大涼山深埋軟弱圍巖公路隧道塌方機理及處治措施

苗景川,肖鵬帥,洪富義,陳諾,李文杰,梁斌*

(1.中鐵十五局集團第一工程有限公司,西安 710018; 2.河南科技大學土木工程學院,洛陽 471000)

隨著中國交通建設的快速發展,在軟巖山區將不可避免修建大量深埋隧道,增大了施工的難度和安全風險。由于軟巖山區圍巖條件復雜、巖體力學參數不準確、節理裂隙眾多等原因,隧道在施工過程中極易發生塌方等事故,塌方事故不僅造成經濟損失和工期延誤,而且對施工人員的生命安全產生極大威脅[1-5]。

孫瑞義等[6]依托懷邵衡鐵路蒼稼嶺隧道工程,基于層次分析法建立復雜山嶺隧道的風險評估模型,確定了該隧道風險等級為較高風險,提出了針對塌方風險的具體應對措施;侯艷娟等[7]結合典型事故案例統計,根據其演化過程將塌方事故分為圍巖失穩、結構失效和環境失調3種類型,指出了塌方原因及控制措施;徐海清等[8]以武漢地鐵六號線隧道為背景,基于沙漏型地面塌陷機理提出具體巖溶處置措施,并通過數值模擬驗證其合理性;李奧等[9]通過有限元極限分析法,從邊坡安全性研究隧道洞口段塌方模式和機理,驗證管棚施工的必要性;于麗等[10]基于非線性摩爾庫倫準測,運用極限分析上限法,研究各參數對塌落體范圍的影響,計算深埋土質隧道塌落體范圍;王秋生等[11]依托黃韓侯鐵路如意隧道工程,分析隧道塌方原因,提出相應的處理措施并通過現場檢測和數值模擬對其效果進行評價;吳永波等[12]通過模型試驗和數值模擬,對軟巖隧道拱頂塌方機理進行研究,結果表明應加強保護的區域是拱頂上方一倍洞徑高度范圍內的圍巖;單超等[13]通過有限元軟件建立Ⅳ級圍巖淺埋隧道力學模型,模擬分析支護調整前后拱頂沉降和拱腰收斂,確定了預留變形量的大小進而降低施工風險;安亞雄等[14]通過142個隧道塌方事故案例,基于N-K耦合模型,研究出最主要的耦合致災關聯組合和主要影響因素;張成平等[15]建立模型試驗系統,分別研究軟弱圍巖深埋隧道和淺埋隧道塌方特征和機理,對比分析塌落拱的形狀并提出塌方防控的重點;馬士偉等[16]通過分析軟弱圍巖力學性質和圍巖變形特征,確定防塌方預警值,并通過現場試驗得到驗證。劉騰等[17]針對富水黏土地層盾構隧道,對不排水條件下的開挖面穩定性進行了研究,通過數值模擬分析了直徑、埋深比與內聚力對開挖面極限支護力的影響規律。

盡管不少學者對隧道塌方模式、機理以及預測方面有較多的研究成果,但關于隧道開挖時容易失穩位置的研究相對較少,同時缺乏對深埋軟弱圍巖隧道塌方處治措施的研究。現以樂西高速公路大涼山2號隧道工程為研究背景,根據現場地質情況結合Kastner公式分析塌方機理,采用軟件MIDAS GTS NX建立力學模型,對圍巖應力、位移、塑性區分布進行分析,得出隧道圍巖容易失穩的位置,提出相應的處治措施,并通過現場監測驗證其合理性,為類似工程提供參考和借鑒。

1 工程概況

大涼山2號隧道設計為分離式隧道,全長12.5 km,最大埋深774 m,屬于特長深埋公路隧道,位于云貴高原與川西南山地過渡帶,東北部與四川盆地毗連,2 000 m左右的一般高程,隧道周邊主要有6條深大斷裂帶。

隧道所處地貌屬構造侵蝕深切割高山區,工程區地表主要為新生界覆蓋,下伏基巖除泥盆、石炭系及第三系缺失外,其余各系地層均有分布,其中以早古生界二疊系,中生界三疊系、侏羅系地層分布最廣,復雜的巖體結構導致圍巖的穩定性較差,施工中部分區段容易發生塌方等災害。場地屬于美姑河水文單元,地下水主要類型有松散堆積層孔隙水、碎屑巖孔隙裂隙水、碳酸鹽巖夾碎屑巖巖溶裂隙水、巖漿巖裂隙水、斷裂破碎帶孔隙裂隙水類型和含水巖系。隧道洞口如圖1所示。

圖1 隧道洞口

2 塌方事故過程及機理

2.1 塌方事故過程

K105+220～K105+270段隧道平均埋深約420 m,上臺階開挖至K105+233時,掌子面揭示主要為粉砂質泥巖,層狀節理裂隙發育,巖體破碎,巖體強度較低,穩定性差,為V級圍巖。2022年9月28日,大涼山2號隧道開挖至K105+233處,掌子面泥砂巖和灰巖交界,受構造影響,巖層產狀雜亂,拱頂塌方約186 m3,塌腔約長2.5 m×寬4.2 m×高4.2 m,此次塌方未造成洞內人員傷亡,塌方現場如圖2所示。

圖2 隧道塌方現場

2.2 塌方原因

該段位于泥砂巖地層與灰巖地層交界處,圍巖以粉砂質泥巖與玄武巖為主,中～微風化,薄～中厚層狀構造,巖體較破碎,綜合劃分為Ⅴ級圍巖,受斷裂影響嚴重,局部地段存在層間錯動或次級小斷層及褶皺擠壓破碎帶,洞頂易產生剝層狀垮塌或層面與節理切割的塊狀垮塌,側壁易掉塊。含裂隙水,以點滴狀、線狀為主,在砂巖及裂隙發育帶、巖體破碎帶有股狀水流,具有承壓性和弱腐蝕性。在裂隙水作用下,巖土體自重增大,黏聚力下降,內摩擦角減小,大大降低圍巖自身穩定性,引發掌子面泥砂巖的塌方。

2.3 塌方機理

原有地應力場在隧道開挖后受到擾動引起應力重分布,將圍巖分為淺層圍巖和深層圍巖兩類,淺層圍巖是需要加固才能維持穩定的圍巖,深層圍巖是指自身穩定性較好不需要加固也能穩定的圍巖。淺層圍巖由松弛到離散會導致圍巖失穩破壞,當淺層圍巖和初期支護共同承擔形變壓力,支護結構主要承擔塑性形變壓力時,此時淺層圍巖處于松弛階段,隨著圍巖塑性區不斷增大淺層圍巖會從松弛階段達到離散階段,在自重作用下淺層圍巖產生的松動壓力會使其發生失穩破壞,導致隧道塌方。由Kastner公式得出最大支護反力pi與圍巖位移量v0為

(1)

(2)

(3)

式中:Rp為圍巖塑性區半徑;R0為隧道圍巖半徑;p0為初始地應力;α為巖體外塌陷角;c為圍巖的黏聚力;φ為內摩擦角;pi為支護反力;G為塌方體重力。

由式(1)～式(3)計算最大支護反力及圍巖位移量,對設計支護結構及預防塌方非常重要。

3 數值模擬

3.1 模型建立

采用有限元軟件MIDAS GTS NX建立塌方段力學模型,為消除邊界效應影響,模型尺寸應取隧道跨徑的3～5倍,因此模型圍巖寬度取60 m,高度取60 m,開挖深度取30 m。模型兩側約束水平方向位移,底部為法向位移約束;上部按覆蓋巖層自重施加豎向均布荷載10 MPa,力學模型如圖3所示。圍巖及材料力學參數依據大涼山2號隧道地質勘察報告選取如表1所示。

表1 圍巖及材料力學參數

圖3 隧道力學模型

3.2 結果分析

3.2.1 圍巖應力

圍巖因隧道開挖擾動的影響而發生應力重分布,原有的力學平衡被破壞,掌子面四周發生應力松弛。由圖4可知,圍巖最大主應力出現在上下兩臺階交界處,最大值為12.6 MPa,初期支護產生疲勞裂縫的主要原因是相應位置出現應力集中,并且由于粉砂質泥巖屬于軟弱圍巖,其承載力和穩定性較差,在施工擾動和裂隙水滲流的共同作用下導致隧道塌方,因此應加固上下兩臺階交界處的初期支護。

圖4 圍巖應力

3.2.2 圍巖位移

由于粉砂質泥巖強度小,自穩能力差,隧道開挖后圍巖力學平衡遭到破壞,拱頂開始下沉,最大沉降量為177.02 mm。同時圍巖不能承受隧道周邊應力產生的塑性變形,拱腰處水平收斂最大值為68.21 mm。圍巖為達到新的平衡狀態不斷向隧道內部變形,造成仰拱隆起,最大值為65.47 mm。圍巖位移如圖5所示。判斷隧道圍巖穩定的重要依據是圍巖變形情況,收斂應變率是最大變形量與隧道開挖跨度一半的比值,臨界值為2%,該里程圍巖收斂應變率為3.29%,隧道會發生塌方,與現場情況相符。

圖5 圍巖位移

3.2.3 圍巖塑性區

由圖6可知,隧道開挖后洞口四周圍巖基本都處于塑性狀態,洞口四周的塑性區范圍遠小于掌子面的塑性區范圍。塑性應變集中于上臺階掌子面處,最大值為3.027×10-2,說明上臺階發生塑性破壞的可能性較大,在開挖過程中受到爆破擾動容易失穩,與現場塌方情況一致。

圖6 圍巖塑性區

4 塌方治理措施與效果

4.1 修整塌方體

為便于隧道開挖施工設備的布置,對塌方體進行反壓回填,修整后的塌方體呈三段式臺階狀,即塌方體遠離掌子面的一側向靠近掌子面的一側呈上升狀。對塌方體噴射厚約10 cm的C25混凝土進行封閉,并采用Φ42 mm鋼花管對回填體坡腳進行注漿加固。掌子面反壓回填如圖7所示。

圖7 掌子面反壓回填

4.2 封閉掌子面

在確保塌方體安全的情況下,在掌子面施作由鋼筋網和C25混凝土形成的管棚導向墻,采用砂漿錨桿連接管棚導向墻周邊與初支背后巖體,同時在拱頂預埋兩根108注漿管及兩根70泄水管。在K105+232斷面處設置監測點以加強塌方監測。噴漿封閉掌子面如圖8所示。

圖8 掌子面噴漿封閉

4.3 塌腔處理

采在拱頂上方打入2根長15 m的Φ105 mm鋼管,一根泵送混凝土形成厚度不小于2 m的混凝土護拱,角度為55°,注漿壓力為0.3～0.5 MPa,另一根檢驗混凝土是否達到要求,當達到設計要求時會有水流出,角度為45°。塌腔回填如圖9所示。

圖9 泵送C20混凝土回填塌腔

4.4 超前支護

如圖10所示,在K105+232處拱部利用管棚鉆機進行鉆孔并安裝32根長管棚,管棚端頭應伸入基巖3～5 m,環向間距40 cm,每根長度20 m。向長管棚內注入水泥漿,以使通過長管棚從隧道的拱頂向隧道的兩側對塌方體進行注漿加固,注漿壓力為0.5～1.0 MPa。在隧道初期支護的拱頂傾斜布置外層超前小導管和內層超前小導管后形成雙層超前小導管,外側超前小導管的外插角為40°左右,所述內側超前小導管的外插角為25°左右;多個外側超前小導管沿隧道的環向呈等間距布設,相鄰兩個外側超前小導管之間的環向間距為0.5 m。采用雙層超前小導管進行二次注漿時,漿液采用水泥-水玻璃雙漿液,注漿壓力為0.5～1.0 MPa,當注漿壓力達到1.5 MPa時停止注漿。小導管安裝如圖11所示。

圖11 小導管安裝

4.5 塌方段處置效果

采用上述綜合技術治理塌方后,隧道安全順利通過塌方段。塌方段初支施工后將初支監控量測設置為5 m一個斷面,監測頻率每天不少于2次,以及時掌握圍巖狀況。監測結果如圖12所示。

圖12 監測數據

由圖12可知:在隧道開挖過程中,前20 d拱頂沉降速率和拱腰收斂幅度較大,在開挖20 d后都基本穩定,拱頂累計沉降18.3 mm,日均沉降量0.76 mm/d,拱腰累計水平收斂13.6 mm,日均收斂量0.56 mm/d。監測點的圍巖變形都趨于穩定,拱頂沉降和拱腰收斂均滿足規范要求,說明處置效果良好。

5 結論

針對大涼山2號隧道塌方事故,基于Kastner公式并結合數值模擬對塌方機理進行分析,提出相應的處治措施,得出如下結論。

(1)塌方段處于泥巖和砂巖接觸帶,節理裂隙發育,巖體松散破碎,地下水通過裂隙滲入圍巖,使圍巖強度降低,加上施工擾動的因素導致塌方。

(2)隧道最大拱頂沉降為177.02 mm、仰拱隆起最大值為65.47 mm、拱腰水平收斂為68.21 mm,圍巖變形量較大,隧道穩定性較差,塑性應變集中在上臺階掌子面處,該處易發生塑性破壞。

(3)通過修整塌方體、封閉掌子面、泵送混凝土回填塌腔和大管棚+雙層超前小導管等綜合處治措施能夠有效處理隧道塌方問題,現場監測結果驗證了這一措施的合理性。