塌方影响下凤岭隧道贯通施工技术及数值模拟研究

张龙生， 翁贤杰

(江西交通咨询公司， 江西 南昌　330008)



塌方影响下凤岭隧道贯通施工技术及数值模拟研究

张龙生， 翁贤杰

(江西交通咨询公司， 江西 南昌330008)

摘要：隧道即将贯通时遭遇塌方，会使贯通面临塌方可靠处理和贯通安全施工双重困难。为保障隧道贯通施工安全，避免塌方，依托江西省昌宁高速公路凤岭隧道在塌方影响下的贯通施工，通过分析研究隧道贯通施工处理过程中的重点和难点，提出综合物理探测、塌方段管棚注浆支护、贯通面合理确定、贯通段管棚注浆支护以及洞身短开挖强支护等系统化的技术方法，并采用三维数值模拟方法对施工过程中围岩、初期支护的应力和位移进行分析，验证施工处理技术的可行性。现场监测结果和处理效果证明，该系统化施工技术体系在塌方影响下的隧道贯通施工是安全有效的。

关键词：凤岭隧道； 塌方； 隧道贯通； 系统化处理技术； 数值模拟； 监测

0引言

近年来，伴随着隧道工程的大量建设，隧道施工中所面临的地质条件越来越复杂，因而，施工期间塌方等地质灾害时有发生，给隧道工程建设带来困难[1-2]。隧道贯通是隧道建设过程中十分关键的一步，具有较大的施工风险和技术难度。如果在即将进入贯通段或在贯通段施工中发生塌方，将会使隧道贯通施工面临围岩应力释放重组、塌方不稳定性等多重不利因素的影响，会使隧道贯通施工变得复杂。

目前，国内外关于塌方影响下隧道贯通段的施工处理积累了一定经验，也提出了相应的措施。如文献[3]对公山隧道贯通段塌方原因进行了分析，主要提出了管棚支护和初期支护加强处理技术；文献[4]以大棕坡隧道贯通段因穿越断层而造成的塌方为工程背景，主要提出了初期支护加固、管棚超前支护、径向固结注浆等治理措施；文献[5]依托南村隧道工程，针对贯通段围岩较软弱、易发生坍塌等特点，提出采用超前小导管、增强初期支护和减振爆破的技术方法防止塌方；文献[6]针对双江口水电站阿斯布隧道贯通段塌方，分析了塌方的原因及形态，提出了先加固塌方两端影响带、后加固塌方中心区的施工原则，并采用自钻式锚杆加强初期支护和提高衬砌混凝土强度等级的施工技术。然而以上研究多数采用工程类比和经验方法施工，缺乏一定的系统性和可靠性。因此，研究可靠的塌方影响下的隧道贯通技术，对于隧道安全贯通具有重要意义。

本文结合江西省昌宁高速公路凤岭隧道工程，针对塌方影响下隧道贯通施工的特点、难点和重点，提出了包含物理探测、塌方处理、超前支护和洞身开挖支护等系统化的隧道贯通段施工技术措施，并对技术措施的可行性进行数值模拟分析论证，取得了预期的效果。

1工程概况

江西省昌宁高速公路凤岭隧道为越岭分离式公路隧道，隧道左线起讫桩号ZK156+130～ZK157+385，长1 255 m，右线起讫桩号K156+125～K157+360，长1 235 m，隧道最大埋深约160 m。隧址区属侵蚀低山地貌，隧道中线对应的山体地面标高200～360 m，相对高差较小。隧道进口地形较缓，坡度10～12°；出口地形上陡下缓，坡度15～30°；隧道进、出口与山体相交角度均较大。

隧道进口右洞开挖至YK156+813附近时，揭露围岩风化严重，呈泥夹石状，胶结力弱，围岩稳定性差。2015年6月3日，隧道右洞YK156+817上导开挖后不久，正准备立初期支护钢拱架时，掌子面拱部出现局部小掉块，仅一小段时间后，掌子面开始有陆续的大量掉块，最大块径约为1 m。持续塌方过程中，地下水顺岩体裂隙渗出，出水量较大。至塌方稳定后，塌方堆积体纵向长度约为9 m，横向宽度约为10 m，塌方量约为300 m3。

2015年6月3日塌方时，隧道右洞进口端上台阶掌子面施作至YK156+817，出口端掌子面施作至YK156+853，进出口掌子面仅相距36 m即可贯通。

2贯通施工总体技术

2.1施工重难点分析

根据开挖揭露及前期地质勘察资料，目前隧道剩下的30～40 m围岩级别达到V级，岩体破碎、裂隙发育、富水性较好。在围岩软弱破碎的情况下，隧道开挖施工过程中极易发生失稳坍塌。

隧道贯通段岩体开挖过程中会产生应力集中、释放和重组，使隧道围岩处于不稳定状态，易发生失稳现象；加之该贯通段围岩破碎软弱，使贯通过程中围岩的不稳定性加剧。此外，受进口右洞塌方影响，掌子面前方原软弱围岩结构进一步扰动，块体间结合性更差，且围岩富水性增加，导致围岩自稳能力极低，隧道安全贯通施工风险急剧增加。

可见，隧道贯通段受软弱围岩和塌方的双重不良地质条件影响，研究制定科学、合理、有效的技术处理措施方案，对隧道安全顺利贯通具有重要作用。

2.2总体技术路线

为有效处理塌方，防止塌方进一步扩大，并保证隧道顺利贯通，考虑以管棚注浆法为主要技术手段，遵循“先行加固、防止扩展、后续处理、稳步通过”的原则，采取包含探测了解、塌方治理、围岩加固、稳步开挖支护的系统化贯通施工技术体系。施工技术路线如图1所示。

图1　隧道贯通施工技术路线

1)对贯通段围岩进行探测，进一步获取塌方段前方地质情况、塌方大致影响范围等信息，以便有针对性地设计治理措施和方案。

2)对进口塌方及其影响段围岩进行管棚注浆加固，提高影响段围岩的自稳能力，为后续开挖创造条件。

3)合理确定隧道右洞贯通面及贯通单头掘进方向，使隧道贯通面处于较有利的受力状态。

4)出口掌子面采取三台阶预留核心土开挖法，及时支护，稳固推进至设计贯通面。

5)由出口向进口方向施作管棚，与进口端施作的管棚形成有效的搭接，共同对隧道贯通段岩体进行加固，利于贯通段软弱围岩开挖过程中的稳定。

6)采用三台阶预留核心土法从进口端向贯通面单头掘进，超前支护配合开挖，直至隧道贯通。

3贯通施工综合技术措施

3.1贯通段地质情况探测

根据总体技术路线，为查明隧道右洞进出口掌子面前方及周边围岩地质情况、塌方影响范围，并保证探测精度，在两端掌子面相距20～30 m时，进行地质雷达超前预报。结合现场情况，右洞出口端掌子面施作至YK156+847时进行探测。采用美国地质雷达，型号SIR-3000，天线主频100 MHz。掌子面的测线布置情况如图2所示，地质雷达探测成果如图3所示。

图2　掌子面测线布设(单位： cm)

图3　地质雷达探测成果

根据探测成果，并结合相应的地质资料，分析得到以下结论。

1)地质雷达成果图显示，在预报范围内雷达的反射信号较强，同相轴错断，波形杂乱，出现中高频反射波，呈多次波反射性状。同时，从揭露的掌子面围岩情况来看，判断贯通段围岩以砂岩为主，围岩等级为V级，岩体破碎，呈碎裂状结构，强风化，节理裂隙发育，层面不连续，整体湿润，围岩整体稳定性差，且有不断变差的趋势。

2)掌子面前方21 m范围内反射信号强，之后能量衰减较快。结合右洞进口塌方情况，判断YK156+826至进口掌子面段9 m岩体破碎程度加剧，为塌方及其影响段，施工时应给予重视。

3.2进口端管棚注浆法处理塌方

塌方的安全处理很重要，不同的塌方情况，其处理方法也不同，应根据塌方的具体形态，合理选用处治措施。从形态角度看，隧道塌方可归结为局部塌方、拱形塌方、异形塌方、膨胀岩塌方、大变形及岩爆；从规模角度看，隧道塌方可分为小塌方(塌方量小于30 m3)、中塌方(塌方量30～100 m3)和大塌方(塌方量大于100 m3)。隧道塌方治理主要有锚喷支护法、小导管法、管棚法、注浆法、衬砌加强法、回填法以及各种方法组合等[7-8]。对于洞身内小型塌方，常采用锚喷法、小导管注浆法或者衬砌加强等；若塌方量较大、影响较严重时，较多采用加强衬砌、注浆或者管棚法等；当洞内有大量涌水、涌泥时，多用构筑挡墙，采取注浆加固等方法。

本次塌方属于大型塌方，且塌方对于安全贯通影响较大。基于安全、可靠和经济的原则，综合考虑地质情况、现场机械设备、技术力量、合理施工工期等因素，采用管棚注浆加固方案处理塌方，并在开挖前配合超前小导管支护技术措施，防止隧道右洞进口掌子面坍塌扩展、围岩稳定性进一步变差。

塌方处理前，为防止塌方向后扩展，并为管棚创造有效支点，对塌方附近6 m已支护段进行加强。先在原初期支护各台阶拱脚部位增设4根6 m长φ42锁脚钢管加强；然后紧贴原初期支护设置I18工字钢临时支撑，纵距0.5 m；再对拱部135°范围内采用5 m长φ42径向小导管注浆，小导管纵、环向间距均为1 m，梅花形布置，注浆采用1∶1水泥浆液，注浆压力为0.5～1.0 MPa。

对进口掌子面及塌方体坡脚以上部分土体表面挂φ8钢筋网@20 cm×20 cm，并喷射20 cm厚C20混凝土封闭，稳固塌体，防止塌方扩大。回填石渣，构筑管棚施工作业平台，平台段长度4 m，斜坡坡率1∶2，便于钻机平稳工作和管棚注浆施工。

选取管棚钢管直径89 mm，壁厚6 mm，环向间距35 cm，并在拱顶120°范围内布置，仰角3～5°。根据探测结果，塌方及其影响段为YK156+817～+826的9 m范围内，考虑到管棚应深入较好围岩以形成稳定的支点，所以管棚长度应大于9 m。此外，根据现场钻孔施工情况来看，在目前的围岩情况下，若采用长管棚，钻孔施工中易出现抱钻、卡钻、塌孔和钻孔精度难以保证等问题，因此，选取管棚长度为10 m。

由于塌穴口附近围岩稳定性极差，若采用传统的在掌子面附近扩挖管棚工作洞室的方法，施工安全风险非常高，且工期较长。因此，采用在掌子面附近初期支护钢架下方安装3榀I18工字钢套拱，套拱上设置1.5 m长φ108导向管，作为管棚支点和定位。套拱间距0.5 m，通过拼接板与初期支护钢架焊接，拱脚两侧前后设置2根4 m长φ42锁脚钢管，并与初期支护钢架牛腿焊接牢固；环向每隔1 m贴近初期支护钢架打入3 m长φ22水泥砂浆锚杆，锚杆末端弯成“L”型，与初期支护钢拱架和套拱卡紧焊牢；纵向采用1 m长φ22钢筋连接。套拱安装好后，准确测量放样导向管孔位，导向管间距0.35 m，检查无误后，与套拱焊接固定。套拱、导向管安装完毕后，喷射混凝土封闭，与初期支护形成稳固的整体。套拱、导向管安装如图4所示。

图4　套拱、导向管安装示意图(单位： cm)

采用履带式钻机钻孔，开钻前，钻机应停放平稳，钻具与导向管的轴线应一致。钻孔按照先边墙后拱顶、跳孔施工，钻孔间隔距离应满足不使注浆孔串浆的原则。钻进过程中每钻进1～2 m，使用地质罗盘仪、全站仪、悬吊式量角器等经常检查钻孔角度并及时调整，确保钻孔角度满足设计要求。施工过程中发生抱钻、卡钻、塌孔时，可采用跟管钻进或注浆充填后重新钻进的方法。钻孔施作完毕后，管棚分节送入钻孔，分节接头错开布置，管棚长度应包含导向管长度。实际施工时，奇数孔采用5 m+7 m接长，偶数孔采用7 m+5 m接长。管棚端部预留2.5 m止浆段，管体每0.3 m设孔径为15 mm的注浆孔，梅花形布置。

塌方及其影响段内围岩破碎、胶结差，应重视管棚注浆施工，以发挥注浆填充围岩裂隙、提高围岩自稳能力的作用。管棚注浆采用1∶1水泥浆液，注浆初压0.5～1.0 MPa，终压2.0 MPa。注浆按照从下到上、两侧对称、奇偶孔错开的原则施工，使浆液由下至上逐步充填岩体空隙，并且后序孔可以检查前序孔的注浆效果。注浆过程中，若注浆压力长时间不升高，可采用提高浆液浓度、间歇式注浆或改注双液浆等方法；若出现串浆，可采用麻纱、锚固剂封堵处理，如效果不佳，可采用间歇式注浆或改注浓浆、双液浆。注浆施工中，应根据堵排相结合的原则，留设引排水孔，保障注浆安全。

3.3隧道贯通面确定

贯通面应避开地质灾害发生的部位，选择距离塌方影响范围之外的一定距离处，并且应选择在围岩较好的地方。YK156+817～+826为隧道塌方及其影响段，虽然经过进口右洞10 m管棚注浆加固，但是贯通过程中，隧道应力集中效应显著，由于地质条件的复杂性，为防止塌方的可能扩展，贯通面应选取在YK156+827之后的一定范围内。

根据隧道右洞出口的施工情况和超前地质预报，YK156+847前方约16 m围岩(小里程方向)相对较好。此外，在进口端处理塌方的同时，为合理保证施工进度，出口端施工掌子面还可向前推进10 m左右。但是，若贯通面再往前推，则减少了隧道贯通段及其较好围岩段的长度，不利于贯通开挖过程中围岩的稳定性。

因此，为减少贯通面附近围岩受应力释放、重组的影响，并保证有适宜长度的贯通段岩体，隧道应在较好的围岩地段贯通。确定YK156+837为隧道右洞贯通面，贯通开挖由进口端向出口端单头掘进。

3.4出口端稳固推进至贯通面

根据确定的隧道贯通面，出口右洞采用三台阶预留核心土法开挖，超前小导管支护配合，稳固推进至YK156+837后，挂φ8钢筋网@20 cm×20 cm，并喷射20 cm厚C20混凝土封闭掌子面，不再开挖掘进。施工过程中，应严格遵循“短进尺、弱爆破、强支护、勤量测”的施工原则，确保施工安全。

3.5出口端管棚注浆支护

贯通段岩体为软弱围岩，强度低，遇水易软化，在贯通开挖的应力集中下，极易发生坍塌。因此，右洞出口端开挖支护至YK156+837后，封闭掌子面，实施超前管棚注浆支护，与进口端施作的管棚形成有效搭接，在拱顶上方形成一定范围的“硬壳”，增强贯通段岩体的自稳能力，确保隧道贯通安全。管棚钢管直径89 mm，壁厚6 mm，环向间距35 cm，拱顶120°范围内布设，仰角 3～5°。

掌子面开挖后，设破裂面与掌子面成45°-φ/2夹角[9-10]，掌子面与破裂面之间的岩体对管棚的支点效应减弱。由于贯通采用从进口向出口方向开挖，当掌子面施工至进口端管棚末端时，因支点削弱效应，造成进口端管棚末端部分成为“悬臂结构”，使结构受力较为不利。因此，出口端管棚应伸入进口端管棚悬臂段，与之形成有效搭接，共同受力。搭接长度分析模型如图5所示。

根据图5，设掌子面上导开挖高度H，围岩内摩擦角φ，则开挖影响段

l2=Htan(45°-φ/2)。

(1)

设初期支护距掌子面开挖未支护段长l1，则进口端管棚末端的悬臂段长度

l=l1+l2。

(2)

取隧道上台阶开挖高度H=2m；每循环开挖进尺0.5m，因实际施工偏差以及最靠近掌子面的初期支护不能立即沉降稳定，故适当扩大初期支护距离掌子面未支护距离，取l1=0.8m；管棚注浆加固后围岩力学性质会有所提高，可视为较好的Ⅴ级围岩，故取内摩擦角φ=27°代入式(2)可得

l=0.8+2×tan31.5°=2.03m。

图5　管棚搭接长度分析模型

出口端管棚伸入进口端管棚的搭接长度应不小于进口端管棚末端的悬臂段长度，故搭接长度取3 m，设计出口端管棚总长度13 m。

出口端掌子面后方围岩相对较好，为方便管棚施工操作，避免因管棚侵入隧道轮廓后期需割除而影响管棚加固段的整体性和稳定性，出口右洞管棚施工采用扩挖管棚工作洞室的方法。根据洞内空间和管棚角度，同时为减弱扩挖长度、跨度对扩洞段围岩的扰动，

设计扩挖高度0.4 m、长度4 m。工作洞室内的导向管、套管安装方法，管棚钻孔，注浆工艺与进口端一致。管棚实际施工时，奇数孔采用6 m+9 m接长，偶数孔采用9 m+6 m接长。

3.6隧道右洞贯通开挖及支护

待上述系统的管棚注浆加固完成后，隧道贯通段岩体自稳能力增强，采用三台阶预留核心土开挖方法，从进口端YK156+817向出口端YK156+837开挖，直至贯通。管棚上方围岩加固区域较小，开挖前，施作超前注浆小导管对围岩进行加固补强。 超前注浆小导管采用φ42×3.5 mm，仰角15～20°，拱部120°范围内设置。小导管长4 m，环向间距40 cm，梅花形布置，2.5 m施作1环，搭接长度1 m以上。采用1∶1水泥单浆液注浆，注浆压力取0.5～1.0 MPa。

贯通段采用机械开挖为主、人工开挖为辅的施工方法，局部需爆破时，必须采用弱爆破。施工过程中，各台阶循环开挖进尺应严格控制在0.5 m，上台阶核心土长度宜为4 m左右；中、下台阶开挖高度宜为3～3.5 m，两侧台阶错开2～3 m；仰拱每循环开挖2～3 m，各步随挖随支，及时封闭。初期支护采用φ8@20 cm×20 cm双层钢筋网，I18工字钢拱架纵距50 cm，25 cm厚C20喷射混凝土，300 cm长φ25@100 cm×50 cm中注式锚杆。具备二次衬砌施工空间和条件后，及时浇筑二次衬砌钢筋混凝土。贯通段剩余3 m时，采取超前钻孔先穿透、再采取上台阶贯通，然后逐步全断面贯通，以减少围岩的急剧扰动，保障贯通安全。贯通过程中，应及时进行贯通测量，控制贯通误差。

综上分析，制定隧道贯通处理方案如图6所示。

图6　隧道贯通施工方案

4贯通施工数值模拟分析

隧道工程事故中有1/3～1/2是因支护设计不当或不及时而造成的[11-12]。施工过程中，若方案选取的设计参数不能满足围岩稳定性要求，就会造成塌方或者再次塌方。因此，为保证隧道施工安全，采用数值计算方法对采取的技术方案进行分析和论证。

4.1模型建立

根据施工方案，建立管棚预注浆加固并辅以超前小导管注浆支护后的计算模型，采用COMSOL Multiphysics有限元数值模拟软件计算。模型水平方向由隧道中心向两侧各取40 m，竖直方向下边界取至隧道中心下25 m，上边界取至隧道中心上40 m，纵向取20 m。模型上边界为自由边界，受125 m岩体自重应力，开挖段及掌子面为自由边界，左右、前后边界限制水平位移，设为辊支承约束，底部边界设为固定约束。

为简化计算，管棚注浆、小导管注浆支护区采用适当提高加固区域围岩级别及其力学参数的方式模拟[13-14]。考虑到塌方影响区域围岩强度弱化，相对较好段的围岩力学参数较塌方影响段应适当提高。二次衬砌作为隧道安全储备结构，在本次模拟中不予计算分析。

初期支护中的锚杆，按将加固范围内围岩的弹性模量、黏聚力和内摩擦角提高10%，可获得较好的计算效果[15]。综合考虑钢筋网、钢拱架与喷射混凝土，钢筋网应适当提高喷层参数，钢拱架按等效法将其模量折算于喷射混凝土[16]，则

E=E0+SgEg/Sc。

(3)

式中： E为折算后混凝土弹性模量； E0为原混凝土弹性模量； Sg为拱架支护等效面积； Eg为拱架弹性模量； Sc为支护断面面积。

经计算，取喷射混凝土厚度为30 cm，按弹性模型计算。

模型及网格划分如图7所示。为了便于分析说明，设计了管棚辅以小导管注浆支护、仅按小导管注浆支护2种工况，对施工技术方案进行评价分析。

图7　三维计算模型及网格划分

4.2计算参数

围岩和支护结构的力学参数参照工程地质报告、上述分析和现行设计规范选取，见表1。

表1　模型计算参数

4.3数值模拟计算方法

在COMSOL Multiphysics中，隧道开挖时土的力学行为通常采用2步求解[17]。第1步求解开挖前岩土体的初始应力状态；第2步求解开挖后岩土体的弹塑性行为，并采用第1步求解的原位应力，反复计算，直至开挖完成。数值计算根据上述施工开挖方法进行，分别计算在管棚辅以小导管注浆支护、仅按小导管注浆支护2种工况下隧道贯通段围岩的应力、位移情况。

4.4计算结果分析

隧道施工完成后，为便于比较，截取塌方影响区域中部断面YK156+822进行应力、位移比较分析。

4.4.1应力分析

隧道开挖后，在管棚辅以小导管注浆支护、仅按小导管注浆支护2种工况下，围岩、初期支护应力情况如图8和图9所示。

由图8和图9可以看出： 围岩、初期支护主应力主要集中于隧道侧壁、拱脚区域；在管棚辅以小导管注浆支护条件下，初期支护第一主应力最大为3.65 MPa，初期支护结构最大拉应力为0.89 MPa；仅采用小导管注浆支护条件下，初期支护第一主应力最大值为4.59 MPa，较前者支护方式应力提高了0.94 MPa，增加了25.7%，初期支护结构最大拉应力为1.29 MPa，已超出了喷射混凝土的允许拉应力。此外，仅采用小导管注浆支护条件下围岩应力均比管棚辅以小导管注浆支护条件下得高，且应力集中程度有所扩大，隧道围岩、初期支护结构承受较大的应力，不利于隧道结构的稳定。

4.4.2位移分析

管棚辅以小导管注浆支护、仅按小导管注浆支护2种工况下隧道的竖向位移、水平位移情况如图10和图11所示。

(a) 围岩第一主应力

(b) 初期支护第一主应力

Fig. 8Stress of surrounding rocks and primary support under pipe-roof + small duct grouting (Pa)

(a) 围岩第一主应力

(b) 初期支护第一主应力

Fig. 9Stress of surrounding rocks and primary support under small duct grouting (Pa)

(a) 竖向位移

(b) 水平位移

Fig. 10Displacement of surrounding rocks and primary support under pipe-roof + small duct grouting (m)

(a) 竖向位移

(b) 水平位移

Fig. 11Displacement of surrounding rocks and primary support under small duct grouting (m)

由图10和图11可以看出： 隧道沉降最大值出现在拱顶，水平位移最大值位于拱腰附近；采用管棚辅以小导管注浆支护时，最大拱顶沉降值为16.4 mm，最大拱底隆起值为23.7 mm；仅采用小导管注浆支护时，拱顶最大沉降值为48.2 mm，拱顶沉降增加近2倍，拱底隆起最大值为66.1 mm，非常接近设计允许值，不利于施工安全；管棚辅以小导管注浆支护时，水平收敛最大值为14.8 mm，小导管注浆支护时，水平位移最大值为29.2 mm，水平收敛增加近1倍。

由上述分析可知，采用管棚辅以小导管注浆加固方式相对于普通的仅采用小导管注浆支护方式，隧道围岩的应力、位移可以得到更好地控制，利于施工过程的安全。

5施作效果监测分析

按照该技术体系实施处理后，隧道实现安全顺利贯通。在贯通段开挖支护过程中，按照每5 m布设1个监测断面，监测频率为1～2次/d，对多个断面的拱顶沉降、水平收敛进行严密监测。对塌方影响区域YK156+822断面数据进行分析，结果见图12。

图12　YK156+822断面拱顶沉降、水平收敛时间曲线

Fig. 12Time-dependent curves of crown settlement and horizontal convergence at YK156+822

从图12可以看出： 在隧道贯通段开挖13 d后，围岩变形速率明显降低，20 d后变形基本稳定；拱顶最大下沉量为26.1 mm，水平收敛最大值为22.2 mm，小于设计预留变形量10 cm，且实际情况与数值计算结果较接近。可见，采取的加固技术措施是安全可靠的。

6结论与讨论

1)塌方影响下隧道贯通面临塌方处理和贯通安全施工双重困难，施工难度大，风险高。施工处理前，采用地质雷达法对塌方影响下的贯通段进行探测，有效获取塌方影响段范围、贯通段围岩情况及其变化规律。这种“探查先行”的技术方法对于后续采取合理的技术措施具有重要的指导作用。

2)隧道贯通施工中，综合采用进口端塌方段加固处理、出口端超前支护贯通段围岩、根据围岩条件选取贯通面、由塌方段向较好的地段贯通开挖、三台阶预留核心土法开挖和强支护的系统化技术处理方法，是安全贯通的重要保证。

3)根据数值模拟结果对比分析，管棚注浆在塌方处理和软弱围岩加固中发挥了较大作用。相对于普通的小导管注浆处理措施，管棚注浆支护对围岩及初期支护结构的应力分布有较大影响，减少了应力集中现象，并有效抑制了围岩变形。

采用数值模拟方法验证所选施工方案的可行性，保证了隧道的安全顺利施工，这种方法可以为类似工程的设计和施工提供借鉴。但是，由于塌方影响下隧道贯通的复杂性，贯通段塌方机制、更接近工程实际的数值模拟方法需进一步研究，以提出全方位的技术措施，以便更好地指导工程实践。

参考文献(References)：

[1]钱七虎. 地下工程建设安全面临的挑战与对策[J]. 岩石力学与工程学报, 2012,31(10): 1945-1956. (QIAN Qihu. Challenges faced by underground projects construction safety and countermeasures [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2012, 31(10): 1945-1956. (in Chinese))

[2]张昱辉, 郭吉平, 孔凡林. 基于块体理论的隧道围岩稳定性分析[J]. 隧道建设, 2015,35(1): 41-45. (ZHANG Yuhui, GUO Jiping, KONG Fanlin. Analysis of stability of surrounding rock of tunnel based on block theory [J]. Tunnel Construction, 2015,35(1): 41-45. (in Chinese))

[3]甘小江. 隧道贯通段塌方处理施工技术[J]. 现代隧道技术, 2012,49(6): 168-171. (GAN Xiaojiang. Construction technique for treating a collapse at the tunnel breakthrough [J]. Modern Tunnelling Technology, 2012, 49(6): 168-171. (in Chinese))

[4]李雷明.断层塌方等恶劣地质条件下隧道贯通技术[J]. 山西建筑, 2011,37(11): 168-169. (LI Leiming. Fault landslides bad geological condition tunnel breakthrough technology [J]. Shanxi Architecture, 2011, 37(11): 168-169. (in Chinese))

[5]樊宇,叶春琳.软弱围岩小净距公路隧道贯通段施工技术研究[J]. 公路, 2013(7): 277-282. (FAN Yu, YE Chunlin. Study on construction technology for weak surrounding rock and small clear spacing highway tunnel[J]. Highway, 2013(7): 277-282. (in Chinese))

[6]刘斌洲,贾高峰. 双江口水电站阿斯布隧道贯通段塌方处理施工[J].四川水利,2011(4): 13-14. (LIU Binzhou, JIA Gaofeng. Treatment construction of collapse of breakthrough of Asibu tunnel in Shuangjiangkou Hydropower Station [J].Sichuan Water Conservancy, 2011(4): 13-14. (in Chinese))

[7]郑玉欣. 隧道施工塌方机理分析及处治技术[J]. 铁道工程学报,1999(2): 69-72. (ZHENG Yuxin. Analysis of slide mechanism during construction of tunnels and its treatment methods[J]. Journal of Railway Engineering Society, 1999(2): 69-72. (in Chinese))

[8]王法雨.玉庙隧道塌方原因分析及处理方案研究[J]. 隧道建设, 2011,31(3): 385-390. (WANG Fayu. Analysis of causes for and treatment of tunnel collapse: Case study on Yumiao Tunnel[J]. Tunnel Construction, 2011,31(3): 385-390. (in Chinese))

[9]张明聚,李忠凯，孟繁义，等. 浅埋暗挖隧道中管棚超前预支护优化[J]. 低温建筑技术, 2012(8): 113-115. (ZHANG Mingju, LI Zhongkai, MENG Fanyi，et al. The optimization of pre-support pipe-roof in the tunnel at shallow depth [J].Low Temperature Architecture Technology, 2012(8): 113-115. (in Chinese))

[10]李建军,谢应爽. 隧道超前支护管棚工法设计与计算研究[J]. 公路交通技术, 2007, 6(3): 140-143. (LI Jianjun, XIE Yingshuang. Study on design and calculation of pipe roof advance support method applied in tunnel [J]. Technology of Highway and Transport, 2007,6(3): 140-143. (in Chinese))

[11]卢义玉,陈凌云，冯卫强，等.锚喷支护及小导管注浆在隧道塌方段中的应用[J].重庆大学学报(自然科学版), 2009, 32(5): 572-576. (LU Yiyu, CHEN Lingyun， FENG Weiqiang， et al.Bolt-shotcrete support and small pipe grouting technology used in treating tunnel collapse [J].Journal of Chongqing University(Natural Science Edition), 2009,32(5): 572-576. (in Chinese))

[12]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. (XU Gancheng, BAI Hongcai, ZHENG Yingren, et al. Underground supporting structure[M].Beijing： China Water & Power Press, 2002. (in Chinese))

[13]Soliman E, Duddeck H. Two and three dimension analysis of closely spaced double-tube tunnels [J]. Tunneling and Underground Space Technology，1993，8(8)： 13-18.

[14]伍振志,傅志锋，王静，等. 浅埋松软地层开挖中管棚注浆法的加固机理及效果分析[J]. 岩石力学与工程学报, 2005,24(6): 1025-1029. (WU Zhenzhi, FU Zhifeng，WANG Jing, et al. Study of support mechanism and effect of shedpipe grouting technology for tunneling construction in shallow-buried soft stratum [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2005, 24(6): 1025-1029. (in Chinese))

[15]陈浩,任伟中，李丹，等.深埋隧道锚杆支护作用的数值模拟与模型试验研究[J]. 岩土力学, 2011,32(增刊1): 719-725. (CHEN Hao, REN Weizhong, LI Dan，et al. Numerical simulation and model test study of mechanism of bolt in deep tunnel [J]. Rock and Soil Mechanics, 2011, 32(S1): 719-725. (in Chinese))

[16]李术才,朱维申，陈卫忠，等. 弹塑性大位移有限元方法在软岩隧道变形预估系统研究中的应用[J]. 岩石力学与工程学报,2002,21(4): 466-470. (LI Shucai, ZHU Weishen, CHEN Weizhong, et al. Application of elastic-plastic large displacement finite element method to the study of deformation prediction of soft rock tunnel[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2002, 21(4): 466-470. (in Chinese))

[17]Schweiger H. Results from numerical benchmark Exercises in geotechnics[C]//Proceedings of 5th European Conference in Numerical Methods in Geotechnical Engineering. Florida: CRC Press, 2002: 305-314.

Study of Construction Technologies and Numerical Simulation of Fengling Tunnel Breakthrough under Impact of Collapse

ZHANG Longsheng, WENG Xianjie

(JiangxiTransportConsultationCompany,Nanchang330008,Jiangxi,China)

Abstract:Great difficulties will occur at tunnel breakthrough when collapse happens. In order to guarantee the construction safety of tunnel breakthrough and to avoid secondary collapse, the key points and difficulties of breakthrough construction of Fengling Tunnel on Nanchang-Ningdu Highway in Jiangxi are analyzed; the systematic processing technologies, including comprehensive geophysical prospecting, pipe-roof grouting support of collapse section, decision of rational tunnel breakthrough cross-section, pipe-roof grouting support of breakthrough section and short-distance excavation and strengthened support of tunnel, are proposed; the stress and displacement of surrounding rocks and primary support during construction are numerically simulated by means of 3D numerical simulation method. The monitoring results show that the technologies used are safe and feasible.

Keywords:Fengling Tunnel; collapse; tunnel breakthrough; systematic processing technology; numerical simulation; monitoring

中图分类号：U 456.3+3

文献标志码：B

文章编号：1672-741X(2016)04-0465-09

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.04.015

第一作者简介：张龙生(1966—)，男，江西南昌人，1991年毕业于湘潭矿业学院，采矿专业，本科，高级工程师，现从事公路工程建设管理及隧道技术研究工作。E-mail: 1404802526@qq.com。

收稿日期：2015-08-15; 修回日期: 2015-10-13