黄金隧道塌方冒顶结构计算及特殊设计

2013-11-27张晓东

铁道标准设计 2013年4期

张晓东

(广铁集团赣韶铁路有限公司，广东韶关 512023)

随着我国铁路建设的快速发展，工期紧、长度长、地质复杂、施工难度大的隧道大量出现，在施工过程中，容易因围岩地质突变、超前地质预报工作不深入、监控量测不及时、设计阶段地质调查深度不够、施工阶段应对措施不到位等原因，而造成塌方甚至冒顶事故。如何处理好塌方，尽可能降低塌方对施工进度的影响，保证运营安全，显得越来越重要。一般浅埋隧道塌方且冒顶屡见不鲜，而黄金隧道DK171+085～DK171+050段埋深约70 m，塌方且冒顶并不多见。本文通过结构计算、工程类比，对黄金隧道塌方冒顶提出了合理的处理方案及措施，并结合施工超前地质预报、监控量测等手段，成功通过了此段。

1 工程概况

黄金隧道是赣(州)韶(关)铁路重点工程之一，全长1490 m，最大埋深约100 m，为单线隧道。隧道位于黄浪水河流经323国道处的上游左侧山丘中，属丘陵地区，地形起伏较大，地势东北高西南低。隧道围岩主要为泥岩粉砂岩地层，粉砂岩:浅黄色，全～强风化，岩石风化成土夹碎块状，局部夹弱风化岩块，中厚层状构造。泥岩:褐黄色，全～强风化，岩石风化成黏性土状，含少量风化碎块，泥质结构，中厚层状构造，遇水易软化。地下水主要为第四系孔隙潜水及基岩裂隙水，第四系孔隙潜水主要富集于表层土体及全风化基岩中，基岩裂隙水主要富集于强、弱粉砂岩中，粉砂岩节理裂隙发育且渗透性较好，受大气降水影响大，裂隙水的水位变化随降水量变化较大。

2 隧道塌方冒顶情况及原因分析

2.1 塌方冒顶情况介绍

2011年9月18日，隧道从出口端向大里程方向施工，施工至 DK171+075，开挖后因渗水出现塌方，19日～22日对塌方进行了封闭及超前注浆处理，采用1∶1的水泥浆掺水玻璃速凝。于23日下午恢复开挖，开挖长度60 cm(1榀钢架距离)，初喷过程中掌子面渗水量逐渐增加，初喷尚未完成，掌子面便出现大规模的涌泥，涌泥呈软塑状，中间夹灰质岩块，涌泥约250 m3/h，但掌子面一直未稳定，最后累计涌泥约2 000 m3，最后确定洞内塌方范围为 DK171+085～DK171+050。同时，洞顶塌方延伸至地表，形成了1个长15 m，宽10 m，深7 m的椭圆形圆柱陷穴，凹坑四周地表出现裂缝，最外缘开裂边界以内面积约2 000 m2，地表裂缝对应隧道里程为DK171+035～DK171+140。如图1、图2所示。

图1 黄金隧道塌方

图2 黄金隧道塌方纵断面(单位:m)

2.2 塌方冒顶原因分析

为避免因塌方处理不当而造成新的损失，在塌方冒顶处理前，工程技术人员对隧道塌方冒顶进行了原因分析。

2.2.1 地质条件分析

塌方冒顶段围岩为泥岩粉砂岩地层，粉砂岩:浅黄色，全～强风化，岩石风化成土夹碎块状，局部夹弱风化岩块，中厚层状构造。钻进过程中，孔壁坍塌，并出现掉块卡钻现象。泥岩:褐黄色，全～强风化，岩石风化成黏性土状，含少量风化碎块，泥质结构，中厚层状构造，遇水易软化。

2.2.2 施工原因分析

在施工过程中，由于围岩较差，出现过多次小塌方，洞内积水严重，二衬相对滞后，初期支护不及时，造成围岩被多次扰动，基底承载力下降，也是导致塌方冒顶原因之一。

2.2.3 其他原因分析

施工期间正值南方雨季，连续的降雨导致围岩富水增加，开挖后渗水较大，经施工单位现场测量，渗水量15～20 m3/d。夹层遇水膨胀软化，产生滑动面，易造成围岩失稳，大面积垮塌;围岩受地下水作用由局部失稳发展到整体失稳、破坏导致不断出现坍塌，最终隧道塌方冒顶。

DK171+050处掌子面出现过2次涌水涌泥，造成该段地表至洞顶土体已失稳，洞身上方存在约2 500 m3的空洞区，受空洞内流塑土的影响，掌子面渗水严重，渗水量25～30 m3/d，渗水造成出口掌子面掉块严重。

3 塌方处理方案比选

塌方事故发生后，各方对事故的处理提出各自的方案，归纳有以下2种。

3.1 超前注浆+单层初支

该方法主要是对塌方段拱部 150°范围内采用φ108 mm壁厚6 mm的管棚作为超前支护，环向间距30 cm，施工外插角3°～5°，并及时对管棚进行注浆，注浆材料采用1∶1水泥浆，注浆参数结合现场试验合理确定。超前支护完成后，隧道分部开挖架设I25a型钢钢架，初喷C25混凝土，厚32 cm。加大初支的刚性结构以抑制围岩的塑性变形，刚性支护能为围岩提供强有力的支护，在地应力水平较低、塑性变形不大的情况下可以起到防止变形和坍塌的作用。

3.2 超前注浆+双层初支

此方案与前方案不同的是采用双层初期支护，架设I18双层型钢钢架，初喷 C25混凝土，厚45 cm。由于坍体为流塑状的土，含水量高，冒顶段围岩具明显的流变特征，变形一般经过初始变形阶段、稳定变形阶段、加速变形阶段从而发生坍方。在近70 m高的坍体内开挖后会在短时间内释放压力，从而产生初始的变形，为防止蠕变加速导致坍塌，采取“先柔后刚，控制变形”的方法，在蠕变阶段及时施做控制变形的措施，使扰动的软塑状坍体的蠕变得到控制并趋于稳定。支护及二衬采用“第一次支护+第二次加强支护+二次钢筋混凝土结构”，第一次支护为喷锚网、钢架联合支护的柔性支护，在加固围岩的同时可允许释放部分围岩变形;第二次初支为钢架喷混凝土结构以进一步抑制围岩变形，并为二衬的安全施做提供条件。

3.3 结构计算

鉴于以上2种情况，采用地层-结构模型对2种方案进行了模拟分析，计算范围水平方向两侧各取70 m，左右边界约束X方向的位移;上面覆土约70 m，下底边取距隧道底30 m，下边界约束Z方向的位移。采用MIDAS-GTS有限元计算分析软件对隧道开挖建立平面应变条件下的计算模型，模拟施工全过程。初始地应力由有限元法计算，即将自重荷载转化为等效节点荷载计算初始地应力场。模型屈服准则为莫尔库仑准则。

(1)单层刚性支护措施模拟分析

单层刚性支护采用梁单元模拟，地层围岩采用2D单元模拟。计算参数见表1、表2，模型如图3所示。

表1 计算输入支护参数

表2 计算输入土层参数

图3 二维计算模型

(2)双层刚性支护措施模拟分析

计算中采用分步来模拟施工过程，假设开挖围岩应力瞬间释放30%，第一次支护完成后释放50%，第二次支护完成后释放其余20%。施工中的第一次支护及第二次加强支护均采用梁单元模拟，地层围岩采用2D单元模拟。2次支护之间采用杆单元连接，计算输入土层参数见表2。计算模型及支护参数见图4、表3。

表3 计算输入支护参数

图4 二维计算模型

(3)计算结果分析

计算过程中分别得到了隧道开挖后，隧道的竖向位移、大小主应力分布图。单层刚性支护最大位移在拱部为2.36 cm，双层刚性支护结构，第一次支护拱部最大位移4.05 cm，第二次支护施做后，拱部总位移达到4.88 cm。隧道拱顶、拱腰、拱脚、墙腰、墙脚及仰拱的初支结构特征点处受力见表4、表5。

表4 隧道初支结构受力

表5 隧道初支结构受力

从计算结果来看，单层刚性支护、全环架设型钢钢架措施的最不利截面安全系数小于双层刚性支护的最不利截面安全系数强度要求。因此双层支护措施相对安全，结构受力相对合理。

4 塌方处理设计方案

通过地层－结构计算分析及结构受力分析，经比较后，对此次塌方冒顶段采用双层刚性支护结构特殊设计，开挖预留10 cm变形量。

4.1 地表处理

对陷穴及开裂区域加固及防排水处理:在地表沉陷、开裂区域周围5 m范围以外设置浆砌片石截水沟，截水沟尺寸0.5 m×0.5 m，防止地表水流入塌落松散体内部;对塌陷的松散体进行注浆加固处理，减轻松散体对初期支护和后期二衬的压力;在沉陷、开裂区沉降基本稳定且洞内二次衬砌强度达到100%后，对塌陷的松散体回填至略高于原地面，表面采用M10浆砌片石防护，并设置黏土隔水层，防止雨水渗入坑穴。

4.2 洞内处理

4.2.1 进行超前地质预探预报

塌方冒顶段地质专业进行专项设计，利用水平地质钻机在塌方掌子面的拱顶、拱腰布置4个水平地质钻孔进行地质探测，确定塌方冒顶的范围和地质情况，指导塌方冒顶处理。

4.2.2 对邻近塌方段加固

在塌方段处理前对掌子面后方20 m进行补强加固，防止塌方范围向后扩大，确保塌方处理过程施工安全。拱部和边墙采用φ42 mm径向小导管注浆，以加固围岩和回填初支背后不密实之处，小导管长6 m，间距1.2 m×1.2 m，注浆材料采用1∶1水泥单液浆，注浆压力控制在0.5 MPa以内。

4.2.3 塌方段处理

(1)注浆加固塌渣，增强掌子面稳定性

表面加固:采用挖掘机、打夯机将塌方体表面压实，设 φ8 mm钢筋网，网格间距20 cm×20 cm，喷20 cm厚C25混凝土及时封闭塌渣，尤其是塌方与拱部接触部位，防止塌方体继续扩大。

塌渣加固:为保证安全通过塌方体，管棚施作完成后，对塌方体采取φ42 mm小导管注浆加固的措施，固结坍塌体，以提高塌方体的自稳能力，防止在二次开挖过程中再次发生塌方。浆液采用超细水泥浆，浆液水灰比按照1∶1的比例，小导管长6 m，间距1 m×1 m，梅花形布置。

(2)超前注浆加固岩体

DK171+050～+085塌方段拱部150°范围内采用φ108 mm壁厚6 mm的管棚作为超前支护，环向间距30 cm，施工外插角3°～5°，并及时对管棚进行注浆，注浆材料采用1∶1水泥浆，注浆参数结合现场试验合理确定。

管棚施作完成后，对塌方段拱部和边墙采取φ42 mm超前小导管注浆加固的措施，小导管长6 m，外插角30°～45°，环向间距40 cm，纵向间距1.8 m设1环，注浆材料采用1∶1水泥浆，注浆参数结合现场试验合理确定。

(3)及时施工并加强支护

①围岩的塑性变形的发生与开挖断面的形状有关，同样地层及地应力的条件下，断面开挖越接近圆形受力越有利。结合本线已开工的实际情况为避免另行制做台车，在隧道内轮廓不变的前提下加大了外墙的曲率。

②DK171+050～+085塌方段采用环形开挖预留核心土法施工，并设立临时仰拱，临时仰拱采用I18型钢钢架并喷C25混凝土，及时支护、封闭成环。初期支护结构:全断面I18型钢钢架+锚杆+纵向连接钢筋+钢筋网片+C25喷混凝土组成的柔性结构，喷混凝土20 cm，允许一定的变形;第二层全断面I18型钢钢架+锚杆+纵向连接钢筋+钢筋网片+C25喷混凝土组成的加强支护，喷混凝土25 cm。钢架间距0.6 m，钢架间设φ22 mm纵向连接钢筋，环向间距0.5 m。双层φ8 mmm钢筋网，间距20 cm×20 cm。在拱架脚部上20 cm处布设φ42 mm、壁厚3.5 mm的锁脚锚管，长4 m。

③同时预留变形量适当加大，施工时应通过反馈的监控量测信息及时调整预留变形量和支护参数，以确保衬砌结构和体系的安全，保证最大的沉降不得大于3 cm。

(4)强化隧底

为改善初期支护结构受力，在拱脚和墙角1 m范围内加大开挖尺寸后喷射混凝土，增大受力面积，提高承载力。在原设计开挖尺寸的基础上向外增加50 cm。

(5)洞内排水

在施工现场及时做好集水井及排水沟，及时疏导地下水和施工用水。并做好二衬及初期支护间的横、纵向排水管，防止运营期间渗漏水。

(6)监控量测

隧道开挖后及时掌握围岩的变形情况是非常重要的，在隧道的施工中应该重视拱脚水平收敛及拱顶下沉的量测，根据量测数据及时改变施工方案，这对于避免再次塌方是非常必要的。

4.2.4 处理效果

(1)随着塌方体的掘进，在塌方段内每5 m设置1个断面分别进行围岩收敛、拱顶下沉和拱顶压力的连续监测，通过观测数据来及时掌握塌方体受力和变形的发展。不间断的监测结果表明，在整个处理过程中，围岩没有发生较大的位移，拱顶最大沉降3.5 cm。

(2)根据对完成后的隧道衬砌变形观测情况，原塌方冒顶段永久衬砌未发现任何异常。

从本塌方冒顶段处理的结果看，处理是比较成功的。