岳家溝隧道塌方機制與數(shù)值模擬

劉春原 徐良玉

摘要 過對岳家溝隧道RK74+010處塌方前超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果與塌方后揭示的實際圍巖情況相比較得出：塌方前的掌子面的地質(zhì)超前預(yù)報結(jié)果存在一定的局限性，而與實際塌方后揭示的圍巖狀況存在偏差，并未發(fā)現(xiàn)隱藏在隧道上方的軟弱破碎圍巖，從而導(dǎo)致施工中人們對該處圍巖施加了較低的支護(hù)強度，致使在掌子面向前推進(jìn)的過程中，隧道發(fā)生塌方.通過3DEC離散元數(shù)值模擬，從塌方處圍巖受力及位移特征上分析了岳家溝隧道的塌方機制。

關(guān) 鍵 詞 岳家溝隧道；節(jié)理巖體；塌方機制；3DEC數(shù)值模擬；支護(hù)措施

中圖分類號 U458.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

隨著我國交通網(wǎng)的不斷完善，山嶺區(qū)的隧道建設(shè)數(shù)量日益增多。但由于隧道施工具有隱蔽性、作業(yè)空間狹窄、地質(zhì)條件不確定等特點，這就導(dǎo)致道施工中發(fā)生許多難以預(yù)料的工程災(zāi)害問題[1]。塌方就是其中一種較為嚴(yán)重的災(zāi)害[2]。

目前，最常用的數(shù)值模擬方法主要有：有限單元法和有限差分法[3-4]。而本文以岳家溝隧道塌方段為研究對象，在地質(zhì)分析的基礎(chǔ)上，采用更適合分析破碎圍巖的離散元軟件3DEC進(jìn)行數(shù)值模擬[5]，分析了岳家溝隧道的塌方機制。

1 塌方處圍巖特征

岳家溝隧道位于河北省易縣紫荊關(guān)鎮(zhèn)白家莊村與三鋪村之間，為分離式隧道。左線進(jìn)口樁號LK73+470，出口樁號LK77+580，左線長4 110 m；右線進(jìn)口樁號RK73+444，出口樁號RK77+503，右線隧道長4 059 m。屬特長隧道。最大埋深342 m[6]。施工過程中，當(dāng)掌子面向前推進(jìn)一段距離后，在已開挖RK74+010處發(fā)生塌方事故。為進(jìn)一步說明塌方處的圍巖特征，分析其塌方機制，將該處超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果與塌方后揭示的圍巖狀況相對比加以說明。

1.1 超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果

超前地質(zhì)預(yù)報是針對隧道未開挖段的掌子面前方一段距離的圍巖情況的預(yù)測。岳家溝隧道超前地質(zhì)預(yù)報采用美國Sir-20地質(zhì)雷達(dá)預(yù)測，其具有國際先進(jìn)技術(shù)水平，是隧道和地下工程廣泛應(yīng)用的地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)。圖1為隧道掌子面施工到RK74+010處時的地質(zhì)超前預(yù)報雷達(dá)測線圖。

根據(jù)地質(zhì)超前預(yù)報資料給出的對波形圖分析的結(jié)果為：通過分析地質(zhì)雷達(dá)獲取的波形圖，可以了解掌子面前方圍巖情況，掌子面前方巖性無太大差異，為弱風(fēng)化花崗閃長巖，局部節(jié)理裂隙較為發(fā)育，有風(fēng)化物填充。推斷前方20 m范圍內(nèi)巖體較為完整，風(fēng)化程度與掌子面相似，巖體整體質(zhì)量較好。

1.2 塌方后揭示圍巖情況

2010年9月 8日岳家溝隧道右幅掘進(jìn)至里程樁號 RK74+018 處時，發(fā)現(xiàn)掌子面上部圍巖條件變差，為強風(fēng)化帶，節(jié)理裂隙發(fā)育明顯，圍巖破碎，隨即提高了相應(yīng)的支護(hù)級別從而繼續(xù)施工，當(dāng)掘進(jìn)至RK74+028處時，拱頂位置出現(xiàn)掉塊，并有塌方趨勢，施工單位立即停止施工，并撤出人員，隨后拱頂圍巖破壞加劇，RK74+012～RK74+028段拱頂不斷有大石塊掉落，塌方區(qū)域進(jìn)一步擴大。RK74+000～RK74+012段初期支護(hù)已變形開裂，拱頂巖體隨時有坍塌的可能。待塌方停止后，組織塌方清渣時，從塌方揭露的圍巖情況看，該處掌子面雖然為花崗巖，巖性堅硬，但隧道上部圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，且局部夾有白色強風(fēng)化物質(zhì)，強度較低，原有的支護(hù)等級不足，存在極大的安全隱患。

通過超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果與塌方后真實情況對比可以發(fā)現(xiàn)，岳家溝隧道圍巖具有如下特征：岳家溝隧道圍巖巖性較好，容易造成施工中對于圍巖質(zhì)量偏于良好的判斷，但是局部區(qū)域存在節(jié)理發(fā)育，風(fēng)化程度高的圍巖破碎帶，這些區(qū)域雖然巖石巖性較好，但是由于受結(jié)構(gòu)面的切割嚴(yán)重，巖體強度主要受結(jié)構(gòu)面控制，而非巖石本身的強度，這也是造成塌方事故的原因。

2 塌方機理分析

由前文分析可知，雖然由隧道內(nèi)觀察，塌方段面處圍巖質(zhì)量較好，但實際上塌方處上方存在隱藏的未被發(fā)現(xiàn)的風(fēng)化破碎帶，風(fēng)化破碎帶的巖體強度遠(yuǎn)低于原有良好圍巖，如圖2所示。

在走勢幾乎與開挖方向平行的情況下，這種節(jié)理裂隙發(fā)育明顯，巖石破碎，夾有強風(fēng)化物的軟弱破碎帶回導(dǎo)致隧道起初開挖時，人們并不會及時發(fā)現(xiàn)，直至與隧道掌子面相交才被發(fā)現(xiàn)，隨即變更圍巖級別，增強了支護(hù)等級，但已開挖支護(hù)段并未采取措施[7]。因此，當(dāng)時掌子面后方的支護(hù)強度實際上是不足以支撐圍巖的，從而導(dǎo)致塌方斷面圍巖在開挖一段距離后才發(fā)生塌方。

3 塌方過程數(shù)值模擬分析

將針對岳家溝隧道這種特殊塌方情況，對隧道開挖工程進(jìn)行數(shù)值模擬，從應(yīng)力及位移上分析造成這種掌子面向前開挖，而后方圍巖坍塌事故的機制。

3.1 模型建立

由于岳家溝隧道大變形的圍巖節(jié)理發(fā)育，巖體破碎，所以本文采用基于離散元理論的分析軟件3DEC進(jìn)行建模分析。離散單元法主要是用于模擬解決非連續(xù)介質(zhì)問題的數(shù)值模擬方法，能夠更真實地模擬節(jié)理巖體中的塑性變形特征。

岳家溝隧道為雙洞分離式隧道，跨度15 m左右，隧道截面為三圓心馬蹄形形狀，模型計算范圍取4倍洞徑，左右總寬度150 m，上下總高度為120 m。模型左、右、前、后邊界和底部邊界施加位移邊界約束，上邊界根據(jù)埋深及地層偏壓情況施加應(yīng)力邊界，隧道巖體本構(gòu)模型選取摩爾-庫倫彈塑性模型，對節(jié)理采用接觸面庫倫滑動模型。根據(jù)對應(yīng)的圍巖級別及軟弱破碎地層圍巖級別，賦予模型圍巖及節(jié)理對應(yīng)參數(shù)，其中良好地層圍巖級別為Ⅲ級，軟弱破碎地層按Ⅴ級圍巖施加參數(shù)，在其中設(shè)置切角35°和110°兩組節(jié)理。各等級圍巖及節(jié)理參數(shù)取值[8]如表1、表2。

根據(jù)施工資料及塌方報告描述，模型建立如下，其中塌方段位于距模型左端40 m處。

3.2 模擬結(jié)果分析

在模型中，Y軸方向為垂直方向，X軸方向為橫向水平方向，Z軸方向為沿隧道洞深的水平方向。模型中以10 m為一開挖步向前推進(jìn)，并且右洞先開挖10 m，左洞再開挖。通過數(shù)值模擬，得出了模型相應(yīng)的應(yīng)力特征，位移特征。

3.2.1 應(yīng)力分析

由圖4可以看出，當(dāng)模型向前開挖20 m時，距離塌方斷面較遠(yuǎn)，開挖并未對塌方段面應(yīng)力造成影響，所以此時，該處的垂直應(yīng)力及水平應(yīng)力基本與初始時地應(yīng)力分布規(guī)律相同；當(dāng)模型掌子面向前推進(jìn)40 m時基本已經(jīng)到達(dá)塌方處時，隨著掌子面接近監(jiān)測斷面，監(jiān)測斷面的水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力相較20 m時是增加的，這個過程相當(dāng)于掌子面及其前方未開挖圍巖是對后方已開挖圍巖有一個虛擬的支撐力，從而提高了圍巖的穩(wěn)定性，因此掌子面開挖到此處時，隧道圍巖并未立刻發(fā)生塌方事故；而當(dāng)掌子面推進(jìn)到60 m時，塌方斷面RK74+010已處于掌子面后方開挖區(qū)段，此時隨著掌子面距離塌方斷面越來越遠(yuǎn)，掌子面后方圍巖對此處圍巖影響漸漸減弱，提供的虛擬支撐力減小甚至消失，在掌子面由未開挖狀態(tài)轉(zhuǎn)為開挖狀態(tài)過程中，塌方斷面掌子面經(jīng)過了一個先加載再卸載的過程，這個過程對該處圍巖擾動極大，從而使塌方斷面圍巖破碎，隨著掌子面推進(jìn)，圍巖應(yīng)力和位移都進(jìn)一步釋放，圍巖劣化破碎加劇，此時可以看出右洞上方垂直應(yīng)為正，證明圍巖已處于受拉破壞狀態(tài)，再到掌子面推進(jìn)到80 m時，右洞上方拉應(yīng)力進(jìn)一步增大，受拉范圍也進(jìn)一步加深，最終隧道產(chǎn)生塌方。

通過隧道掌子面推進(jìn)過程中塌方斷面RK74+010的應(yīng)力變化的模擬分析，總結(jié)出RK74+010處發(fā)生先挖后塌的原因主要有兩點：一是掌子面可以為后方開挖圍巖提供一個支撐力的作用，可以提高后方圍巖穩(wěn)定性，但是這種力的作用范圍是有限的，隨著掌子面的不斷推進(jìn)，這種作用逐漸減弱直至消失；二是塌方斷面圍巖軟弱破碎，當(dāng)此處圍巖由未開挖轉(zhuǎn)變?yōu)殚_挖狀態(tài)后，圍巖發(fā)生擾動破壞，并隨著隧道向前開挖，此處圍巖不斷劣化破壞，并向圍巖內(nèi)部發(fā)展，從而當(dāng)隧道向前開挖一段距離后發(fā)生塌方。

3.2.2 位移分析

由圖5、圖6分析可得，在隧道開挖完成后，在軟弱破碎帶處圍巖變形量明顯大于周邊良好圍巖，且向軟弱破碎帶內(nèi)部延伸，同時，右洞拱頂沉降量大于左洞，因此可以判定塌方主要是由于軟弱破碎帶圍巖強度較低導(dǎo)致，且右洞拱頂會先于左洞坍塌，這也是由于右洞先于左洞開挖所致。

在隧道開挖過程中，本文對塌方斷面隧道拱頂進(jìn)行了位移監(jiān)測，以便分析隧道上部圍巖隨著掌子面向前推進(jìn)過程中的位移變化。

由圖7、圖8的2條曲線可知，在未開挖到塌方斷面處前，拱頂幾乎沒有變形，而隨著掌子面推進(jìn)遠(yuǎn)離塌方處時，該處拱頂經(jīng)歷了一個沉降持續(xù)增大然后在中間經(jīng)過一段平穩(wěn)階段后變形趨勢進(jìn)一步增大的過程，并且右洞先于左洞發(fā)生沉降，且沉降量大于左洞。曲線反映出岳家溝隧道拱頂變形坍塌是一個隨掌子面推進(jìn)，圍巖漸進(jìn)性破壞的過程。

4 塌方處支護(hù)措施

為了減小圍巖的變形量，保證圍巖的穩(wěn)定，初期支護(hù)設(shè)計所采用的支護(hù)措施時遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，必須采取加強支護(hù)等有效的補強措施[9]。采取的加強支護(hù)方法必須要結(jié)合圍巖變形破壞特征和初期支護(hù)變形信息反饋，從而建立塌方段支護(hù)的基本原則。這一原則的基本思路是：在隧道開挖后，軟弱破碎圍巖處于極不穩(wěn)定狀態(tài)，必須及時進(jìn)行支護(hù)，但是單獨使用錨桿的支護(hù)很難保證圍巖能夠達(dá)到穩(wěn)定，單純增大錨桿長度也不是提高圍巖力學(xué)特征的有效方法[10]。因此，對軟弱破碎圍巖的支護(hù)應(yīng)該在提高軟弱破碎圍巖的整體性的原則下，采用超前支護(hù)措施，這樣可以提前抑制掌子面前方圍巖由于開挖效應(yīng)造成的松動，先一步阻止掌子面前方的圍巖下沉和塌方。根據(jù)以上思路，針對岳家溝隧道圍巖大變形關(guān)鍵里程段，在初期支護(hù)措施的基礎(chǔ)上又重新設(shè)計了補強支護(hù)措施，具體情況如下：

在塌方段大樁號端，將該段隧道圍巖等級由原有的的勘察階段判定等級Ⅲ級變更為Ⅳs級，進(jìn)行加強支護(hù)，措施為采取強超前錨桿改為4.5 m，每排45根，排距1.6 m的Φ50小導(dǎo)管注水泥水玻璃雙漿液施工，灌漿順序為跳槽施工；施做二襯，按照C40混凝土襯砌施工，其余系統(tǒng)錨桿、仰拱、二次鋼筋按照Ⅳs圍巖級別施做。對塌方段處理如下：

1）在大變形區(qū)段進(jìn)行二次開挖支護(hù)施工，為減小圍巖擾動，在拱邊墻及拱頂按照人工拆除鋼拱架混凝土相同工藝，仰拱采用小裝藥的微爆開挖，鋼支撐在用橫向一字、豎向扇形聯(lián)合支護(hù)。

2）加設(shè)小導(dǎo)管進(jìn)行加強支護(hù)，再進(jìn)行注漿處理.灌漿時采用水泥-水玻璃雙漿液。

3）該區(qū)段大變形區(qū)段布設(shè)I20b鋼支撐，豎向支撐上端抵實圍巖腔體臨空面，在開挖線以外的下端直接接力與堅實巖基上。

4）在支護(hù)拱頂空腔內(nèi)預(yù)埋7.5 m長Φ108鋼管，然后泵送C25混凝土填實大變形塌方處。

5）塌方段二襯混凝土按照C40洞深襯砌混凝土施工，其余錨桿、仰拱、二襯鋼筋等均按照Ⅳ級圍巖級別施做。

5 結(jié)論

本文以岳家溝隧道塌方圍巖為研究對象，通過數(shù)值模擬方法，分析了岳家溝隧道塌方的機制，主要結(jié)論有：

1）通過岳家溝隧道RK74+010處塌方斷面揭露真實圍巖狀況和隧道掌子面超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果相對比，得出地質(zhì)超前預(yù)報只能預(yù)測掌子面前方一段距離的圍巖狀況，并不能預(yù)測到隧道上方圍巖的情況，這就導(dǎo)致當(dāng)隧道上方圍巖存在軟弱破碎層，而在掌子面開挖揭露前，人們很難發(fā)現(xiàn)上方它的存在，并對之前已開挖的存在隱藏破碎層的圍巖采取相應(yīng)的支護(hù)措施，從而隨著掌子面向前推進(jìn)，后方開挖的破碎圍巖發(fā)生漸進(jìn)性劣化破壞，最終發(fā)生塌方。

2）采用3DEC數(shù)值建模從而模擬掌子面推進(jìn)過程，通過塌方斷面的應(yīng)力特征，位特征的分析研究，得出造成岳家溝隧道發(fā)生掌子面推進(jìn)過程中后方已開挖圍巖發(fā)生塌方的原因主要由以下兩點：一是掌子面可以為后方開挖圍巖提供一個支撐力的作用，可以提高后方圍巖穩(wěn)定性，但是這種力的作用范圍是有限的，隨著掌子面的不斷推進(jìn)，這種作用逐漸減弱直至消失；二是塌方斷面圍巖軟弱破碎，當(dāng)此處圍巖由未開挖轉(zhuǎn)變?yōu)殚_挖狀態(tài)后，圍巖發(fā)生擾動破壞，并隨著隧道向前開挖，此處圍巖不斷劣化破壞，并向圍巖內(nèi)部發(fā)展，從而當(dāng)隧道向前開挖一段距離后發(fā)生塌方。

3）由于在施工中很難發(fā)現(xiàn)隱蔽的軟弱破碎圍巖，當(dāng)掌子面揭示的圍巖質(zhì)量變差時，不但要對接下來開挖的隧道圍巖采取相應(yīng)的支護(hù)措施，而且對之前已開挖的圍巖，也要加強監(jiān)控測量，必要時需提高支護(hù)強度，從而保證隧道穩(wěn)定以及施工人員的生命安全.本文結(jié)合軟弱破碎圍巖特征及支護(hù)準(zhǔn)則，針對岳家溝隧道塌方處圍巖提出了相應(yīng)的支護(hù)措施。

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[責(zé)任編輯 楊 屹]