山嶺隧道過破碎巖層開挖面塌方機制與位置預測研究

付廷波

(鐵正檢測科技有限公司 山東濟南 250014)

1 引言

隨著交通運輸業的大力發展，隧道工程作為道路交通的重要組成部分[1]，正向著長、深、大方向邁進，尤其在地質條件復雜的山區修建過程中，常常面臨巨大的挑戰。塌方作為隧道修建過程中常見的隧道工程災害，一經發生，往往造成嚴重的工程事故[2]，不但會損毀現場施工設備，給企業造成極大損失，還會嚴重威脅作業人員的生命安全。除此之外，整治塌方嚴重影響施工進度，二次返修更是難以避免帶險作業[3－4]。能否較為準確地預判塌方的幾率和塌方的空間位置成為隧道工程界的一大難題。長期以來，專家學者對此做了大量的研究工作，張清[5]采用關鍵塊體理論，確定可能滑動塊體在隧道斷面上的具體位置；高謙[6]將塊體理論的可靠度分析理論和系統突變理論相結合，對圍巖的構造控制型失穩形式進行有效預測；劉貴應[7]建立了隧道塌方失穩的尖點突變模型，并給出塌方與否的判據；許建聰[8]采用系統工程科學理論和非線性科學的灰色尖點突變理論，建立圍巖－初支系統的灰色尖點突變失穩預測模型，對圍巖－初支系統的失穩時間進行預測。

本文依托九綿高速梅家溝隧道，采用FLAC3D數值模擬的方法對隧道臺階法施工進行數值計算，分析了不同開挖進尺下，破碎巖層的塑性區深度和主應力場分布，揭示了開挖面的塌方機制；建立隧道開挖過程中的概化模型，考慮了上覆巖體作用和爆破擾動效應，基于薄層單元體受力理論，采用理論分析方法建立了隧道塌方判別體系，在此基礎上對塌方的空間位置進行預測。

2 工程地質概況

梅家溝隧道位于四川省綿陽市平武縣境內，隧道區為中山地形。隧道起訖樁號:左線ZK94＋707～ZK98＋680、右線 K94＋650～K98＋703；隧道長度:左線3 973 m、右線4 053 m，設計為分離式特長隧道。隧道設計凈空尺寸為10.25×5.00 m，設計時速80 km，隧道進出口設計為端墻式。

隧址區為構造剝蝕高中山地貌，山體渾厚，地形起伏較大，海拔高程1 710～2 288.7 m，相對高差約578.7 m，局部成陡崖狀，隧道最大埋深700 m，為穿山隧道。印支期花崗巖:該層分布于整個隧道，由花崗巖組成；花崗巖:灰白色，主要礦物成分為正長石、石英等，粗粒變晶結構，大塊狀構造，巖質堅硬，裂隙發育，錘擊聲脆，不易擊碎，RQD＝90%，部分陡坡處可見強卸荷帶。

隧址區位于北部的文縣弧形構造帶、西部的岷江－雪山－虎牙關斷裂帶和東南部的龍門山斷裂帶所圍限的楔形地塊上。地塊內構造形跡主要受控于上述三大構造帶，但后期受文縣弧形構造影響均呈現向南突出的弧形彎曲。印支期受SN向構造運動的強烈擠壓，形成的一系列近EW向褶皺和斷層構成了該區構造的基本格架。

3 塌方機制分析

3.1 模擬方案

本文模擬建立三維數值模型，模型尺寸為(100×80×30)m，如圖1所示。邊界條件為固定前后左右和下部界面，上部邊界為自由面，采用Mohr-Coulomb本構模型，大應變變形模式，先行開挖10 m一般巖性中的隧道，以破碎巖層里程段向前分別模擬不同開挖進尺(0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m)下的位移場、應力場和塑性區分布。所選取的圍巖力學參數見表1。

圖1 數值計算模型及模型邊界條件

表1 巖體物理力學參數

3.2 數值計算分析

(1)位移場分布

圖2～圖4為不同開挖進尺下的位移場、主應力場和塑性區分布云圖，統計結果見表2。分析可知，當自軟弱巖層界面向前方開挖時，隨著開挖進尺的增大，圍巖拱頂下沉和周邊收斂累計值逐漸增大，其中進尺0.5 m時，拱頂下沉和周邊收斂分別為241.78 mm和409.24 mm，此時圍巖預留量可為300 mm；當進尺為1.5 m時，拱頂下沉和周邊收斂分別為309.73 mm，周邊收斂為501.38 mm，此時增大圍巖預留量會增大巖體滑塌的風險，應提高支護強度，抑制圍巖變形繼續發展。

圖2 位移場分布云圖

圖3 主應力場分布云圖

圖4 掌子面塑性區分布

表2 數值計算結果

(2)主應力場分布主應力差決定了巖體是否破壞，主應力差越大，圍巖破碎程度越高。當進尺為0.5 m時，主應力差極值為12.93 MPa，出現在拱頂位置；當進尺為2 m時，主應力差極值為15.86 MPa，出現在拱腰位置。表明隨著開挖進尺的增大，巖體主應力差極值分布從拱頂向下發展，相應的破碎區范圍更大。

(3)塑性區深度分布

掌子面塑性區深度分布與開挖進尺關聯性不大，均在2.5 m左右，但塑性破壞模式各異。當開挖進尺比較小時，軟弱巖體暴露面積較小，可簡化為小跨度簡支結構，受后方支護體的承載作用，開挖面主要為受拉破壞，拱頂為剪切破壞。隨著開挖進尺的增大，簡支跨度隨之增大，破壞區范圍增大，自承載能力急劇減小，后方支護體對其承載作用增大，開挖面巖體呈現受拉破壞，拱頂由剪切破壞向拉剪破壞轉化。對后方巖性較好的巖體塑性區深度影響較大，長度影響較小。

4 開挖面塌方判據及空間位置預測

4.1 力學模型及其假定條件

隧道穿越傾斜巖層時，假定巖層符合下列條件，建立如圖5所示的簡化力學模型[9－12]。

圖5 簡化力學模型

(1)軟弱巖層為均質巖層，其高度大于隧道凈高，上下分界面為平面。

(2)軟弱巖層傾向和隧道水平走向夾角為銳角，拱頂位置最先進入軟弱巖層。

(3)軟弱巖層上覆巖體為均布荷載，等效為豎向重力作用。

(4)掌子面采用爆破開挖，爆破擾動作用力簡化為豎向地震力，大小為巖層重力的m倍。

(5)巖層力學本構關系符合摩爾－庫倫準則。

(6)假定軟弱夾層的豎向滑動面貫穿整個巖層，且不考慮地下水的影響。

4.2 判據推導及建立

隧道在向前開挖時，通過長短距離結合的超前地質預報手段可基本準確掌握前方不良地質體的位置和性狀。當開挖面推進至拱頂進入傾斜軟弱巖層時，可建立簡化力學模型，采用薄層單元受力分析法對該模型進行受力分析，再通過對其分布高度進行積分，基于受力平衡原理，求得塌方的空間位置。

隧道拱頂先后出現兩個豎向滑動面AD和BC，在ABCD形成的直角梯形的軟弱地質體中，取厚度為dz的薄層單元體，其受力分析見圖6。該單元左右兩邊作用力為水平地應力作用下的豎向摩擦力dF。當隧道開挖面進入軟弱巖層的深度不大時，直角梯形體受力保持平衡，隨著開挖面的不斷推進，受力體系也隨之動態調整；當開挖到一定深度時，受力體系達到臨界平衡狀態，如果軟弱巖層厚度足夠大，使得達到該臨界狀態開挖深度時，隧道開挖面尚處于其中，繼續開挖則會導致塌方。

圖6 薄層單元體受力分析簡圖

經上述分析可知，開挖面塌方與軟弱巖層的傾角、力學性質、開挖面進入軟弱巖層深度、支護作用力、上覆巖層作用、隧道埋深以及爆破擾動作用力有關，據此定義塌方判定抗力函數R:

式中，s為隧道進入軟弱松散層的深度；H、γ、c、φ分別為軟弱巖層的厚度、重度、內聚力和內摩擦角；α為邊坡的坡腳；T為初期支護力。

根據摩爾－庫倫準則，可求得單元體兩側的摩擦力為:

式中，σH為水平主應力。

假設隧址區側壓力系數為ξ，則可得:

式中，σV為豎向主應力；z為計算點的深度。將式(3)代入式(2)可得到:

根據圖5中的幾何關系可得:

式中，z1、z2分別為豎向潛在的滑動面BC和AD的長度，與軟弱巖層的厚度有關；h為開挖面進入軟弱巖層的高度，與軟弱巖層的傾角和隧道進入其深度有關。根據圖6中單元體的受力條件，可對其兩側面的摩擦力和其重力進行積分，積分后即可得到塌方的判據表達式為:

計算可知，R為s的一元二次函數表達式，化簡為:

令R＝0，可化簡為一元二次函數等式，得到下列方程:

式中:

由于p＞0，可知一元二次方程(8)的函數圖形為開口向上，其根的判別式為:

根據判別式值的正負可對開挖面的塌方與否做出判定，見表3。

表3 塌方判據

當△＞0時，方程的兩個不相等的解為:

開挖面發生塌方的條件是R＜0，因此隧道進入軟弱巖層的深度s滿足:

根據實際情況:

經上述推導，綜合考慮軟弱巖層的力學性質及埋深、隧道支護作用力、開挖爆破作用力，根據表3可對隧道開挖面洞口塌方與否進行判定，再根據式(13)～式(15)可較為準確地確定塌方發生的空間位置。

5 工程應用

通過上節建立的開挖面塌方判據對梅家溝隧道開挖面塌方的空間位置進行預測分析，根據現場工程地質勘測，得到各項計算參數見表4。其中支護作用力在初期支護施作初期尚未完全發揮其作用，可近似抵消爆破擾動作用力。

表4 現場地層及施工參數

將表4中的參數分別代入式(9)、式(10)、式(11)、式(8)、式(13)，求得一元二次方程的常數項和判別式以及方程解，見表5。

表5 塌方判據應用計算結果

計算可知，當隧道掌子面進入軟弱破碎巖層的深度大于1.40 m時可能會發生塌方。根據現場實際情況，對應塌方里程為ZK68＋229.8，而開挖面實際發生塌方的里程為ZK68＋231.4，基本吻合。

6 結束語

(1)隧道開挖遇到圍巖巖性突變時，應采用多種預報手段盡可能探明前方地質情況，控制開挖進尺，盡量減小爆破擾動，可有效地降低開挖面塌方幾率。

(2)在軟弱巖層中開挖隧道，合理的圍巖預留變形量可充分讓圍巖變形，避免支護結構受力過大。過度追求圍巖預留變形量則會導致圍巖破壞區向深處擴展，對開挖面施工極為不利，建議不超過300 mm。

(3)針對掌子面的松散巖體，應先對其進行加固，改善松散體的物力力學指標，嚴格控制初支的施工質量，確保初支及時受力。

(4)基于薄層單元體受力平衡建立的開挖面塌方判據，對于無地下水分布的軟弱巖層開挖隧道可較為準確地預測塌方的空間位置。