隧道下穿采石坑的受力分析及處治技術探討

■池春生

（福建省交通規劃設計院有限公司，福州 350004）

隨著交通建設的快速發展，陸續出現了在一些復雜地形、地質條件下建設隧道工程的情況。 當隧道通過石料開采礦山區時，不可避免的出現隧道下穿采石坑的情況。 隧道下穿采石坑與隧道塌方、隧道經過溶洞區，從坑腔體與隧道的空間關系有相近之處。 在巖溶隧道、隧道塌方分析計算和處治方面，國內外學者開展了一系列研究，并取得了一定的成果[1-7]。 但由于多數大型采石坑深度較大，坑壁較為光滑，且坑口位于地表，與上述兩種情況又存在一定的差別。 目前針對隧道下穿采石坑的支護結構受力分析計算和相關工程技術措施的研究相對較少，尤其是缺少用于指導設計和施工的研究。

基于此， 本研究以南安市揚子山隧道為例，對隧道下穿采石坑的受力計算及處治方式進行了探討，可為今后類似工程的建設提供相關的經驗。

1 工程概況

揚子山隧道為雙洞分離式三車道隧道，隧道長度1 461.5 m，隧道沿線場地現狀主要為山地，隧道洞身圍巖為微風化花崗巖，為堅硬巖，巖體較完整～完整，Ⅲ級圍巖段落長度超過50%。 受路線條件限制， 隧道右洞YK1+040～YK1+100 需從現狀采石坑下方通過，其中1 號采石坑位于右洞上方，2 號采石坑位于其右側，見圖1、圖2。

圖1 隧道與采石坑位置關系衛星圖

圖2 抽干水后1 號采石坑情況

根據勘察資料，1 號采石坑坑口面積約26 m×50 m，坑內見積水，經過抽排水后測得坑底深約33.6 m，坑底為片塊石棄渣，棄渣最大厚度約5.6 m，石塊最大粒徑約1 m。 隧道右洞頂開挖線進入采石坑底最大為1.02 m，隧道與采石坑之間的位置關系見圖3。

圖3 隧道與采石坑位置關系示意

此外，2 個采石坑中間余留的未開采部位可見構造帶F1 發育，產狀105°∠75°～85°，出露位置寬1～5 m，帶內巖體較破碎，呈塊（石）碎（石）狀結構，巖石多呈碎塊狀～中風化，裂隙極發育，線密度5～20條/m，部分裂隙可見侵入巖脈。 采石過程中為防止中間構造帶進一步破裂，現場已采用鋼索進行對拉，見圖4。同時，受該構造帶影響，采石坑巖壁地面處可見巖石開裂，裂隙近垂直切割巖體，局部裂隙張開，張開度5～20 cm，在震動的作用下易產生崩塌滑落，采石坑下部揭露的巖體較完整，上部靠近原地表越近裂隙越發育，其中的190°∠45°一組節理面，傾向接近采石坑北側坡面，不利于坡面穩定，見圖5。

圖4 采用鋼索對中間巖體進行對拉

圖5 采石坑上部巖體破碎

2 擬定隧道下穿采石坑處理方案

2.1 擬定隧道下穿方案

隨著國家對生態環境的日益重視，礦山治理工作勢在必行。 基于現場情況，采石坑勢必要回填處理，故擬定了2 種隧道下穿采石坑的實施方案：（1）先挖后填（即先開挖隧道再回填采石坑）；（2）先填后挖（即先回填采石坑后開挖隧道）。

根據地質資料描述采石坑之間的坑壁可見構造帶F1 發育，帶內巖體較破碎，施工爆破震動易引起坑壁崩塌、石塊掉落，危及隧道結構及人身安全，安全風險較高。 同時，先挖后填隧道襯砌結構需承受采石坑回填時的沖擊荷載，施工不當易造成結構開裂影響隧道支護結構的安全性、 耐久性和可靠性。 為保證隧道施工及結構安全，揚子山隧道擬定采用先填后挖方案下穿采石坑。

2.2 擬定采石坑回填料

對現狀采石坑的回填主要采用土石混合料，但為保證隧道拱頂范圍與襯砌結構協同受力，拱頂以上3 m 范圍采用C20 素混凝土回填形成混凝土板；其上填筑2 m 厚的碎石砂層作為緩沖層，以減小土石填料對C20 混凝土板的沖擊作用。由于C20 混凝土板大部分兩端均支撐于微風化花崗巖上，考慮混凝土板的支撐效應，在C20 混凝土板底懸空部分的巖壁上施作錨桿，以增強C20 混凝土板與坑壁之間的粘結效果，更利于洞頂范圍回填材料發揮土拱效應。其中，錨桿采用直徑22 mm 的藥卷錨桿，按梅花型布設，間距50 cm×50 cm，長2.5 m，進入巖壁錨固長度1.5 m，外露長度1.0 m。 采石坑巖壁錨桿加固設計見圖6。

圖6 采石坑巖壁錨桿加固示意圖

3 襯砌結構安全性計算分析

結合隧道工程條件和水文、地質條件，綜合考慮結構安全、造價等因素，按隧道工程類比初步擬定支護參數。 為確保隧道支護結構的安全，基于地層結構法和荷載結構法， 采用Midas NX有限元分析軟件分別對隧道初期支護及二次襯砌的結構安全性進行計算分析，為工程設計提供可靠依據。

3.1 初期支護結構安全性計算

3.1.1 模型建立

根據采石坑段落的實際情況，選取揚子山隧道右洞YK1+060 與YK1+085 2 個典型斷面， 按地層結構法對初期支護結構安全性進行計算。 選取計算斷面見圖7，建立模型見圖8。

圖7 計算斷面

圖8 數值計算斷面網格

3.1.2 計算參數選取

根據揚子山隧道工程地質勘察報告，計算斷面圍巖物理力學參數選取見表1。

表1 圍巖物理力學參數

計算斷面采用臺階法開挖，初期支護參數為噴射砼強度等級C25、噴砼厚度30 cm、鋼支撐型號工22b、鋼架間距0.5 m，物理力學參數見表2。

表2 初期支護物理力學參數

3.1.3 計算結果分析

（1）初期支護變形分析

各計算斷面的初期支護變形見圖9、圖10。

圖9 Y 方向位移云圖

圖10 X 方向位移云圖

由圖9 和圖10 可知，按設計支護參數和工法進行數值模擬，YK1+060 和YK1+085 斷面的初支豎向位移最大值均位于拱頂位置，分別為5.3 mm和2.5 mm； 周邊水平位移最大值均位于拱腰位置，分別為0.5 mm 和0.7 mm，滿足JTG 3370.1-2018《公路隧道設計規范》初期支護允許相對位移的要求。

（2）初期支護結構安全分析

各計算斷面典型部位內力值及其安全系數見表3、表4。

表3 YK1+060 典型部位內力值及其安全系數

表4 YK1+085 典型部位內力值及其安全系數

由表3 和表4 可知，計算斷面的初期支護安全系數均大于1.53，滿足規范安全要求。

3.2 二次襯砌結構安全性計算

根據采石坑段落的實際情況，選取揚子山隧道右洞YK1+085 作為典型斷面， 按荷載—結構法對二次襯砌結構安全性進行計算。

3.2.1 采石坑回填體產生的垂直壓力計算

目前針對采石坑回填后產生垂直壓力計算尚無明確的研究，因此必須選取合理計算原理以確定結構安全系數。 根據采石坑的形態及與隧道之間的位置關系，采石坑段作用在襯砌結構的圍巖垂直壓力q 主要包括圍巖基本荷載q1和采石坑回填松散體荷載q2，見圖11；本工程中按最不利情況計算，即不考慮采石坑回填料與坑壁交界面處的相互影響，采石坑段作用在襯砌結構上的圍巖垂直壓力q 按式（1）計算。

圖11 采石坑段襯砌結構荷載計算示意

其中圍巖基本荷載（q1）比較容易求得。 由于采石坑段隧道洞身位于微風化花崗巖， 為Ⅲ級圍巖段，根據JTG 3370.1-2018《公路隧道設計規范》[9]計算可得q1=93.27 kPa。

而采石坑回填松散體荷載（q2）的采用全部回填土的自重還是按其他的理論計算則需進一步選擇。通過對比分析，確定采用太沙基理論計算采石坑回填松散體荷載[8]。 根據太沙基理論，采石坑回填松散體荷載（q2）可按式（2）計算：

3.2.2 計算模型及計算參數

根據平面彈性有限元原理，將二次襯砌離散為由梁單元組成的平面桿系，圍巖對二次襯砌的約束作用采用只受壓不受拉的彈簧單元進行模擬。 計算中對二次襯砌墻腳進行固結，混凝土收縮和徐變的影響按整體降溫15℃考慮。

二次襯砌力學參數取自JTG 3370.1-2018 《公路隧道設計規范》[9]和GB 50010-2010《混凝土結構設計規范》[10]，混凝土的極限強度：混凝土強度等級為C30、 軸心抗壓Ra為22.5 MPa、 彎曲抗壓Rw為28.1 MPa、軸心抗拉Rl為2.2 MPa。擬定計算斷面二次襯砌參數：混凝土強度等級為C30、二次襯砌厚度80 cm、配筋（HRB400，φ25@20）。

3.2.3 計算結果分析

根據計算的垂直壓力，側壓力系數λ 取0.3，計算得到水平壓力e=141.31 kPa。 采用綜合系數法進行強度校核，各類荷載的組合系數均取1.0。 下穿采石石坑段隧道二次襯砌軸力和彎矩見圖12～13，典型部位內力值及其安全系數見表5。

圖12 二次襯砌軸力圖

圖13 二次襯砌彎矩圖

表5 典型部位內力值及其安全系數

由表5 可知， 當隧道初支按安全儲備考慮，拱頂回填荷載100%由80 cm 二襯承擔情況下， 二次襯砌安全系數均大于2.0，滿足規范安全要求。

4 采石坑處理效果分析

4.1 采石坑處理技術

根據擬定的支護參數及施工方案，經計算分析確認滿足規范要求的前提下，對揚子山隧道下穿采石坑段的處理技術進一步細化。

4.1.1 坑底棄渣清除

采石坑內抽水完成后， 先清除坑壁松動的石塊，防止受震動墜落。 通過在洞內開挖導洞至采石坑，清除坑底虛渣。

4.1.2 采石坑回填

坑底回填拱頂以上3 m 厚C20 素混凝土形成底板，并在隧道開挖寬度內坑壁與C20 素混凝土的交界面范圍巖壁施作錨桿，以增強與坑壁之間的粘結效果， 更利于洞頂范圍回填材料發揮土拱效應；待C20 混凝土回填施工完成達到設計強度后，再向坑內回填2 m 厚碎石砂作為緩沖層以保護C20 混凝土；最后回填土夾石填料至采石坑頂面并施作防水層。

4.1.3 隧道開挖支護

采石坑回填完成后，按上下臺階預留核心土法開挖隧道洞身，隧道初期支護采用30 cm 厚C25 噴射混凝土+工22b 鋼支撐（間距50 cm）；二次襯砌采用80 cm 厚C30 防水鋼筋混凝土。

4.1.4 隧道防排水

該段隧道防排水包括隧道洞身防排水和洞頂防排水。 為盡快排走隧道圍巖裂隙水，采石坑段隧道環向排水盲溝縱向間距調整為3 m； 為確保坑頂回填部分不積水，回填頂面標高應根據周邊地形確定，完成后表面應呈4%排水坡度，并在回填頂面設置防水層， 確保回填部分不積水； 防水層為50 cm膠泥防滲層+防水板+50 cm 膠泥防滲層，與坑壁周邊巖體搭接不小于1 m。

4.2 處理效果分析

為保證下穿采石坑段施工安全，實時了解隧道的變形情況。 根據現場的實際施工情況，對隧道下穿采石坑段YK1+060、YK1+085 2 個斷面進行拱頂下沉、周邊收斂等項目監測，以充分掌握采石坑段隧道開挖支護過程中的圍巖及支護結構動態情況，測點布設位置見圖14～15，監測結果見圖16～19。

圖14 隧道周邊收斂監測點布置示意圖

圖15 隧道拱頂下沉監測點布置示意圖

圖16 YK1+060 斷面周邊收斂累計-時間曲線

圖17 YK1+060 斷面拱頂下沉累計-時間曲線

圖18 YK1+085 斷面周邊收斂累計-時間曲線

圖19 YK1+085 斷面拱頂下沉累計-時間曲線

由圖16～19 可知，（1）隨著隧道的開挖，選取的2 個監測斷面的周邊收斂和拱頂下沉逐漸增大，在達到最大位移值后趨于穩定，且最大位移值均小于數值計算結果。 其中YK1+060 斷面自2021 年6 月1日開挖，周邊收斂在6 月19 日達到最大值2.3 mm，最大收斂速率為0.2 mm/d，拱頂沉降在6 月13 日達到最大值2.2 mm，最大沉降速率為0.2 mm/d；YK1+085 斷面自6 月18 日開挖， 周邊收斂在7 月5 日達到最大值2.4 mm，最大收斂速率為0.2 mm/d，拱頂沉降在7 月3 日達到最大值2.2 mm，最大沉降速率為0.2 mm/d。 （2）從監測結果來看，2 個監測斷面的最大拱頂沉降為2.2 mm， 最大周邊收斂為2.4 mm，均滿足JTG 3370.1-2018《公路隧道設計規范》初期支護允許相對位移的要求。

同時，揚子山隧道下穿采石坑段自2021 年6月開挖，已于2021 年8 月完成該段二次襯砌施工，截至2022 年4 月二次襯砌外觀完好，說明采用的采石坑回填處理方案可行，設計的支護體系安全可靠。

5 結論

通過揚子山隧道下穿采石坑段成功實施得出結論如下：（1）采石坑之間坑壁地質條件普遍較差，為保證施工安全建議隧道下穿采石坑優先采用先填后挖方案；（2）采石坑回填料采用3 m 厚C20 混凝土+2 m 厚的碎石砂緩沖層+土夾石填料，在隧道開挖寬度內坑壁與C20 混凝土的交界面范圍巖壁施作錨桿，以增強與坑壁之間的粘結效果，更利于洞頂范圍回填材料發揮土拱效應；（3）采用太沙基理論計算采石坑回填后作用在隧道結構上的垂直荷載，計算理論合理可靠，符合工程實際；（4）根據監控量測數據分析及下穿采石坑段落建成觀測，說明本隧道工程采用的采石坑回填處理方案合理可行，設計的支護體系安全可靠，可為今后類似工程提供借鑒。