淺埋軟弱圍巖隧道施工塌方及處治措施研究

謝雄耀 蔡杰龍 周應新 曾維成

1. 同濟大學巖土及地下工程教育部重點實驗室 上海 200092；2. 同濟大學地下建筑與工程系 上海 200092；3. 云南省交通投資建設集團有限公司 云南 昆明 650228

隧道常常需要穿越復雜的地質環境，例如淺埋偏壓、軟弱圍巖等，施工中極易發生大變形、襯砌開裂，繼而發展成塌方、冒頂等事故。

目前，大量學者對隧道施工的圍巖變形及穩定性進行了研究。Han等研究了軟巖隧道圍巖的力學性質及變形破壞特征[1-5]；孫洋等在現場地質調研和監控量測的基礎上，從地質條件、埋深影響、軟巖特性、偏壓以及施工因素等方面對隧道大變形的特點和機理進行了定性分析[6-7]。

塌方是隧道圍巖變形失穩最嚴重的后果之一，相關案例對塌方機制及處治措施的研究也十分具有參考意義。油坊坪隧道[8]塌方的外部誘因是地質構造、地下水和大氣降水，人為因素則是施工工法和支護措施不當；木寨嶺隧道[9]的塌方是層狀巖體在橫彎作用下發生撓曲破壞所致，地下水進一步削弱了結構面強度，初支跟進不及時，也導致了圍巖的失穩；白山隧道[10]塌方的根本原因是仰拱基底承載力不足導致初支結構整體下沉，暴雨和地表防排水不力導致外荷載增加、圍巖承載能力降低是塌方的直接誘因。高峰等[11]用UDEC離散元法模擬了子尹隧道塌方過程，并研究了不同埋深、巖體結構、圍巖級別隧道的塌方特征；張成平等[12]通過模型試驗發現城市軟弱圍巖隧道塌方是一個漸進性的圍巖破壞過程，不同于深埋隧道形成穩定的塌落拱，淺埋隧道地表圍巖破裂會與隧道周邊圍巖破裂面貫通，進而發展為地表塌陷；周宗青等[13]總結段家屋場隧道孕險環境為自然氣候、隧道淺埋、地表水庫、節理裂隙、水文地質，并根據施工揭露情況進行塌方風險動態評估。

綜上所述，隧道塌方的成因十分復雜，只有結合工程實際，充分分析隧道塌方的成因機制，才能采取針對性的有效處治措施。本文依托云南武（定）易（門）高速豐收隧道工程，描述了隧道大變形及塌方過程。從地質條件、支護設計及施工管理方面分析了隧道塌方成因，并通過數值模擬，分析了三臺階法開挖隧道的拱頂沉降規律，對比了不同臺階長度及鎖腳錨桿打設角度對拱頂沉降的影響。給出了右段塌方段的處治措施，并在左洞進行了應用。結合自動化監測系統監測數據，左洞隧道變形得到了有效控制。所得結論可供類似工程參考。

1 工程概況

云南武（定）易（門）高速豐收隧道為分離式小凈距隧道，右幅全長620 m（K89＋630～K90＋250），埋深5.00～62.21 m；左幅全長603 m（K89＋623～K90＋226），埋深9.00～64.91 m。豐收隧道平面如圖1所示。

圖1 豐收隧道平面示意

隧道地層為Pt1lb板巖夾砂巖，K89＋800～K90＋120段順一條山溝布設，地形偏壓較嚴重。基巖產狀82°∠56°，走向與線路方向夾角為10°，傾向線路左側。隧區位于羅茨至易門斷裂帶內，圍巖節理裂隙發育，屬于Ⅴ2級圍巖，主要為中風化、全風化板巖。

由武定端單端掘進，右洞先行，后行洞掌子面與先行洞二襯完成段距離不小于40 m，采用三臺階法施工，SF5d型襯砌（圖2）。

圖2 SF5d型襯砌斷面示意

2 隧道大變形及塌方過程

掘進至右幅K90＋089處時，初支變形侵入二襯界限（圖3）。該段落現場圍巖地質（圖4）以黑色泥質巖為主（斷層泥），巖體松散破碎。加之部分段落存在較大偏壓，隧道拱頂日均下沉量2 cm以上，日最大下沉量達20 cm，累計最大下沉量172 cm，洞頂山體出現開裂情況，最大寬度3.5 cm。加固處治完成后，二襯厚度小于45 cm，需采取換拱處理。

圖3 右洞初期支護拱頂下沉

圖4 洞內圍巖揭露情況

對剩余左幅ZK90＋068～ZK90＋191、右幅K90＋099～K90＋201在原設計SF5d基礎上進行調整。采用47根φ108 mm×6 mm注漿鋼花管作為超前支護，長度9 m，環向間距0.4 m，水泥-水玻璃雙液注漿。初支鋼支撐調整為25b#工字鋼，間距0.4 m。徑向小導管間距調整為1.0 m×0.4 m。中巖柱設置φ108 mm×6 mm水平注漿鋼花管，向前進方向45°水平傾斜施作，設置4排，長度9.0 m，間距1.0 m×0.8 m。二襯內增設18#工字鋼支撐，縱向間距1.0 m。按上述方案施工，隧道右幅K90＋133～K90＋175出現較大坍塌，塌方體達600 m3。塌方段經回填穩定后，對侵入二襯界限的初支進行換拱處理。當換拱施工至K90＋156時，洞內再次出現嚴重坍塌，致使K90＋133～K90＋156受牽連影響，產生冒頂，地表出現塌陷。此時，與隧道右幅冒頂段落相對應的左幅段仍未開挖。

3 塌方成因及影響因素分析

3.1 塌方成因分析

3.1.1 地質條件

據掌子面揭露情況，斷裂帶在隧區內走向近南北方向，與隧道軸線平行，傾向隧道右側，傾角60°～80°。掌子面的黑色泥質巖為炭質片巖經斷層擠壓作用形成的斷層泥，是一種極不穩定的軟弱結構面。掌子面前方土體開挖前已產生很大變形；開挖后，圍巖松動圈進一步擴展產生較大的松動荷載。加之隧道埋深較淺，無法形成承載拱，圍巖變形發展至地表，造成初支垂直荷載較大，繼而產生較大的拱頂沉降并發展成塌方。另一方面，隧道附近基巖產狀為82°∠56°，走向與隧道軸線基本平行，傾向線路左側。開挖使得隧道左側（反傾側）拱腰處圍巖最大主應力與巖層面平行，巖體撓曲變形產生垂直于層面的拉應力，導致巖層拉裂破壞。因此，隧道反傾側拱腰處存在順層偏壓問題，加之左側埋深較大，左側支護承受的壓力最大，圍巖最不穩定。從圖3可看出隧道左側變形明顯大于右側。

3.1.2 支護設計

針對大變形調整了右幅K90＋099～K90＋201的支護設計，采用φ108 mm×6 mm注漿鋼花管作為超前管棚，并進行注漿加固。考慮工期壓力，采用水泥-水玻璃雙液注漿，水玻璃作為速凝劑可加速漿液的固化。但隨著后期強度下降，反而增加了荷載。此外，圍巖滲透率低，注漿加固范圍也難以保證。由于巖體破碎，拱腳承載力不足，初支鋼拱架基礎薄弱，且鎖腳錨桿打設角度偏小，沒有給隧道拱頂提供足夠的支護力，也是拱頂產生大變形的重要原因。

3.1.3 施工管理

初支鋼拱架安裝質量差，搭接處無法采用螺栓連接，而采用鋼筋簡單焊接，初支剛度降低。超前管棚施工不規范，尾端沒有搭接在鋼拱架上，無法與初支共同形成梁拱效應。采用三臺階法施工掘進，但現場臺階不明顯，沒有預留核心土，掌子面支護欠佳。施工組織效率低，支護不及時，初支封閉較慢，圍巖的變形沒有得到有效控制。在對侵限段進行換拱時，受開挖擾動的松散巖體失去支護是導致最后塌方的直接原因。

3.2 數值模型

利用FLAC3D對隧道掘進施工進行三維精細化數值模擬。隧道斷面見圖2。先行隧道二襯完成段與后行隧道掌子面的距離不小于40 m，因此本文僅分析發生塌方的右幅。模型尺寸為118 m（寬）×113 m（高）×80 m（長），上部邊界取至地表，地表坡度23°，隧道洞頂埋深28 m。計算時，地表為自由邊界，模型前后、左右邊界分別施加相應方向的水平位移約束，模型底部邊界施加固定約束。

圍巖采用摩爾-庫侖本構模型；在隧道拱頂及中巖柱處分別設置超前、水平注漿鋼花管及徑向小導管，采用pile單元模擬；超前注漿采用加強相應范圍土體參數的方法來實現；初支鋼支撐與初噴混凝土采用shell單元模擬；二襯通過增加初支shell單元厚度來實現。模型結構單元見圖5，材料參數如表1所示。

圖5 豐收隧道數值模型

表1 模型材料參數

隧道采用三臺階法開挖，臺階長度6.4 m，每個工作循環開挖進尺為3.2 m。一個工作循環的具體模擬過程：激活超前鋼花管，加固超前注漿層土體；開挖上臺階；激活上臺階徑向小導管和初期支護；開挖中臺階；激活中臺階徑向小導管、初期支護以及中巖柱鋼花管；開挖下臺階；激活下臺階初期支護；初支成環后12.8 m激活二襯。

3.3 現場監測

豐收隧道施工過程現場監測項目主要有洞周收斂以及拱頂下沉。洞周收斂測量采用收斂計，拱頂下沉采用全站儀觀測，測點布置如圖6所示。

圖6 隧道圍巖變形測點布置示意

3.4 計算結果與分析

3.4.1 拱頂下沉分析

圖7所示的典型斷面拱頂各點沉降及發展規律監測值與模擬結果的一致性驗證了數值模型的可靠性。根據下沉速率，隧道拱頂下沉可分為3個階段：工作面到達監測斷面之前，前9個開挖步約3倍進尺，各監測點已累計產生較大沉降，沉降值達1 m；工傷面到達監測斷面后，拱頂下沉速率急劇增大；監測斷面初支封閉后，拱頂下沉速率減緩，此時累計沉降已達2.8 m，且依舊未收斂。

圖7 隧道拱頂沉降計算值與監測值

階段1說明軟弱圍巖隧道掌子面前方巖體開挖擾動范圍大，達到3倍開挖進尺。掌子面變形以向臨空面的擠出變形為主。如果不對掌子面變形加以控制，掌子面帶動周圍巖體變形，極易造成大變形，甚至塌方冒頂。上臺階開挖產生的拱頂沉降最大，約占80%。下臺階開挖完成后，初襯閉環對隧道變形的抑制作用明顯，因此，初襯應盡早封閉，必要時可設置臨時仰拱。但軟弱圍巖隧道拱頂沉降受后續開挖影響持續時間較長，累計變形量大，應預留足夠變形量，避免變形侵限、需要換拱的情況。且應考慮早上二襯，抵抗圍巖變形。受偏壓影響，3個測點的沉降值A1＞A2＞A3。

3.4.2 臺階長度及鎖腳錨桿角度的影響

如圖8所示，階段1臺階長度及鎖腳錨桿角度對拱頂沉降影響不大。開挖后，拱頂沉降量及沉降速率均隨著臺階長度的縮短、鎖腳錨桿角度的增大而減小。臺階長度越短意味著初支能夠越早封閉，及時形成支護抗力。鎖腳錨桿角度越大，其與鋼拱架焊接處的彎矩和剪力越小，錨桿撓曲產生的豎向位移分量也越小，雖然軸力較大，但其軸向剛度較大，所以此時鎖腳錨桿控制拱頂沉降效果較好。考慮到鎖腳錨桿打設難度，建議打設角度為45°。鎖腳錨桿角度對拱頂沉降影響雖不如臺階長度明顯，但可通過增加鎖腳錨桿數量來獲得更好的支護效果。

圖8 臺階長度及鎖腳錨桿角度對拱頂沉降的影響

4 處治措施

4.1 右幅塌方段處治措施

1）對塌方段掌子面采用C25噴射混凝土封閉，厚度為20 cm。對塌方體采用長12 m的φ89 mm×6 mm鋼花管進行水平注漿加固，間距1.0 m×1.0 m。注漿材料由水泥-水玻璃雙液漿改為水泥單液漿，水灰比1∶1。

2）對塌方段采用雙側壁導坑法開挖，減少拱頂一次暴露面積，加快開挖塊支護閉合。隧道右側為先行洞，左側為后行洞，先打開工作面，再進行預留核心土拱部施工，最后進行核心土下部開挖。

3）開挖后及時施加初襯。側導坑初襯鋼拱架在主洞初襯鋼拱架閉合之后分段拆除，拆除時加強監控量測，并據此調整一次拆除長度，不大于15 m，必要時對初支進行局部加強。拆除后15 d內完成二襯澆筑，二襯厚度由60 cm調整為70 cm。

掘進過程中依舊采用圖6所示的監測方案，最終隧道順利貫通，拱頂沉降量小于20 cm，水平收斂位移小于12 mm，整體穩定性良好。

4.2 相鄰左洞處治措施

與隧道右幅冒頂段落相對應的左幅ZK90＋115～ZK90＋165在右幅貫通并施作二襯后繼續施工，沿用右幅冒頂段改進的支護方案，嚴格按照預留核心土臺階法施工，臺階長度不超過5 m。增設鎖腳錨桿和臨時仰拱，仰拱與掌子面距離控制在20 m以內，加快工作循環以使初支盡快封閉。嚴格把控超前支護和鋼拱架的施工質量，鋼拱架之間增設7道25b#工字鋼進行縱向連接。采用靜力水準自動化監測系統，加強施工中監控量測的時效性。

靜力水準系統采用高精度壓力傳感器，通過測量測點相對于基準點儲液罐的液位壓力變化來獲取測點的沉降值。如圖9所示，多個靜力水準儀通過通液管和通氣管與干燥劑管和儲液罐相連形成內壓自平衡系統。數據采集儀通過電纜連接多個靜力水準儀，可實現靜力水準儀的自動測量及數據處理等工作，并可通過移動網絡將監測結果發布到遠程主機及移動客戶端。該系統測量精度高，工作穩定，安裝后無需人工操作即可實現實時監測，成本較低。

圖9 靜力水準系統示意

此次監測項目為隧道拱頂沉降，監測頻率為1次/h。由于已開挖段受后續開挖影響持續時間較長，選取距離監測段落50 m已施加二襯的ZK90＋65斷面拱頂作為基準點，編號S0。各監測斷面間距5 m，隨著掌子面的推進，將靜力水準儀固定在拱頂的安裝支架上，并預留通液管和通氣管，編號依次為S1—S11。

選取監測斷面S3、S4，初襯及二襯拱頂沉降如圖10所示。S3斷面上臺階開挖后，拱頂沉降持續快速發展，截至2017年3月30日，已累計產生沉降117.1 mm，危及施工安全。故決定施加臨時支撐并進行補充注漿。拱頂沉降速度得到明顯減緩并最終收斂，累計沉降170.0 mm。S4斷面上臺階開挖后的初期，拱頂也經歷了一段快速下沉階段，但累計沉降較小，約為55.2 mm，后逐漸收斂，累計沉降75.9 mm。初支穩定后，S3、S4斷面均未侵限。施加二襯后，S3、S4斷面拱頂穩定，新增沉降小于3 mm。

圖10 靜力水準系統監測值

5 結語

1）受斷裂帶影響且隧道埋深較淺，隧區巖體破碎無法形成承載拱，導致較大的垂直荷載，隧道左側的順層偏壓及地形偏壓更加劇了左側的變形，是隧道產生大變形并塌方的客觀原因；鋼拱架基礎薄弱、連接質量差，導致初支剛度下降，超前管棚施工不規范、臺階不明顯、沒有預留核心土使得對掌子面的穩定性控制不佳，是隧道產生大變形及塌方的重要原因；對侵限段落換拱導致松散巖體失去支護則是塌方的直接原因。

2）軟弱圍巖隧道開挖對掌子面前方擾動范圍較大，達到3倍進尺，約80%拱頂沉降發生在上臺階開挖。做好掌子面超前支護及加固、采用短臺階開挖、減少拱頂一次暴露面積、及時施作支護并封閉可有效控制圍巖變形，鎖腳錨桿角度宜取45°。對于圍巖條件極差、收斂變形較大的區段，可采用雙側壁導坑法施工。

3）靜力水準自動化監測系統測量精度高，成本低，可實現隧道沉降的持續性實時監測，根據監測結果確定預留變形量，盡量避免換拱，不僅可以減少工期延誤，更能有效降低塌方風險。