铁路隧道松散破碎围岩塌方特征数值模拟分析

李国峰

0 引言

目前我国隧道工程的建设规模空前［1-3］，预计2020年仅我国铁路隧道建设将达到“两个一万”，即10 000座隧道，隧道总长10 000 km。随着我国铁路交通基础设施的建设及其发展规划，在未来的20年内，将大力发展中西部的交通，而我国中西部地质条件复杂，是构造发育地带，多山，因此需要修建大量隧道。受地形及构造应力场的影响，当进行隧道开挖时，即使隧道埋深不是很大，也会因为浅部围岩的破碎，极易产生围岩塌方破坏。

塌方或者说是坍塌，该种破坏形式在铁路隧道的松散岩体及破碎岩体中经常遇到，当支护不当时容易发生［4，5］。前者是变形达到一定程度后发生的坍塌，后者是岩块突然的掉落。

可见塌方一直是隧道建设中经常遇到的一种围岩失稳模式，严重影响施工及后期围岩的稳定性，随着中西部隧道建设的增加，如果认识不够，这种破坏形式会经常遇到，因此对隧道围岩塌方机理的研究是非常必要的。

1 工程概况

该隧道为设计行车速度160 km/h的并行两座单线电气化铁路隧道，左线长度5 875 m，右线长度6 070 m。左线隧道最大埋深约83 m，最浅埋深24 m，右线隧道最大埋深约70 m，最浅埋深21 m。隧道通过范围地表分布民宅和208高速公路，交通较为便利。

1.1 地层

本区地层岩性较为简单，上部为人工填土，坡洪积粉土、砾砂，基岩为第三系上新统泥岩夹砂岩、玄武岩，太古界下统大理岩、太古代花岗岩等。

1.2 不良地质及特殊岩土

1)岩溶:隧道出口段通过处大理岩为可溶岩，经地表调查，有微弱溶蚀现象，如溶孔、溶槽等，未发现溶洞，洞身大理岩具轻微的蜂窝状溶蚀和溶隙，裂隙宽1 mm～2 mm，属岩溶不发育地区，对工程无大的影响。

2)膨胀性岩土:隧道洞身经过泥岩夹砂岩，其成岩作用差，泥岩岩质软遇水软化，易崩解，根据化验指标:阳离子交换量(CEC)为209 mmol/kg，蒙脱石含量为13%，自由膨胀率(Fs)为26%，判定泥岩具有弱膨胀性。

1.3 隧道原支护情况

全隧道采用曲墙带仰拱复合衬砌，初期支护采用锚喷支护，为加强以上均采用了钢拱架，并采用超前小导管进行预加固，局部特殊地段采用大管棚与小导管联合支护。超前大管棚采用φ108 mm，一般在洞口使用，环向间距0.6 m。小导管环向间距0.6 m，纵向间距为2.4 m，长度3.5 m。锚杆长度2.5 m～3 m，环向间距1.2 m，纵向间距根据围岩级别不同，分别为1.0 m～1.5 m。钢筋网设置在拱墙部位，间距20 cm～25 cm。

1.4 隧道破坏特征

隧道于2008年5月开工，计划工期29.4个月，施工开始后，左右线及斜井有不同程度的塌方出现，严重影响了施工工期，造成了重大经济损失。

从2008年11月左线洞口边坡发生塌方以来，到2010年6月23日，共发生了大小29次塌方、大变形及滑塌事故，累计长度344.6 m，在Ⅲ级～Ⅴ级围岩级别内都有塌方产生，主要发生在泥岩夹砂岩及花岗岩内，其中在泥岩中发生5次，在花岗岩中发生塌方23次，在以上两类岩性交界处发生塌方1次，其中有2次塌方发生于1号斜井中。由于初次支护开裂及开挖后未及时支护而演化成塌方的有25处，有4处因为初次支护开裂后采取加强支护，保证了围岩的稳定性。

在Ⅴ级围岩中发生塌方的规模较大，往往塌陷影响到地表，造成严重的安全隐患。

根据现场工程地质条件、施工方法及塌方变形破坏情况分析，该隧道变形塌方破坏有其特殊的地质原因，现场发生塌方的两类围岩分别为水平状泥岩夹砂岩及花岗岩，且发生塌方地段都有地下水的作用。

1)碎块状塌落体。无论是花岗岩还是泥岩，塌方体都呈碎块状。块体大小不等，最大的可达到0.8 m。

2)泥岩形成大规模塌方。以泥岩为主的塌方地段形成的塌方规模往往很大，在地表形成塌陷坑，塌方体填塞整个隧道。

3)地下水参与。所有塌方部位都有地下水活动。

4)岩体破碎。在发生塌方的地段，虽然有50%的隧道围岩设计分级为Ⅲ级弱风化，坚硬完整的花岗岩，但在实际施工揭露围岩后，发现花岗岩节理发育，富水。

2 塌方特征分析

为了进一步分析隧道由于不同部位的单一岩性弱结构而产生的不同的高冒落及塌方，通过建立原隧道的工程地质模型，采用二维离散元程序UDEC软件进行数值模拟，再现隧道发生坍塌的过程，确定隧道不同部位单一岩性弱结构对于坍塌发生的影响机制，从而为进一步分析支护对策和优化支护参数提供科学依据。

为了简化计算模型，将原有隧道形状转化为直墙半圆拱型断面，隧道顶板为松散破碎围岩，隧道围岩松动圈很大，冒落性强。在隧道开挖后，破碎顶板不具备承载力，顶板破碎岩体则在上部岩层地应力的挤压作用下向隧道临空区整体溃散，形成整体、快速、大量冒落体。松散破碎顶板力学模型图、显现特征图、破坏场图、应力场图如图1～图4所示。

从对松散破碎顶板围岩型冒落破坏过程模拟结果可以看出，顶板首先产生大变形，顶板应力高度集中，当应力达到一定数量时顶板岩石破裂并开始冒落，应力开始重分布，随着时间的增加冒落范围逐渐扩大，应力进一步向围岩深部转移，最后形成高冒落。从位移矢量图上可以看出两帮基本没有发生变形破坏，原因是顶板围岩强度较小且顶板围岩破碎，而两帮底角部位围岩强度较高，所以导致两帮变形小，由于冒落致使帮部围岩应力削弱，最后帮部位移小而顶板形成高冒落。因此，当巷道顶板围岩为强度较小的破碎岩体而两帮为强度较高的岩体时，其冒落形式为帮部完好的高冒落。

3 结语

本文分析了铁路松散破碎围岩隧道坍塌的影响机制，并运用二维离散元软件对破碎围岩结构模型进行数值模拟，再现了隧道顶板岩层离层、弯曲、沉降、开裂直至坍塌的全过程，分析了隧道破碎围岩的位移场分布特征，并得到以下结论:

1)通过现场实地调查，发现所研究隧道节理裂隙发育的碎裂结构花岗岩及泥岩在施工时发生了多次塌方，部分地段位移过大初期支护产生裂缝。在Ⅲ级花岗岩中发生塌方变形滑塌的事故占总事故的50%。泥岩中发生塌方的规模较大，埋深较浅时，塌方一直会延续到地表。

2)影响隧道围岩塌方失稳的因素主要是岩体破碎程度、胶结面强度及地下水的影响。因施工揭露围岩级别与设计围岩级别有差异，导致超前支护强度偏弱，客观上增加了塌方的频率和规模。

3)通过数值模拟再现了松散破碎围岩隧道顶板坍塌的破坏过程，分析其破坏机理，提出了增加花岗岩围岩结构强度，改善泥岩力学性质是控制围岩稳定的关键措施。

［1］孙志峰，谭世友，押鹏举，等.隧道塌方的影响因素与治理方法［J］.建材技术与应用，2006(3):67-68.

［2］李 钊.隧道坍方突发事件风险原因统计及范例推理［J］.铁道科学与工程学报，2009，6(4):54-58.

［3］李 刚.防坍方救援方案浅析［J］.山西建筑，2007，33(21):335-336.

［4］周 峰.山岭隧道塌方风险模糊层次评估研究［D］.长沙:中南大学土木建筑学院，2008.

［5］刘 君，孔宪京.节理岩体中隧道开挖与地震作用下围岩的稳定性［J］.岩石力学与工程学报，2005，24(S1):4929-4933.