極淺埋連拱隧道中隔墻頂部巖體塌方演化過程分析

李英勇，馮現大，李術才，李樹忱，袁 超，李新志，徐欽健

（1. 山東省交通廳公路局，濟南 250002；2. 山東大學 巖土與結構工程研究中心，濟南 250061）

1 引 言

隧道塌方是隧道施工中最為常見的一種事故，隧道塌方不僅延誤工期，造成重大的經濟損失和人員傷亡，而且處置不當時，還可能影響后續施工，遺留工程質量隱患，因此，為避免隧道塌方，分析隧道塌方的機制，采用有效工程措施進行處置是隧道設計和施工中面臨的重要課題[1－2]。

隧道塌方是一個相當復雜的問題，因為巖體中存在的節理裂隙使得巖石力學性質產生隨機變異[3]，在淺埋和超淺埋的軟弱破碎圍巖隧道常伴有通天型塌方型式[4－6]。目前對于淺埋隧道坍塌的分析和處置，國內外工程實例分析較多[1－2,7]，而對隧道塌方破壞的機制研究較少[2,4,8－9]，尤其是對連拱隧道塌方演化過程的研究更是較為少見。

國外學者在隧道塌方機制和穩定性評價等方面進行了一些研究，如 Fraldi和 Guarracino[3]基于Hoek-Brown理論利用解析方法對任意斷面形狀隧道的塌方機制進行了研究；Wu和 Lee[10]對黏土地層中單洞和雙洞隧道由于開挖引起的地層沉降和塌方進行了試驗模擬，并借助塑性上限理論對塌方機制進行了推導；Ashraf. Osman[11]借助塑性上限理論和疊加原理對黏土中雙洞隧道的穩定性進行了解析分析。上述研究成果主要針對于黏土中隧道變形和穩定性分析，且多為解析推導，其適用性不強。國內學者如李志勇、晏莉[2]等從圍巖塑性區分布、位移情況以及錨桿和混凝土襯砌內力分布情況分析了連拱隧道中導洞變形和坍塌發生的原因，并且結合工程實際提出了有效地處治方法。汪成兵、朱合華[4,12]對不同埋深的隧道塌方機制進行了試驗和離散元模擬。

綜上所述，國內外對極淺埋連拱隧道塌方演化過程的研究較少，本文將借助模型試驗和數值模擬，開展連拱隧道中隔墻頂部由于回填不密實引發塌方的模型試驗及其數值模擬，從位移、塑性區和破壞方式等角度揭示其塌方機制。

2 連拱隧道中隔墻頂塌方試驗模擬

2.1 依托隧道工程概況

青臨高速公路在約K70+970～K70+980處穿越齊長城復線臨朐段（即齊長城北線），為保護地表文物和環境，擬采用連拱隧道下穿通過，如圖1所示，連拱隧道最大埋深小于5 m，最大開挖跨度達34 m，為極淺埋大斷面連拱隧道，因此，對連拱隧道施工穩定性控制提出了更高的要求。

圖1 連拱隧道地形平面圖Fig.1 Topographic map of the double-arch tunnel

隧址區域為剝蝕丘陵地貌，地基土自上而下依次為：耕土，平均厚度為0.75 m；砂礫土，平均厚度為2.30 m；全風化花崗巖，平均厚度為6.00 m；強風化花崗巖，平均厚度為4.10 m；中風化花崗巖，平均厚度為7.50 m。隧道洞身通過段落主要為全風化～強風化花崗巖，圍巖級別為Ⅴ級。

2.2 相似比尺及模型相似材料

巖體破壞的模型試驗屬于地質力學模型試驗的范疇[12]，通過大量配比試驗對7組參數進行了相似模擬，根據實際情況確定相似比如表1所示。泊松比和內摩擦角相似比 Cμ= Cφ= 1，未在表中列出，表中下標p表示原型參數，m表示模型參數。

表1 模型試驗中參數相似比Table 1 Similarity ratios of the parameters in test

根據地質勘查資料，原巖物理力學參數如表 2所示，通過大量的配比調試，最終選擇原料為鐵粉、重晶石粉、石英砂、松香和酒精，相似材料配比如表3所示。

表2 原巖物理力學參數Table 2 Physico-mechanical parameters of original rocks

表3 相似材料配比Table 3 Proportion of the similar materials

2.3 試驗區域選定及斷面尺寸

根據現場地質條件和研究需要，模擬區域定為長×寬×高=135 m× 45 m×60 m的長方體，其縱剖面從上到下包括0.75 m的耕土層、2.3 m砂礫土層、6.0 m的全風化花崗巖層、4.1 m的強風化花崗巖層和46.85 m的中風化花崗巖層。連拱隧道斷面設計尺寸如圖2所示。

圖2 連拱隧道斷面尺寸（單位：mm）Fig.2 Cross-section size of double-arch tunnel (unit: mm)

2.4 模型試驗裝置

連拱隧道模型試驗系統由試驗臺架、監測系統、開挖裝置和數據采集等子系統構成，試驗臺架整體尺寸為：長×寬×高=4 500 mm×1 500 mm×2 000 mm，左右面板采用20a槽鋼拼裝，每側10根，前后面板采用3段20a槽鋼拼裝，并各用2根20a槽鋼加固，如圖1所示。

模型體采用分層攤鋪，夯實成型的方法制作，其基本流程如下：稱量→攪拌→攤鋪→夯實→埋設儀器→晾干。

圖3 模型試驗系統Fig.3 Model test system

2.5 監測儀器布置

本試驗采用數顯千分表監測地表和拱頂位移，采用微型土壓力盒監測隧道周邊壓力場，沿著隧道軸向布置3個監測斷面，采用DH3816多測點靜態應變測試儀與計算機相連來實現壓力數據的自動連續采集，每個監測斷面監測儀器的布置如圖4所示。模型中的連拱隧道斷面完全參照設計斷面（高為12.5 m、寬為33.9 m）按幾何相似比縮小到原型的1/30，高度和跨度分別為42 cm和113 cm。

圖4 監測儀器布置示意圖（單位：cm）Fig.4 Schematic layout of monitoring equipment (unit: cm)

2.6 試驗結果分析

模型試驗中具體的施工開挖、支護順序如下：①中導洞上、下斷面開挖直至中導洞貫通；②施做中隔墻；③右洞CRD（center cross diagram）預留核心土工法開挖，并隨開挖施作鋼拱架；④左洞CRD預留核心土工法開挖并隨開挖施作鋼拱架。

連拱隧道開挖過程中，中導洞和左右洞拱頂沉降曲線如圖5所示。

圖5 拱頂沉降曲線Fig.5 Vault settlement curves

由圖5可見，拱頂沉降隨著開挖的進行逐漸增大，3洞中右洞最終拱頂變形最大。當右洞開挖接近監測點位置時，右洞拱頂位移快速增大，然后平穩增長，直至右洞貫通；左洞開挖時，不僅左洞拱頂變形快速增大，右洞和中導洞拱頂均位移增大速率也有明顯增加，顯示了左洞開挖對右洞和中導洞變形的影響。

中隔墻底部壓力隨開挖步的變化曲線如圖6所示。

圖6 中隔墻底部壓力隨開挖步的變化曲線Fig.6 Pressures of bottom of middle wall against excavation step

由圖6可見，中隔墻底部壓力隨右洞開挖先增大，后由于右洞初期支護傳至中隔墻頂部的側向壓力不斷增大，導致中隔墻向左側傾斜，底部壓力減小，隨著左洞的開挖中隔墻受力逐漸平衡，最后基本穩定。中隔墻底部壓力出現跳躍性變化，表明中隔墻不但承受上覆圍巖壓力，同時受到左右洞傳遞壓力，受左右洞施工干擾明顯，出現左右傾斜現象。因此，在右洞施工時，要在中隔墻左側施加橫撐，防止中隔墻傾覆。

2.7 中隔墻頂部回填不密實引發的塌方試驗

中隔墻是連拱隧道的主要承載構件，其頂部受力狀態復雜，若施工中出現中隔墻接頂后回填不密實的情況，極易造成塌方。本次試驗在連拱隧道完全貫通后，針對施工中容易出現的中隔墻頂部回填不密實的情況，進行了相應的破壞性試驗，其漸進破壞過程如圖7所示。

圖7 中隔墻頂部回填不密實引發的塌方Fig.7 Collapse caused by non-dense backfill on the top of middle wall

由圖7可見，若中隔墻頂回填不密實或留有空洞，受左右洞開挖的影響，中隔墻頂部會發生很大的沉降變形，使得中隔墻頂部倒三角區域由于受拉產生多條橫向裂縫，而后不斷坍塌至地表，這將對地表文物產生嚴重的破壞。

3 離散元(UDEC)數值模擬

3.1 數值模型的建立

根據長城嶺連拱隧道設計參數，采用 UEDC（universal distinct element code）模擬平面應變狀態下的隧道開挖過程。根據長城嶺隧道地質調查報告以及現場地質資料，利用JSET命令將地層生成4組隨機性節理，具體參數見表 4。在開挖釋放荷載作用下，模擬圍巖和初期支護相互作用，并進行破壞性試驗模擬計算。初期支護采用 beam單元模擬。計算模型如圖8所示，模型尺寸為寬135 m×高60 m，隧道拱頂埋深4.49 m。

表4 節理設置參數Table 4 Parameters of joint set

圖8 UDEC數值模型Fig.8 Numerical model by UDEC

模型的側向邊界和底面設置法向位移約束，上表面為自由邊界，地應力按自重應力場施加，側向壓力系數取1.0，對由中隔墻頂回填不密實引發的塌方進行了模擬，如圖9所示。

圖9 填充不密實模型Fig.9 Non-dense backfill model

3.2 數值模擬結果分析

隧道周邊位移矢量如圖10所示，左洞拱頂靠近中隔墻部分位移較大，最大值達到24.5 cm。

圖10 位移矢量圖Fig.10 Displacement vector diagram

隧道周邊塑性區的分布如圖11所示，中隔墻頂部由于回填不密實，產生了較為明顯的拉破壞區（紫色圈表示拉破壞），另外左右洞兩側拱腰部分也產生了部分屈服區，實際施工應注意加強中隔墻頂部和兩側拱腰部分的支護。

數值模擬和模型試驗破壞方式的對比如圖 12所示，結合位移和塑性區的顯示，二者所得破壞區范圍基本上是一致的，而且均向左洞垮塌。

綜合分析模型試驗和數值模擬的結果，為避免該種塌方的發生，針對該連拱隧道的地質情況，建議：①中隔墻頂部必須采用高強度混凝土回填密實，保證有足夠的承載力；②中隔墻圍巖采用注漿錨桿加強支護，并與中隔墻鋼筋連接形成整體，增加圍巖和中隔墻穩定性；③隧道拱部加強支護，建議采用對穿注漿錨索加固拱部以上地層，防止塌方的產生。

圖11 塑性區分布Fig.11 Distribution of plastic zones

圖12 數值模擬與模型試驗破壞方式對比Fig.12 Comparison between collapse types of numerical simulation and model test

4 結 論

（1）連拱隧道拱頂沉降隨著開挖地進行逐漸增大，開挖后以瞬時沉降為主，最終先行正洞一側拱頂沉降最大，左右洞開挖對中導洞拱頂沉降影響較大。

（2）中隔墻底部壓力出現跳躍性變化，表明中隔墻不但承受上覆圍巖壓力，同時受到左右洞傳遞壓力，出現左右傾斜現象。因此，在先行正洞施工時，要在中隔墻另一側施加橫撐，防止中隔墻傾覆。

（3）數值分析結果表明，若中隔墻頂部回填不密實，垂直負向（向下）位移較大的一塊集中在中隔墻頂部附近，且中隔墻頂部產生了較為明顯的拉破壞區，這個結果與模型試驗時發生坍塌的位置一致。

（4）針對該隧道的實際情況，結合模型試驗和數值分析結果，提出了中隔墻頂部高強混凝土回填、注漿錨桿加固以及對穿錨索加固拱部以上地層的預防措施。

[1]汪宏, 蔣超. 淺埋偏壓隧道洞口坍方數值分析與處治[J].巖土力學, 2009, 30(11): 3481－3485.WANG Hong, JIANG Chao. Numerical analysis of a collapsed portal for shallow tunnel under asymmetrical pressure and its treatment[J]. Rock and Soil Mechanics,2009, 30(11): 3481－3485.

[2]李志勇, 晏莉, 陽軍生. 淺埋偏壓連拱隧道中導洞坍方數值分析與處治[J]. 巖土力學, 2007, 28(1): 102－106.LI Zhi-yong, YAN Li, YANG Jun-sheng. Numerical analysis and treatment of a collapsed middle drift for shallow multi-arch tunnel under unsymmetrical pressure[J]. Rock and Soil Mechanics, 2007, 28(1): 102－106.

[3]FRALDI M, GUARRACINO F. Analytical solutions for collapse mechanisms in tunnels with arbitrary cross sections[J]. International Journal of Solids and Structures, 2010, 47(2): 216－223.

[4]汪成兵, 朱合華. 隧道塌方機制及其影響因素離散元模擬[J]. 巖土工程學報, 2008, 30(3): 450－456.WANG Cheng-bing, ZHU He-hua. Tunnel collapse mechanism and numerical analysis of its influencing factors[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2008, 30(3): 450－456.

[5]馬濤. 淺埋隧道塌方處治方法研究[J]. 巖石力學與工程學報, 2006, 25(增刊2): 3976－3981.MA Tao. Treatment method for collapse treatment of shallow-buried tunnel[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2006, 25(Supp.2): 3976－3981.

[6]陳潔金, 周峰, 陽軍生, 等. 山嶺隧道塌方風險模糊層次分析[J]. 巖土力學, 2009, 30(8): 2365－2370.CHEN Jie-jin, ZHOU Feng, YANG Jun-sheng, et al.Fuzzy analytic hierarchy process for risk evaluation of collapse during construction of mountain tunnel[J]. Rock and Soil Mechanics, 2009, 30(8): 2365－2370.

[7]DAY M J. Karstic problems in the construction of Milwaukee’s Deep Tunnels[J]. Environmental Geology,2003, 45(6): 859－863.

[8]SCHULLER H, SCHWEIGER H F. Application of a multi-laminate model to simulation of shear band formation in NATM-tunnelling[J]. Computers and Geotechnics, 2002, 29(7): 501－524.

[9]STERPI D. Application of the FEM to the stability of shallow tunnels[C]//New Frontiers in Computational Geotechnics-Proceedings of 1st International Workshop on New Frontiers in Computational Geotechnics-banef. [S. l.]:[s. n.], 2002: 14－15, 61－68.

[10]WU B R, LEE C J. Ground movement and collapse mechanisms induced by tunneling in clayed soil[J].International Journal of Physical Modeling in Geotechnics, 2003, 4(3): 15－29.

[11]OSMAN A S. Stability of unlined twin tunnels in undrained clay[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2010, 25(3): 290－296.

[12]朱合華, 黃鋒, 徐前衛. 變埋深下軟弱破碎隧道圍巖漸進性破壞試驗與數值模擬[J]. 巖石力學與工程學報,2010, 29(6): 1113－1122.ZHU He-hua, HUANG Feng, XU Qian-wei. Model test and numerical simulation for progressive failure of weak and fractured tunnel surrounding rock under different overburden depths[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2010, 29(6): 1113－1122.

[13]胡威東. 離散單元法在巖石隧道開挖中的應用研究[D].成都: 西南交通大學, 2006.