浅埋粘土软岩隧洞整体失稳分析与处理技术

赵金良，贾占军，李荣伟，2

（1.保定市水利水电勘测设计院，河北 保定 071051；2.保定市江河水利咨询监理有限公司，河北 保定 071051）

随着国家大力发展水利基础建设，水利水电工程也越来越多地遇到软岩或极软岩隧洞施工的一系列问题。对软岩洞室的研究越来越受到科研及施工人员的关注。在应力高、含水率大或膨胀性强等特性软岩中成功掘进隧洞的实例越来越多，专家及工程师们也逐渐积累了大量实践经验或研究成果［1-3］。但对具有类似特性的极软岩隧洞发生大规模整体失稳的事例报道不多，其研究成果、治理方案及经验更少。

保定市王快—西大洋水库综合管理工程是通过王快水库和西大洋水库联合调度，向白洋淀及保定市一亩泉水源地调水的长距离引水工程。其中，湾子隧洞工程是该工程的主要控制性工程，位于河北省曲阳县境内。隧洞主洞长4.45km，采用圆拱直墙式无压隧洞，洞宽2.5m，洞高3.35m，其中直墙高2.1m，圆拱中心角180°，纵坡1∶1000，隧洞设计流量10m3/s。 湾子隧洞工程出口段围岩为第三系始新统西坡里组粘土岩（E2x），属极软岩。该隧洞出口粘土岩段掘进86m后，掌子面拱顶于2009年8月11日先发生冒顶塌方，随后掌子面附近46m长的隧洞整体失稳，边墙内移、拱顶下沉、底板起鼓，变形位移达10～70cm；地表出现多条裂缝，长度8～25m，缝宽12～20cm。该事故延误工期173d，处理费用约120万元，间接经济损失400多万元。

本文通过对其事故发展过程及原因进行地质定性分析，结合FLAC3D三维数值模拟，对该粘土岩隧洞塌方及变形的发展，并对粘土岩隧洞变形特征作定量分析。在此基础上，通过方案比选最终确定了钢拱架保护下的“短、频、快”拆除处理方案。实践证明，该方案安全有效，简便快捷，经济可行。

1 浅埋粘土岩隧洞塌方及变形分析

1.1 地质定性分析

湾子隧洞主洞出口段（长750m）岩性分为泥岩和页岩，局部夹炭质页岩或褐煤，饱和单轴抗压强度0.26～2.49MPa，属极软岩。围岩产状近于水平，呈强风化至弱风化，天然状态下微含地下水，属Ⅳ类围岩，隧洞整体稳定性较差。该洞段原设计初期支护采用钢筋格栅拱架（间距1.0m）、钢筋网片、喷混凝土（厚度20cm）联合支护。钢筋混凝土永久衬砌厚度为40cm。

当隧洞自出口向上游掘进86m时，发现掌子面处发育一条大倾角断层，后确定为掩埋的废弃煤井。该煤井回填不密实，在其影响下，该处掌子面附近洞段粘土岩天然含水量增大，塑性增强。该洞段原设计初期支护钢格栅拱架底脚未封闭，隧洞底板无混凝土垫层，初期支护完成后未及时进行永久衬砌。受到各种不利因素的综合影响，当隧洞掘进到废弃煤井时，比较松散的回填料失去原有的支撑，瞬间发生垮落，发生冒顶塌方，塌方高度16m。掌子面附近洞段近水平围岩随之失去持力点，在上述塌方发生5h后，掌子面附近46m隧洞整体失稳，边墙内鼓、拱顶下沉、底板起鼓，变形位移达10～70cm；该洞段对应的地表出现多条裂缝，长度8～25m，缝宽12～20cm。

1.2 FLAC3D数值模拟分析

本项模拟分析应用比较流行的FLAC有限差分程序，此程序的基本原理和算法与离散元相似，但它应用了节点位移连续的条件，可以对连续介质进行大变形分析，特别适合研究软岩的大变形问题。

1.2.1 数值模型的建立

湾子隧洞出口属人工开挖形成的陡坡地形，坡高15～20m，坡度39°左右，洞出口位于陡坡下部。有效差分法数值模型以自然地表作为顶面，横向约为10倍洞径，向上游洞挖方向150m，洞口向下游方向60m，剖分成25140个单元，结点总数27561个。其中，钢筋格栅及喷混凝土综合效用等效为360个block实体单元，锚杆等效为400个cable单元，计算网格见图1。

图1 隧洞数值模拟模型

用理想弹塑性模型描述介质的弹塑性状，采用摩尔-库仑破坏准则。除原地表为自由边界外，模型底部为固定约束边界，模型四周为单向边界。仅考虑自重应力产生的初始应力场。按地质勘察所得到的岩体综合强度指标作为分析参数：天然密度2.12g/cm3，内摩擦角15.7°，粘聚力2.2×104Pa，杨氏模量1.2×107Pa，泊松比0.36（不考虑地下水渗流作用）。

1.2.2 计算结果分析

粘土岩隧洞全断面人工采用手持式风镐开挖，简化为全断面分段开挖，步长为3.0m进行仿真计算，考虑初期支护效用。分别按毛洞工况（无支护）、支护工况，以及洞挖85m后突遇废弃煤井等3种工况进行了计算。

1.2.2.1 毛洞工况（无支护）

数值模拟洞挖至15m则模型网格变形过大而无法继续计算。

1.2.2.2 正常支护工况

当及时进行初期支护，并按计算工况间歇一定时间时，虽然拱顶下沉和底鼓位移较大，但围岩能保持稳定。部分成果见图2、4、5。从图2知，除洞口因边坡较陡而出现潜在滑移位移量外，主要表现为底鼓和拱顶下沉，也显示了拱顶下沉形变范围随掘进而向前发展的规律。从图3可以看出，垂向位移主要表现为两侧近似对称的底鼓和拱顶下沉，两侧拱顶下沉位移最大值总体大于底鼓位移量，两侧边墙中部几乎没有发生垂向位移。从图4知，径向水平位移主要表现为两侧近似对称的内缩收敛变形，径向水平位移最大值位于两侧边墙，拱顶至底板中心线上几乎没有发生水平位移。

图2 纵断面水平向位移等值线图（单位：mm）

图3 横断面（y=80m）垂向位移等值线图（单位：mm）

分析可知，粘土岩隧洞收敛变形主要表现为拱顶下沉、边墙内移及底鼓，且底鼓最大位移量大于边墙内移位移量，拱顶下沉位移量相对较小。主要原因是，初期支护在底板位置未封闭，底鼓表现较严重；由于钢格栅和初期支护座在软基上，随着底鼓变形的发展，造成边墙底脚失稳，两侧边墙随之发生内移，最后影响到拱顶围岩的稳定性。

设计中采用了锚梁网+拱形支架联合支护，它实际上是一种预留刚隙柔层支护，是高应力转化最多、围岩强度保护最好的一种支护技术［4-6］。经验表明，如及时进行永久衬砌，这类围岩的有害变形是完全可控的。

1.2.2.3 洞挖85m后突遇废弃煤井工况

模拟洞挖至85m后，挖除洞顶上方岩体（长5m）继续运算，仅计算12步网格即发生畸变而无法继续计算。分析结果与该隧洞遇到废弃煤井后，发生拱顶冒顶塌方，继而引发附近洞段整体失稳的情况比较相符。

图4 横断面（y=80m）水平向位移等值线图（单位：mm）

2 主要治理方案比选

2.1 明挖方案

只能解决塌方和变形段的治理问题，其他粘土岩洞段还需采用洞挖。根据地表裂缝推算粘土岩临界坡比为1∶1.0，需按1∶1.5的坡比明挖。该方案主要困难：①土石方开挖和回填量大；②开挖料需运到弃渣场堆存；③二次衬砌强度达到要求后再行分层回填，施工期长；征地范围大；软岩边坡可能受到降雨影响，如前期工作较慢则可能涉及到冬季施工问题；软岩基坑较深，边坡和出坑运渣道路维护较困难；该洞段处理完后，后面将继续涉及粘土岩洞挖问题，不能解决工程所遇到的根本问题。经核算，设计工期为5月，初步预算直接工程费用为340万元。

2.2 钢拱架和超前小管棚保护下的拆除处理方案

变形洞段处理时，先采用型钢拱架（间距2.5m）对变形洞段进行支撑（如图5）；变形段和塌方段在拱顶和两侧边墙范围内布置超前注浆小导管（准42mm×3.5mm×3.5m），采用水泥—水玻璃双液浆进行回填灌浆，作为安全预保护措施。在双重保护下，再拆除已变形的喷层并重新支护。根据实测断面确定型钢拱架尺寸（L、R、H）。本方案已满足对掌子面拱顶塌方及推测延伸段的安全处理要求。

该方案主要困难是：超前小导管及双液注浆施工技术要求较高。经核算，设计工期为3.5月，初步预算直接工程费用为118万元。

2.3 钢拱架保护下拆除处理方案

在上述第二方案的基础上，取消对隧洞变形段安全预保护措施中的超前注浆小导管，型钢拱架间距加密至1.5m。按“短、频、快”要求，拆除已变形的喷层并对其重新支护。“短、频、快”是指，在满足初期支护中钢格栅拱架安装最短距离的前提下，控制对变形喷层拆除的长度，越小越安全；由于拆除和重支护的循环长度短而循环频率快。方案需保留对掌子面塌方段处理措施中的超前注浆小导管。

方案要求的技术复杂程度中等，需按设计要求进行快速支护。经核算，设计工期为3月，初步预算直接工程费用为107万元。

图5 防护结构布置断面图

3 主要施工方法

3.1 型钢拱架的安装

将型钢拱架安装到原设计钢格栅的部位，钢拱架底拱直梁封闭。人工开挖槽形坑，将拱架坐落在较完整的基岩上。拱架与现状洞壁存在空腔部位，采用方木等进行充填，保证80%以上的拱架与洞壁密切接触。

3.2 变形喷层的拆除和重新支护

人工采用手风镐破碎和凿除变形喷层，然后重新支护。拆除钢拱架间的喷层时，拱架前后预留0.25m的保护圈。变形的喷层拆除后，按原设计立即重新安装钢格栅拱架。重新安装的钢格栅拱架改为底拱封闭，间距加密至0.50m；隧洞底部增加20cm厚的素混凝土垫层。局部超挖严重则改变立柱长度，确保格栅拱架与拱顶的紧密接触，并用现浇混凝土回填。

3.3 二次衬砌

当处理长度够二衬分仓长度时，即进行二次衬砌。为了抢时间和便于施工，同时有利于永久衬砌能更好地适应围岩的变形，对二次衬砌分仓长度作了调整，由原设计的10m调整为5～8m。为了提高永久衬砌抗力，提高其配筋率，将准14主筋改为准18。

4 治理效果

湾子隧洞粘土岩段塌方与大变形治理中，采用本文推荐的治理方案。在方案实施过程中，配备了富有经验的关键岗位技术操作人员及专职安全员，对治理全过程进行了安全监控，并配备了运行状况良好的施工机械，充分准备了各种原材料和半成品，在型钢拱架保护下，按“短、频、快”拆除处理方案的思路，尽可能缩小拆除段的长度，确保了快速拆除和快速支护，为治理方案的成功实施奠定了基础。

5 结语

软岩隧洞围岩变形破坏特征及其治理一直是岩土工程界关注和亟待解决的问题。本文以实际工程案例为基础，研究了浅埋软岩隧洞收敛变形特征，以及在初期支护后发生塌方和整体失稳的治理措施。结果显示，底拱支护不封闭的粘土岩隧洞收敛变形主要表现为拱顶下沉、边墙内移及底鼓，且底鼓最大位移量大于边墙内移位移量，拱顶下沉位移量相对较小。软岩隧洞初期支护底板封闭很有必要，否则容易发生底鼓变形，最终将造成边墙失稳，并影响到拱顶围岩的稳定性。本文实例所述隧洞整体失稳是极软岩性质、支护参数、施工方法，以及前方突遇废弃煤井等多种因素共同作用所致。在已变形的隧洞内安装型钢拱架，然后对变形支护体进行快速拆除、快速支护和永久衬砌，是处理极软岩隧洞初期支护后塌方和整体失稳的关键环节。

［1］何满潮，陈新，梁国平，等.深部软岩工程大变形力学分析设计系统［J］.岩石力学与工程学报，2007（5）：934-943.

［2］郭富利，张顶立，苏洁，等.地下水和围压对软岩力学性质影响的试验研究［J］.岩石力学与工程学报， 2007（11）：2324-2332.

［3］吴德义，程桦.软岩允许变形合理值现场估算［J］.岩土工程学报，2008（7）：1029-1032.

［4］孙国文，陈素娟.高应力软岩条件下煤矿巷道支护研究与实践［J］.矿业安全与环保， 2008（1）：33-35.

［5］何满潮，郭志飚，任爱武，等.柳海矿运输大巷返修工程深部软岩支护设计研究［J］.岩土工程学报，2005（9）：977-980.

［6］尹光志，王登科，张东明.高应力软岩下矿井巷道支护［J］.重庆大学学报（自然科学版），2007（10）：87-91.