黃土隧道洞口淺埋段塌方冒頂處治及效果分析

楊曉華，肖 靖，辛延甫，王安樂，鄭坤隆

(1. 長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064； 2. 甘肅省公路航空旅游投資集團(tuán)有限公司，甘肅 蘭州 730030；3. 西安科信市政工程監(jiān)理有限公司，陜西 西安 710068)

0 引 言

隨著中國進(jìn)一步加強基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，深入貫徹落實西部大開發(fā)戰(zhàn)略，黃土地區(qū)的隧道工程建設(shè)得到快速發(fā)展。由于黃土具有特殊的工程特性，在黃土地區(qū)進(jìn)行隧道施工時經(jīng)常會遇到很多地質(zhì)災(zāi)害，如掌子面突泥、圍巖大變形，甚至發(fā)生隧道塌方冒頂[1-5]，造成工期延誤、施工機械損壞等，對工程的經(jīng)濟效益產(chǎn)生很大影響，有些甚至?xí)：ΜF(xiàn)場施工人員安全。為此，針對黃土地區(qū)塌方事故處治方案進(jìn)行研究是很有必要的。

關(guān)于在黃土地區(qū)修建隧道時發(fā)生塌方冒頂，大量學(xué)者對其處治方案進(jìn)行了研究并已取得寶貴的成果[6-10]。趙成江等[11]提出對黃土隧道塌方段采用水泥水玻璃雙液注漿進(jìn)行加固；Zhang等[12]基于擴展理論建立了黃土隧道塌方風(fēng)險評估模型，有助于預(yù)測在不同地質(zhì)條件和不同施工組織下開挖的黃土隧道的坍塌風(fēng)險水平。趙占廠等[13]對新莊嶺和白虎山2座隧道圍巖壓力的分布形式和數(shù)值大小進(jìn)行具體分析，并根據(jù)分析結(jié)果討論了黃土隧道深、淺埋的界定標(biāo)準(zhǔn)；賴金星等[14]分析了黃土隧道淺埋偏壓洞口段的塌方原因，提出采用超前大管棚與小導(dǎo)管注漿加固的處治方案，現(xiàn)場監(jiān)控量測結(jié)果表明處治效果良好；徐新芳等[15]針對塌方段采用大管棚支護(hù)，取得了良好的治理效果；Hu等[16]依托大斷面黃土隧道，利用離散元軟件PFC 2D對黃土隧道發(fā)生塌方的力學(xué)機理進(jìn)行了研究。

上述研究成果對黃土隧道塌方冒頂?shù)闹卫硖峁┝擞幸鎱⒖?，但是由于黃土隧道區(qū)域性差異較大，不同隧道工程的工程地質(zhì)條件、開挖及支護(hù)方案等方面的差異巨大，很難研究出一種通用的隧道塌方整治與施工方案。目前已有的研究成果多集中在針對隧道塌方提出地表或洞內(nèi)處治措施，進(jìn)而通過現(xiàn)場監(jiān)測評價該處治措施的效果，對于在分析塌方原因的基礎(chǔ)上，提出相應(yīng)的處治措施，并以有限差分軟件為手段，來探索不同支護(hù)參數(shù)對結(jié)構(gòu)的影響，最后通過現(xiàn)場監(jiān)測評價隧道加固效果及支護(hù)參數(shù)合理性的研究還很少。為此，本文以十天高速公路某黃土隧道出口塌方段工程實例為依托，在分析隧道發(fā)生塌方原因的基礎(chǔ)上，提出塌方處治方案，并針對原初期支護(hù)強度不足設(shè)計了3種初期支護(hù)方案。通過FLAC 3D數(shù)值模擬軟件分析采用不同支護(hù)方案后圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，依據(jù)分析結(jié)果比選出合理的支護(hù)方案，并結(jié)合現(xiàn)場的監(jiān)控數(shù)據(jù)評價該塌方處治方案的有效性。研究結(jié)果能夠為黃土隧道塌方冒頂治理方案及支護(hù)方案的設(shè)計和參數(shù)調(diào)整提供有益指導(dǎo)。

1 工程概況

依托工程為上下行分離式隧道，進(jìn)口位于天水鎮(zhèn)貓眼峽溝右岸巖質(zhì)谷坡坡腳處，出口位于天水張董河左岸，在地貌上屬于基巖中低山區(qū)，為北秦嶺華力西褶皺帶，該段最大高程1 872 m，最低高程1 552 m，相對高差超過200 m。隧道左線全長6 040 m，右線全長6 043 m，最大埋深163 m，IV和V級圍巖長度占隧道總長95.9%。隧道位于西漢水與灰水河的分水嶺地段，除隧道進(jìn)出口及中部溝谷區(qū)存在第四系沖積層覆蓋外，地表大部分為上第三系沉積地層及更新世地層覆蓋，僅在局部河谷地段有泥盆系老地層出露。隧道出口段圍巖為Q3黃土和Q2黃土，其中Q3黃土分布于地表，厚度為10.5 m。本隧道工程區(qū)的地下水主要有基巖裂隙水和松散巖類孔隙水兩大類型，對混凝土無腐蝕性。隧道原始初期支護(hù)參數(shù)如表1所示。

表1 隧道原始設(shè)計支護(hù)參數(shù)Table 1 Initial Supporting Parameters of Tunnel

1.1 隧道開挖面失穩(wěn)及塌方

2013年7月3日晚，隧道左線洞口淺埋段ZK719+385～ZK719+377.2發(fā)生隧道塌方，塌方段長度為7.8 m，其中7.2 m在塌方前已經(jīng)完成初支，0.6 m為當(dāng)天開挖。由于隧道塌方，造成地表產(chǎn)生嚴(yán)重下陷，進(jìn)而形成了一個面積達(dá)54.7 m2的圓形大坑，如圖1所示，坑深最深處已經(jīng)達(dá)到4.1 m，平均深度約為2.2 m。隧道發(fā)生塌方時還未開挖右上導(dǎo)坑，左上導(dǎo)坑的初期支護(hù)被整體壓壞，造成較大損失。

1.2 塌方原因分析

(1)由于原設(shè)計圍巖分級和實際工程相差較大，導(dǎo)致初期支護(hù)參數(shù)過小，結(jié)構(gòu)強度不夠，無法保證從開挖到二次襯砌施工這段時間內(nèi)圍巖的穩(wěn)定。

(2)在隧道開挖過程中地表已經(jīng)出現(xiàn)裂縫，由于黃土垂直節(jié)理發(fā)育，再加上連續(xù)降雨，雨水滲入地下。黃土遇水之后強度顯著降低，導(dǎo)致隧道開挖后圍巖的自穩(wěn)能力差，在隧道上方不能形成有效的承載拱，從而因局部失穩(wěn)產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，造成隧道出現(xiàn)塌方冒頂。

(3)為了趕工期，當(dāng)圍巖含水量突然增大時，未采取先降排水和圍巖預(yù)加固措施,在施工時僅采取了加密錨桿和管棚超前支護(hù)手段，當(dāng)注漿效果不好時，其支護(hù)作用就會不理想，甚至不起作用。

(4)急于向前挖掘趕進(jìn)度，施工中仰拱和二次襯砌距離掌子面的距離較遠(yuǎn)，工序不緊湊。

2 塌方處治方案

2.1 塌方體的處治

隧道塌方后提出“防排水，嚴(yán)注漿，短進(jìn)尺，強支護(hù)，早封閉，勤量測，速反饋，控沉陷”的處治原則。針對該坍塌，提出的處治方案如下：

(1)洞外措施：在塌方區(qū)周圍6 m處設(shè)置截水溝；雨天采用雨棚遮蓋；另外通過φ42鋼花管對地表塌陷區(qū)5 m以外土體進(jìn)行注漿加固，布設(shè)間距為1.2 m×1.2 m，漿液采用水泥水玻璃雙漿液，水灰比為1∶1，水玻璃模數(shù)為2.9，濃度為35°Be′，水泥水玻璃體積比為1∶1，現(xiàn)場將注漿壓力控制在1 MPa左右；對塌陷坑洞邊、仰坡進(jìn)行臨時掛網(wǎng)噴錨支護(hù)(具體參數(shù)為C20噴射混凝土(12 cm)+φ22水泥砂漿錨桿L=4 m@1.5 m×1.5 m+φ6鋼筋網(wǎng)@20 cm×20 cm)，封閉塌腔壁；采用防滲水泥對地表裂縫進(jìn)行填充，并高出地面5 cm左右；待二襯達(dá)到設(shè)計強度并且安全通過塌方段后，對隧道洞口的塌陷區(qū)域進(jìn)行回填，并在回填區(qū)域表面鋪設(shè)三七灰土隔水層，厚度為30 cm。

(2)洞內(nèi)措施：在初支內(nèi)側(cè)塌方體設(shè)置兩環(huán)φ42鋼花管進(jìn)行注漿固結(jié)；對初支采用圓木排架臨時支撐以防止初期支護(hù)變形加劇，并在其表面噴射混凝土進(jìn)行封閉；對隧道輪廓外塌方區(qū)域采用加密超前小導(dǎo)管進(jìn)行注漿，長度4.5 m，環(huán)向間距25 cm，外插角10°～15°；對掌子面的積水區(qū)域打泄水孔進(jìn)行排水。

2.2 初期支護(hù)參數(shù)的選取

由塌方原因的分析可知，隧道在原設(shè)計初期支護(hù)參數(shù)下支護(hù)強度不足，為了保證塌方區(qū)處治后能夠順利通過塌方段，需對原來的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

現(xiàn)基于此提出3種初期支護(hù)方案，分別稱為工況1、工況2和工況3。具體的支護(hù)參數(shù)見表2。

表2 不同工況的支護(hù)參數(shù)Table 2 Support Parameters Under Different Working Conditions

3 塌方處治后隧道受力變形的數(shù)值計算及分析

為了分析不同初期支護(hù)方案的支護(hù)效果，選用FLAC 3D[17-19]數(shù)值模擬軟件建立隧道模型，模擬隧塌方處治后，在不同初期方案下隧道在開挖過程中圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力及變形特征。

3.1 計算模型和參數(shù)

根據(jù)依托工程的地質(zhì)原型，建立了計算模型。在隧道工程數(shù)值模擬計算時，為了減少邊界條件的影響，一般將模型范圍取3倍～5倍隧道洞跨。確定模型尺寸為下部取35 m(約3倍洞徑)，橫向取82 m(約3倍洞徑)，沿縱向取50 m，上部取至地表，模型的整體尺寸為82 m×50 m×84 m，計算模型如圖2所示。采用固定邊界條件，兩側(cè)施加水平方向的約束，底部施加豎直方向的約束，地表為自由邊界。本構(gòu)模型采用摩爾庫侖模型。

由于超前小導(dǎo)管注漿和地表注漿的作用是通過漿脈來擠壓和加固巖土體，因而通過提高圍巖的彈性模量、黏聚力和內(nèi)摩擦角來進(jìn)行模擬。為了計算簡便將初期支護(hù)進(jìn)行簡化，這里假定工字鋼、鋼筋網(wǎng)和噴射混凝土的作用是封閉圍巖，同時將型鋼鋼架的影響結(jié)合在噴射混凝土中[20]。隧道模擬計算時采用CD法進(jìn)行開挖，開挖循環(huán)進(jìn)尺為1 m，隧道模型示意圖、模擬開挖過程及監(jiān)測點布置分別如圖3，4所示。選取典型斷面ZK719+380進(jìn)行分析。

在模型計算時將型鋼鋼架的彈性模量按照等效剛度原則[21]折算到噴射混凝土的彈性模量中，根據(jù)地勘資料及《公路隧道設(shè)計細(xì)則》，模擬分析采用的圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)見表3。

表3 圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)Table 3 Physical and Mechanical Parameters of Surrounding Rock and Supporting Structure

3.2 圍巖位移對比

在隧道開挖過程中，通過分析圍巖位移可以判斷圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2.1 圍巖豎向位移

圖5為各工況下豎向位移云圖，圖6為各工況下監(jiān)測點的豎向位移計算曲線。

由圖5可知，各工況下豎向位移的分布規(guī)律基本一致，總體向臨空面收縮，開挖完成后圍巖豎向位移沿著隧道中線對稱分布，隧道拱頂范圍內(nèi)沉降最大，拱底出現(xiàn)一定范圍的隆起。由圖6可知，各工況不同部位監(jiān)測點的豎向位移趨勢基本一致，在未開挖到監(jiān)測斷面之前變形較小，當(dāng)開挖到監(jiān)測斷面時變形速率增大，后面隨著開挖步的進(jìn)行逐漸趨于穩(wěn)定。各工況下掌子面到達(dá)之前拱頂?shù)某拔灰品謩e為1.334，2.815，4.886 mm，分別占最終位移的8.7%，11.3%和12.2%，隧道開挖產(chǎn)生的超前位移較小，說明經(jīng)過處治后，加固效果明顯。隧道開挖完成后拱頂沉降大于左右兩側(cè)拱肩。各工況下拱頂沉降分別為15.4，24.9，40.2 mm，拱底的隆起值分別為24.1，29.2，48.6 mm，工況3的拱頂沉降和拱底隆起值最大，工況2次之，工況1最小。

3.2.2 圍巖水平位移

圖7為各工況下水平位移云圖，圖8為各工況下周邊收斂計算曲線。由圖7和圖8可知，各工況下水平位移的變化規(guī)律基本一致，隧道左右兩側(cè)拱腰處水平位移大。在開挖到監(jiān)測斷面之前，水平位移很小，當(dāng)開挖到監(jiān)測斷面時變形速率增大，后面隨著開挖步的進(jìn)行逐漸趨于穩(wěn)定。各工況下隧道的周邊收斂分別為13.2，22.4，29.3 mm，工況3最大，工況2次之，工況1最小。

3.3 初期支護(hù)應(yīng)力對比

隧道初期支護(hù)為混凝土結(jié)構(gòu)，在受到圍巖壓力的作用可能出現(xiàn)開裂，甚至發(fā)生破壞。初期支護(hù)應(yīng)力是判斷初期支護(hù)穩(wěn)定狀態(tài)的重要依據(jù)。表4為各工況下初期支護(hù)應(yīng)力值。

在FLAC 3D中，最小主應(yīng)力為負(fù)表示壓應(yīng)力，最大主應(yīng)力為正表示拉應(yīng)力。從表4可以看出：初期支護(hù)壓應(yīng)力在左右拱腳處最大，拱腳表現(xiàn)為壓應(yīng)力集中，各工況下的最大壓應(yīng)力分別為3.5，5.3，8.2 MPa，小于C25混凝土的極限抗壓強度；初期支護(hù)拉應(yīng)力在拱底處最大，拱底表現(xiàn)為拉應(yīng)力集中，各工況下的最大拉應(yīng)力分別為1.2，1.5，2.1 MPa，工況3的最大拉應(yīng)力超過C25混凝土的極限抗拉強度；初期支護(hù)剪應(yīng)力在兩側(cè)拱腳處最大，拱腳表現(xiàn)為剪應(yīng)力集中，各工況下的最大剪應(yīng)力分別為2.1，2.3，2.8 MPa，工況3的最大剪應(yīng)力超過C25混凝土的極限抗剪強度。

表4 初期支護(hù)應(yīng)力值Table 4 Stress Values of Initial Support

3.4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

由數(shù)值模擬結(jié)果可以得出工況1的隧道變形較小，拱頂沉降為15.4 mm，拱底隆起值為24.1 mm，周邊收斂為13.2 mm，初期支護(hù)最大壓應(yīng)力、最大拉應(yīng)力和最大剪應(yīng)力分別為3.5，1.2，2.1 MPa，均小于C25混凝土的極限強度，說明初期支護(hù)的承載力存在一定富余；工況2的隧道變形和結(jié)構(gòu)應(yīng)力有所增加，拱頂沉降為24.9 mm，拱底隆起值為29.2 mm，周邊收斂為22.4 mm，初期支護(hù)最大壓應(yīng)力、最大拉應(yīng)力和最大剪應(yīng)力分別為5.3，1.5，2.3 MPa，均小于C25混凝土的極限強度，此支護(hù)體系能夠保證隧道圍巖穩(wěn)定及施工安全；工況3的隧道變形及受力都較大，隧道拱頂沉降已經(jīng)達(dá)到40.2 mm，拱底隆起值為48.6 mm，周邊收斂為29.3 mm，初期支護(hù)最大壓應(yīng)力、最大拉應(yīng)力和最大剪應(yīng)力分別為8.2，2.1，2.8 MPa，最大拉應(yīng)力和最大剪應(yīng)力均超過混凝土的極限抗拉、抗剪強度，混凝土結(jié)構(gòu)破壞，說明初期支護(hù)體系剛度較小，承載力不足。

由以上分析可知，本黃土隧道工程塌方處治若采用I25a型鋼鋼架+30 cm厚噴射混凝土的初期支護(hù)體系剛度偏大，不經(jīng)濟，若采用I20a型鋼鋼架+25 cm厚噴射混凝土的初期支護(hù)體系剛度偏小，結(jié)構(gòu)不安全，因此，本工程確定采用I22a型鋼鋼架+28 cm厚噴射混凝土初期支護(hù)體系，此支護(hù)體系不僅能夠較好地控制圍巖變形，也能滿足受力要求，經(jīng)濟合理。

4 塌方處治效果分析

在隧道發(fā)生塌方后第3天開始對塌方段進(jìn)行加固處理，于7月20日治理完畢。塌方處治后，采用工況2(I22a型鋼鋼架+厚28 cm噴射混凝土)初期支護(hù)體系對隧道進(jìn)行支護(hù)。為了檢驗塌方段處治措施的實際效果，對塌方區(qū)周圍進(jìn)行監(jiān)測，以便能夠及時了解隧道的變形情況，保證現(xiàn)場施工安全。監(jiān)測項目包括拱頂下沉、周邊收斂及地表下沉等項目。

4.1 圍巖位移量測及變化規(guī)律

根據(jù)現(xiàn)場的實際施工情況，監(jiān)測組對隧道塌方段ZK719+385，ZK719+380兩個斷面進(jìn)行監(jiān)測，以充分掌握塌方處治后圍巖動態(tài)情況，測點布置示意圖如圖9所示，監(jiān)測結(jié)果如圖10，11所示。

由圖10和圖11可知：塌方處理結(jié)束后2個斷面的拱頂下沉和周邊收斂逐漸增大，ZK719+385斷面的拱頂沉降在8月3日達(dá)到最大值，為13.3 mm，最大拱頂沉降速率為1.9 mm·d-1，周邊收斂在8月10日達(dá)到最大值，為8.9 mm，最大收斂速率為1.2 mm·d-1；ZK719+380斷面的拱頂沉降在8月8日達(dá)到最大值，為16.4 mm，最大沉降速率為2.2 mm·d-1，周邊收斂在8月14日達(dá)到最大值，為11.3 mm，最大周邊收斂速率為1.6 mm·d-1。2個監(jiān)測斷面的隧道變形都已趨于穩(wěn)定，拱頂沉降和周邊收斂都在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

4.2 地表下沉量測及變化規(guī)律

根據(jù)現(xiàn)場地表實際情況，對斷面ZK719+385和ZK719+380的地表沉降進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測點布置在隧道正上方地表，如圖12所示，測點間距為4 m。監(jiān)測結(jié)果如圖13，14所示。

由圖13和圖14可知：塌方處治結(jié)束后2個監(jiān)測斷面各監(jiān)測點的地表沉降逐漸增大，ZK719+385斷面各監(jiān)測點的累計地表沉降分別為24.0，46.6，30.2 mm；ZK719+380斷面各監(jiān)測點的累計地表沉降分別為24.4，34.1，17.2 mm，地表最大沉降均在隧道拱頂正上方的地表測點2。從監(jiān)測結(jié)果來看，各個測點的累計沉降都在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，說明本隧道工程采用的塌方冒頂處治方案起到了良好的治理效果。

5 結(jié) 語

(1)由于原設(shè)計圍巖分級和實際工程相差較大，初期支護(hù)強度不夠；在隧道開挖過程中地表已經(jīng)出現(xiàn)裂縫，連續(xù)降雨導(dǎo)致雨水滲入地下，黃土遇水之后強度顯著降低，加劇初期支護(hù)結(jié)構(gòu)受力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞；當(dāng)圍巖含水量突然增大時，未采取先降排水和圍巖預(yù)加固措施；施工中仰拱和二次襯砌距離掌子面的距離較遠(yuǎn)，工序不緊湊。上述原因?qū)е滤淼腊l(fā)生塌方。

(2)針對本黃土隧道塌方工程，對塌方體采用的處治措施為：洞外設(shè)置截水溝疏排地表水和地下水，采用水泥水玻璃雙液注漿對地表進(jìn)行加固，并采用臨時掛網(wǎng)噴錨支護(hù)封閉塌腔壁；洞內(nèi)對初期支護(hù)采用圓木排架臨時支撐支護(hù)，對塌方體和隧道輪廓外塌方區(qū)域采用小導(dǎo)管進(jìn)行注漿加固，同時打泄水孔排出掌子面的積水。

(3)采用FLAC 3D數(shù)值模擬軟件對合理的初期支護(hù)參數(shù)進(jìn)行選取。根據(jù)模擬結(jié)果，本工程確定采用I22a型鋼鋼架+厚28 cm噴射混凝土+50 cm鋼拱架間距的初期支護(hù)體系，此支護(hù)體系能有效減小隧道圍巖變形及支護(hù)受力，在保證隧道施工安全的前提下支護(hù)剛度又不至于過大，經(jīng)濟合理。

(4)塌方處治后，通過現(xiàn)場監(jiān)測得到隧道拱頂下沉和周邊收斂都在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，圍巖變形穩(wěn)定，同時地表沉降也滿足整體的控制要求，表明依托工程處治效果良好。