用塊體極限平衡理論分析某大跨度隧道事故

黃 躍

（浙江省隧道工程公司，浙江杭州310030）

用塊體極限平衡理論分析某大跨度隧道事故

黃 躍*

（浙江省隧道工程公司，浙江杭州310030）

以新疆某大跨度山嶺隧道塌方事故為實例，分析了事故發(fā)生的主客觀原因，同時采用塊體極限平衡理論分析了事故發(fā)生的整個過程。采取了管超前、嚴注漿和強支護的措施，確保隧道全斷面安全掘進。實踐證明了塊體極限平衡理論在硬質破碎巖體中的適用性。最后，提出了一些可供類似圍巖隧道爆破掘進的預防塌方事故的方法。

隧道塌方；塊體極限平衡理論；穩(wěn)定性分析；錨噴支護；超前小導管

1 概述

塊體極限平衡理論已成為工程巖體穩(wěn)定分析的一種有效方法，在洞室穩(wěn)定分析中已得到較為廣泛的應用。塊體極限平衡理論假定巖體結構面為平面、結構面切割而成的塊體為剛體、塊體失穩(wěn)為脫離巖體或沿結構面產生剪切滑移等平動形式，利用幾何拓撲學方法分析不同開挖面上可能出現(xiàn)或己出現(xiàn)的可移動塊體、關鍵塊體的類型，分析塊體的幾何形態(tài)特征、塊體失穩(wěn)模式；并結合剛體極限平衡分析，計算塊體的穩(wěn)定性，探討相應的工程支護措施[1]。

許多學者對該理論進行過研究[2-3]，本文吸取這些文獻中對本工程事故分析有用的部分，采用二維塊體極限平衡理論分析對新疆某山嶺隧道事故進行了分析。根據本事故的結構面調查、原始資料分析，結合本山嶺隧道主要節(jié)理產狀的規(guī)律，本文將塊體視為剛體，假設滑動面為直線，研究作用在塊體上各種力的平衡關系，找到本次事故的力學原因，同時指導下一步的開挖掘進。

2 事故概況

2.1 工程概況

本隧道位于新疆，全長700m，分引洞和主洞，主洞室總長259m（樁號為Ⅰ+142.000m～Ⅰ+401.000m），主洞室錨噴支護后最大凈跨14.36m，埋深112.4～138.4m，軸線角度為北偏西72°?！兜刭|勘察報告》顯示整個隧道均處于Ⅳ級[4]圍巖。主洞巖性為褐灰色中粗粒蝕變花崗巖，塊狀構造，具輕微糜棱巖化。節(jié)理發(fā)育，有明顯1～12mm厚泥質物充填。巖石主要由云母、正長石、石英及暗色礦物組成。X共軛節(jié)理發(fā)育，縱向節(jié)理產狀310～320°∠65～75°，90～100°∠5～10°，致使基巖碎塊多在5～200cm。事故段在頂拱以上3m發(fā)育有產狀為100°∠15°的斷層，斷層寬15～20cm，出現(xiàn)斷層土和斷層碎塊，容易垮塌。

2.2 事故發(fā)生過程

隧道開挖過程及事故發(fā)生過程如圖1所示。

本隧道導洞為雙向掘進，右側右下導洞從引洞與主洞交點（樁號Ⅰ+142）開始沿引洞軸線掘進，左側中下導洞，凈跨6.00m，從樁號Ⅰ+401往Ⅰ+142掘進。在樁號Ⅰ+180處，左側導洞提前15.00m停止掘進，右側導洞在此擴挖出10.00m長全斷面洞室，作為主洞室開挖鉆孔臺架現(xiàn)場組裝場所。該10.00m長主洞室立即按設計編織?8mm@200mm×200mm鋼筋網，打設?22mm@ 1000mm×1000mm系統(tǒng)錨桿，噴射C25素混凝土并養(yǎng)護。主洞由Ⅰ+180往Ⅰ+401方向全斷面擴挖掘進。

事故發(fā)生過程：6月30日，鉆孔臺架拼裝完畢，項目部立刻安排爆破掘進班組進尺2.50m，開挖后發(fā)現(xiàn)頂拱有破碎帶，局部掉石塊。項目部經與建設方、監(jiān)理方溝通后，決定將主洞室的頂拱開挖面增高0.80m，這樣更有利于圍巖的整體穩(wěn)定性。因此，項目部安排焊工重新加工鉆孔臺架。由于工序干擾，項目部只對新進尺的2.5m洞室噴射了5cm厚的C25素混凝土。焊工從7月1日開始加工臺架，5d后，發(fā)現(xiàn)頂拱混凝土表面有一條裂縫，接下來幾天，發(fā)現(xiàn)裂縫在擴張。7月10日，臺架整改完畢，焊工將情況告知項目經理部。項目經理覺得這條裂縫可能是新疆干燥天氣造成的干縮裂縫，為加快進度，準備再掘進2.50m后一起施作錨噴支護。7月11日，爆破掘進班組開挖掘進2.50m，項目部施工員現(xiàn)場指揮挖機師傅排渣，挖機鏟剛碰到頂拱危巖即發(fā)生塌方，拱頂從前往后發(fā)生大約5.00m長、3.00m寬的塌方，塌方體頂點高2.50m，石方體積約35m3，為中等塌方。挖機整體被埋沒，施工員僥幸逃生。

圖1 隧道開挖及事故發(fā)生過程簡圖

3 事故原因分析

事故原因主要分客觀因素和主觀因素?？陀^因素包括圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育、黃色泥質夾層厚、爆破對圍巖擾動大、工期緊；主觀因素包括管理人員對風險估計不足，沒有及時編織鋼筋網、打設系統(tǒng)錨桿和噴射混凝土，更主要的是發(fā)現(xiàn)問題了沒有及時處理，抱有僥幸心理和闖關心態(tài)。

3.1 開挖方法

根據引洞的開挖情況，本隧道巖石堅硬，節(jié)理裂隙發(fā)育，根據《巖土工程勘察設計手冊》，Ⅳ級圍巖跨度大于5.00m時，巖體一般無自穩(wěn)能力，數日—數月內可發(fā)生松動變形、小塌方，進而發(fā)展為中—大塌方，因此最好使用分布分區(qū)開挖的施工順序。但是建設方要求加快進度，邀請到現(xiàn)場的專家也認為此圍巖在沒有超前錨桿或超前小導管支護的情況下全斷面開挖風險也不大，因此項目部采用了中下導洞加無超前支護全斷面擴挖法，這降低了開挖面的穩(wěn)定性。

3.2 爆破的影響

首先，由圖1可知，右側導洞在樁號Ⅰ+180處分3次擴挖出10.00m主洞，爆破對事故地點頂拱圍巖進行了多次擾動。其次，按照前期施工方案，圖1中左側導洞提前15m要停止掘進，由于重新加工鉆孔臺架耽擱了10d，項目部安排爆破掘進班組繼續(xù)開挖左側導洞直至到達樁號Ⅰ+180，爆破又多次擾動了事故地點圍巖。

3.3 僥幸心理

一方面，本項目處于Ⅳ級圍巖，跨度大（毛洞設計凈跨14.36m），在沒有超前支護的情況下，一次掘進2.50m，開挖風險不小；另一方面，現(xiàn)場施工員沒有仔細觀察開挖面的情況，也沒有詳細做記錄；再一方面，現(xiàn)場工人向項目部反應了情況，管理人員沒有采取緊急支護措施；接下來的爆破掘進就是點燃事故的導火索。

4 用塊體極限平衡理論分析事故發(fā)生過程

4.1 計算參數的選取

主要結構面走向和隧道軸線的關系如圖2所示，結構面傾角平均值為70°，巖層平均厚度為0.8m。巖層內部X共軛節(jié)理裂隙發(fā)育，根據塌落拱觀察，走向與隧道軸線平行有2大節(jié)理，在此命名為節(jié)理1和節(jié)理2，傾角分別為39°和53°（如圖3所示）。巖石為花崗巖，強度高，剛度大；節(jié)理充滿泥質充填物，強度低，結構面比較光滑；巖體主要沿結構面張開、滑動、翻滾?；麦w本身也是破碎巖體，內部節(jié)理裂隙非常發(fā)育，巖石碎塊多在5～30cm。本項目地處西北干旱區(qū)，水量貧乏，對開挖過程沒有影響。

圖2 隧道軸線和主結構面關系

圖3 滑坡體剖面圖

表1 巖石物理性質[5,6]

巖石物理性質見表1，這些數據是通過查閱《地質勘察報告》并參照前輩的工程實踐或實驗得到的。

4.2 分析過程

（1）基本假設：

①由于坍塌體四周的結構面填充了黃色泥質物，在爆破沖擊波的作用下，節(jié)理1和節(jié)理2張開，可以假設填充物的粘聚力為0MPa。

②坍塌體上方的巖體能長時間保持穩(wěn)定，可以假設上方巖體對坍塌體的粘聚力和壓應力均為0MPa。

③根據塊體理論，假設巖體為剛體，不考慮巖體自身的變形。

④巖體結構面平滑，分析巖體在重力和摩擦力作用下的穩(wěn)定性。

（2）單層滑坡體分析：分析簡圖如圖4所示。

圖4 單層滑坡體示意圖

巖體A下滑力T=G×sin70°=0.94G；

摩擦力T1=N1×f=G×cos70°×f=0.34×0.64G=0.22G；

巖體A左側的巖體也為不穩(wěn)定巖體，在此假定T2=0；

圖3中節(jié)理1和節(jié)理2張開，2個結構面對巖體A的摩擦力T3=0（結構面與圖4巖體垂直，未標示）；滑坡體下方為凌空面。

綜上所述下滑力T＞T1，在圖3中節(jié)理1和節(jié)理2松動張開的情況下，巖體必然沿著主結構面下滑。要使滑坡體穩(wěn)定，掘進之前必須要打設超前小導管。

（3）多層滑坡體分析：由圖5可知，隧道一次掘進2.5m，開挖面穿越3層滑坡體（D-F滑坡體）。根據單層滑坡體的分析，在沒有系統(tǒng)錨桿和超前小導管的錨固作用下，隧道一旦掘進爆破，節(jié)理1和節(jié)理2容易張開，多層滑坡體發(fā)生坍塌是大概率事件。本次事故即可由該大概率事件解釋。

6月30日，圖1中樁號Ⅰ+170隧道全斷面掘進2.5m，滑坡體A-C底下成為臨空面，再加上爆破沖擊波對滑坡體的影響，節(jié)理張開，滑坡體搖搖欲墜（現(xiàn)場掉塊）。此時，項目部忙于重新加工鉆孔臺架和打通圖1中左側中導洞。7月5日，左側中導洞貫通，最后一次爆破又擾動了滑坡體A-C，局部掉塊。7月11日，圖1中樁號Ⅰ+167.5全斷面爆破掘進2.5m，此時滑坡體A-C的節(jié)理1和節(jié)理2已經完全張開，一碰即沿著主結構面滑落?；麦wA下滑后，滑坡體B、C依次下滑，失去支撐的滑坡體D、E、F也緊跟著下滑，至此坍塌事故已經釀成。

圖5 多層滑坡體示意圖

5 掘進工程改善

根據以上分析，為確保掘進過程的圍巖穩(wěn)定安全，項目部參照淺埋暗挖法的“十八字”方針，最終采取以下措施：

（1）管超前。針對滑坡體的斷層碎塊，采用超前導管注漿加固地層，使松散碎石層經注漿加固后形成一個殼體，增強其自穩(wěn)能力，防止出現(xiàn)過多墜石。導管采用?42mm×3.5m鋼管，間距0.40m，仰角約為10°，管的尖端和管上注漿孔專門加工。

（2）嚴注漿。在導管超前支護后，立即進行壓注水泥漿液充填碎石裂隙，使得破碎巖體形成一個整體，增強其自穩(wěn)能力，為施工提供一個相對安全的環(huán)境。

（3）強支護。按照開挖→初次噴射混凝土→架立鋼拱架→編織鋼筋網→打設系統(tǒng)錨桿和超前小導管→最終噴射混凝土→開挖的施工順序進行隧道掘進。鋼拱架選用16#普通工字鋼，間距1m。系統(tǒng)錨桿采用全長粘結式錨桿（?22mm螺紋鋼），全過程均采用超前小導管注漿加固。

系統(tǒng)錨桿和超前小導管如圖6所示。

圖6 隧道初期支護圖

（4）系統(tǒng)錨桿核算。根據《巖土錨固技術手冊》[8]，單根錨桿的錨固力計算公式為Tu=pDLΔs。

按系統(tǒng)錨桿深入穩(wěn)定巖層1m計算，取Δs=4MPa。

Tu=276kN＞鋼筋的承載能力T=114kN。因此，取Tu=114kN。

1m寬滑坡體的重力G=1×1×2.5×25.5=63.8kN。

Tu＞G，系統(tǒng)錨桿滿足要求。

（5）勤觀察。隧道爆破掘進后，一定要觀察前一排炮的噴射混凝土表面的裂縫情況，以便采取措施防止掉塊和塌方事故。

（6）改善效果。采取以上措施后，由于巖層裂隙發(fā)育、破碎，雖然沒有獲得良好的光面爆破效果（眼痕率小于20%），但是隧道平均線性超挖值小于150mm，掉塊情況很少，做到了安全穩(wěn)定快速地全斷面掘進，隧道開挖按計劃完成。

6 結論

經過實踐證明，塊體極限平衡理論在本文得到了很好的應用，以該理論為基礎獲得了如下結論：

（1）本文巖石為花崗巖，強度高、剛度大；結構面有泥質填充物，強度低；應用塊體極限平衡理論假定巖體為結構面切割而成的剛體、塊體失穩(wěn)為脫離巖體產生剪切滑移等平動形式，并結合剛體極限平衡分析，計算塊體的穩(wěn)定性，探討相應的工程支護措施。實踐證明，該理論在節(jié)理發(fā)育的硬質巖體中應用是成功的。

（2）根據本文事故的發(fā)生過程，雖然結構面有泥質填充物，強度低，但是結構面變形、巖體滑移是有一個過程的。因此，碰到Ⅳ級圍巖，隧道開挖后，一定要立刻噴射一次混凝土，這樣便于觀察結構面的變形情況，以便采取措施防止塌方事故。

（3）本文采用了淺埋暗挖法“十八字”方針中的三點：管超前、嚴注漿和強支護，“勤量測”換成了“勤觀察”，觀察噴射混凝土表面有無裂縫，裂縫有無發(fā)展。做到了安全穩(wěn)定快速地全斷面掘進，隧道開挖按計劃完成。 參考文獻：

[1] 易菊香.塊體極限平衡理論在隧道施工中的應用研究[D]．西南交通大學碩士研究生學位論文,2003:1.

[2] 徐明毅,汪衛(wèi)明,陳勝宏.三維剛體極限平衡法中荷載的計算方法及工程應用[J].巖土力學,2004,25(5):755-758.

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[8] 閆莫明,徐禎祥,蘇自約.巖土錨固技術手冊[M].北京:人民交通出版社,2004:443.

U451.2

A

1004-5716(2015)04-0192-05

2014-04-17

2014-04-24

黃躍（1977-），男（漢族），安徽含山人，工程師，現(xiàn)從事隧道工程、地質災害施工工作。