公路隧道泥質冒頂處置研究

韓光欽，田宏月，毛金龍

（1.貴州省公路工程集團有限公司，貴州 貴陽 550008，2.蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 210017）

公路隧道泥質冒頂處置研究

韓光欽1，田宏月1，毛金龍2

（1.貴州省公路工程集團有限公司，貴州 貴陽 550008，2.蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 210017）

隨著我國山區(qū)高等級公路的發(fā)展和建設規(guī)模的不斷擴大，山區(qū)公路隧道的建設也日益增多。隧道工程作為整個工程的控制性因素，由于冒頂引起的工期延誤、經濟損失甚至人員傷亡給工程帶來不可估量的損失。文章結合貴州省盤興高速公路某隧道冒頂事故，對其原因進行分析，采取相應的加固處理措施，并采用有限元分析程序對初期支護及二次襯砌進行結構驗算，實測監(jiān)控數據分析表明，該處理方案行之有效，可供類似工程施工參考。

公路隧道；冒頂；處理方案，監(jiān)控量測

由于山區(qū)復雜的地質條件和山嶺隧道洞口淺埋段較差的圍巖情況，加之施工過程中的不可控因素，冒頂是隧道施工中常遇到的工程事故之一。為保證隧道施工安全和施工質量，避免處理不當發(fā)生二次坍塌，冒頂的處理往往工期較長，工程措施必然偏于保守且造價偏高。近年來，隨著隧道施工技術的不斷發(fā)展和施工新方法、新理念的提出，隧道冒頂處理技術也越來越成熟和趨于多樣化［1］。然而，在冒頂事故的處理過程中，結合數值分析和后期數據采集對比的工程實例并不多見。本文依托貴州省盤興高速公路某隧道冒頂事故，對其處理加固措施進行介紹。

1 工程概況

貴州省盤興高速公路某隧道位于位于貴州省西南部高原中山地區(qū)，地勢總體北高南低，屬于挽近強烈隆升的云貴高原向廣西丘陵盆地過渡的斜坡地帶，地形起伏大，隧道穿越山脊高聳，屬中山構造剝蝕地貌。本隧道設計為雙線隧道，全長3 891 m，屬于特長隧道，全隧道地質情況復雜，溶洞和節(jié)理裂隙非常發(fā)育。

隧道冒頂發(fā)生在隧道右洞進口段，該處為寬闊的灰?guī)r溶蝕山間洼地，表層為坡洪積含碎石粉質粘土、含角礫粉質粘土覆蓋，局部基巖出露。冒頂事故附近巖體較破碎～較完整，巖性主要為灰?guī)r，表層坡洪積松散堆積體厚度較薄，陡坡地帶基巖多裸露，經穩(wěn)定性分析，自然狀態(tài)下結構面對邊、仰坡穩(wěn)定有利，但隧道開挖形成較大臨空面時，存在不利于巖體穩(wěn)定的外傾結構面，對該位置穩(wěn)定不利。

2 冒頂原因分析

隧道冒頂發(fā)生在隧道右洞進口埋深約39 m處，冒頂開始掌子面里程為K29+906，右洞施工至該位置時，掌子面左側拱頂出現較大溶洞，溶洞內填充高含水量黏土等物質。掌子面開挖過程中，形成較大臨空面，溶洞內大量填充物自溶腔落下，洞內大段落被填充，充填體后緣樁號為K29+898，前緣樁號為K29+890，坍方體由施工掌子面向小里程方向充填16 m。冒頂示意圖見圖1。

圖1 隧道冒頂地質示意圖

由于大量填充物自洞內塌落引起地表塌陷，形成漏斗狀的坍坑，坍坑最大深度約7 m，直徑約8 m。

（1）地質原因

冒頂事故段隧道圍巖主要為灰?guī)r，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，層間結合較差，巖體破碎，呈塊（碎）石狀鑲嵌結構。隧道開挖后，形成臨空面，軟弱破碎圍巖的洞內收縮甚至坍塌變形又都是向臨空面發(fā)生的［2］，圍巖在開挖后應力重分布的過程中承載地應力的主要是圍巖體本身［3］，軟弱圍巖一旦發(fā)生坍塌，臨空面將受到破壞。K29+906掌子面恰巧位于巖溶漏斗處，漏斗與隧道開挖界限貫通，流塑狀填充物由于施工擾動在重力作用下向洞內涌出，是本次冒頂事故的重要誘因。

（2）埋深原因

據地面調查，進口段石芽、溶溝、溶蝕裂隙及落水洞強烈發(fā)育，局部可見溶洞發(fā)育及下降泉初露，裂隙經溶蝕作用加寬加大，并填充紅色黏土。該段隧道埋深較淺，同時受到地表風化力影響，利于地表水的下滲。隧道開挖掌子面左側拱頂溶洞填充黏土，由于地表水的下滲且水量較大以及施工擾動等原因導致溶洞填充物涌出，通過若干溶洞連接至地表，導致洞內坍塌及地表塌陷。

3 處理方案分析

本著由外至內、避免二次事故發(fā)生的處理原則，處理過程分為地表處理、坍方體后方初期支護處理及塌腔處理3個階段。

3.1 地表處理

在洞內工作施做之前，將地表塌陷區(qū)域采用警戒線圍住，防止人員靠近以免發(fā)生危險。并在地表沉降范圍外5m施做截水溝，塌腔上方進行防水材料遮蓋，以截排地表水，防止雨水沖刷下滲，進入坍坑，造成二次坍塌。待冒頂段二襯施工完畢后進行坍坑回填復耕。

3.2 坍體后方初期支護處理

為保證坍塌范圍不再向已開挖方向延伸，對坍塌體后方10 m范圍內的初期支護進行進一步加固。由于臨近冒頂體側的初期支護基本穩(wěn)定，只需要做進一步加固措施。在初期支護鋼架兩側增設鎖腳錨管，并與拱架焊接牢固，注水泥單液漿對圍巖進行注漿加固。

3.3 塌腔處理

塌腔處理過程中，要考慮以下三方面：第一，清除坍方體過程防止二次坍塌問題；第二，冒頂段開挖防護問題；第三，隧道后續(xù)開挖的安全問題。

針對防止二次坍塌方面，首先采用注漿小導管注漿的方式，將坍方土體固結。其次，對冒頂后段初期支護鋼拱架布設鎖腳錨管，每榀鋼架按照8根布設。隧道拱頂120°范圍內以小導管對圍巖進行注漿加固。確定安全后，分段清除坍方體，每清除一段坍方體重復以上工作，直至清方結束。

針對冒頂段開挖防護方面，在清除坍方體至冒頂位置后，在拱頂120°范圍內布設Φ76 mm超前長管棚，注水泥單液漿至前方巖體，將坍方體固結形成應力承載環(huán)，利于后續(xù)開挖支護，順利通過冒頂段。同時，調整支護參數至最強，加密型鋼鋼架，并將其基礎進行擴挖，施做混凝土墊塊，形成穩(wěn)定的大拱腳基座。鎖腳錨桿調整為鎖腳錨管，并注漿加固。

為確保后續(xù)開挖安全，清除坍方體段及后續(xù)圍巖開挖均采用人工配合機械挖除洞內土石方，開挖工序采用上下臺階預留核心土法。

4 數值模擬

建模分析運用隧道與巖土工程專用有限元分析程序MIDAS-GTS完成。計算采用基于巖體力學的“地層-結構”法和施工方案進行隧道施工過程模擬，分析初期支護結構穩(wěn)定性和圍巖變形特性。采用基于結構力學的“荷載-結構”法，對分離式隧道中主洞復合式襯砌對應的隧道二次襯砌的結構安全性進行模擬分析。

4.1 計算參數

圍巖的物理力學參數及支護結構的力學參數［4］見表1～表3，荷載及其系數見表4。

4.2 初期支護地層結構模型計算分析

本隧道V級圍巖段擬采用預留核心土法施工，采用分步開挖與分步支護（錨噴）的動態(tài)模擬，具體模擬了隧道施工過程的沉降位移及初期支護各結構單元的受力。V級圍巖隧道預留核心土法開挖支護模型見圖2，初支結構驗算結果見表5。

表1 “荷載-結構”模型計算物理力學參數值

表2 “荷載-結構”模型地層物理力學參數值

表3 “地層-結構”模型圍巖物理力學參數值

表4 荷載綜合系數表

圖2 Ⅴ級圍巖預留核心土法地層結構模型

表5 Ⅴ級圍巖初支結構驗算表

通過計算分析可知，按照預留核心土法開挖隧道引起的主洞Ⅴ級圍巖豎向位移較小，初期支護施作后的拱頂沉降為2.15 mm，水平收斂為0.72 mm，滿足施工安全監(jiān)控量測要求。根據《公路隧道設計細則》（JTG/T D70—2010），鋼結構抗壓標準強度安全系數達到2.0，鋼結構抗拉標準強度達到2.0，滿足安全系數要求。

4.3 二次襯砌荷載結構模型計算分析

荷載結構模型中，分析計算的對象是隧道二次襯砌支護結構。建模時二次襯砌結構離散為有限個梁單元，并將彈性支撐以鉸接的方式支撐在襯砌梁單元之間的節(jié)點上，彈性支撐采用彈簧單元，不承受彎矩，只承受軸力，彈性支撐沿襯砌軸線的法向設置。二次襯砌“荷載-結構”計算模型見圖3、圖4，二襯結構斷面驗算結果見表6。

圖3 二次襯砌的圍巖作荷載用模型

圖4 二次襯砌的彈簧地層邊界條件

表6 Ⅴ級圍巖二襯結構斷面驗算表

根據《公路隧道設計細則》（JTG/T D70—2010），混凝土達到抗壓標準強度安全系數2.0，混凝土達到抗拉標準強度2.4。經計算結構滿足安全系數要求。

5 監(jiān)控量測數據分析

K29+900斷面初期支護參數采用初噴24 cm厚C25混凝土，拱墻部位打設Φ25 mm中空注漿錨桿，鋪設Φ6.5 mm鋼筋網并架設I18型工字鋼，鋼架間距75 cm。冒頂后初期支護參數在原設計基礎上加密了工字鋼架間距（50 cm），其余與原設計參數大體相同。冒頂前、后初期支護狀態(tài)良好，拱頂沉降及周邊收斂趨于穩(wěn)定，其中拱頂沉降量累計值為26 mm，周邊收斂量累計值為16 mm，說明初期支護參數設計是合理的，監(jiān)控量測數據見圖5。

圖5 K29+900拱頂沉降和周邊收斂-時間曲線

通過上述處理方案對冒頂段進行

處理，并對后續(xù)施做的K29+910斷面初期支護進行監(jiān)測，監(jiān)控量測數據見圖6。從監(jiān)控量測數據中可以發(fā)現，經由本方案對該冒頂事故處理后，拱頂沉降及周邊收斂值相對處理前更小，初期支護更早進入穩(wěn)定狀態(tài)，說明該冒頂處理方案是合理的。

圖6 K29+910拱頂沉降和周邊收斂-時間曲線

6 結論

（1）隧道冒頂處理應根據具體情況具體分析，針對不同原因導致的冒頂采取合理恰當的處置方案。

（2）在對隧道內坍方進行清方之前，為保證施工過程中隧道臨空面不再坍塌，必須待冒頂情況穩(wěn)定后方可進洞施工，且應對初期支護及坍方體進行加固，可采取鎖腳錨管、初支外圍巖注漿及坍方體注漿等方法加固。

（3）從現場施工情況來看，隧道初期支護施做后拱頂沉降及水平收斂均滿足施工安全監(jiān)控量測要求，施工過程中未發(fā)生再次坍塌及侵限情況，該冒頂處理方案是成功的，可供類似工程施工參考。

［1］匡樹鈞，涂潔.淺談隧道塌方處理措施［J］.山西建筑，2011，37（6）：132-133.

［2］張秀良.臨空面理論在蘭渝鐵路LYS-2標隧道中的應用［J］.蘭州交通大學學報，2014（1）：19-22.

［3］朱漢華，楊建輝，尚岳全.隧道新奧法原理與發(fā)展［J］.隧道建設，2008，28（1）：11-14.

［4］JTG D70—2004公路隧道設計規(guī)范［S］.

Research on Treatment of Highway Tunnel Argillaceous Roof Collaspe

Han Guangqin1， Tian Hongyue1， Mao Jinlong2
（1. Guizhou Highway Engineering Group Co.， Ltd.， Guiyang 550008， China； 2. JSTI Group， Nanjing 210017， China）

With the development and continuous expansion of construction scale in high-grade mountain highway， the construction of mountain highway tunnel is increasing. Tunnel engineering is the controlling factor of the whole project， roft collaspe of tunnel will lead to construction delay， economic losses or even casualties. Combining with the tunnel roof callaspe accident of Panxing expressway in Guizhou province， it's causes are analyzed and corresponding reinforcement measures are used， the finite element program is used to check the structure of initial support and secondary lining. The actual monitoring data show that the treatment measurs are effective and could provide reference for similar incidents.

highway tunnel； roof collaspe； treatment measures； monitoring measurement

U458.3

B

1672-9889（2016）01-0076-03

韓光欽（1971-），男，河南孟津人，高級工程師，主要從事公路工程施工與管理工作。

2015-11-07）