淺埋富水全風化花崗巖公路隧道塌方數值模擬分析*

茶增云，朱 濤，沈孟龍，劉金叨，趙興春

(1.西雙版納景海高速公路建設投資有限公司，云南 景洪 666100； 2.云南臘滿高速公路有限公司，云南 西雙版納 666300； 3.中國科學院武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430071； 4.中國科學院大學，北京 100049)

0 引言

隧道塌方是隧道中常見且危害較大的地質災害[1]，已有不少學者進行了相關研究。劉利生等[2]以穿越傾斜巖層段隧道施工塌方為工程背景，基于圍巖的工程力學特性，運用數值模擬和現場監測研究隧道塌方的力學機理。張毅等[3]結合理論推導、數值模擬和現場監測，研究李家坪隧道施工時發生塌方冒頂事故的機理。楊成忠等[4]總結災害誘發因子，提出處理措施，并利用數值模擬分析隧道涌水塌方原因。任和祥[5]提出3種預防治理公路塌方的施工方案，并依次進行數值模擬，發現相同圍巖力學條件下，以鋼拱架作為圍巖的支護措施可顯著降低隧道塌方次數，減小圍巖變形量。張冬梅等[6]建立隧道-土體離散元計算模型，模擬隧道不同區域發生局部滲流侵蝕土體時隧道圍巖變形、地表沉降及隧道圍巖應力分布變化。張萬志等[7]運用FISH語言對FLAC3D流固耦合模塊中非飽和滲流部分進行改進，同時模擬滲流過程中土體含水量增加導致土體強度參數折減及膨脹力增加的特點，總結不同降雨強度下雨水滲入膨脹土隧道圍巖變形數值模擬方法。

由于全風化花崗巖力學性能差，巖體軟弱，工程擾動后極易失穩，導致隧道產生大變形、塌方等地質災害，嚴重影響施工進程。因此，研究淺埋富水全風化花崗巖公路隧道施工災害問題非常有必要，本文依托云南景洪—勐海高速公路建設工程，研究總結淺埋富水全風化花崗巖公路隧道安全施工模擬技術。

1 工程概況

賓房2號隧道屬于景海高速公路，靠近勐海縣，為分離式隧道。右幅全長2 230m，從K29+995—K32+225，最大埋深119m；左幅全長2 225m，從ZK30+017—ZK32+235，最大埋深118m。

1.1 地質條件

粉質黏土⑥1-2呈棕紅色、淡黃色，可塑狀，土體表面光滑但無光澤，韌性及干強度中等。鉆孔揭露厚度0.8～2.8m。隧址區表層多有分布。

粉質黏土⑥1-3呈褐黃、灰黃、藍灰色，硬塑狀，稍濕，土體表面光滑但無光澤，韌性及干強度中等，土質基本均勻。局部見全風化花崗巖碎粒。鉆孔揭露厚度5.0～7.0m。分布在隧址區出口段表層。

碎石土⑥6-3呈褐黃、灰黃色，濕，稍密～中密，母巖成分為強風化花崗巖，棱形、亞棱形為主，見少量石英石。鉆孔揭露厚度約2.0m。

2)華力西晚期(γ43)巖漿巖

植物精油是從植物根、莖、葉或種子中分離提取得到的精油。這些精油具有一定的抑菌和抗氧化作用，可以作為天然的防腐劑運用到食品工業當中[1]。丁香酚(Eugenol，4-烯丙基-2-甲氧基苯酚)是提取自丁香花蕾的一種精油，可作為香料使用[2]，其分子式為C10H12O2，化學結構式如圖1所示，這種甲氧基苯酚對光敏感，在某些情況下可被用作抗氧化劑和氧化劑[3]。丁香酚具有廣譜抗菌性，可通過破壞細胞膜而抑制沙門氏菌等的生長[4]。因此，丁香酚可以作為天然的抗氧化劑和防腐劑以及香味劑應用在食品工業中。然而丁香酚暴露在空氣中時極不穩定，容易揮發，且在水中幾乎不能溶解，極大地限制了其應用范圍。

1.2 氣象與水文條件

隧道所處北亞熱帶雨林氣候區，年降雨量1 291.2～1 943.9mm，每年5—10月為雨季，雨季降雨量占全年總降雨量的86%，月降雨量最高達410mm，雨季較長，施工時更應注意防范隧道涌水。

隧址內地下水以碎屑巖裂隙水為主，賦存于華力西晚期花崗巖中。基巖裂隙水含水層屬地下潛水，富水性中等～較弱，埋深較淺，補給以大氣降水為主，多以溪溝就近排泄，以散流狀向河谷匯集，徑流短。

1.3 K31+565.5塌方概況

K31+500—K31+636段地質縱剖面如圖1所示，右幅隧道K31+565.5處圍巖性質發生變化，隧道頂板上由中風化花崗巖變為全風化花崗巖。2020年6月16日此處施工過程中，上臺階圍巖破碎、松散、自穩能力差且滲水較嚴重，初噴混凝土開裂，掌子面發生涌水涌砂，加上連續降雨，此處滲水量加大，最終造成塌方，掌子面涌出約10m。同時由于隧道內部塌陷，巖土體向下遷移，頂部上方地表發生塌陷(見圖2)，塌陷面積長約7m，寬約6m，塌方量500～600m3。

圖1 K31+500—K31+636段地質縱剖面

圖2 地表塌陷

通過現場調查與分析，采用瞬變電磁法[8]，發現上方有1個風化槽，內部完整性較差，巖體強度有明顯弱化趨勢，并以此建立數值模型，模擬滲流條件下隧道的變形，以確定整治措施。

2 室內試驗

設計圍壓為100，200，400，600kPa 4組試驗，各組按10%，15%，20%，26.5%(飽和)4種不同含水率展開三軸剪切試驗。試驗結果如圖3，4所示。

圖3 不同含水率下的強度參數值

圖4 不同條件下的抗剪強度

表2 力學參數

3 數值模擬分析

3.1 模型建立

采用六面體單元，共劃分12 993個單元，取隧道洞徑的3～5倍，根據地質剖面圖建立全風化花崗巖、中風化花崗巖地層，根據結果建立風化槽地形；通過提高加固區力學性質實現超前注漿模擬，超前注漿范圍為120°，擴散半徑為1.5m；錨桿采用結構單元模擬，錨桿長3m，間距為1m×0.5m，無管棚支護；初期支護采用實體單元模擬，厚0.25m。地層采用莫爾庫侖模型，襯砌采用彈性模型，邊界條件為四周固定。K31+565.5計算模型如圖5所示。

圖5 K31+565.5計算模型

3.2 計算參數

計算所需的流體和力學參數[9]如表1，2所示。其中鋼拱架的作用可采用等效方法考慮，即將鋼拱架的彈性模量折算給地層，計算方法如下[10]：

表1 流體參數

(1)

式中：E為折算后巖土層的彈性模量；E0為原巖土層的彈性模量；Sg為鋼拱架支護等效截面積；Eg為鋼拱架的彈性模量；Sc為支護斷面截面積。

3.3 計算結果

3.3.1僅有風化槽

洞頂上方有風化槽條件下隧道數值模擬結果如圖6～8所示。

圖6 豎向位移(單位：m)

圖7 圍巖豎向應力(單位：Pa)

圖8 襯砌應力(單位：Pa)

由圖6～8可知，隧道圍巖變形主要發生在開挖隧道上方，開挖引起拱頂以上圍巖沉降，最大沉降約4.57mm，出現在地層分界線處；地表沉降0.5～1mm。最大襯砌內力出現在拱腰，約1.46MPa。隧道開挖后，打破了原來的應力平衡狀態，圍巖應力重新分布，在隧道邊界出現應力集中現象；在隧道頂、底部出現局部拉應力，其他部位出現壓應力集中現象，最大壓應力出現在拱肩，為1.98MPa。

3.3.2有風化槽加地表水滲流

根據當地氣象局資料，24h內降雨量50～99.9mm為暴雨，暴雨降雨量取75mm，根據地表面積計算入滲取值8.68×10-7m/s，僅考慮隧道上方低洼處入滲。由于花崗巖遇水軟化，易崩解，對含有水的風化槽按試驗結果強度參數減少56.8%。降雨過程中邊坡孔隙水壓力分布如圖9所示。由圖9可知，地表處孔隙水壓力從0.332MPa增加到1.030MPa，是由于滲透系數較小，且降雨強度太大，雨水在局部聚集，導致孔隙水壓增大。雨水向下入滲深度逐步增加，風化槽中增加最明顯，在第3天入滲到達拱頂處。

圖9 孔隙水壓力分布(單位：Pa)

降雨過程中豎向位移分布如圖10所示。由圖10可知，3d最大位移值依次為15.5，28.1，51.6cm，均發生在風化槽與拱頂交界位置，結合圖9可發現雨水入滲深度越大，豎向位移越大，一方面這是由于雨水在重力和水壓力差的作用下向隧道內部入滲，形成動水壓力，對巖土體進行沖刷；另一方面降雨導致巖土體含水率增大，巖土體抗剪強度降低，變形增大；且風化槽中位移變形比周圍巖土體位移大1個數量級，風化槽與拱頂交界處極有可能發生塌方。

圖10 降雨過程中豎向位移(單位：m)

4 監測結果及處理措施

K31+565.5位移監測曲線如圖11所示。由圖11可知，開挖過程中，位移曲線出現陡增，最大位移達290.7mm，氣象資料顯示當地連續降雨，導致變形陡增，數值模擬揭示了雨水入滲及巖土體發生大變形的過程。根據上述分析，提出整治措施，進行地表加固和支護參數調整。

圖11 監測曲線

沿隧道軸線采用φ108×6鋼花管進行豎向地表加固，鋼花管底面高程依據橫斷面圖以開挖輪廓線外1m控制，單根平均長度約20m，縱向每2m設置1排，橫向每排設置6根，間距為3m，相鄰2排錯開呈梅花形分布，壓注1∶1水泥漿液，注漿壓力≥0.75MPa。

原設計雙層小導管的超前支護，調整為φ108×6大管棚和φ42×4小導管作聯合超前支護，管棚每循環長度為20m、搭接4m，內設鋼筋籠，小導管每循環長度4.5m，搭接長度2.5m。

5 結語

在隧道上方僅有風化槽的情況下，隧道開挖引起的位移較小。但若雨水滲入，開挖過程中由于風化槽松散的性質，滲透系數相對較大，地表雨水更易在風化槽中形成滲流通道；由于含水風化槽強度降低，導致隧道上面地表雨水局部滲流，隨著滲流風化槽強度降低，隧道上方位移快速增大，導致隧道塌方，地表塌陷。

隧道施工過程中，若超前地質預報發現圍巖存在風化槽或破碎帶等不良地質體，應提前對其進行加固處治，并加強支護，及時調整施工方式。降雨期間對地表流水進行處治，集中引排，減少地表流水滲入，同時補打洞內排水孔。