岳家溝隧道塌方機(jī)制與數(shù)值模擬

劉春原 徐良玉

摘要 過對(duì)岳家溝隧道RK74+010處塌方前超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果與塌方后揭示的實(shí)際圍巖情況相比較得出：塌方前的掌子面的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)結(jié)果存在一定的局限性，而與實(shí)際塌方后揭示的圍巖狀況存在偏差，并未發(fā)現(xiàn)隱藏在隧道上方的軟弱破碎圍巖，從而導(dǎo)致施工中人們對(duì)該處圍巖施加了較低的支護(hù)強(qiáng)度，致使在掌子面向前推進(jìn)的過程中，隧道發(fā)生塌方.通過3DEC離散元數(shù)值模擬，從塌方處圍巖受力及位移特征上分析了岳家溝隧道的塌方機(jī)制。

關(guān) 鍵 詞 岳家溝隧道；節(jié)理巖體；塌方機(jī)制；3DEC數(shù)值模擬；支護(hù)措施

中圖分類號(hào) U458.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

隨著我國(guó)交通網(wǎng)的不斷完善，山嶺區(qū)的隧道建設(shè)數(shù)量日益增多。但由于隧道施工具有隱蔽性、作業(yè)空間狹窄、地質(zhì)條件不確定等特點(diǎn)，這就導(dǎo)致道施工中發(fā)生許多難以預(yù)料的工程災(zāi)害問題[1]。塌方就是其中一種較為嚴(yán)重的災(zāi)害[2]。

目前，最常用的數(shù)值模擬方法主要有：有限單元法和有限差分法[3-4]。而本文以岳家溝隧道塌方段為研究對(duì)象，在地質(zhì)分析的基礎(chǔ)上，采用更適合分析破碎圍巖的離散元軟件3DEC進(jìn)行數(shù)值模擬[5]，分析了岳家溝隧道的塌方機(jī)制。

1 塌方處圍巖特征

岳家溝隧道位于河北省易縣紫荊關(guān)鎮(zhèn)白家莊村與三鋪村之間，為分離式隧道。左線進(jìn)口樁號(hào)LK73+470，出口樁號(hào)LK77+580，左線長(zhǎng)4 110 m；右線進(jìn)口樁號(hào)RK73+444，出口樁號(hào)RK77+503，右線隧道長(zhǎng)4 059 m。屬特長(zhǎng)隧道。最大埋深342 m[6]。施工過程中，當(dāng)掌子面向前推進(jìn)一段距離后，在已開挖RK74+010處發(fā)生塌方事故。為進(jìn)一步說明塌方處的圍巖特征，分析其塌方機(jī)制，將該處超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果與塌方后揭示的圍巖狀況相對(duì)比加以說明。

1.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是針對(duì)隧道未開挖段的掌子面前方一段距離的圍巖情況的預(yù)測(cè)。岳家溝隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)采用美國(guó)Sir-20地質(zhì)雷達(dá)預(yù)測(cè)，其具有國(guó)際先進(jìn)技術(shù)水平，是隧道和地下工程廣泛應(yīng)用的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)。圖1為隧道掌子面施工到RK74+010處時(shí)的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)雷達(dá)測(cè)線圖。

根據(jù)地質(zhì)超前預(yù)報(bào)資料給出的對(duì)波形圖分析的結(jié)果為：通過分析地質(zhì)雷達(dá)獲取的波形圖，可以了解掌子面前方圍巖情況，掌子面前方巖性無太大差異，為弱風(fēng)化花崗閃長(zhǎng)巖，局部節(jié)理裂隙較為發(fā)育，有風(fēng)化物填充。推斷前方20 m范圍內(nèi)巖體較為完整，風(fēng)化程度與掌子面相似，巖體整體質(zhì)量較好。

1.2 塌方后揭示圍巖情況

2010年9月 8日岳家溝隧道右幅掘進(jìn)至里程樁號(hào) RK74+018 處時(shí)，發(fā)現(xiàn)掌子面上部圍巖條件變差，為強(qiáng)風(fēng)化帶，節(jié)理裂隙發(fā)育明顯，圍巖破碎，隨即提高了相應(yīng)的支護(hù)級(jí)別從而繼續(xù)施工，當(dāng)掘進(jìn)至RK74+028處時(shí)，拱頂位置出現(xiàn)掉塊，并有塌方趨勢(shì)，施工單位立即停止施工，并撤出人員，隨后拱頂圍巖破壞加劇，RK74+012～RK74+028段拱頂不斷有大石塊掉落，塌方區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大。RK74+000～RK74+012段初期支護(hù)已變形開裂，拱頂巖體隨時(shí)有坍塌的可能。待塌方停止后，組織塌方清渣時(shí)，從塌方揭露的圍巖情況看，該處掌子面雖然為花崗巖，巖性堅(jiān)硬，但隧道上部圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，且局部夾有白色強(qiáng)風(fēng)化物質(zhì)，強(qiáng)度較低，原有的支護(hù)等級(jí)不足，存在極大的安全隱患。

通過超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果與塌方后真實(shí)情況對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，岳家溝隧道圍巖具有如下特征：岳家溝隧道圍巖巖性較好，容易造成施工中對(duì)于圍巖質(zhì)量偏于良好的判斷，但是局部區(qū)域存在節(jié)理發(fā)育，風(fēng)化程度高的圍巖破碎帶，這些區(qū)域雖然巖石巖性較好，但是由于受結(jié)構(gòu)面的切割嚴(yán)重，巖體強(qiáng)度主要受結(jié)構(gòu)面控制，而非巖石本身的強(qiáng)度，這也是造成塌方事故的原因。

2 塌方機(jī)理分析

由前文分析可知，雖然由隧道內(nèi)觀察，塌方段面處圍巖質(zhì)量較好，但實(shí)際上塌方處上方存在隱藏的未被發(fā)現(xiàn)的風(fēng)化破碎帶，風(fēng)化破碎帶的巖體強(qiáng)度遠(yuǎn)低于原有良好圍巖，如圖2所示。

在走勢(shì)幾乎與開挖方向平行的情況下，這種節(jié)理裂隙發(fā)育明顯，巖石破碎，夾有強(qiáng)風(fēng)化物的軟弱破碎帶回導(dǎo)致隧道起初開挖時(shí)，人們并不會(huì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)，直至與隧道掌子面相交才被發(fā)現(xiàn)，隨即變更圍巖級(jí)別，增強(qiáng)了支護(hù)等級(jí)，但已開挖支護(hù)段并未采取措施[7]。因此，當(dāng)時(shí)掌子面后方的支護(hù)強(qiáng)度實(shí)際上是不足以支撐圍巖的，從而導(dǎo)致塌方斷面圍巖在開挖一段距離后才發(fā)生塌方。

3 塌方過程數(shù)值模擬分析

將針對(duì)岳家溝隧道這種特殊塌方情況，對(duì)隧道開挖工程進(jìn)行數(shù)值模擬，從應(yīng)力及位移上分析造成這種掌子面向前開挖，而后方圍巖坍塌事故的機(jī)制。

3.1 模型建立

由于岳家溝隧道大變形的圍巖節(jié)理發(fā)育，巖體破碎，所以本文采用基于離散元理論的分析軟件3DEC進(jìn)行建模分析。離散單元法主要是用于模擬解決非連續(xù)介質(zhì)問題的數(shù)值模擬方法，能夠更真實(shí)地模擬節(jié)理巖體中的塑性變形特征。

岳家溝隧道為雙洞分離式隧道，跨度15 m左右，隧道截面為三圓心馬蹄形形狀，模型計(jì)算范圍取4倍洞徑，左右總寬度150 m，上下總高度為120 m。模型左、右、前、后邊界和底部邊界施加位移邊界約束，上邊界根據(jù)埋深及地層偏壓情況施加應(yīng)力邊界，隧道巖體本構(gòu)模型選取摩爾-庫(kù)倫彈塑性模型，對(duì)節(jié)理采用接觸面庫(kù)倫滑動(dòng)模型。根據(jù)對(duì)應(yīng)的圍巖級(jí)別及軟弱破碎地層圍巖級(jí)別，賦予模型圍巖及節(jié)理對(duì)應(yīng)參數(shù)，其中良好地層圍巖級(jí)別為Ⅲ級(jí)，軟弱破碎地層按Ⅴ級(jí)圍巖施加參數(shù)，在其中設(shè)置切角35°和110°兩組節(jié)理。各等級(jí)圍巖及節(jié)理參數(shù)取值[8]如表1、表2。

根據(jù)施工資料及塌方報(bào)告描述，模型建立如下，其中塌方段位于距模型左端40 m處。

3.2 模擬結(jié)果分析

在模型中，Y軸方向?yàn)榇怪狈较?，X軸方向?yàn)闄M向水平方向，Z軸方向?yàn)檠厮淼蓝瓷畹乃椒较?。模型中?0 m為一開挖步向前推進(jìn)，并且右洞先開挖10 m，左洞再開挖。通過數(shù)值模擬，得出了模型相應(yīng)的應(yīng)力特征，位移特征。

3.2.1 應(yīng)力分析

由圖4可以看出，當(dāng)模型向前開挖20 m時(shí)，距離塌方斷面較遠(yuǎn)，開挖并未對(duì)塌方段面應(yīng)力造成影響，所以此時(shí)，該處的垂直應(yīng)力及水平應(yīng)力基本與初始時(shí)地應(yīng)力分布規(guī)律相同；當(dāng)模型掌子面向前推進(jìn)40 m時(shí)基本已經(jīng)到達(dá)塌方處時(shí)，隨著掌子面接近監(jiān)測(cè)斷面，監(jiān)測(cè)斷面的水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力相較20 m時(shí)是增加的，這個(gè)過程相當(dāng)于掌子面及其前方未開挖圍巖是對(duì)后方已開挖圍巖有一個(gè)虛擬的支撐力，從而提高了圍巖的穩(wěn)定性，因此掌子面開挖到此處時(shí)，隧道圍巖并未立刻發(fā)生塌方事故；而當(dāng)掌子面推進(jìn)到60 m時(shí)，塌方斷面RK74+010已處于掌子面后方開挖區(qū)段，此時(shí)隨著掌子面距離塌方斷面越來越遠(yuǎn)，掌子面后方圍巖對(duì)此處圍巖影響漸漸減弱，提供的虛擬支撐力減小甚至消失，在掌子面由未開挖狀態(tài)轉(zhuǎn)為開挖狀態(tài)過程中，塌方斷面掌子面經(jīng)過了一個(gè)先加載再卸載的過程，這個(gè)過程對(duì)該處圍巖擾動(dòng)極大，從而使塌方斷面圍巖破碎，隨著掌子面推進(jìn)，圍巖應(yīng)力和位移都進(jìn)一步釋放，圍巖劣化破碎加劇，此時(shí)可以看出右洞上方垂直應(yīng)為正，證明圍巖已處于受拉破壞狀態(tài)，再到掌子面推進(jìn)到80 m時(shí)，右洞上方拉應(yīng)力進(jìn)一步增大，受拉范圍也進(jìn)一步加深，最終隧道產(chǎn)生塌方。

通過隧道掌子面推進(jìn)過程中塌方斷面RK74+010的應(yīng)力變化的模擬分析，總結(jié)出RK74+010處發(fā)生先挖后塌的原因主要有兩點(diǎn)：一是掌子面可以為后方開挖圍巖提供一個(gè)支撐力的作用，可以提高后方圍巖穩(wěn)定性，但是這種力的作用范圍是有限的，隨著掌子面的不斷推進(jìn)，這種作用逐漸減弱直至消失；二是塌方斷面圍巖軟弱破碎，當(dāng)此處圍巖由未開挖轉(zhuǎn)變?yōu)殚_挖狀態(tài)后，圍巖發(fā)生擾動(dòng)破壞，并隨著隧道向前開挖，此處圍巖不斷劣化破壞，并向圍巖內(nèi)部發(fā)展，從而當(dāng)隧道向前開挖一段距離后發(fā)生塌方。

3.2.2 位移分析

由圖5、圖6分析可得，在隧道開挖完成后，在軟弱破碎帶處圍巖變形量明顯大于周邊良好圍巖，且向軟弱破碎帶內(nèi)部延伸，同時(shí)，右洞拱頂沉降量大于左洞，因此可以判定塌方主要是由于軟弱破碎帶圍巖強(qiáng)度較低導(dǎo)致，且右洞拱頂會(huì)先于左洞坍塌，這也是由于右洞先于左洞開挖所致。

在隧道開挖過程中，本文對(duì)塌方斷面隧道拱頂進(jìn)行了位移監(jiān)測(cè)，以便分析隧道上部圍巖隨著掌子面向前推進(jìn)過程中的位移變化。

由圖7、圖8的2條曲線可知，在未開挖到塌方斷面處前，拱頂幾乎沒有變形，而隨著掌子面推進(jìn)遠(yuǎn)離塌方處時(shí)，該處拱頂經(jīng)歷了一個(gè)沉降持續(xù)增大然后在中間經(jīng)過一段平穩(wěn)階段后變形趨勢(shì)進(jìn)一步增大的過程，并且右洞先于左洞發(fā)生沉降，且沉降量大于左洞。曲線反映出岳家溝隧道拱頂變形坍塌是一個(gè)隨掌子面推進(jìn)，圍巖漸進(jìn)性破壞的過程。

4 塌方處支護(hù)措施

為了減小圍巖的變形量，保證圍巖的穩(wěn)定，初期支護(hù)設(shè)計(jì)所采用的支護(hù)措施時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，必須采取加強(qiáng)支護(hù)等有效的補(bǔ)強(qiáng)措施[9]。采取的加強(qiáng)支護(hù)方法必須要結(jié)合圍巖變形破壞特征和初期支護(hù)變形信息反饋，從而建立塌方段支護(hù)的基本原則。這一原則的基本思路是：在隧道開挖后，軟弱破碎圍巖處于極不穩(wěn)定狀態(tài)，必須及時(shí)進(jìn)行支護(hù)，但是單獨(dú)使用錨桿的支護(hù)很難保證圍巖能夠達(dá)到穩(wěn)定，單純?cè)龃箦^桿長(zhǎng)度也不是提高圍巖力學(xué)特征的有效方法[10]。因此，對(duì)軟弱破碎圍巖的支護(hù)應(yīng)該在提高軟弱破碎圍巖的整體性的原則下，采用超前支護(hù)措施，這樣可以提前抑制掌子面前方圍巖由于開挖效應(yīng)造成的松動(dòng)，先一步阻止掌子面前方的圍巖下沉和塌方。根據(jù)以上思路，針對(duì)岳家溝隧道圍巖大變形關(guān)鍵里程段，在初期支護(hù)措施的基礎(chǔ)上又重新設(shè)計(jì)了補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)措施，具體情況如下：

在塌方段大樁號(hào)端，將該段隧道圍巖等級(jí)由原有的的勘察階段判定等級(jí)Ⅲ級(jí)變更為Ⅳs級(jí)，進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，措施為采取強(qiáng)超前錨桿改為4.5 m，每排45根，排距1.6 m的Φ50小導(dǎo)管注水泥水玻璃雙漿液施工，灌漿順序?yàn)樘凼┕?；施做二襯，按照C40混凝土襯砌施工，其余系統(tǒng)錨桿、仰拱、二次鋼筋按照Ⅳs圍巖級(jí)別施做。對(duì)塌方段處理如下：

1）在大變形區(qū)段進(jìn)行二次開挖支護(hù)施工，為減小圍巖擾動(dòng)，在拱邊墻及拱頂按照人工拆除鋼拱架混凝土相同工藝，仰拱采用小裝藥的微爆開挖，鋼支撐在用橫向一字、豎向扇形聯(lián)合支護(hù)。

2）加設(shè)小導(dǎo)管進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，再進(jìn)行注漿處理.灌漿時(shí)采用水泥-水玻璃雙漿液。

3）該區(qū)段大變形區(qū)段布設(shè)I20b鋼支撐，豎向支撐上端抵實(shí)圍巖腔體臨空面，在開挖線以外的下端直接接力與堅(jiān)實(shí)巖基上。

4）在支護(hù)拱頂空腔內(nèi)預(yù)埋7.5 m長(zhǎng)Φ108鋼管，然后泵送C25混凝土填實(shí)大變形塌方處。

5）塌方段二襯混凝土按照C40洞深襯砌混凝土施工，其余錨桿、仰拱、二襯鋼筋等均按照Ⅳ級(jí)圍巖級(jí)別施做。

5 結(jié)論

本文以岳家溝隧道塌方圍巖為研究對(duì)象，通過數(shù)值模擬方法，分析了岳家溝隧道塌方的機(jī)制，主要結(jié)論有：

1）通過岳家溝隧道RK74+010處塌方斷面揭露真實(shí)圍巖狀況和隧道掌子面超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果相對(duì)比，得出地質(zhì)超前預(yù)報(bào)只能預(yù)測(cè)掌子面前方一段距離的圍巖狀況，并不能預(yù)測(cè)到隧道上方圍巖的情況，這就導(dǎo)致當(dāng)隧道上方圍巖存在軟弱破碎層，而在掌子面開挖揭露前，人們很難發(fā)現(xiàn)上方它的存在，并對(duì)之前已開挖的存在隱藏破碎層的圍巖采取相應(yīng)的支護(hù)措施，從而隨著掌子面向前推進(jìn)，后方開挖的破碎圍巖發(fā)生漸進(jìn)性劣化破壞，最終發(fā)生塌方。

2）采用3DEC數(shù)值建模從而模擬掌子面推進(jìn)過程，通過塌方斷面的應(yīng)力特征，位特征的分析研究，得出造成岳家溝隧道發(fā)生掌子面推進(jìn)過程中后方已開挖圍巖發(fā)生塌方的原因主要由以下兩點(diǎn)：一是掌子面可以為后方開挖圍巖提供一個(gè)支撐力的作用，可以提高后方圍巖穩(wěn)定性，但是這種力的作用范圍是有限的，隨著掌子面的不斷推進(jìn)，這種作用逐漸減弱直至消失；二是塌方斷面圍巖軟弱破碎，當(dāng)此處圍巖由未開挖轉(zhuǎn)變?yōu)殚_挖狀態(tài)后，圍巖發(fā)生擾動(dòng)破壞，并隨著隧道向前開挖，此處圍巖不斷劣化破壞，并向圍巖內(nèi)部發(fā)展，從而當(dāng)隧道向前開挖一段距離后發(fā)生塌方。

3）由于在施工中很難發(fā)現(xiàn)隱蔽的軟弱破碎圍巖，當(dāng)掌子面揭示的圍巖質(zhì)量變差時(shí)，不但要對(duì)接下來開挖的隧道圍巖采取相應(yīng)的支護(hù)措施，而且對(duì)之前已開挖的圍巖，也要加強(qiáng)監(jiān)控測(cè)量，必要時(shí)需提高支護(hù)強(qiáng)度，從而保證隧道穩(wěn)定以及施工人員的生命安全.本文結(jié)合軟弱破碎圍巖特征及支護(hù)準(zhǔn)則，針對(duì)岳家溝隧道塌方處圍巖提出了相應(yīng)的支護(hù)措施。

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[責(zé)任編輯 楊 屹]