基于隧道開挖空間效應(yīng)的掌子面坍塌分析

寧文國

(中鐵電氣化局集團東南公司，江西南昌 330038)

0 引言

隧道是修筑在各種地質(zhì)體中的穩(wěn)定的洞室結(jié)構(gòu)。修建于崇山峻嶺之中的山嶺隧道，由于地質(zhì)條件復(fù)雜、構(gòu)造活動強烈、不良地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，具有投資大、施工周期長、工藝復(fù)雜、工法轉(zhuǎn)換多、施工技術(shù)復(fù)雜、不可預(yù)見風(fēng)險因素多等特點。同時，目前山嶺隧道也正朝著大斷面、扁平化趨勢發(fā)展，導(dǎo)致突泥、涌水、坍塌等隧道災(zāi)害事故頻發(fā)。

但是在上述隧道災(zāi)害中，坍塌、冒頂是隧道施工中最常見的災(zāi)害現(xiàn)象之一，根據(jù)2011年和2012年隧道發(fā)生的25起安全事故分析，隧道塌方事故最多，有16起;涌水突泥事故次之，有3起;另外洞內(nèi)火災(zāi)和火工品爆炸事故各2起［1-4］。

隧道施工過程中的突發(fā)性坍塌常造成嚴(yán)重的安全事故。隧道坍塌事故已成為工期延誤、生命財產(chǎn)損失等風(fēng)險事故的主要原因。2008年7月25日，廣深港鐵路客運專線南沙區(qū)獅子洋隧道施工工地發(fā)生一起隧道塌方事故;2007年9月2日，合寧鐵路亭子山2號隧道工程在頂部支護換拱作業(yè)時發(fā)生局部塌方;2012年7月29日凌晨，廈門海滄區(qū)在建廈漳公路(廈門段)雷公山隧道右洞在支護作業(yè)過程中發(fā)生塌方事故;2008年1月20日，鄭西客運專線盤東隧道出口發(fā)生隧道塌方;海南環(huán)島高速公路大茅隧道的塌方事故造成了特大人員傷亡事故，不但嚴(yán)重延誤工期，同時也嚴(yán)重影響隧道襯砌、防水質(zhì)量及運營安全［5，6］。因此，隧道施工中開展坍塌事故的分析，對施工安全、減少生命和經(jīng)濟損失都具有重要的意義。

本文以在建的杉溪隧道為例，介紹基于開挖空間效應(yīng)的掌子面坍塌分析中的成功經(jīng)驗，可為今后類似工程的實施提供參考和借鑒。

1 概況

1.1 工程概況

杉溪隧道位于福建省西北部位，屬剝蝕丘陵地貌單元，微地貌形態(tài)為呈近東西向的帶狀陡峻山嶺與山間溝谷相間分布，山巒起伏，地勢陡峭，支溝發(fā)育，多呈“V”字形，山坡坡度30°～50°，植被茂盛，高程290.0 m～346.5 m。杉溪隧道為左、右分離式隧道，長222 m，最大埋深52.9 m。

隧址區(qū)地處閩西北隆起帶，閩東火山斷拗帶的次級構(gòu)造單元松溪至建溪拗陷帶，北東向及北北東向構(gòu)造發(fā)育，并且歷經(jīng)多次構(gòu)造運動及火山巖漿活動。本區(qū)內(nèi)地表主要為第四系坡殘積土覆蓋，無基巖出露。隧道上覆巖土體由第四系坡殘積層、全風(fēng)化云母石英片巖組成。第四系坡殘積層主要由松散的粘土組成，可塑～硬塑，結(jié)構(gòu)松散;全風(fēng)化片呈砂土狀，硬塑～半堅硬。坡積層、全風(fēng)化云母石英片巖均結(jié)構(gòu)松散，易坍塌，洞口斜坡巖土體的穩(wěn)定性極差。隧址區(qū)地處一呈近東西向分水嶺部位，地表水和地下水都不發(fā)育。

1.2 施工概況

杉溪隧道為淺埋、分離式高速公路隧道，全長197 m，隧道圍巖全部為Ⅴ級，施工中采用上下臺階法開挖，上臺階高度為6.4 m，超前下臺階10 m以上，其中洞口段的上臺階開挖時預(yù)留核心土，隧道每循環(huán)開挖進尺2.0 m。

其施工步驟為:

第一步:開挖上臺階——初支(噴混凝土+錨桿+鋼拱架);

第二步:開挖下臺階——初支(噴混凝土+錨桿+鋼拱架);

第三步:仰拱開挖;

第四步:施作防水板，整體澆筑二襯混凝土。

Ⅴ級圍巖的支護參數(shù)如下:φ42超前小導(dǎo)管注漿支護，環(huán)向間距為40 cm，長5.2 m，10°角;初期支護為噴 C25混凝土，厚度為25 cm;Φ8鋼筋網(wǎng)，間距20 cm×20 cm;拱部以及邊墻設(shè)置φ22錨桿，長3.5 m，梅花形布置，間排距為0.8 m×0.8 m;Ⅰ18鋼拱架支撐，縱向間距為80 cm;仰拱開挖后噴C25混凝土22 cm，4×φ22格柵支撐，縱向間距80 cm;二次襯砌現(xiàn)澆C25鋼筋混凝土，厚度為45 cm。

鑒于隧道斷面跨度比較大、圍巖破碎穩(wěn)定性差、地形復(fù)雜、結(jié)構(gòu)受力不均勻，施工中多次發(fā)生坍塌事故。因此，在后期施工的過程中采取加強監(jiān)控量測，確保工程在安全、可控的條件下有序進行。

2 開挖面支撐的空間效應(yīng)

處于某一應(yīng)力狀態(tài)的未開挖巖體，均處于一定的應(yīng)力平衡狀態(tài)。在隧道開挖的過程中，將打破巖體內(nèi)原有的應(yīng)力平衡，隧道開挖過程中，開挖面的前方是尚未開挖的巖體，后方是已開挖段，開挖面附近的巖體發(fā)生應(yīng)力重分布和變形，此時巖體的力學(xué)行為是個復(fù)雜的四維時空問題，此時巖體的變形狀態(tài)決定著掌子面的穩(wěn)定性。

對于彈塑性巖土體，其應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系是非線性的，當(dāng)洞周的切向應(yīng)力達到巖土體的屈服條件時，巖體便進入塑性狀態(tài)，導(dǎo)致塑性區(qū)的出現(xiàn)，從而應(yīng)力不斷向圍巖深部轉(zhuǎn)移并同時發(fā)生變形，當(dāng)這種變形超過了圍巖本身所能承受的能力，則圍巖就要發(fā)生破壞［8］。圍巖的二次應(yīng)力場實際上是三維的，因為隧道端部開挖面對圍巖的應(yīng)力釋放和變形發(fā)展都有大的約束作用，使得沿隧道縱向各斷面上的二次應(yīng)力狀態(tài)和變形都不相同，這種現(xiàn)象稱之為開挖面支承的“空間效應(yīng)”［7］。

縱向變形規(guī)律曲線(Longitudinal Deformation Profile，LDP)是指在無支護條件下，以曲線表示的沿掌子面前后隧洞圍巖洞周某點的徑向位移變化，如圖1所示。借助于掌子面空間效應(yīng)的現(xiàn)場監(jiān)測，可以獲得隧道開挖的縱向變形規(guī)律曲線。其中，水平軸表示分析斷面與掌子面的距離(常采用相對距離x/r)。豎直軸表示距開挖面一定距離處的洞壁變形u(x)與距掌子面無限遠處同一位置的洞壁變形u(在掌子面空間約束效應(yīng)影響范圍之外)之比(歸一化位移)。

圖1 縱向變形規(guī)律曲線圖

3 現(xiàn)場監(jiān)測

根據(jù)杉溪隧道的地質(zhì)概況和開挖方式，隧道開展的主要監(jiān)測工作為拱頂下沉和圍巖收斂。

3.1 監(jiān)測方案

在上臺階初期支護混凝土噴射完畢并固結(jié)后，按圖1所示位置在拱頂處布設(shè)沉降監(jiān)測點。測點的布設(shè)在避免爆破作業(yè)破壞的前提下，盡可能靠近工作面埋設(shè)，后視點應(yīng)布設(shè)在距離觀測點3倍洞徑以外的穩(wěn)定點處;測量時將鋼尺掛在拱頂測點，讀鋼尺讀數(shù)，同時讀取后視點標(biāo)尺讀數(shù);測量儀器采用萊卡高精度水準(zhǔn)儀、平板測微器，最小讀數(shù)0.01 mm，量測精度±0.06 mm。圍巖收斂監(jiān)測點的布設(shè)原則同拱頂沉降點，測點布設(shè)如圖2所示。測點布設(shè)斷面分別為ZK27+574，ZK27+585和ZK27+596。

圖2 監(jiān)測點埋設(shè)剖面圖

3.2 監(jiān)測結(jié)果及縱向變形規(guī)律

本文選擇拱頂沉降量來研究隧道開挖過程中圍巖的變形規(guī)律。3個監(jiān)測斷面處的拱頂沉降監(jiān)測結(jié)果如圖3所示。

圖3 縱向變形規(guī)律曲線

根據(jù)以上3個斷面拱頂沉降監(jiān)測結(jié)果研究發(fā)現(xiàn):3個斷面監(jiān)測圍巖的變形趨勢基本一致，都隨著掌子面的接近而逐漸增大，遠離而減小;當(dāng)掌子面距離監(jiān)測斷面為1倍洞徑時，監(jiān)測斷面處開始產(chǎn)生明顯變形;當(dāng)掌子面超前監(jiān)測斷面為2倍洞徑時，監(jiān)測斷面處的沉降達到總變形量的80%以上;當(dāng)掌子面距離監(jiān)測斷面超過4倍洞徑時，監(jiān)測斷面的變形達到最大。由此可見，根據(jù)掌子面的空間效應(yīng)分析可知，圍巖的變形主要發(fā)生在掌子面前2倍洞徑和掌子面后4倍洞徑范圍內(nèi)。掌子面與監(jiān)測斷面重合時的歸一化位移比分別為0.36，0.45和0.43。因此，在實際施工過程中，應(yīng)特別注意掌子面剛開挖通過的隧洞洞段的變形，應(yīng)及時進行噴錨支護和監(jiān)測點布設(shè)工作，并及時開展監(jiān)控量測。同樣，將穩(wěn)定圍巖段的監(jiān)控量測結(jié)果與剛開挖段圍巖的監(jiān)測結(jié)果相比較，根據(jù)掌子面的空間效應(yīng)可以預(yù)測前方掌子面的穩(wěn)定性。

3.3 掌子面坍塌的預(yù)警

隧道在掘進過程中發(fā)生大變形、坍塌等險情往往發(fā)生在毛洞開挖后到支護完成前這一時間段內(nèi)，尤其在淺埋、破碎、松散的洞口地段。因此，利用監(jiān)控量測對潛在的險情作出提前預(yù)警，對于隧道安全施工具有重要意義。本文通過對監(jiān)控量測的拱頂下沉的研究分析，應(yīng)用掌子面的空間效應(yīng)理論成功預(yù)報杉溪隧道的掌子面坍塌事故的發(fā)生。

里程ZK27+562處于11月19日上臺階開挖，并施作初期支護，監(jiān)測單位同步埋設(shè)監(jiān)測點并開展監(jiān)測工作，伴隨隧道開挖掘進，監(jiān)測斷面ZK27+565處圍巖變形持續(xù)增大，其監(jiān)測結(jié)果如圖4所示。

圖4 拱頂沉降—監(jiān)測時間曲線圖

如圖4所示拱頂沉降監(jiān)測結(jié)果表明，11月19日上臺階開挖后圍巖發(fā)生顯著變形，之后隨著上臺階逐漸遠離和下臺階的逐漸靠近，圍巖變形持續(xù)增大，但變形趨勢較平緩，截止11月26日晚，拱頂累積沉降量發(fā)展到38.4 mm。11月28日下臺階開挖通過時，拱頂累積沉降量發(fā)展到77.6 mm，2 d的沉降速度為19.6 mm/d。圍巖變形監(jiān)測結(jié)果表明，下臺階開挖通過后圍巖變形量和變形速度增大，有進一步惡化趨勢。應(yīng)用掌子面的空間效應(yīng)分析，掌子面與監(jiān)測斷面重合時的歸一化位移比達到0.55，要遠大于穩(wěn)定圍巖的最大數(shù)據(jù)0.45。

鑒于圍巖變形具有持續(xù)增大的趨勢，11月29日凌晨發(fā)出掌子面坍塌預(yù)警，29日中午時，掌子面圍巖發(fā)生坍塌事故，塌方量達到48 m3，同時地表形成一個約為7 m2大，3 m深的塌坑，如圖5所示。

圖5 掌子面和地面坍塌圖

4 結(jié)語

對于淺埋、大斷面、破碎巖體中采用新奧法施工的隧道，施工過程中的監(jiān)控量測是其必不可少的重要環(huán)節(jié)。通過對監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的比對分析，不僅能預(yù)報開挖后圍巖的穩(wěn)定性，同時，通過拱頂沉降結(jié)果的分析和研究，采取將穩(wěn)定圍巖段的監(jiān)控量測結(jié)果與剛開挖段圍巖的監(jiān)測結(jié)果相比較，根據(jù)掌子面的空間效應(yīng)可以預(yù)測前方掌子面的穩(wěn)定性。本研究分析方法可為類似隧道工程提供參考借鑒。

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