木寨岭板岩隧道塌方的结构失稳分析及预防措施研究

王云龙，谭忠盛

（北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 10044）

1 引 言

随着隧道工程的逐渐增多，穿越板岩地层的隧道工程较为多见，其中兰渝铁路中的木寨岭隧道、毛羽山隧道等备受关注。除此之外，正在兴建的贵广铁路也有大部分隧道通过板岩地层，规划中的成兰高速铁路很多隧道穿过板岩或千枚岩。由于板岩具有独特的层理特点加之不少板岩自身性质软弱，板岩隧道施工过程中经常遇到各种工程问题，以大变形问题和塌方现象最为常见[1－6]，这两种现象往往同时发生并且相互促成，给隧道正常施工带来诸多影响。由于板岩大部分呈薄层状或中厚层状，研究人员往往利用梁板理论对其变形破坏现象进行分析，最具影响力的是孙广忠[7]提出的“板裂介质岩体”理论。之后，有大量学者针对这一理论进行深入研究和推广，并广泛应用于层状岩体稳定性的研究中[8－15]。目前对于板岩隧道塌方现象总结的文章较少，大部分已有文献均以塌方问题的治理为主要立意[4－6]。

木寨岭隧道是较具有代表性的板岩隧道工程，隧道在施工中遇到掉块或塌方等围岩失稳现象，严重影响隧道安全施工，充分认识隧道塌方机制并采取相应的预防措施对于今后板岩隧道工程有重要借鉴意义。本文对典型塌方地段的分析，推导得到塌方产生机制，结合工程实际，本着“以防为主”的原则，提出板岩隧道塌方现象的关键预防要点。

2 板岩隧道塌方实例分析

2.1 木寨岭隧道塌方实例

新建兰渝铁路木寨岭隧道为双洞单线特长隧道，右线起讫里程为DyK173+321.5～DyK192+390，全线长19 068.5 m，洞身通过碳质板岩区，板岩及碳质板岩段合计长8 850 m，占隧道全长的46.53%，隧道单位正常涌水量约为547.4～1 025.4 m3/d·km，最大涌水量为964.7～7 332.0 m3/d·km。碳质板岩的力学特性与结构面倾角大小相关，当结构面受力后易发生剪切破坏和产生顺层理面滑移破坏，板岩浸水后强度降低50%。碳质板岩岩体层理发育，富含裂隙水，遇水易软化，围岩稳定性较差，极易产生大变形和局部垮塌。木寨岭隧道有3个背斜及2个向斜构造，基岩节理、裂隙发育，多呈“X”型，属高地应力区。

隧道施工中多处发生大变形、掉块或塌方现象，以右线DyK183+872.2处为例，2010年12月3日施工至该处时，拱部右侧发生塌方，塌腔高3 m，随即将掌子面堆积封闭并向塌腔灌浆回填，但塌方尚未停止，塌方完成后的正面示意图如图1所示。

图1 塌腔正面示意图Fig.1 Front view of collapse range

2.2 隧道塌方成因分析

经综合分析塌方断面处的地质条件及施工过程，认为该处塌方形成的原因有以下几点。

（1）岩体自身特点

塌方断面基本为薄层状炭质板岩，层厚 5～10 cm左右，层理发育，层间为泥质充填物，岩体自身强度及层间结合强度都较低。同时，该处受褶皱影响明显，岩层倾向不一，经现场观察掌子面围岩特征，推断隧道深处基本符合图2所示的地质素描结果。

图2 塌方断面岩层特征Fig.2 Slate layered characteristics of collapse section

岩体的层状特征对塌方性态有显著影响，结合塌方腔体形状及岩层分布特征可以发现，该塌方能很好的符合层状岩体的弯折破坏理论，如图3所示。由于开挖后隧道洞壁的径向应力降低而切向应力增高，层状岩体以板的横弯作用下发生挠曲至失稳破坏。

图3 弯折破坏示意图Fig.3 Sketch of bending destruction

（2）地下水的影响

塌方处富含围岩裂隙水，经实地观察，该处有地下水呈线状或股状流出，因板岩本身遇水强度急剧下降，加之层间泥质充填物在裂隙水的作用下基本失去胶结作用，造成岩体强度降低的同时因裂隙水带走层间结合物，导致岩体完整性的进一步破坏。

板岩自身特点极易受地下水的影响，反之，地下水的大量存在又使板岩的工程缺点进一步扩大，两者相互促成。

（3）施工原因

由于施工中对事故后果估计不足，导致各项施工措施未能达标主要体现在以下方面：开挖进尺过大，最大可达1.5 m左右；开挖完成后未能及时跟进初期支护；钢拱架加工与施工过于粗糙，造成其未能达到较好的受力，并且施工中挖掘设备操作不规范以致拱脚大部分悬空。以上原因总体上可归纳为一点即未能及时对开挖后的岩体进行约束，导致其受力状态达到失稳临界点。

2.3 隧道塌方的演化过程

由上分析可知，隧道塌方受围岩地质环境及施工影响，如施工方法得当时大部分塌方现象是可以避免的，正是由于施工方法的不当，激发了板岩的失稳，可见木寨岭隧道的塌方演化过程主要表现为：施工过程不当→板岩临空过多→地下水导致围岩力学性质过差→初次塌方并继续发展。

具体过程：（1）根据传统弹塑性力学理论，隧道开挖后洞周出现较大应力集中现象，由于施工措施的不得，当致使板岩临空面积过大，围岩中的能量大部分通过变形释放，洞周围岩出现局部破坏并向纵深发展，为板岩的失稳提供了先决条件。（2）由于岩体临空过多，地下水的渗流渠道更为广泛，诸多裂隙水的不断渗入，导致结构面填充物随之流失，层间结合力基本降至为 0，根据文献[9]的分析，层间结合力的降低减小了板岩失稳的临界力，进一步激化塌方现象的发生。（3）以上过程基本同时发生，在满足临界失稳的前提下，因隧道右侧岩体出水情况更为严重，率先发生失稳并导致高度达3 m的塌方现象发生，右侧发生塌方后，虽采取灌注混凝土的办法加以抑制，但因左侧岩体临近隧道中间一侧基本呈现为简支端，围岩稳定性进一步降低，最终发生更大范围的塌方。

3 板岩隧道塌方机制

3.1 模型的建立

从以上对于板岩隧道塌方的分析可以看出，地下水的作用致使板岩层间结合力几乎丧失，塌方过程基本符合板的失稳机制。因此，选取隧道临空板岩作为研究对象，并且忽略分析对象上下的应力差，考虑分析对象自重的影响，取板两方向受力为 Nx（N/m）、Ny（N/m），并假设 Ny=λNx（λ为 Nx和 Ny之间倍数）；板长为a，宽为b，高度为h，单位均为m；岩层倾角为α，简化后的力学模型如图4所示。

图4 力学模型Fig.4 Mechanical model

3.2 失稳临界力的推导

根据建立的力学模型，在板在受纵横荷载作用下并计入重力G在x方向对Nx的加强，得到的屈曲控制方程[16]为

考虑板的边界为四边简支状态，则有

对应的曲面函数为

将式（3）代入式（1）有

式（4）Amn不能全为 0，否则，得到结果为平凡解，因此大括号内的值必须为0，即

求解式（5）中的Nx为

为求得最小屈曲荷载，必须使m=1且n=1（因m、n为正整数），此时，四边简支情况下的最小屈曲荷载为

即为简支状态下计入板岩临空长度时围岩失稳的临界荷载。若模型中岩层倾角为0°，且Ny为0（即λ =0），且简化为平面应变问题，则式（7）变为

是文献[15]中隧道底鼓机制分析得到的理论解析。

从式（7）可以看出，板岩的稳定性主要受以下几点因素的影响：（1）板的弯曲刚度D是影响板岩稳定性的内在因素，岩石刚度越大，临界失稳荷载越大；（2）通过对式（7）中第一部分的分析，能够观察到板岩临空长度 b值越大，临界失稳荷载越小，并且这种趋势并非线性发展，临界失稳荷载减小趋势更为显著；（3）当岩层重力较大时式（7）中的第二项越大，失稳临界荷载越小。

3.3 木寨岭隧道塌方现象的理论分析

木寨岭隧道开挖断面为6.8 m × 7.2 m，取板的横向跨度a=3.0 m，其余主要围岩力学参数见表1。

表1 隧道围岩力学参数Table 1 Mechanical parameters of slate

利用式（7）求出不同板岩b时对应的临界失稳荷载，得到λ=0时不同b的情况下对应的临界失稳荷载见图 5，同理给出岩层厚度与临界失稳荷载之间的关系，如图6所示。

图5 临空长度b与临界失稳荷载的关系Fig.5 Relation between (Nx)crand b

图6 岩层厚度h与临界失稳荷载的关系Fig.6 Relation between (Nx)crand h

从图5中能够观察到，随着板岩临空长度从0.8 m增加至3 m，临界失稳荷载急剧减小，当临空长度为1 m时临界失稳荷载换算面力约为12 MPa，考虑隧道处的最大水平主应力达11.6 MPa，尚处于危险区域，而现场施工时的未支护长度更大，围岩的失稳破坏在所难免。

同理，从图6中可见，岩层厚度对于围岩失稳的影响也比较明显，当岩层厚度达到 0.15 m以上时，临界失稳荷载可达20 MPa左右，这对于围岩稳定是比较有利的。木寨岭隧道塌方现场岩层厚度多处于5～10 cm之间，地下水冲刷致使层间 结合力消失，更加凸显岩层过薄的不利影响，最终致使围岩失稳坍塌。

4 板岩隧道塌方的预防措施

4.1 隧道塌方预防的主要原则

因隧道塌方事故影响施工经济、安全、工期等各个方面，对板岩隧道塌方现象实施“预防为主”的策略是最为合理的。对木寨岭隧道塌方段的演化过程及成因机制的分析后总结出如下预防经验。

在勘察阶段，应做好地质勘查阶段的工作，对隧道的地质环境尤其是围岩岩性、层理结构、地应力以及地下水状态需综合认识，对于危险地段应进行详细的超前地质预报，以便在设计上及时采取相关措施。

在设计阶段，对于隧道的危险地段应尽量采用超前锚杆或管棚等超前支护措施，抑或根据地下水发育情况采取超前注浆等围岩加固措施，增加围岩的整体性。从理论分析中能够看出，这些措施相当于增加了层间结合力、增大了岩层的厚度，对于维护围岩的稳定性有很大帮助。

在施工阶段，应根据板岩的岩层倾向对隧道中的不利位置提前预判，做出相应的设计调整；对于塌方易发地段应尽量采取降低一次开挖跨度的施工工法如CD法等，并尽量采用小进尺开挖；初期支护的施作应在开挖后及时跟进，钢拱架轮廓应与隧道轮廓良好契合并在分步开挖时保证钢拱架能够完全受力，起到抑制围岩失稳的效果。

4.2 隧道塌方的预防效果

木寨岭隧道DyK183+872.2塌方段事故处理结束后，在继后的DyK183+872.2～DyK183+892施工段地质条件与塌方段基本一致，设计中增加预留变形量至50 cm，并将原间距为1.5 m的型钢钢拱架加密至0.6 m，拱部设置φ 42 mm超前小导管预注浆加固围岩，长4.0 m，环向间距为40 cm，纵向搭接长度不小于 l m。在施工中严格控制开挖步长，并保证钢拱架的充分受力，在一系列措施的控制下，隧道施工过程顺利，初期支护稳定。图7为施工过程中拱顶及右侧拱腰的沉降监测结果。监测结果显示，相对拱顶而言右侧拱腰处仍有较大的沉降发生，但逐渐趋于稳定，并未造成重大影响。

图7 实际监测的沉降数值Fig.7 Subsidence values of actual monitoring

隧道继续沿用三台阶法进行施工，总结各个施工步产生的沉降百分比见表 2。由表可以看出，因上台阶开挖完成后拱部岩层基本全部暴露，上台阶施工完成时拱顶沉降与拱腰沉降即完成最终沉降的绝大部分，这与理论模型中板的跨度a较大有关，在类似工程采取台阶法施工时，应对上台阶的施工过程引起足够的重视。

表2 各施工阶段占总沉降量的百分比Table 2 The subsidence ratios in different steps

5 结 论

（1）木寨岭隧道塌方的主要原因是板岩自身的结构特点以及施工中初期支护跟进严重不及时造成的，同时地下水对结构面强度的影响也是较为重要的因素。

（2）层厚较薄时，运用板的失稳理论能较好的解释板岩隧道的塌方现象，理论研究证明板岩临空长度过大或层厚过薄对围岩稳定最为不利。

（3）对于板岩隧道的塌方现象预防应确保以“预防为主”为主要原则，在勘察阶段充分认识，并采取措施间接增加岩层厚度，在施工阶段应尽量采取小进尺开挖，保证初期支护的及时跟进。利用这些预防措施施工后续工程段围岩稳定，隧道施工顺利。

[1] 叶康慨.木寨岭隧道大坪有轨斜井施工大变形段分析及处理技术[J].隧道建设, 2010, 30(2): 190－194.YE Kang-kai.Case study on control of large deformation of aping inclined shaft of Muzhailing tunnel[J].Tunnel Construction, 2010, 30(2): 190－194.

[2] 刘高, 张帆宇, 李新召, 等.木寨岭隧道大变形特征及机理分析[J].岩石力学与工程学报, 2005, 24(增刊 2):5521－5526.LIU Gao, ZHANG Fan-yu, LI Xin-zhao.Research on large deformation and its mechanism of Muzhailing tunnel[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2005, 24(Supp.2): 5521－5526.

[3] 郭啟良, 伍法权, 钱卫平.乌鞘岭长大深埋隧道围岩变形与地应力关系的研究[J].岩石力学与工程学报, 2006,25(11): 2194－2199.GUO Qi-liang, WU Fa-quan, QIAN Wei-ping.Study of relationship between deformation of surrounding rock and in-situ stress in Wushaoling deep buried railway tunnel[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2006, 25(11): 2194－2199.

[4] 王运金.九岭山隧道塌方治理及塌方治理效果检测[J].现代隧道技术, 2008, 45(6): 82－86.WANG Yun-jin.Collapse treatment of Jiulingshan tunnel and treatment effect detection[J].Modern Tunnelling Technology, 2008, 45(6): 82－86.

[5] 王建军.木寨岭隧道炭质板岩夹砂岩软弱不均地层坍方处理及防坍技术研究[J].中国科技纵横, 2011, (6):319－320.

[6] 宋斯卓.两河口隧道 K8+690～K8+700段塌方处理措施[J].四川水力发电, 2009, 28(5): 41－43.SONG Si-zhuo.Treatment measutures for collapse in K8+690 to K8+700 section in Lianghekou tunnel[J].Sichuan Water Fower, 2009, 28(5): 41－43.

[7] 孙广忠.岩体结构力学[M].北京: 科学出版社, 1988.

[8] 倪国荣, 叶梅新.“板裂”结构岩体的力学分析法[J].岩土工程学报, 1987, 9(1): 99－108.NI Guo-rong, YE Mei-xin.Mechanical analysis of rock mass with the “plate fracture” structure[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 1987, 9(1): 99－108.

[9] 杨建辉, 杨万斌, 郭延华.煤巷层状顶板压曲破坏现象分析[J].煤炭学报, 2001, 26(3): 240－243.YANG Jian-hui, YANG Wan-bin, GUO Yan-hua.Study on the layered roof compression-bending failure of roadways in coal seam[J].Journal of China Coal Society, 2001, 26(3): 240－243.

[10] 温森, 赵延喜.深埋隧洞层状围岩变形分析[J].金属矿山, 2009, 44(4): 11－15.WEN Sen, ZHAO Yan-xi.Analysis of the deformation of stratified rock surrounding deep tunnels[J].Metal Mine,2009, 44(4): 11－15.

[11] 苏永华, 姚爱军, 欧阳光前.沉积岩中深部隧道围岩层状破坏模型[J].中南公路工程, 2006, 31(2): 33－36.SU Yong-hua, YAO AI-jun, OUYANG Guang-qian.Platy fractal zone model of surrounding rock of deep tunnel in deposit rock-mass stratum[J].Central South Highway Engineering, 2006, 31(2): 33－36.

[12] 颜立新, 康红普, 苏永华.板裂化地下岩体工程稳定的力学机理及概率分析[J].岩石力学与工程学报, 2002,21(增刊): 1938－1941.YAN Li-xin, KANG Hong-pu, SU Yong-hua.Mechanics mechanism and probability analysis of blocky rock mass stability in underground engineering[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2002, 21(Supp.):1938－1941.

[13] 秦昊.巷道围岩失稳机制及冲击矿压机理研究[博士学位论文D].北京: 中国矿业大学, 2008.

[14] 汪洋.山岭隧道软岩大变形机理及灾害预测和治理研究[博士学位论文D].武汉: 华中科技大学, 2009.

[15] 汪洋, 唐雄俊, 谭显坤, 等.云岭隧道底鼓机理分析[J].岩土力学, 2010, 31(8): 2530―2534.WANG Yang, TANG Xiong-jun, TAN Xian-kun, et al.Mechanism analysis of floor heave in Yunling tunnel[J].Rock and Soil Mechanics, 2010, 31(8): 2530－2534.

[16] 韩强, 黄小清, 宁建国.高等板壳理论[M].北京: 科学出版社, 2002.