錨梁網(wǎng)+拱形支架聯(lián)合支護(hù)，它實際上是一種預(yù)留剛隙柔層支護(hù)，是高應(yīng)力轉(zhuǎn)化最多、圍巖強(qiáng)度保護(hù)最好的一種支護(hù)技術(shù)［4-6］。經(jīng)驗表明，如及時進(jìn)行永久襯砌，這類圍巖的有害變形是完全可控的。

1.2.2.3 洞挖85m后突遇廢棄煤井工況

模擬洞挖至85m后，挖除洞頂上方巖體（長5m）繼續(xù)運算，僅計算12步網(wǎng)格即發(fā)生畸變而無法繼續(xù)計算。分析結(jié)果與該隧洞遇到廢棄煤井后，發(fā)生拱頂冒頂塌方，繼而引發(fā)附近洞段整體失穩(wěn)的情況比較相符。

圖4 橫斷面（y=80m）水平向位移等值線圖（單位：mm）

2 主要治理方案比選

2.1 明挖方案

只能解決塌方和變形段的治理問題，其他粘土巖洞段還需采用洞挖。根據(jù)地表裂縫推算粘土巖臨界坡比為1∶1.0，需按1∶1.5的坡比明挖。該方案主要困難：①土石方開挖和回填量大；②開挖料需運到棄渣場堆存；③二次襯砌強(qiáng)度達(dá)到要求后再行分層回填，施工期長；征地范圍大；軟巖邊坡可能受到降雨影響，如前期工作較慢則可能涉及到冬季施工問題；軟巖基坑較深，邊坡和出坑運渣道路維護(hù)較困難；該洞段處理完后，后面將繼續(xù)涉及粘土巖洞挖問題，不能解決工程所遇到的根本問題。經(jīng)核算，設(shè)計工期為5月，初步預(yù)算直接工程費用為340萬元。

2.2 鋼拱架和超前小管棚保護(hù)下的拆除處理方案

變形洞段處理時，先采用型鋼拱架（間距2.5m）對變形洞段進(jìn)行支撐（如圖5）；變形段和塌方段在拱頂和兩側(cè)邊墻范圍內(nèi)布置超前注漿小導(dǎo)管（準(zhǔn)42mm×3.5mm×3.5m），采用水泥—水玻璃雙液漿進(jìn)行回填灌漿，作為安全預(yù)保護(hù)措施。在雙重保護(hù)下，再拆除已變形的噴層并重新支護(hù)。根據(jù)實測斷面確定型鋼拱架尺寸（L、R、H）。本方案已滿足對掌子面拱頂塌方及推測延伸段的安全處理要求。

該方案主要困難是：超前小導(dǎo)管及雙液注漿施工技術(shù)要求較高。經(jīng)核算，設(shè)計工期為3.5月，初步預(yù)算直接工程費用為118萬元。

2.3 鋼拱架保護(hù)下拆除處理方案

在上述第二方案的基礎(chǔ)上，取消對隧洞變形段安全預(yù)保護(hù)措施中的超前注漿小導(dǎo)管，型鋼拱架間距加密至1.5m。按“短、頻、快”要求，拆除已變形的噴層并對其重新支護(hù)。“短、頻、快”是指，在滿足初期支護(hù)中鋼格柵拱架安裝最短距離的前提下，控制對變形噴層拆除的長度，越小越安全；由于拆除和重支護(hù)的循環(huán)長度短而循環(huán)頻率快。方案需保留對掌子面塌方段處理措施中的超前注漿小導(dǎo)管。

方案要求的技術(shù)復(fù)雜程度中等，需按設(shè)計要求進(jìn)行快速支護(hù)。經(jīng)核算，設(shè)計工期為3月，初步預(yù)算直接工程費用為107萬元。

圖5 防護(hù)結(jié)構(gòu)布置斷面圖

3 主要施工方法

3.1 型鋼拱架的安裝

將型鋼拱架安裝到原設(shè)計鋼格柵的部位，鋼拱架底拱直梁封閉。人工開挖槽形坑，將拱架坐落在較完整的基巖上。拱架與現(xiàn)狀洞壁存在空腔部位，采用方木等進(jìn)行充填，保證80%以上的拱架與洞壁密切接觸。

3.2 變形噴層的拆除和重新支護(hù)

人工采用手風(fēng)鎬破碎和鑿除變形噴層，然后重新支護(hù)。拆除鋼拱架間的噴層時，拱架前后預(yù)留0.25m的保護(hù)圈。變形的噴層拆除后，按原設(shè)計立即重新安裝鋼格柵拱架。重新安裝的鋼格柵拱架改為底拱封閉，間距加密至0.50m；隧洞底部增加20cm厚的素混凝土墊層。局部超挖嚴(yán)重則改變立柱長度，確保格柵拱架與拱頂?shù)木o密接觸，并用現(xiàn)澆混凝土回填。

3.3 二次襯砌

當(dāng)處理長度夠二襯分倉長度時，即進(jìn)行二次襯砌。為了搶時間和便于施工，同時有利于永久襯砌能更好地適應(yīng)圍巖的變形，對二次襯砌分倉長度作了調(diào)整，由原設(shè)計的10m調(diào)整為5～8m。為了提高永久襯砌抗力，提高其配筋率，將準(zhǔn)14主筋改為準(zhǔn)18。

4 治理效果

灣子隧洞粘土巖段塌方與大變形治理中，采用本文推薦的治理方案。在方案實施過程中，配備了富有經(jīng)驗的關(guān)鍵崗位技術(shù)操作人員及專職安全員，對治理全過程進(jìn)行了安全監(jiān)控，并配備了運行狀況良好的施工機(jī)械，充分準(zhǔn)備了各種原材料和半成品，在型鋼拱架保護(hù)下，按“短、頻、快”拆除處理方案的思路，盡可能縮小拆除段的長度，確保了快速拆除和快速支護(hù)，為治理方案的成功實施奠定了基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

軟巖隧洞圍巖變形破壞特征及其治理一直是巖土工程界關(guān)注和亟待解決的問題。本文以實際工程案例為基礎(chǔ)，研究了淺埋軟巖隧洞收斂變形特征，以及在初期支護(hù)后發(fā)生塌方和整體失穩(wěn)的治理措施。結(jié)果顯示，底拱支護(hù)不封閉的粘土巖隧洞收斂變形主要表現(xiàn)為拱頂下沉、邊墻內(nèi)移及底鼓，且底鼓最大位移量大于邊墻內(nèi)移位移量，拱頂下沉位移量相對較小。軟巖隧洞初期支護(hù)底板封閉很有必要，否則容易發(fā)生底鼓變形，最終將造成邊墻失穩(wěn)，并影響到拱頂圍巖的穩(wěn)定性。本文實例所述隧洞整體失穩(wěn)是極軟巖性質(zhì)、支護(hù)參數(shù)、施工方法，以及前方突遇廢棄煤井等多種因素共同作用所致。在已變形的隧洞內(nèi)安裝型鋼拱架，然后對變形支護(hù)體進(jìn)行快速拆除、快速支護(hù)和永久襯砌，是處理極軟巖隧洞初期支護(hù)后塌方和整體失穩(wěn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

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