黃金隧道塌方冒頂結構計算及特殊設計

張曉東

(廣鐵集團贛韶鐵路有限公司，廣東韶關 512023)

隨著我國鐵路建設的快速發(fā)展，工期緊、長度長、地質復雜、施工難度大的隧道大量出現(xiàn)，在施工過程中，容易因圍巖地質突變、超前地質預報工作不深入、監(jiān)控量測不及時、設計階段地質調查深度不夠、施工階段應對措施不到位等原因，而造成塌方甚至冒頂事故。如何處理好塌方，盡可能降低塌方對施工進度的影響，保證運營安全，顯得越來越重要。一般淺埋隧道塌方且冒頂屢見不鮮，而黃金隧道DK171+085～DK171+050段埋深約70 m，塌方且冒頂并不多見。本文通過結構計算、工程類比，對黃金隧道塌方冒頂提出了合理的處理方案及措施，并結合施工超前地質預報、監(jiān)控量測等手段，成功通過了此段。

1 工程概況

黃金隧道是贛(州)韶(關)鐵路重點工程之一，全長1490 m，最大埋深約100 m，為單線隧道。隧道位于黃浪水河流經323國道處的上游左側山丘中，屬丘陵地區(qū)，地形起伏較大，地勢東北高西南低。隧道圍巖主要為泥巖粉砂巖地層，粉砂巖:淺黃色，全～強風化，巖石風化成土夾碎塊狀，局部夾弱風化巖塊，中厚層狀構造。泥巖:褐黃色，全～強風化，巖石風化成黏性土狀，含少量風化碎塊，泥質結構，中厚層狀構造，遇水易軟化。地下水主要為第四系孔隙潛水及基巖裂隙水，第四系孔隙潛水主要富集于表層土體及全風化基巖中，基巖裂隙水主要富集于強、弱粉砂巖中，粉砂巖節(jié)理裂隙發(fā)育且滲透性較好，受大氣降水影響大，裂隙水的水位變化隨降水量變化較大。

2 隧道塌方冒頂情況及原因分析

2.1 塌方冒頂情況介紹

2011年9月18日，隧道從出口端向大里程方向施工，施工至 DK171+075，開挖后因滲水出現(xiàn)塌方，19日～22日對塌方進行了封閉及超前注漿處理，采用1∶1的水泥漿摻水玻璃速凝。于23日下午恢復開挖，開挖長度60 cm(1榀鋼架距離)，初噴過程中掌子面滲水量逐漸增加，初噴尚未完成，掌子面便出現(xiàn)大規(guī)模的涌泥，涌泥呈軟塑狀，中間夾灰質巖塊，涌泥約250 m3/h，但掌子面一直未穩(wěn)定，最后累計涌泥約2 000 m3，最后確定洞內塌方范圍為 DK171+085～DK171+050。同時，洞頂塌方延伸至地表，形成了1個長15 m，寬10 m，深7 m的橢圓形圓柱陷穴，凹坑四周地表出現(xiàn)裂縫，最外緣開裂邊界以內面積約2 000 m2，地表裂縫對應隧道里程為DK171+035～DK171+140。如圖1、圖2所示。

圖1 黃金隧道塌方

圖2 黃金隧道塌方縱斷面(單位:m)

2.2 塌方冒頂原因分析

為避免因塌方處理不當而造成新的損失，在塌方冒頂處理前，工程技術人員對隧道塌方冒頂進行了原因分析。

2.2.1 地質條件分析

塌方冒頂段圍巖為泥巖粉砂巖地層，粉砂巖:淺黃色，全～強風化，巖石風化成土夾碎塊狀，局部夾弱風化巖塊，中厚層狀構造。鉆進過程中，孔壁坍塌，并出現(xiàn)掉塊卡鉆現(xiàn)象。泥巖:褐黃色，全～強風化，巖石風化成黏性土狀，含少量風化碎塊，泥質結構，中厚層狀構造，遇水易軟化。

2.2.2 施工原因分析

在施工過程中，由于圍巖較差，出現(xiàn)過多次小塌方，洞內積水嚴重，二襯相對滯后，初期支護不及時，造成圍巖被多次擾動，基底承載力下降，也是導致塌方冒頂原因之一。

2.2.3 其他原因分析

施工期間正值南方雨季，連續(xù)的降雨導致圍巖富水增加，開挖后滲水較大，經施工單位現(xiàn)場測量，滲水量15～20 m3/d。夾層遇水膨脹軟化，產生滑動面，易造成圍巖失穩(wěn)，大面積垮塌;圍巖受地下水作用由局部失穩(wěn)發(fā)展到整體失穩(wěn)、破壞導致不斷出現(xiàn)坍塌，最終隧道塌方冒頂。

DK171+050處掌子面出現(xiàn)過2次涌水涌泥，造成該段地表至洞頂土體已失穩(wěn)，洞身上方存在約2 500 m3的空洞區(qū)，受空洞內流塑土的影響，掌子面滲水嚴重，滲水量25～30 m3/d，滲水造成出口掌子面掉塊嚴重。

3 塌方處理方案比選

塌方事故發(fā)生后，各方對事故的處理提出各自的方案，歸納有以下2種。

3.1 超前注漿+單層初支

該方法主要是對塌方段拱部 150°范圍內采用φ108 mm壁厚6 mm的管棚作為超前支護，環(huán)向間距30 cm，施工外插角3°～5°，并及時對管棚進行注漿，注漿材料采用1∶1水泥漿，注漿參數(shù)結合現(xiàn)場試驗合理確定。超前支護完成后，隧道分部開挖架設I25a型鋼鋼架，初噴C25混凝土，厚32 cm。加大初支的剛性結構以抑制圍巖的塑性變形，剛性支護能為圍巖提供強有力的支護，在地應力水平較低、塑性變形不大的情況下可以起到防止變形和坍塌的作用。

3.2 超前注漿+雙層初支

此方案與前方案不同的是采用雙層初期支護，架設I18雙層型鋼鋼架，初噴 C25混凝土，厚45 cm。由于坍體為流塑狀的土，含水量高，冒頂段圍巖具明顯的流變特征，變形一般經過初始變形階段、穩(wěn)定變形階段、加速變形階段從而發(fā)生坍方。在近70 m高的坍體內開挖后會在短時間內釋放壓力，從而產生初始的變形，為防止蠕變加速導致坍塌，采取“先柔后剛，控制變形”的方法，在蠕變階段及時施做控制變形的措施，使擾動的軟塑狀坍體的蠕變得到控制并趨于穩(wěn)定。支護及二襯采用“第一次支護+第二次加強支護+二次鋼筋混凝土結構”，第一次支護為噴錨網、鋼架聯(lián)合支護的柔性支護，在加固圍巖的同時可允許釋放部分圍巖變形;第二次初支為鋼架噴混凝土結構以進一步抑制圍巖變形，并為二襯的安全施做提供條件。

3.3 結構計算

鑒于以上2種情況，采用地層-結構模型對2種方案進行了模擬分析，計算范圍水平方向兩側各取70 m，左右邊界約束X方向的位移;上面覆土約70 m，下底邊取距隧道底30 m，下邊界約束Z方向的位移。采用MIDAS-GTS有限元計算分析軟件對隧道開挖建立平面應變條件下的計算模型，模擬施工全過程。初始地應力由有限元法計算，即將自重荷載轉化為等效節(jié)點荷載計算初始地應力場。模型屈服準則為莫爾庫侖準則。

(1)單層剛性支護措施模擬分析

單層剛性支護采用梁單元模擬，地層圍巖采用2D單元模擬。計算參數(shù)見表1、表2，模型如圖3所示。

表1 計算輸入支護參數(shù)

表2 計算輸入土層參數(shù)

圖3 二維計算模型

(2)雙層剛性支護措施模擬分析

計算中采用分步來模擬施工過程，假設開挖圍巖應力瞬間釋放30%，第一次支護完成后釋放50%，第二次支護完成后釋放其余20%。施工中的第一次支護及第二次加強支護均采用梁單元模擬，地層圍巖采用2D單元模擬。2次支護之間采用桿單元連接，計算輸入土層參數(shù)見表2。計算模型及支護參數(shù)見圖4、表3。

表3 計算輸入支護參數(shù)

圖4 二維計算模型

(3)計算結果分析

計算過程中分別得到了隧道開挖后，隧道的豎向位移、大小主應力分布圖。單層剛性支護最大位移在拱部為2.36 cm，雙層剛性支護結構，第一次支護拱部最大位移4.05 cm，第二次支護施做后，拱部總位移達到4.88 cm。隧道拱頂、拱腰、拱腳、墻腰、墻腳及仰拱的初支結構特征點處受力見表4、表5。

表4 隧道初支結構受力

表5 隧道初支結構受力

從計算結果來看，單層剛性支護、全環(huán)架設型鋼鋼架措施的最不利截面安全系數(shù)小于雙層剛性支護的最不利截面安全系數(shù)強度要求。因此雙層支護措施相對安全，結構受力相對合理。

4 塌方處理設計方案

通過地層－結構計算分析及結構受力分析，經比較后，對此次塌方冒頂段采用雙層剛性支護結構特殊設計，開挖預留10 cm變形量。

4.1 地表處理

對陷穴及開裂區(qū)域加固及防排水處理:在地表沉陷、開裂區(qū)域周圍5 m范圍以外設置漿砌片石截水溝，截水溝尺寸0.5 m×0.5 m，防止地表水流入塌落松散體內部;對塌陷的松散體進行注漿加固處理，減輕松散體對初期支護和后期二襯的壓力;在沉陷、開裂區(qū)沉降基本穩(wěn)定且洞內二次襯砌強度達到100%后，對塌陷的松散體回填至略高于原地面，表面采用M10漿砌片石防護，并設置黏土隔水層，防止雨水滲入坑穴。

4.2 洞內處理

4.2.1 進行超前地質預探預報

塌方冒頂段地質專業(yè)進行專項設計，利用水平地質鉆機在塌方掌子面的拱頂、拱腰布置4個水平地質鉆孔進行地質探測，確定塌方冒頂?shù)姆秶偷刭|情況，指導塌方冒頂處理。

4.2.2 對鄰近塌方段加固

在塌方段處理前對掌子面后方20 m進行補強加固，防止塌方范圍向后擴大，確保塌方處理過程施工安全。拱部和邊墻采用φ42 mm徑向小導管注漿，以加固圍巖和回填初支背后不密實之處，小導管長6 m，間距1.2 m×1.2 m，注漿材料采用1∶1水泥單液漿，注漿壓力控制在0.5 MPa以內。

4.2.3 塌方段處理

(1)注漿加固塌渣，增強掌子面穩(wěn)定性

表面加固:采用挖掘機、打夯機將塌方體表面壓實，設 φ8 mm鋼筋網，網格間距20 cm×20 cm，噴20 cm厚C25混凝土及時封閉塌渣，尤其是塌方與拱部接觸部位，防止塌方體繼續(xù)擴大。

塌渣加固:為保證安全通過塌方體，管棚施作完成后，對塌方體采取φ42 mm小導管注漿加固的措施，固結坍塌體，以提高塌方體的自穩(wěn)能力，防止在二次開挖過程中再次發(fā)生塌方。漿液采用超細水泥漿，漿液水灰比按照1∶1的比例，小導管長6 m，間距1 m×1 m，梅花形布置。

(2)超前注漿加固巖體

DK171+050～+085塌方段拱部150°范圍內采用φ108 mm壁厚6 mm的管棚作為超前支護，環(huán)向間距30 cm，施工外插角3°～5°，并及時對管棚進行注漿，注漿材料采用1∶1水泥漿，注漿參數(shù)結合現(xiàn)場試驗合理確定。

管棚施作完成后，對塌方段拱部和邊墻采取φ42 mm超前小導管注漿加固的措施，小導管長6 m，外插角30°～45°，環(huán)向間距40 cm，縱向間距1.8 m設1環(huán)，注漿材料采用1∶1水泥漿，注漿參數(shù)結合現(xiàn)場試驗合理確定。

(3)及時施工并加強支護

①圍巖的塑性變形的發(fā)生與開挖斷面的形狀有關，同樣地層及地應力的條件下，斷面開挖越接近圓形受力越有利。結合本線已開工的實際情況為避免另行制做臺車，在隧道內輪廓不變的前提下加大了外墻的曲率。

②DK171+050～+085塌方段采用環(huán)形開挖預留核心土法施工，并設立臨時仰拱，臨時仰拱采用I18型鋼鋼架并噴C25混凝土，及時支護、封閉成環(huán)。初期支護結構:全斷面I18型鋼鋼架+錨桿+縱向連接鋼筋+鋼筋網片+C25噴混凝土組成的柔性結構，噴混凝土20 cm，允許一定的變形;第二層全斷面I18型鋼鋼架+錨桿+縱向連接鋼筋+鋼筋網片+C25噴混凝土組成的加強支護，噴混凝土25 cm。鋼架間距0.6 m，鋼架間設φ22 mm縱向連接鋼筋，環(huán)向間距0.5 m。雙層φ8 mmm鋼筋網，間距20 cm×20 cm。在拱架腳部上20 cm處布設φ42 mm、壁厚3.5 mm的鎖腳錨管，長4 m。

③同時預留變形量適當加大，施工時應通過反饋的監(jiān)控量測信息及時調整預留變形量和支護參數(shù)，以確保襯砌結構和體系的安全，保證最大的沉降不得大于3 cm。

(4)強化隧底

為改善初期支護結構受力，在拱腳和墻角1 m范圍內加大開挖尺寸后噴射混凝土，增大受力面積，提高承載力。在原設計開挖尺寸的基礎上向外增加50 cm。

(5)洞內排水

在施工現(xiàn)場及時做好集水井及排水溝，及時疏導地下水和施工用水。并做好二襯及初期支護間的橫、縱向排水管，防止運營期間滲漏水。

(6)監(jiān)控量測

隧道開挖后及時掌握圍巖的變形情況是非常重要的，在隧道的施工中應該重視拱腳水平收斂及拱頂下沉的量測，根據(jù)量測數(shù)據(jù)及時改變施工方案，這對于避免再次塌方是非常必要的。

4.2.4 處理效果

(1)隨著塌方體的掘進，在塌方段內每5 m設置1個斷面分別進行圍巖收斂、拱頂下沉和拱頂壓力的連續(xù)監(jiān)測，通過觀測數(shù)據(jù)來及時掌握塌方體受力和變形的發(fā)展。不間斷的監(jiān)測結果表明，在整個處理過程中，圍巖沒有發(fā)生較大的位移，拱頂最大沉降3.5 cm。

(2)根據(jù)對完成后的隧道襯砌變形觀測情況，原塌方冒頂段永久襯砌未發(fā)現(xiàn)任何異常。

從本塌方冒頂段處理的結果看，處理是比較成功的。

5 結論及建議

本文主要利用數(shù)值計算及工程類比提出了黃金隧道埋深70 m產生塌方冒頂?shù)脑O計方案，現(xiàn)場實踐及監(jiān)控量測結果顯示，塌方冒頂段的處理措施是安全、經濟、合理的，在施工期間及施工后，隧道初支及襯砌都是安全的。通過上述分析得到如下主要結論。

(1)隧道施工盡量避開雨季，特別是風化嚴重的軟弱圍巖;加強施工超前地質預探預報，發(fā)現(xiàn)異常應及時采取相應措施，避免塌方、冒頂類事件發(fā)生。

(2)數(shù)值計算和現(xiàn)場監(jiān)測結果表明:雙層初期支護、超前管棚注漿、環(huán)形開挖預留核心土+臨時仰拱法等處理措施對處理黃金隧道塌方冒頂是比較合理的。

(3)根據(jù)現(xiàn)場實測資料顯示，在泥巖粉砂巖地層，隧道埋深70 m，通過雙層初期支護，洞內注漿，大管棚超前支護，優(yōu)化施工方法等一系列措施，效果顯著，塌方冒頂段得以順利通過。

(4)在塌方處理中，對塌方體的保護及采取恰當?shù)拈_挖工法，是保證塌方處理成功的關鍵。

(5)為了徹底消除工程隱患，為動態(tài)設計提供依據(jù)，隧道施工過程中應對塌方體進行周密的監(jiān)控量測。及時利用監(jiān)控量測結果指導設計和施工。

(6)對埋深70 m的隧道產生塌方冒頂?shù)陌咐⒉欢嘁姡ㄟ^本工程的實踐，也為其他類似工程提供一定的借鑒意義，在泥巖粉砂巖等不良、軟弱地層的工程，一旦發(fā)生塌方冒頂必須采取數(shù)值模擬與實踐相結合，經濟技術比選后，主動采取安全合理的措施來保證工程安全、順利完成。

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