木寨嶺板巖隧道塌方的結構失穩分析及預防措施研究

王云龍，譚忠盛

（北京交通大學 土木建筑工程學院，北京 10044）

1 引 言

隨著隧道工程的逐漸增多，穿越板巖地層的隧道工程較為多見，其中蘭渝鐵路中的木寨嶺隧道、毛羽山隧道等備受關注。除此之外，正在興建的貴廣鐵路也有大部分隧道通過板巖地層，規劃中的成蘭高速鐵路很多隧道穿過板巖或千枚巖。由于板巖具有獨特的層理特點加之不少板巖自身性質軟弱，板巖隧道施工過程中經常遇到各種工程問題，以大變形問題和塌方現象最為常見[1－6]，這兩種現象往往同時發生并且相互促成，給隧道正常施工帶來諸多影響。由于板巖大部分呈薄層狀或中厚層狀，研究人員往往利用梁板理論對其變形破壞現象進行分析，最具影響力的是孫廣忠[7]提出的“板裂介質巖體”理論。之后，有大量學者針對這一理論進行深入研究和推廣，并廣泛應用于層狀巖體穩定性的研究中[8－15]。目前對于板巖隧道塌方現象總結的文章較少，大部分已有文獻均以塌方問題的治理為主要立意[4－6]。

木寨嶺隧道是較具有代表性的板巖隧道工程，隧道在施工中遇到掉塊或塌方等圍巖失穩現象，嚴重影響隧道安全施工，充分認識隧道塌方機制并采取相應的預防措施對于今后板巖隧道工程有重要借鑒意義。本文對典型塌方地段的分析，推導得到塌方產生機制，結合工程實際，本著“以防為主”的原則，提出板巖隧道塌方現象的關鍵預防要點。

2 板巖隧道塌方實例分析

2.1 木寨嶺隧道塌方實例

新建蘭渝鐵路木寨嶺隧道為雙洞單線特長隧道，右線起訖里程為DyK173+321.5～DyK192+390，全線長19 068.5 m，洞身通過碳質板巖區，板巖及碳質板巖段合計長8 850 m，占隧道全長的46.53%，隧道單位正常涌水量約為547.4～1 025.4 m3/d·km，最大涌水量為964.7～7 332.0 m3/d·km。碳質板巖的力學特性與結構面傾角大小相關，當結構面受力后易發生剪切破壞和產生順層理面滑移破壞，板巖浸水后強度降低50%。碳質板巖巖體層理發育，富含裂隙水，遇水易軟化，圍巖穩定性較差，極易產生大變形和局部垮塌。木寨嶺隧道有3個背斜及2個向斜構造，基巖節理、裂隙發育，多呈“X”型，屬高地應力區。

隧道施工中多處發生大變形、掉塊或塌方現象，以右線DyK183+872.2處為例，2010年12月3日施工至該處時，拱部右側發生塌方，塌腔高3 m，隨即將掌子面堆積封閉并向塌腔灌漿回填，但塌方尚未停止，塌方完成后的正面示意圖如圖1所示。

圖1 塌腔正面示意圖Fig.1 Front view of collapse range

2.2 隧道塌方成因分析

經綜合分析塌方斷面處的地質條件及施工過程，認為該處塌方形成的原因有以下幾點。

（1）巖體自身特點

塌方斷面基本為薄層狀炭質板巖，層厚 5～10 cm左右，層理發育，層間為泥質充填物，巖體自身強度及層間結合強度都較低。同時，該處受褶皺影響明顯，巖層傾向不一，經現場觀察掌子面圍巖特征，推斷隧道深處基本符合圖2所示的地質素描結果。

圖2 塌方斷面巖層特征Fig.2 Slate layered characteristics of collapse section

巖體的層狀特征對塌方性態有顯著影響，結合塌方腔體形狀及巖層分布特征可以發現，該塌方能很好的符合層狀巖體的彎折破壞理論，如圖3所示。由于開挖后隧道洞壁的徑向應力降低而切向應力增高，層狀巖體以板的橫彎作用下發生撓曲至失穩破壞。

圖3 彎折破壞示意圖Fig.3 Sketch of bending destruction

（2）地下水的影響

塌方處富含圍巖裂隙水，經實地觀察，該處有地下水呈線狀或股狀流出，因板巖本身遇水強度急劇下降，加之層間泥質充填物在裂隙水的作用下基本失去膠結作用，造成巖體強度降低的同時因裂隙水帶走層間結合物，導致巖體完整性的進一步破壞。

板巖自身特點極易受地下水的影響，反之，地下水的大量存在又使板巖的工程缺點進一步擴大，兩者相互促成。

（3）施工原因

由于施工中對事故后果估計不足，導致各項施工措施未能達標主要體現在以下方面：開挖進尺過大，最大可達1.5 m左右；開挖完成后未能及時跟進初期支護；鋼拱架加工與施工過于粗糙，造成其未能達到較好的受力，并且施工中挖掘設備操作不規范以致拱腳大部分懸空。以上原因總體上可歸納為一點即未能及時對開挖后的巖體進行約束，導致其受力狀態達到失穩臨界點。

2.3 隧道塌方的演化過程

由上分析可知，隧道塌方受圍巖地質環境及施工影響，如施工方法得當時大部分塌方現象是可以避免的，正是由于施工方法的不當，激發了板巖的失穩，可見木寨嶺隧道的塌方演化過程主要表現為：施工過程不當→板巖臨空過多→地下水導致圍巖力學性質過差→初次塌方并繼續發展。

具體過程：（1）根據傳統彈塑性力學理論，隧道開挖后洞周出現較大應力集中現象，由于施工措施的不得，當致使板巖臨空面積過大，圍巖中的能量大部分通過變形釋放，洞周圍巖出現局部破壞并向縱深發展，為板巖的失穩提供了先決條件。（2）由于巖體臨空過多，地下水的滲流渠道更為廣泛，諸多裂隙水的不斷滲入，導致結構面填充物隨之流失，層間結合力基本降至為 0，根據文獻[9]的分析，層間結合力的降低減小了板巖失穩的臨界力，進一步激化塌方現象的發生。（3）以上過程基本同時發生，在滿足臨界失穩的前提下，因隧道右側巖體出水情況更為嚴重，率先發生失穩并導致高度達3 m的塌方現象發生，右側發生塌方后，雖采取灌注混凝土的辦法加以抑制，但因左側巖體臨近隧道中間一側基本呈現為簡支端，圍巖穩定性進一步降低，最終發生更大范圍的塌方。

3 板巖隧道塌方機制

3.1 模型的建立

從以上對于板巖隧道塌方的分析可以看出，地下水的作用致使板巖層間結合力幾乎喪失，塌方過程基本符合板的失穩機制。因此，選取隧道臨空板巖作為研究對象，并且忽略分析對象上下的應力差，考慮分析對象自重的影響，取板兩方向受力為 Nx（N/m）、Ny（N/m），并假設 Ny=λNx（λ為 Nx和 Ny之間倍數）；板長為a，寬為b，高度為h，單位均為m；巖層傾角為α，簡化后的力學模型如圖4所示。

圖4 力學模型Fig.4 Mechanical model

3.2 失穩臨界力的推導

根據建立的力學模型，在板在受縱橫荷載作用下并計入重力G在x方向對Nx的加強，得到的屈曲控制方程[16]為

考慮板的邊界為四邊簡支狀態，則有

對應的曲面函數為

將式（3）代入式（1）有

式（4）Amn不能全為 0，否則，得到結果為平凡解，因此大括號內的值必須為0，即

求解式（5）中的Nx為

為求得最小屈曲荷載，必須使m=1且n=1（因m、n為正整數），此時，四邊簡支情況下的最小屈曲荷載為

即為簡支狀態下計入板巖臨空長度時圍巖失穩的臨界荷載。若模型中巖層傾角為0°，且Ny為0（即λ =0），且簡化為平面應變問題，則式（7）變為

是文獻[15]中隧道底鼓機制分析得到的理論解析。

從式（7）可以看出，板巖的穩定性主要受以下幾點因素的影響：（1）板的彎曲剛度D是影響板巖穩定性的內在因素，巖石剛度越大，臨界失穩荷載越大；（2）通過對式（7）中第一部分的分析，能夠觀察到板巖臨空長度 b值越大，臨界失穩荷載越小，并且這種趨勢并非線性發展，臨界失穩荷載減小趨勢更為顯著；（3）當巖層重力較大時式（7）中的第二項越大，失穩臨界荷載越小。

3.3 木寨嶺隧道塌方現象的理論分析

木寨嶺隧道開挖斷面為6.8 m × 7.2 m，取板的橫向跨度a=3.0 m，其余主要圍巖力學參數見表1。

表1 隧道圍巖力學參數Table 1 Mechanical parameters of slate

利用式（7）求出不同板巖b時對應的臨界失穩荷載，得到λ=0時不同b的情況下對應的臨界失穩荷載見圖 5，同理給出巖層厚度與臨界失穩荷載之間的關系，如圖6所示。

圖5 臨空長度b與臨界失穩荷載的關系Fig.5 Relation between (Nx)crand b

圖6 巖層厚度h與臨界失穩荷載的關系Fig.6 Relation between (Nx)crand h

從圖5中能夠觀察到，隨著板巖臨空長度從0.8 m增加至3 m，臨界失穩荷載急劇減小，當臨空長度為1 m時臨界失穩荷載換算面力約為12 MPa，考慮隧道處的最大水平主應力達11.6 MPa，尚處于危險區域，而現場施工時的未支護長度更大，圍巖的失穩破壞在所難免。

同理，從圖6中可見，巖層厚度對于圍巖失穩的影響也比較明顯，當巖層厚度達到 0.15 m以上時，臨界失穩荷載可達20 MPa左右，這對于圍巖穩定是比較有利的。木寨嶺隧道塌方現場巖層厚度多處于5～10 cm之間，地下水沖刷致使層間 結合力消失，更加凸顯巖層過薄的不利影響，最終致使圍巖失穩坍塌。

4 板巖隧道塌方的預防措施

4.1 隧道塌方預防的主要原則

因隧道塌方事故影響施工經濟、安全、工期等各個方面，對板巖隧道塌方現象實施“預防為主”的策略是最為合理的。對木寨嶺隧道塌方段的演化過程及成因機制的分析后總結出如下預防經驗。

在勘察階段，應做好地質勘查階段的工作，對隧道的地質環境尤其是圍巖巖性、層理結構、地應力以及地下水狀態需綜合認識，對于危險地段應進行詳細的超前地質預報，以便在設計上及時采取相關措施。

在設計階段，對于隧道的危險地段應盡量采用超前錨桿或管棚等超前支護措施，抑或根據地下水發育情況采取超前注漿等圍巖加固措施，增加圍巖的整體性。從理論分析中能夠看出，這些措施相當于增加了層間結合力、增大了巖層的厚度，對于維護圍巖的穩定性有很大幫助。

在施工階段，應根據板巖的巖層傾向對隧道中的不利位置提前預判，做出相應的設計調整；對于塌方易發地段應盡量采取降低一次開挖跨度的施工工法如CD法等，并盡量采用小進尺開挖；初期支護的施作應在開挖后及時跟進，鋼拱架輪廓應與隧道輪廓良好契合并在分步開挖時保證鋼拱架能夠完全受力，起到抑制圍巖失穩的效果。

4.2 隧道塌方的預防效果

木寨嶺隧道DyK183+872.2塌方段事故處理結束后，在繼后的DyK183+872.2～DyK183+892施工段地質條件與塌方段基本一致，設計中增加預留變形量至50 cm，并將原間距為1.5 m的型鋼鋼拱架加密至0.6 m，拱部設置φ 42 mm超前小導管預注漿加固圍巖，長4.0 m，環向間距為40 cm，縱向搭接長度不小于 l m。在施工中嚴格控制開挖步長，并保證鋼拱架的充分受力，在一系列措施的控制下，隧道施工過程順利，初期支護穩定。圖7為施工過程中拱頂及右側拱腰的沉降監測結果。監測結果顯示，相對拱頂而言右側拱腰處仍有較大的沉降發生，但逐漸趨于穩定，并未造成重大影響。

圖7 實際監測的沉降數值Fig.7 Subsidence values of actual monitoring

隧道繼續沿用三臺階法進行施工，總結各個施工步產生的沉降百分比見表 2。由表可以看出，因上臺階開挖完成后拱部巖層基本全部暴露，上臺階施工完成時拱頂沉降與拱腰沉降即完成最終沉降的絕大部分，這與理論模型中板的跨度a較大有關，在類似工程采取臺階法施工時，應對上臺階的施工過程引起足夠的重視。

表2 各施工階段占總沉降量的百分比Table 2 The subsidence ratios in different steps

5 結 論

（1）木寨嶺隧道塌方的主要原因是板巖自身的結構特點以及施工中初期支護跟進嚴重不及時造成的，同時地下水對結構面強度的影響也是較為重要的因素。

（2）層厚較薄時，運用板的失穩理論能較好的解釋板巖隧道的塌方現象，理論研究證明板巖臨空長度過大或層厚過薄對圍巖穩定最為不利。

（3）對于板巖隧道的塌方現象預防應確保以“預防為主”為主要原則，在勘察階段充分認識，并采取措施間接增加巖層厚度，在施工階段應盡量采取小進尺開挖，保證初期支護的及時跟進。利用這些預防措施施工后續工程段圍巖穩定，隧道施工順利。

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