某隧道塌方腔體處治方法數值分析

鐘乃龍，姜洪亮，黃　剛

(1.廣西交通科學研究院，廣西　南寧　530007；2.廣西道路結構與材料重點實驗室，廣西　南寧　530007)

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某隧道塌方腔體處治方法數值分析

鐘乃龍1，2，姜洪亮1，2，黃剛1，2

(1.廣西交通科學研究院，廣西南寧530007；2.廣西道路結構與材料重點實驗室，廣西南寧530007)

文章根據隧道塌方的特點，對廣西境內某二級公路隧道塌方區提出兩種處治方案并進行數值分析，得到了不同施工階段下隧道各個部位的位移變化規律及圍巖塑性區變化特點，同時對兩種方案的處治效果作出了評價。

隧道工程；塌方；處治方案；數值分析

0　引言

隨著高速公路的迅速發展，隧道穿越不良地質體成為一種常態，隧道塌方屢見不鮮，然而針對隧道塌方問題的研究主要集中在原因分析及處治措施，對塌方腔體內部錨桿施作先后順序的問題探討較少。本文以某二級公路隧道作為依托工程，針對塌方腔體區不同部位錨桿施作順序提出兩種處治方案，并進行數值模擬，對兩種處治方案在不同施工階段下隧道各個部位的位移量、圍巖塑性區的出現進行分析對比，研究結果可為類似工程建設提供借鑒，具有重要的工程意義。

1　工程背景

廣西境內某二級公路隧道為單拱越嶺短隧道，起訖樁號K16+842～K17+085，全長243 m；設計高程246 m，最大埋深位于樁號K16+960，約77.9 m；隧道全長均位于直線上，縱坡為-0.6%，進、出口均位于山沖附近，地勢均較低，中部地勢高，為兩山頭間的坳口；本隧道進出口附近地段部分基巖出露，大部分地段被第四系殘坡積物覆蓋，為沖積、殘坡積層(Q4el+dl)粘土、含礫粘土，基巖為砂巖和泥巖組成。

2014-11-14，上臺階開挖后發生塌方，塌方時隧道已出渣并未進行初期支護。經現場勘測發現為拱部拱形塌方，塌方高度為2.5 m，塌方段起訖樁號K16+921～K16+923.5。經分析，發現造成塌方險情的主要原因是隧區位于斷層破碎帶上，巖性為中～強風化泥巖，圍巖級別為Ⅳ級，含孔隙水，巖體強度低，自穩能力差；在連續降雨的作用下，雨水入滲，此段裂隙水發育，含水量高，使強風化泥巖軟化，土體抗剪強度減小，加之施工方未能及時施作初期支護，圍巖變形未能得到有效的約束造成塌方。

2　隧道塌方搶險處治方案

隧道塌方應堅持“穩住塌方區、快速處理封閉成環”的基本原則；同時對塌方處治部位的處治順序也至關重要，避免因隧道塌方未能得到及時處治而引發二次塌方。由于塌方影響區很不穩定，為了防止塌方引發的連鎖反應，導致塌方區的范圍擴大，首先應對已經施作好初期支護的影響區段進行加固處理(方案一、方案二相同)。本文根據隧道塌方特點，對塌方區處治提出兩種處治方案，方案一針對塌方腔體頂部首先進行錨桿施作處理，然后再向塌方腔體兩側進行施作錨桿；方案二針對塌方腔體兩側首先進行錨桿施作處理，然后再向塌方腔體頂部進行施作錨桿(塌方腔體錨桿施作順序不一致，其它的處治方法一致)。兩種方案所用的材料參數相同，錨桿位置相同，錨桿施作角度一致，但錨桿施作順序不一致。具體處治如下：

(1)塌方影響區的處治

對已支護好的影響段采用臨時鋼拱架內支撐，然后采用φ25中空注漿錨桿對圍巖進行加固，長度為3m，錨桿縱向間距1.0m，環向間距0.8m，梅花形布設，并將錨桿端部與鋼拱架焊接牢固。

(2)塌方區的處治

①塌方土體暫時不進行清理，防止在清理工程中由于對圍巖的擾動而造成塌方面積的擴大。②上臺階進行初期支護。首先采用長度為3m、φ25系統錨桿對圍巖進行加固，環向間距為0.8m，錨桿縱向間距為1.0m，梅花形布設；架立Ⅰ18的鋼拱架；在鋼拱架內側掛一層20cm×20cm、φ8鋼筋網片；兩端采用長度為4m的鎖腳錨桿對鋼拱架進行加固；噴射厚度為25cm的C25混凝土形成初期支護；架設臨時鋼拱架。③當采取方案一時，首先對塌方腔體頂部進行錨桿施作處理，再對塌方腔體兩側施作錨桿(錨桿施作順序：錨桿1、錨桿2；錨桿3、錨桿4；錨桿5、錨桿6；錨桿7、錨桿8)；當采取方案二時，首先針對塌方腔體兩側進行錨桿施作處理，再對塌方腔體頂部施作錨桿(錨桿施作順序：錨桿7、錨桿8；錨桿5、錨桿6；錨桿3、錨桿4；錨桿1、錨桿2)。在塌方腔體上噴厚度為5cm的C25混凝土；安設塌方腔體兩側長度為5m、φ25的系統錨桿；在系統錨桿外側掛設一層15cm×15cm、φ8鋼筋網片；濕噴厚15cm的C25混凝土。④施作厚度為40cm的C25混凝土護拱。⑤對塌方區進行初期支護。架立Ⅰ18的鋼拱架，在鋼拱架內側掛一層20cm×20cm、φ8鋼筋網片，預埋φ108鋼管。⑥通過φ108預埋鋼管吹灌砂、碎石等混合干料進入塌方腔體，直至無法向塌方腔體灌人混合料為止[1.2]。如圖1所示。

圖1　塌方段處治橫斷面圖

3　隧道施工有限元模擬

3.1有限元模擬計算

為了更好地比較方案一與方案二的優越性，比較兩種處治方案在不同施工階段隧道不同部位位移變化規律、圍巖塑性區的變化情況，利用有限元法對某二級公路某隧道塌方段(樁號：K16+921～K16+923.5)施工全階段進行動態模擬。

3.1.1基本假定

對于有限元分析模型做以下基本假定：(1)同一巖層的巖體為各向同性變形體，圍巖應力與應變均不考慮空間效應，為二維平面應變問題；(2)對地層的初始位移進行清零處理，初始應力場不考慮地質構造應力，只考慮土體自重應力；(3)錨桿、鋼拱架及襯砌材料均為彈性介質，圍巖為彈塑性介質[3]。

3.1.2屈服準則

Mohr-Coulomb彈塑性模型在巖體材料的模擬中得到廣泛應用，本文圍巖采用屈服準則，其表達式為：

(1)

在π平面上是不等六邊形，當σ1>σ2>σ3時，

(2)

式中：c——粘聚力(kPa)；

φ——內摩擦角(°)；

σ1——最大主應力(kPa)；

σ3——最小主應力(kPa)。

3.1.3材料參數選取

圍巖力學參數依據《公路隧道設計規范》JTGD70-2004[4]及本隧道《工程勘察報告》，選取圍巖相關物理參數取值；按照彈模換算法將鋼拱架和鋼筋網參數換算到混凝土中，運用彈性殼單元體模擬初期支護結構。支護結構與圍巖的物理力學參數如表1所示。

鋼拱架和鋼筋網彈性模量折算給噴射混凝土，計算方式為：

(3)

(4)

式中：E——折算后噴射混凝土的彈性模量；

E0——原噴射混凝土的彈性模量；

Sg——鋼拱架截面積；

Eg——鋼材的彈性模量；

Sc——噴射混凝土截面積；

Sb——鋼筋網的截面積；

L——單位長度。

表1　支護結構與圍巖的物理力學參數表

3.1.4動態施工步驟模擬

利用上述有限元模型，對某隧道K16+922處按照處治方案的施工工序進行有限元動態模擬。如表2所示。

表2　兩種處治方案的施工工序表

3.1.5邊界條件選定

隧道開挖數值模擬分析的位移邊界條件設置如下：左右邊界施加水平向的約束、下底邊界施加豎向的約束、上邊界為自由邊界。計算區域上邊界取至地表，隧道中心線兩側各取3倍的洞徑作為左、右邊界，故模型寬度為79.56 m；縱向底部邊界取3倍洞徑作為下邊界。隧道洞徑為13.26 m，高度10.35 m；隧道拱頂發生塌方，塌方腔體高度約2.5 m，長度約5 m，面積約7 m2，如圖2～3所示。

圖2　隧道斷面示意圖(cm)

圖3　計算模型圖

3.2計算結果分析

3.2.1位移場分析

從圖4可以看出，不同部位的累計位移量隨著隧道施工的進行而不斷增大，且在開挖時和隧道發生塌方時的位移變化量較大，塌方區錨桿支護及開挖支護過程中對隧道各個部位位移量影響較小。上臺階開挖與隧道塌方對拱頂下沉影響最大，上臺階開挖結束后拱頂沉降達到14.88 mm；其次是中臺階與下臺階開挖，當下臺階開挖結束時，采取方案一，拱頂沉降達到18.74 mm；采取方案二，拱頂沉降達到20.21 mm；塌方區錨桿支護以及開挖支護影響較小。左拱腰、右拱腰曲線趨勢基本一致，各個施工階段的累計位移量的大小也基本相同，主要是計算模型左右幾乎對稱和只考慮土體自重應力造成，上臺階開挖對拱腰位移量的影響比較大。中臺階開挖前的各施工階段對左拱腳、右拱腳的影響很小，當中臺階開挖后左、右拱腳均迅速下沉，然而當中臺階支護結束，拱腳下沉量迅速趨于穩定狀態，主要原因是下臺階支護后上部圍巖自重和支護結構得到了支承，變形得到有效約束。中臺階開挖和下臺階開挖后仰拱隆起較嚴重，主要是因仰拱處土體應力釋放造成的。中臺階開挖、下臺階開挖對周邊收斂位移量影響較大，主要原因是臨空面的增大，兩側圍巖水平應力的擠壓，造成周邊收斂值的增大。澆筑仰拱結束后，采取方案一，拱頂沉降量為19.56 mm，拱腰沉降量為16.89 mm，仰拱隆起值為18.38 mm，周邊收斂值為15.76 mm；采取方案二，拱頂沉降量為20.85 mm，拱腰沉降量為14.70 mm，仰拱隆起值為17.48 mm，周邊收斂值為15.23 mm。綜上所述，采取方案一對拱頂位移量控制取得很好的效果，但在隧道其余各個部位的位移量在各個施工工序中沒得到有效的控制。采取方案二，塌方區錨桿支護時，拱頂下沉較快，但塌方腔體兩側圍巖得到了控制，在塌方區治理后各個施工工序中隧道的各個部位位移量得到了有效的控制。

(a)方案一

(b)方案二

3.2.2塑性區分析

(1)方案一計算結果分析

從圖5可以看出：塌方區錨桿施作前、施作錨桿3與錨桿4、施作錨桿結束、回填結束這四個施工階段塌方腔體周邊圍巖塑性區與隧道周邊圍巖塑性區變化不大，圍巖塑性區主要位于塌方腔體頂部、上臺階與拱腰交匯處，塌方腔體頂部出現塑性區主要是土體下沉引起的，而上臺階與拱腰交匯處主要是因土體隆起所造成。中臺階支護結束，中臺階與邊墻交匯處出現了明顯的塑性區，主要是中臺階開挖造成土體隆起。仰拱澆筑結束，仰拱上出現大面積的塑性區，在邊墻與仰拱交匯處塑性區最明顯，說明仰拱兩側土體隆起最為嚴重。

(a)施作錨桿前

(b)施作錨桿3與錨桿4結束

(c)施作錨桿結束

(d)回填結束

(e)中臺階支護結束

(f)仰拱澆筑結束

(2)方案二計算結果分析

從圖6可以看出：塌方區施作錨桿前至回填結束后，隧道周邊圍巖塑性區并未出現太大的變化，說明在隧道塌方處治過程中周邊圍巖的塑性區沒有進一步擴大，塑性區主要位于塌方腔體周邊以及上臺階與拱腰交匯處。中臺階支護結束，中臺階與邊墻交匯處出現塑性區，而塌方腔體周邊圍巖塑性區有小幅度的擴大，拱腰處的塑性區未發生變化。仰拱澆筑結束，仰拱與邊墻交匯處的塑性區最明顯，主要是邊墻圍巖的擠出與仰拱的隆起造成，其余各個部位塑性區與中臺階支護后的塑性區變化較小。

(3)塑性區對比分析

采取兩種處治方案，在施作錨桿前、施作錨桿3與錨桿4結束、施作錨桿結束、回填結束四個施工階段，隧道周邊圍巖塑性區出現的位置及大小基本相同；中臺階支護結束與仰拱澆筑結束兩個階段，塑性區出現的位置基本相同，但采用處治方案二，各個部位的塑性區有著明顯的減小。

(a)施作錨桿前

(b)施作錨桿3與錨桿4結束

(c)施作錨桿結束

(d)回填結束

(e)中臺階支護結束

(f)仰拱澆筑結束

4　結語

數值分析結果表明：隧道拱部發生拱形塌方，采用噴錨支護時，錨桿施作的先后順序對有隧道穩定性影響較大，同時指出先對塌方腔體兩側施作錨桿比塌方腔體頂部先施作錨桿效果更佳，能更好地保障隧道后續施工的安全，且處治方案二在現場施工中也更加簡易可行。

[1]JTGF60-2009，公路隧道施工技術規范[S].

[2]甘小江.隧道貫通段塌方處理施工技術[J].現代隧道技術，2012，49(6)：168-171.

[3]李圍，等.隧道及地下工程ANSYS實例分析[M].北京：中國水利水電出版社，2007.

[4]JTGD70-2004，公路隧道設計規范[S].

Cavity Treatment Method Numerical Analysis of A Tunnel Collapse

ZHONG Nai-long1，2，JIANG Hong-liang1，2，HUANG Gang

(1.Guangxi Transportation Research Institute，Nanning，Guangxi，530007；2.Guangxi Key Laboratory of Road Structure and Materials，Nanning，Guangxi，530007)

According to the characteristics of tunnel collapse，this article proposed two treatment pro-grams and conducted the numerical analysis for the tunnel collapse area of a secondary highway in Guangxi，obtained the displacement variation rules of different tunnel parts under different construction stages as well as the variation features of surrounding rock plastic zones，at the same time it evaluated the treatment effects of these two programs.

Tunnel engineering；Collapse；Treatment scheme；Numerical analysis

2016-03-21

U457+.2

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.06.014

1673-4874(2016)06-0052-05

鐘乃龍(1986—)，助理工程師，碩士，研究方向：橋梁與隧道工程檢測及結構穩定性研究；

姜洪亮(1980—)，工程師，碩士，研究方向：橋梁與隧道工程檢測及結構穩定性研究；

黃剛(1987—)，助理工程師，主要從事道路工程研究及檢測工作。