隧道穿越紅層破碎帶塌方處理施工技術(shù)研究*

徐金峰，王皓正，2，周應(yīng)新,，劉志義，謝雄耀

(1.同濟大學(xué)地下建筑與工程系，上海 200092； 2.浙江省交通運輸科學(xué)研究院，浙江 杭州 310023；3.云南楚姚高速公路建設(shè)指揮部，云南 楚雄 675000)

0 引言

紅層巖體是一種有強軟化性、崩解性、強度低的特殊巖體，當隧道在其中穿越時，對圍巖變形特征及施工安全產(chǎn)生決定性的影響[1-3]。以往在紅層巖體地區(qū)中修建的地下結(jié)構(gòu)，在施工和運營期發(fā)生過多次災(zāi)害。都江堰石埡隧洞運營10余年后，出現(xiàn)拱頂擠壓、混凝土掉塊、底板嚴重變形等災(zāi)害[4-5]。蘭渝鐵路的同寨隧道，施工過程中掌子面出現(xiàn)滑塌[6]。廣大鐵路站前二標隧道，出現(xiàn)了風化剝落、順層滑塌、塌方、冒頂?shù)葹?zāi)害。由于紅層巖體的強軟化性，隧道在其中穿越時，不可避免會遇到破碎帶等不良地質(zhì)情況。近年來，相關(guān)領(lǐng)域涌現(xiàn)出不少探究隧道破碎帶的變形特征以及錨桿對破碎帶加固機理的文章。其中對變形特征的分析主要集中在累計變形量、變形速率隨開挖時間的變化[7-9]以及距掌子面的相對距離對變形的影響[10-13]等方面，但均為隧道全斷面穿越破碎帶的情況，無針對隧道橫截面局部穿越破碎帶這一特殊情況的分析，且現(xiàn)有研究中的變形測點均集中于拱頂，對斷面內(nèi)不同位置沉降差異的研究較少。在錨桿加固機理的分析方面，李磊等[14]通過對錨桿軸力的測量，認為錨桿對破碎帶圍巖加固作用非常明顯；王新雨[15]利用有限元計算，對比在完整巖體中不同錨桿長度(1.9，2.5，3.0m)和布置方式的支護效果，得出長短交錯布置錨桿對圍巖的位移控制最理想以及短密與長疏錨桿作用效果接近的結(jié)論。郭小紅等[16]引入了錨桿費效比的概念，推薦在軟弱圍巖中采用長疏錨桿進行加固；徐林生等[17]、劉高等[18]、謝俊峰等[19]建議在隧道穿越破碎帶時采用4～8m等超長錨桿進行加固。已有研究對長錨桿的加固機理及效果分析較少，利用錨桿進行局部破碎帶加固也鮮有學(xué)者研究。

因此，本文首先將對陳家沖隧道在K9+915斷面紅層巖體遇水弱化后的局部破碎帶產(chǎn)生塌方的原因以及變形特征進行分析，隨后對不同長度錨桿(3.5，4.5，6m)及其組合的加固效果和作用機理進行研究，為局部破碎帶塌方機理探究和錨桿加固方案的設(shè)計提供參考。

1 工程概況

1.1 紅層巖體特性

紅層巖體在我國西部地區(qū)廣泛分布，滇中區(qū)域內(nèi)尤為集中。在天然狀態(tài)下，力學(xué)性質(zhì)通常良好，但在遇水后，其強吸水作用會導(dǎo)致晶胞間距增大，膠結(jié)作用減弱引起劣化，宏觀表現(xiàn)為膨脹、軟化甚至崩解，由于其復(fù)雜的工程力學(xué)性質(zhì)，對隧道設(shè)計、施工的安全性影響極大。因此，紅層地區(qū)修建的隧道，如果圍巖遭遇地下水導(dǎo)致崩解產(chǎn)生破碎帶后，未給予預(yù)防措施時常會引發(fā)不良后果。

1.2 工程概況及塌方險情分析

陳家沖隧道坐落于云南省楚雄境內(nèi)，位于垅狀起伏低山丘陵地貌區(qū)，受自然箐溝影響存在偏壓情況。隧道穿越段多為層狀中風化、強風化泥巖和泥質(zhì)粉砂巖，為典型滇中紅層地區(qū)，穿越中段存在遇水弱化破碎帶。

陳家沖隧道為采用無中導(dǎo)洞工藝施工的連拱隧道，右幅率先開挖，隨后再開挖左幅。隧道為馬蹄形斷面，高11m、寬14m，最大埋深54m，采用三臺階法開挖，其中上臺階高3.3m，中臺階高4.4m，下臺階高3.3m，各臺階間距為15m。

2018年12月22日，陳家沖隧道先行洞開挖至K9+915斷面中臺階時，右側(cè)突然出現(xiàn)大規(guī)模坍塌引發(fā)初期支護沉降變形。該斷面地形的復(fù)雜性表現(xiàn)在地形偏壓以及右上側(cè)存在遇水弱化的局部破碎帶。由于塌方前淺埋側(cè)即右拱肩沉降已大于深埋側(cè)左拱肩沉降，經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研分析，初步推斷塌方是該斷面右上側(cè)圍巖遭遇地下水后軟化形成破碎帶，而施工現(xiàn)場未給予充分關(guān)注，噴錨支護未及時施作，導(dǎo)致破碎帶變形進一步發(fā)展從而引起隧道塌方。

2 破碎帶塌方原因分析

為探究陳家沖隧道K9+915斷面塌方的產(chǎn)生原因，探究存在局部破碎帶時隧道的變形機理，利用有限元軟件PLAXIS 進行模擬分析。

2.1 計算模型

2.1.1模型邊界

模型左右邊界距離隧道邊緣3倍以上洞徑，水平方向共120m；上邊界取至地表，最大埋深42m，最小埋深28.6m；下邊界距離隧道底部50m(大于3倍以上洞徑)，如圖1所示。其中上邊界為自由面、不施加約束，對左右邊界施加水平方向約束，對下邊界施加水平和豎直方向約束。

圖1 模型示意

2.1.2模型參數(shù)

依據(jù)地勘資料，地表存在厚度為3m的強風化泥巖，其余部分為中風化泥巖，破碎帶范圍選用強風化泥巖進行模擬，具體材料參數(shù)如表 1，2所示。采用V級圍巖的設(shè)計參數(shù)，圍巖與襯砌均采用實體單元進行模擬；為實現(xiàn)注漿錨桿的全長膠結(jié)作用，采用土工格柵單元進行模擬；結(jié)合地勘資料以及塌方后破碎帶處有地下水流出的現(xiàn)象，分析破碎帶產(chǎn)生原因為該區(qū)域紅層巖體遭遇地下水，局部發(fā)生崩解軟化所致，參考紅層軟巖浸泡風干實驗巖性力學(xué)指標劣化規(guī)律[1]，對破碎帶巖體彈性模量、黏聚力、內(nèi)摩擦角等參數(shù)進行折減。

表1 模型材料參數(shù)

表2 錨桿材料參數(shù)

2.1.3破碎帶模擬

經(jīng)現(xiàn)場實地查勘，發(fā)現(xiàn)破碎帶主要位于隧道前進方向右上拱肩處，取上臺階與隧道右側(cè)交界處為參照點，將其上方5.7m，左側(cè)5m、下方2.5m，右側(cè)5m為K9+915斷面的局部破碎帶，如圖2所示。

圖2 拱肩破碎帶模擬(陰影區(qū)域為破碎帶范圍)

2.2 計算結(jié)果驗證

當存在破碎帶時，上臺階施作后拱頂、右拱肩沉降值分別為161.4，137.2mm，與實測值162，138mm基本一致，驗證了計算的正確性，如圖3所示。由于中臺階施作時，現(xiàn)場發(fā)生大規(guī)模塌方，圍巖由連續(xù)體變?yōu)槠扑轶w，無法進行有效模擬，因此中臺階施作后的沉降數(shù)據(jù)與實際監(jiān)測值差異較大。

圖3 沉降值實測與計算對比

2.3 破碎帶變形特征

在淺埋隧道中，同一斷面的沉降通常大于水平收斂[12]，因此在位移場分析中主要針對沉降的變形特征進行研究，取拱頂和左右拱肩3個測點的沉降數(shù)據(jù)進行分析，如表 3所示。

表3 有無破碎帶沉降數(shù)據(jù)對比

通過對比可見，無論破碎帶存在與否，上臺階施作是對原圍巖的第1次擾動，故引起的應(yīng)力重分布最大，導(dǎo)致上臺階施作引起的沉降最大，占累計沉降的50%以上；中臺階施作的應(yīng)力重分布是在上臺階的基礎(chǔ)上進行調(diào)整，因此沉降相對較??；下臺階施作后由于形成了拱效應(yīng)導(dǎo)致沉降會有少量反彈，如圖4所示。

圖4 有無破碎帶沉降數(shù)據(jù)對比(K9+915斷面)

當無破碎帶時，在偏壓作用下，拱頂沉降>偏壓側(cè)(左側(cè))沉降>非偏壓側(cè)(右側(cè))沉降；當存在破碎帶時，雖然上臺階施作拱頂沉降最大，但右拱肩沉降已大于左拱肩沉降，與偏壓方向相反。中臺階施作時，右拱肩沉降已開始大于拱頂沉降且大于左拱肩沉降，變形特征完全由破碎帶主導(dǎo)。

2.4 塌方原因分析

通過對圍巖總應(yīng)力分布進行對比(見圖5)，發(fā)現(xiàn)上臺階施作引起應(yīng)力重分布最大，導(dǎo)致的沉降同樣最大，破碎帶內(nèi)部分區(qū)域已進入塑性階段，由于塑性區(qū)范圍相對較小，在初期支護完成后限制了破碎帶內(nèi)塑性區(qū)的進一步發(fā)展，因此上臺階施作時僅出現(xiàn)較大位移，尚未出現(xiàn)塌方；當中臺階施作時，再次引起圍巖應(yīng)力重分布，由于破碎帶內(nèi)圍巖強度相對較低，使破碎帶內(nèi)塑性區(qū)范圍進一步擴大，如圖5b所示，而且，中臺階開挖后，現(xiàn)場噴錨支護未及時施作，導(dǎo)致變形不斷發(fā)展，從而引起塌方。因此，陳家沖隧道K9+915斷面的塌方，是由存在遇水弱化的破碎帶和噴錨支護施作不及時兩個原因共同作用所導(dǎo)致的。

圖5 總應(yīng)力分布對比

3 錨桿加固作用研究

對于存在破碎帶的隧道，施工過程中常采用增加錨桿長度、施作超前管棚、注漿等方式進行加固以控制變形。然而，已有研究對于不同長度錨桿在破碎帶加固效果的分析非常有限。因此，在前述計算模型的基礎(chǔ)上，修改局部破碎帶內(nèi)的錨桿長度，對比不同方案的加固效果，分析錨桿加固作用。

3.1 加固方案

為探究如何利用錨桿對局部破碎帶進行有效加固，進一步研究錨桿的加固作用，在調(diào)研了工程中常用的錨桿長度后，將破碎帶范圍內(nèi)錨桿長度分別改為3.5，4.5m和6m(分別稱短錨桿、中錨桿、長錨桿)及其兩兩組合，共6種加固方案(見圖6)進行分析。通過提取拱頂以及左右拱肩的沉降數(shù)據(jù)，對比無破碎帶時沉降特征的差異，來評判錨桿的控制效果。其中長度為3.5m的錨桿多數(shù)處于破碎帶內(nèi)，4.5m的錨桿半數(shù)剛延伸至破碎帶外，6m的錨桿基本全穿過破碎帶并進入巖體一定范圍。

圖6 錨桿加固方案示意

3.2 加固效果對比與分析

如圖7a所示，在各工況下，上臺階施作過程中，拱頂沉降最大，中錨桿與長錨桿組合加固和僅用長錨桿加固時，可在破碎帶形成良好的加固效果，因此破碎帶內(nèi)的右拱肩沉降小于左拱肩沉降，變形特征由偏壓主導(dǎo)，與無破碎帶的情況一致；短長錨桿組合左右拱肩沉降較為接近，加固效果較長錨桿弱，故變形特征由偏壓和破碎帶共同決定；在剩余情況下，加固效果相對較差，導(dǎo)致右拱肩沉降均大于左拱肩沉降，變形特征由破碎帶主導(dǎo)。由圖7b,7c可見，中臺階施作后，在變形由破碎帶主導(dǎo)的工況中，最大沉降點由拱頂轉(zhuǎn)移至破碎帶內(nèi)的右拱肩；偏壓和破碎帶共同決定的短長錨桿組合工況，雖然沉降最大點仍為拱頂，但右拱肩已明顯大于左拱肩；而良好加固效果的長錨桿和中長錨桿組合，最大仍出現(xiàn)在拱頂，增強效果仍在繼續(xù)發(fā)揮作用。

圖7 各加固方案累計沉降對比

4 不同長度錨桿加固機理討論

提取未穿出破碎帶的4.5m長錨桿和穿出破碎帶的6m長錨桿的軸力，歸一化后對進行對比，如圖8所示。由圖8可見，4.5m長錨桿的軸力在破碎帶內(nèi)沿長度方向均勻遞減，與圍巖融為一體發(fā)揮增強作用；而6m長錨桿在破碎帶內(nèi)軸力無明顯變化，但在穿出破碎帶后驟減，可見此處錨桿所受摩阻力突增以約束錨桿位移，使錨桿產(chǎn)生懸吊作用。

圖8 錨桿受力對比

通過加固效果的對比分析，可見無論是累計沉降還是單步沉降，中長組合與長錨桿進行加固，在變形特征上均保持與無破碎帶時的一致性，說明利用這兩種錨桿加固方案可實現(xiàn)對破碎帶的有效加固。而短長錨桿組合時，在上臺階開挖與無破碎帶的變形特征基本一致，但是中臺階開挖后，又發(fā)生了較大的差異，可見短長錨桿組合雖然對破碎帶有一定的加固效果，但是由于短錨桿長度不足導(dǎo)致加固效果有限，因此在中臺階開挖引起較大的應(yīng)力重分布時，又產(chǎn)生了較大變形。

對局部破碎帶進行加固時，短、中錨桿發(fā)揮增強效應(yīng)，對局部破碎帶內(nèi)的圍巖進行加固從而使隧道周邊圍巖能夠成環(huán)，提高其自承載能力，達到控制變形的目的。短、中錨桿長度的差異導(dǎo)致其加固范圍不同，從而影響加固后承載環(huán)的剛度，影響加固效果，因此中臺階開挖時，短長錨桿組合發(fā)生較大變形，而中長錨桿組合仍有較好的變形控制能力。

長錨桿在發(fā)揮增強效應(yīng)的同時還可發(fā)揮懸吊作用，將破碎帶內(nèi)圍巖進行加固后，將其懸吊至完整的圍巖內(nèi)形成一體，進一步增強加固效果。因此長錨桿及其與中錨桿的組合均對沉降有較好的控制作用。長錨桿與短錨桿組合的情況，因短錨桿加固效果有限，因此僅在圍巖應(yīng)力重分布較小時有較好的沉降控制效果，但是當圍巖應(yīng)力重分布較大時，沉降控制效果有所下降。

僅用中錨桿加固時拱頂及拱肩沉降遠大于中錨桿與長錨桿組合時的沉降數(shù)據(jù)，甚至還遠大于短錨桿與長錨桿組合時的沉降數(shù)據(jù)，可見對局部破碎帶進行加固時，僅依靠錨桿的增強效應(yīng)對位移的控制效果非常有限，只有在長錨桿發(fā)揮懸吊效應(yīng)后，才能對破碎帶內(nèi)的沉降進行有效控制。

陳家沖隧道K9+915斷面的塌方段，最終采用管棚與穿過破碎帶的系統(tǒng)錨桿交叉組合的加固方式，順利通過了塌方段和后續(xù)新出現(xiàn)的破碎帶區(qū)域，從而進一步證明了分析的合理性。

5 結(jié)語

針對陳家沖隧道在紅層地區(qū)穿越遇水弱化破碎帶塌方的案例，探究了該隧道塌方的產(chǎn)生原因以及在紅層地區(qū)存在局部破碎帶時隧道的變形特征，并利用不同長度的錨桿及其組合對局部破碎帶進行加固，對比分析出錨桿在局部破碎帶內(nèi)的加固機理。主要結(jié)論如下。

1)隧道穿越破碎帶時，由于破碎帶圍巖強度較低，應(yīng)力重分布常會在其中產(chǎn)生較大塑性區(qū)，從而導(dǎo)致塌方，因此需要及時進行噴錨支護，限制塑性區(qū)進一步發(fā)展，控制變形。

2)對于存在偏壓的隧道，當淺埋側(cè)存在小范圍局部破碎帶時，變形特征常由局部破碎帶而非偏壓主導(dǎo)：破碎帶內(nèi)沉降最大，破碎帶外沉降隨著與破碎帶距離增加而減小。

3)未穿出破碎帶和剛穿出破碎帶的錨桿，主要發(fā)揮增強效應(yīng)，穿出破碎帶并進入完整圍巖一定長度的錨桿，可同時發(fā)揮懸吊作用和增強作用，僅依靠錨桿的增強效應(yīng)對沉降的控制有限，需結(jié)合懸吊作用后，才能更加有效地控制圍巖變形。

4)利用剛穿出破碎帶的錨桿與穿出破碎帶并進入完整圍巖一定長度的錨桿組合，可獲得與全部采用后者加固相近的效果，顯著降低加固成本。