用块体极限平衡理论分析某大跨度隧道事故

黄 跃

（浙江省隧道工程公司，浙江杭州310030）

用块体极限平衡理论分析某大跨度隧道事故

黄 跃*

（浙江省隧道工程公司，浙江杭州310030）

以新疆某大跨度山岭隧道塌方事故为实例，分析了事故发生的主客观原因，同时采用块体极限平衡理论分析了事故发生的整个过程。采取了管超前、严注浆和强支护的措施，确保隧道全断面安全掘进。实践证明了块体极限平衡理论在硬质破碎岩体中的适用性。最后，提出了一些可供类似围岩隧道爆破掘进的预防塌方事故的方法。

隧道塌方；块体极限平衡理论；稳定性分析；锚喷支护；超前小导管

1 概述

块体极限平衡理论已成为工程岩体稳定分析的一种有效方法，在洞室稳定分析中已得到较为广泛的应用。块体极限平衡理论假定岩体结构面为平面、结构面切割而成的块体为刚体、块体失稳为脱离岩体或沿结构面产生剪切滑移等平动形式，利用几何拓扑学方法分析不同开挖面上可能出现或己出现的可移动块体、关键块体的类型，分析块体的几何形态特征、块体失稳模式；并结合刚体极限平衡分析，计算块体的稳定性，探讨相应的工程支护措施[1]。

许多学者对该理论进行过研究[2-3]，本文吸取这些文献中对本工程事故分析有用的部分，采用二维块体极限平衡理论分析对新疆某山岭隧道事故进行了分析。根据本事故的结构面调查、原始资料分析，结合本山岭隧道主要节理产状的规律，本文将块体视为刚体，假设滑动面为直线，研究作用在块体上各种力的平衡关系，找到本次事故的力学原因，同时指导下一步的开挖掘进。

2 事故概况

2.1 工程概况

本隧道位于新疆，全长700m，分引洞和主洞，主洞室总长259m（桩号为Ⅰ+142.000m～Ⅰ+401.000m），主洞室锚喷支护后最大净跨14.36m，埋深112.4～138.4m，轴线角度为北偏西72°。《地质勘察报告》显示整个隧道均处于Ⅳ级[4]围岩。主洞岩性为褐灰色中粗粒蚀变花岗岩，块状构造，具轻微糜棱岩化。节理发育，有明显1～12mm厚泥质物充填。岩石主要由云母、正长石、石英及暗色矿物组成。X共轭节理发育，纵向节理产状310～320°∠65～75°，90～100°∠5～10°，致使基岩碎块多在5～200cm。事故段在顶拱以上3m发育有产状为100°∠15°的断层，断层宽15～20cm，出现断层土和断层碎块，容易垮塌。

2.2 事故发生过程

隧道开挖过程及事故发生过程如图1所示。

本隧道导洞为双向掘进，右侧右下导洞从引洞与主洞交点（桩号Ⅰ+142）开始沿引洞轴线掘进，左侧中下导洞，净跨6.00m，从桩号Ⅰ+401往Ⅰ+142掘进。在桩号Ⅰ+180处，左侧导洞提前15.00m停止掘进，右侧导洞在此扩挖出10.00m长全断面洞室，作为主洞室开挖钻孔台架现场组装场所。该10.00m长主洞室立即按设计编织Ø8mm@200mm×200mm钢筋网，打设Ø22mm@ 1000mm×1000mm系统锚杆，喷射C25素混凝土并养护。主洞由Ⅰ+180往Ⅰ+401方向全断面扩挖掘进。

事故发生过程：6月30日，钻孔台架拼装完毕，项目部立刻安排爆破掘进班组进尺2.50m，开挖后发现顶拱有破碎带，局部掉石块。项目部经与建设方、监理方沟通后，决定将主洞室的顶拱开挖面增高0.80m，这样更有利于围岩的整体稳定性。因此，项目部安排焊工重新加工钻孔台架。由于工序干扰，项目部只对新进尺的2.5m洞室喷射了5cm厚的C25素混凝土。焊工从7月1日开始加工台架，5d后，发现顶拱混凝土表面有一条裂缝，接下来几天，发现裂缝在扩张。7月10日，台架整改完毕，焊工将情况告知项目经理部。项目经理觉得这条裂缝可能是新疆干燥天气造成的干缩裂缝，为加快进度，准备再掘进2.50m后一起施作锚喷支护。7月11日，爆破掘进班组开挖掘进2.50m，项目部施工员现场指挥挖机师傅排渣，挖机铲刚碰到顶拱危岩即发生塌方，拱顶从前往后发生大约5.00m长、3.00m宽的塌方，塌方体顶点高2.50m，石方体积约35m3，为中等塌方。挖机整体被埋没，施工员侥幸逃生。

图1 隧道开挖及事故发生过程简图

3 事故原因分析

事故原因主要分客观因素和主观因素。客观因素包括围岩节理裂隙发育、黄色泥质夹层厚、爆破对围岩扰动大、工期紧；主观因素包括管理人员对风险估计不足，没有及时编织钢筋网、打设系统锚杆和喷射混凝土，更主要的是发现问题了没有及时处理，抱有侥幸心理和闯关心态。

3.1 开挖方法

根据引洞的开挖情况，本隧道岩石坚硬，节理裂隙发育，根据《岩土工程勘察设计手册》，Ⅳ级围岩跨度大于5.00m时，岩体一般无自稳能力，数日—数月内可发生松动变形、小塌方，进而发展为中—大塌方，因此最好使用分布分区开挖的施工顺序。但是建设方要求加快进度，邀请到现场的专家也认为此围岩在没有超前锚杆或超前小导管支护的情况下全断面开挖风险也不大，因此项目部采用了中下导洞加无超前支护全断面扩挖法，这降低了开挖面的稳定性。

3.2 爆破的影响

首先，由图1可知，右侧导洞在桩号Ⅰ+180处分3次扩挖出10.00m主洞，爆破对事故地点顶拱围岩进行了多次扰动。其次，按照前期施工方案，图1中左侧导洞提前15m要停止掘进，由于重新加工钻孔台架耽搁了10d，项目部安排爆破掘进班组继续开挖左侧导洞直至到达桩号Ⅰ+180，爆破又多次扰动了事故地点围岩。

3.3 侥幸心理

一方面，本项目处于Ⅳ级围岩，跨度大（毛洞设计净跨14.36m），在没有超前支护的情况下，一次掘进2.50m，开挖风险不小；另一方面，现场施工员没有仔细观察开挖面的情况，也没有详细做记录；再一方面，现场工人向项目部反应了情况，管理人员没有采取紧急支护措施；接下来的爆破掘进就是点燃事故的导火索。

4 用块体极限平衡理论分析事故发生过程

4.1 计算参数的选取

主要结构面走向和隧道轴线的关系如图2所示，结构面倾角平均值为70°，岩层平均厚度为0.8m。岩层内部X共轭节理裂隙发育，根据塌落拱观察，走向与隧道轴线平行有2大节理，在此命名为节理1和节理2，倾角分别为39°和53°（如图3所示）。岩石为花岗岩，强度高，刚度大；节理充满泥质充填物，强度低，结构面比较光滑；岩体主要沿结构面张开、滑动、翻滚。滑坡体本身也是破碎岩体，内部节理裂隙非常发育，岩石碎块多在5～30cm。本项目地处西北干旱区，水量贫乏，对开挖过程没有影响。

图2 隧道轴线和主结构面关系

图3 滑坡体剖面图

表1 岩石物理性质[5,6]

岩石物理性质见表1，这些数据是通过查阅《地质勘察报告》并参照前辈的工程实践或实验得到的。

4.2 分析过程

（1）基本假设：

①由于坍塌体四周的结构面填充了黄色泥质物，在爆破冲击波的作用下，节理1和节理2张开，可以假设填充物的粘聚力为0MPa。

②坍塌体上方的岩体能长时间保持稳定，可以假设上方岩体对坍塌体的粘聚力和压应力均为0MPa。

③根据块体理论，假设岩体为刚体，不考虑岩体自身的变形。

④岩体结构面平滑，分析岩体在重力和摩擦力作用下的稳定性。

（2）单层滑坡体分析：分析简图如图4所示。

图4 单层滑坡体示意图

岩体A下滑力T=G×sin70°=0.94G；

摩擦力T1=N1×f=G×cos70°×f=0.34×0.64G=0.22G；

岩体A左侧的岩体也为不稳定岩体，在此假定T2=0；

图3中节理1和节理2张开，2个结构面对岩体A的摩擦力T3=0（结构面与图4岩体垂直，未标示）；滑坡体下方为凌空面。

综上所述下滑力T＞T1，在图3中节理1和节理2松动张开的情况下，岩体必然沿着主结构面下滑。要使滑坡体稳定，掘进之前必须要打设超前小导管。

（3）多层滑坡体分析：由图5可知，隧道一次掘进2.5m，开挖面穿越3层滑坡体（D-F滑坡体）。根据单层滑坡体的分析，在没有系统锚杆和超前小导管的锚固作用下，隧道一旦掘进爆破，节理1和节理2容易张开，多层滑坡体发生坍塌是大概率事件。本次事故即可由该大概率事件解释。

6月30日，图1中桩号Ⅰ+170隧道全断面掘进2.5m，滑坡体A-C底下成为临空面，再加上爆破冲击波对滑坡体的影响，节理张开，滑坡体摇摇欲坠（现场掉块）。此时，项目部忙于重新加工钻孔台架和打通图1中左侧中导洞。7月5日，左侧中导洞贯通，最后一次爆破又扰动了滑坡体A-C，局部掉块。7月11日，图1中桩号Ⅰ+167.5全断面爆破掘进2.5m，此时滑坡体A-C的节理1和节理2已经完全张开，一碰即沿着主结构面滑落。滑坡体A下滑后，滑坡体B、C依次下滑，失去支撑的滑坡体D、E、F也紧跟着下滑，至此坍塌事故已经酿成。

图5 多层滑坡体示意图

5 掘进工程改善

根据以上分析，为确保掘进过程的围岩稳定安全，项目部参照浅埋暗挖法的“十八字”方针，最终采取以下措施：

（1）管超前。针对滑坡体的断层碎块，采用超前导管注浆加固地层，使松散碎石层经注浆加固后形成一个壳体，增强其自稳能力，防止出现过多坠石。导管采用Ø42mm×3.5m钢管，间距0.40m，仰角约为10°，管的尖端和管上注浆孔专门加工。

（2）严注浆。在导管超前支护后，立即进行压注水泥浆液充填碎石裂隙，使得破碎岩体形成一个整体，增强其自稳能力，为施工提供一个相对安全的环境。

（3）强支护。按照开挖→初次喷射混凝土→架立钢拱架→编织钢筋网→打设系统锚杆和超前小导管→最终喷射混凝土→开挖的施工顺序进行隧道掘进。钢拱架选用16#普通工字钢，间距1m。系统锚杆采用全长粘结式锚杆（Ø22mm螺纹钢），全过程均采用超前小导管注浆加固。

系统锚杆和超前小导管如图6所示。

图6 隧道初期支护图

（4）系统锚杆核算。根据《岩土锚固技术手册》[8]，单根锚杆的锚固力计算公式为Tu=pDLΔs。

按系统锚杆深入稳定岩层1m计算，取Δs=4MPa。

Tu=276kN＞钢筋的承载能力T=114kN。因此，取Tu=114kN。

1m宽滑坡体的重力G=1×1×2.5×25.5=63.8kN。

Tu＞G，系统锚杆满足要求。

（5）勤观察。隧道爆破掘进后，一定要观察前一排炮的喷射混凝土表面的裂缝情况，以便采取措施防止掉块和塌方事故。

（6）改善效果。采取以上措施后，由于岩层裂隙发育、破碎，虽然没有获得良好的光面爆破效果（眼痕率小于20%），但是隧道平均线性超挖值小于150mm，掉块情况很少，做到了安全稳定快速地全断面掘进，隧道开挖按计划完成。

6 结论

经过实践证明，块体极限平衡理论在本文得到了很好的应用，以该理论为基础获得了如下结论：

（1）本文岩石为花岗岩，强度高、刚度大；结构面有泥质填充物，强度低；应用块体极限平衡理论假定岩体为结构面切割而成的刚体、块体失稳为脱离岩体产生剪切滑移等平动形式，并结合刚体极限平衡分析，计算块体的稳定性，探讨相应的工程支护措施。实践证明，该理论在节理发育的硬质岩体中应用是成功的。

（2）根据本文事故的发生过程，虽然结构面有泥质填充物，强度低，但是结构面变形、岩体滑移是有一个过程的。因此，碰到Ⅳ级围岩，隧道开挖后，一定要立刻喷射一次混凝土，这样便于观察结构面的变形情况，以便采取措施防止塌方事故。

（3）本文采用了浅埋暗挖法“十八字”方针中的三点：管超前、严注浆和强支护，“勤量测”换成了“勤观察”，观察喷射混凝土表面有无裂缝，裂缝有无发展。做到了安全稳定快速地全断面掘进，隧道开挖按计划完成。 参考文献：

[1] 易菊香.块体极限平衡理论在隧道施工中的应用研究[D]．西南交通大学硕士研究生学位论文,2003:1.

[2] 徐明毅,汪卫明,陈胜宏.三维刚体极限平衡法中荷载的计算方法及工程应用[J].岩土力学,2004,25(5):755-758.

[3] 陈祖煜,弥宏亮,汪小刚.边坡稳定三维分析的极限平衡方法[J].岩土工程学报,2001,23(5):525-529.

[4]GB 50086-2001锚杆喷射混凝土支护技术规范[S].

[5]林宗元.岩土工程勘察设计手册[M].辽宁:辽宁科学技术出版社,1996:177-180.

[6] 林宗元.岩土工程试验监测手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2005:43.

[7]徐干成,白洪才,郑颖人，等.地下工程支护结构[M].北京:中国水利水电出版社,2002:67。

[8] 闫莫明,徐祯祥,苏自约.岩土锚固技术手册[M].北京:人民交通出版社,2004:443.

U451.2

A

1004-5716(2015)04-0192-05

2014-04-17

2014-04-24

黄跃（1977-），男（汉族），安徽含山人，工程师，现从事隧道工程、地质灾害施工工作。