极浅埋连拱隧道中隔墙顶部岩体塌方演化过程分析

李英勇，冯现大，李术才，李树忱，袁 超，李新志，徐钦健

（1. 山东省交通厅公路局，济南 250002；2. 山东大学 岩土与结构工程研究中心，济南 250061）

1 引 言

隧道塌方是隧道施工中最为常见的一种事故，隧道塌方不仅延误工期，造成重大的经济损失和人员伤亡，而且处置不当时，还可能影响后续施工，遗留工程质量隐患，因此，为避免隧道塌方，分析隧道塌方的机制，采用有效工程措施进行处置是隧道设计和施工中面临的重要课题[1－2]。

隧道塌方是一个相当复杂的问题，因为岩体中存在的节理裂隙使得岩石力学性质产生随机变异[3]，在浅埋和超浅埋的软弱破碎围岩隧道常伴有通天型塌方型式[4－6]。目前对于浅埋隧道坍塌的分析和处置，国内外工程实例分析较多[1－2,7]，而对隧道塌方破坏的机制研究较少[2,4,8－9]，尤其是对连拱隧道塌方演化过程的研究更是较为少见。

国外学者在隧道塌方机制和稳定性评价等方面进行了一些研究，如 Fraldi和 Guarracino[3]基于Hoek-Brown理论利用解析方法对任意断面形状隧道的塌方机制进行了研究；Wu和 Lee[10]对黏土地层中单洞和双洞隧道由于开挖引起的地层沉降和塌方进行了试验模拟，并借助塑性上限理论对塌方机制进行了推导；Ashraf. Osman[11]借助塑性上限理论和叠加原理对黏土中双洞隧道的稳定性进行了解析分析。上述研究成果主要针对于黏土中隧道变形和稳定性分析，且多为解析推导，其适用性不强。国内学者如李志勇、晏莉[2]等从围岩塑性区分布、位移情况以及锚杆和混凝土衬砌内力分布情况分析了连拱隧道中导洞变形和坍塌发生的原因，并且结合工程实际提出了有效地处治方法。汪成兵、朱合华[4,12]对不同埋深的隧道塌方机制进行了试验和离散元模拟。

综上所述，国内外对极浅埋连拱隧道塌方演化过程的研究较少，本文将借助模型试验和数值模拟，开展连拱隧道中隔墙顶部由于回填不密实引发塌方的模型试验及其数值模拟，从位移、塑性区和破坏方式等角度揭示其塌方机制。

2 连拱隧道中隔墙顶塌方试验模拟

2.1 依托隧道工程概况

青临高速公路在约K70+970～K70+980处穿越齐长城复线临朐段（即齐长城北线），为保护地表文物和环境，拟采用连拱隧道下穿通过，如图1所示，连拱隧道最大埋深小于5 m，最大开挖跨度达34 m，为极浅埋大断面连拱隧道，因此，对连拱隧道施工稳定性控制提出了更高的要求。

图1 连拱隧道地形平面图Fig.1 Topographic map of the double-arch tunnel

隧址区域为剥蚀丘陵地貌，地基土自上而下依次为：耕土，平均厚度为0.75 m；砂砾土，平均厚度为2.30 m；全风化花岗岩，平均厚度为6.00 m；强风化花岗岩，平均厚度为4.10 m；中风化花岗岩，平均厚度为7.50 m。隧道洞身通过段落主要为全风化～强风化花岗岩，围岩级别为Ⅴ级。

2.2 相似比尺及模型相似材料

岩体破坏的模型试验属于地质力学模型试验的范畴[12]，通过大量配比试验对7组参数进行了相似模拟，根据实际情况确定相似比如表1所示。泊松比和内摩擦角相似比 Cμ= Cφ= 1，未在表中列出，表中下标p表示原型参数，m表示模型参数。

表1 模型试验中参数相似比Table 1 Similarity ratios of the parameters in test

根据地质勘查资料，原岩物理力学参数如表 2所示，通过大量的配比调试，最终选择原料为铁粉、重晶石粉、石英砂、松香和酒精，相似材料配比如表3所示。

表2 原岩物理力学参数Table 2 Physico-mechanical parameters of original rocks

表3 相似材料配比Table 3 Proportion of the similar materials

2.3 试验区域选定及断面尺寸

根据现场地质条件和研究需要，模拟区域定为长×宽×高=135 m× 45 m×60 m的长方体，其纵剖面从上到下包括0.75 m的耕土层、2.3 m砂砾土层、6.0 m的全风化花岗岩层、4.1 m的强风化花岗岩层和46.85 m的中风化花岗岩层。连拱隧道断面设计尺寸如图2所示。

图2 连拱隧道断面尺寸（单位：mm）Fig.2 Cross-section size of double-arch tunnel (unit: mm)

2.4 模型试验装置

连拱隧道模型试验系统由试验台架、监测系统、开挖装置和数据采集等子系统构成，试验台架整体尺寸为：长×宽×高=4 500 mm×1 500 mm×2 000 mm，左右面板采用20a槽钢拼装，每侧10根，前后面板采用3段20a槽钢拼装，并各用2根20a槽钢加固，如图1所示。

模型体采用分层摊铺，夯实成型的方法制作，其基本流程如下：称量→搅拌→摊铺→夯实→埋设仪器→晾干。

图3 模型试验系统Fig.3 Model test system

2.5 监测仪器布置

本试验采用数显千分表监测地表和拱顶位移，采用微型土压力盒监测隧道周边压力场，沿着隧道轴向布置3个监测断面，采用DH3816多测点静态应变测试仪与计算机相连来实现压力数据的自动连续采集，每个监测断面监测仪器的布置如图4所示。模型中的连拱隧道断面完全参照设计断面（高为12.5 m、宽为33.9 m）按几何相似比缩小到原型的1/30，高度和跨度分别为42 cm和113 cm。

图4 监测仪器布置示意图（单位：cm）Fig.4 Schematic layout of monitoring equipment (unit: cm)

2.6 试验结果分析

模型试验中具体的施工开挖、支护顺序如下：①中导洞上、下断面开挖直至中导洞贯通；②施做中隔墙；③右洞CRD（center cross diagram）预留核心土工法开挖，并随开挖施作钢拱架；④左洞CRD预留核心土工法开挖并随开挖施作钢拱架。

连拱隧道开挖过程中，中导洞和左右洞拱顶沉降曲线如图5所示。

图5 拱顶沉降曲线Fig.5 Vault settlement curves

由图5可见，拱顶沉降随着开挖的进行逐渐增大，3洞中右洞最终拱顶变形最大。当右洞开挖接近监测点位置时，右洞拱顶位移快速增大，然后平稳增长，直至右洞贯通；左洞开挖时，不仅左洞拱顶变形快速增大，右洞和中导洞拱顶均位移增大速率也有明显增加，显示了左洞开挖对右洞和中导洞变形的影响。

中隔墙底部压力随开挖步的变化曲线如图6所示。

图6 中隔墙底部压力随开挖步的变化曲线Fig.6 Pressures of bottom of middle wall against excavation step

由图6可见，中隔墙底部压力随右洞开挖先增大，后由于右洞初期支护传至中隔墙顶部的侧向压力不断增大，导致中隔墙向左侧倾斜，底部压力减小，随着左洞的开挖中隔墙受力逐渐平衡，最后基本稳定。中隔墙底部压力出现跳跃性变化，表明中隔墙不但承受上覆围岩压力，同时受到左右洞传递压力，受左右洞施工干扰明显，出现左右倾斜现象。因此，在右洞施工时，要在中隔墙左侧施加横撑，防止中隔墙倾覆。

2.7 中隔墙顶部回填不密实引发的塌方试验

中隔墙是连拱隧道的主要承载构件，其顶部受力状态复杂，若施工中出现中隔墙接顶后回填不密实的情况，极易造成塌方。本次试验在连拱隧道完全贯通后，针对施工中容易出现的中隔墙顶部回填不密实的情况，进行了相应的破坏性试验，其渐进破坏过程如图7所示。

图7 中隔墙顶部回填不密实引发的塌方Fig.7 Collapse caused by non-dense backfill on the top of middle wall

由图7可见，若中隔墙顶回填不密实或留有空洞，受左右洞开挖的影响，中隔墙顶部会发生很大的沉降变形，使得中隔墙顶部倒三角区域由于受拉产生多条横向裂缝，而后不断坍塌至地表，这将对地表文物产生严重的破坏。

3 离散元(UDEC)数值模拟

3.1 数值模型的建立

根据长城岭连拱隧道设计参数，采用 UEDC（universal distinct element code）模拟平面应变状态下的隧道开挖过程。根据长城岭隧道地质调查报告以及现场地质资料，利用JSET命令将地层生成4组随机性节理，具体参数见表 4。在开挖释放荷载作用下，模拟围岩和初期支护相互作用，并进行破坏性试验模拟计算。初期支护采用 beam单元模拟。计算模型如图8所示，模型尺寸为宽135 m×高60 m，隧道拱顶埋深4.49 m。

表4 节理设置参数Table 4 Parameters of joint set

图8 UDEC数值模型Fig.8 Numerical model by UDEC

模型的侧向边界和底面设置法向位移约束，上表面为自由边界，地应力按自重应力场施加，侧向压力系数取1.0，对由中隔墙顶回填不密实引发的塌方进行了模拟，如图9所示。

图9 填充不密实模型Fig.9 Non-dense backfill model

3.2 数值模拟结果分析

隧道周边位移矢量如图10所示，左洞拱顶靠近中隔墙部分位移较大，最大值达到24.5 cm。

图10 位移矢量图Fig.10 Displacement vector diagram

隧道周边塑性区的分布如图11所示，中隔墙顶部由于回填不密实，产生了较为明显的拉破坏区（紫色圈表示拉破坏），另外左右洞两侧拱腰部分也产生了部分屈服区，实际施工应注意加强中隔墙顶部和两侧拱腰部分的支护。

数值模拟和模型试验破坏方式的对比如图 12所示，结合位移和塑性区的显示，二者所得破坏区范围基本上是一致的，而且均向左洞垮塌。

综合分析模型试验和数值模拟的结果，为避免该种塌方的发生，针对该连拱隧道的地质情况，建议：①中隔墙顶部必须采用高强度混凝土回填密实，保证有足够的承载力；②中隔墙围岩采用注浆锚杆加强支护，并与中隔墙钢筋连接形成整体，增加围岩和中隔墙稳定性；③隧道拱部加强支护，建议采用对穿注浆锚索加固拱部以上地层，防止塌方的产生。

图11 塑性区分布Fig.11 Distribution of plastic zones

图12 数值模拟与模型试验破坏方式对比Fig.12 Comparison between collapse types of numerical simulation and model test

4 结 论

（1）连拱隧道拱顶沉降随着开挖地进行逐渐增大，开挖后以瞬时沉降为主，最终先行正洞一侧拱顶沉降最大，左右洞开挖对中导洞拱顶沉降影响较大。

（2）中隔墙底部压力出现跳跃性变化，表明中隔墙不但承受上覆围岩压力，同时受到左右洞传递压力，出现左右倾斜现象。因此，在先行正洞施工时，要在中隔墙另一侧施加横撑，防止中隔墙倾覆。

（3）数值分析结果表明，若中隔墙顶部回填不密实，垂直负向（向下）位移较大的一块集中在中隔墙顶部附近，且中隔墙顶部产生了较为明显的拉破坏区，这个结果与模型试验时发生坍塌的位置一致。

（4）针对该隧道的实际情况，结合模型试验和数值分析结果，提出了中隔墙顶部高强混凝土回填、注浆锚杆加固以及对穿锚索加固拱部以上地层的预防措施。

[1]汪宏, 蒋超. 浅埋偏压隧道洞口坍方数值分析与处治[J].岩土力学, 2009, 30(11): 3481－3485.WANG Hong, JIANG Chao. Numerical analysis of a collapsed portal for shallow tunnel under asymmetrical pressure and its treatment[J]. Rock and Soil Mechanics,2009, 30(11): 3481－3485.

[2]李志勇, 晏莉, 阳军生. 浅埋偏压连拱隧道中导洞坍方数值分析与处治[J]. 岩土力学, 2007, 28(1): 102－106.LI Zhi-yong, YAN Li, YANG Jun-sheng. Numerical analysis and treatment of a collapsed middle drift for shallow multi-arch tunnel under unsymmetrical pressure[J]. Rock and Soil Mechanics, 2007, 28(1): 102－106.

[3]FRALDI M, GUARRACINO F. Analytical solutions for collapse mechanisms in tunnels with arbitrary cross sections[J]. International Journal of Solids and Structures, 2010, 47(2): 216－223.

[4]汪成兵, 朱合华. 隧道塌方机制及其影响因素离散元模拟[J]. 岩土工程学报, 2008, 30(3): 450－456.WANG Cheng-bing, ZHU He-hua. Tunnel collapse mechanism and numerical analysis of its influencing factors[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2008, 30(3): 450－456.

[5]马涛. 浅埋隧道塌方处治方法研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2006, 25(增刊2): 3976－3981.MA Tao. Treatment method for collapse treatment of shallow-buried tunnel[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2006, 25(Supp.2): 3976－3981.

[6]陈洁金, 周峰, 阳军生, 等. 山岭隧道塌方风险模糊层次分析[J]. 岩土力学, 2009, 30(8): 2365－2370.CHEN Jie-jin, ZHOU Feng, YANG Jun-sheng, et al.Fuzzy analytic hierarchy process for risk evaluation of collapse during construction of mountain tunnel[J]. Rock and Soil Mechanics, 2009, 30(8): 2365－2370.

[7]DAY M J. Karstic problems in the construction of Milwaukee’s Deep Tunnels[J]. Environmental Geology,2003, 45(6): 859－863.

[8]SCHULLER H, SCHWEIGER H F. Application of a multi-laminate model to simulation of shear band formation in NATM-tunnelling[J]. Computers and Geotechnics, 2002, 29(7): 501－524.

[9]STERPI D. Application of the FEM to the stability of shallow tunnels[C]//New Frontiers in Computational Geotechnics-Proceedings of 1st International Workshop on New Frontiers in Computational Geotechnics-banef. [S. l.]:[s. n.], 2002: 14－15, 61－68.

[10]WU B R, LEE C J. Ground movement and collapse mechanisms induced by tunneling in clayed soil[J].International Journal of Physical Modeling in Geotechnics, 2003, 4(3): 15－29.

[11]OSMAN A S. Stability of unlined twin tunnels in undrained clay[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2010, 25(3): 290－296.

[12]朱合华, 黄锋, 徐前卫. 变埋深下软弱破碎隧道围岩渐进性破坏试验与数值模拟[J]. 岩石力学与工程学报,2010, 29(6): 1113－1122.ZHU He-hua, HUANG Feng, XU Qian-wei. Model test and numerical simulation for progressive failure of weak and fractured tunnel surrounding rock under different overburden depths[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2010, 29(6): 1113－1122.

[13]胡威东. 离散单元法在岩石隧道开挖中的应用研究[D].成都: 西南交通大学, 2006.