某隧道塌方腔体处治方法数值分析

钟乃龙，姜洪亮，黄　刚

(1.广西交通科学研究院，广西　南宁　530007；2.广西道路结构与材料重点实验室，广西　南宁　530007)



某隧道塌方腔体处治方法数值分析

钟乃龙1，2，姜洪亮1，2，黄刚1，2

(1.广西交通科学研究院，广西南宁530007；2.广西道路结构与材料重点实验室，广西南宁530007)

文章根据隧道塌方的特点，对广西境内某二级公路隧道塌方区提出两种处治方案并进行数值分析，得到了不同施工阶段下隧道各个部位的位移变化规律及围岩塑性区变化特点，同时对两种方案的处治效果作出了评价。

隧道工程；塌方；处治方案；数值分析

0　引言

随着高速公路的迅速发展，隧道穿越不良地质体成为一种常态，隧道塌方屡见不鲜，然而针对隧道塌方问题的研究主要集中在原因分析及处治措施，对塌方腔体内部锚杆施作先后顺序的问题探讨较少。本文以某二级公路隧道作为依托工程，针对塌方腔体区不同部位锚杆施作顺序提出两种处治方案，并进行数值模拟，对两种处治方案在不同施工阶段下隧道各个部位的位移量、围岩塑性区的出现进行分析对比，研究结果可为类似工程建设提供借鉴，具有重要的工程意义。

1　工程背景

广西境内某二级公路隧道为单拱越岭短隧道，起讫桩号K16+842～K17+085，全长243 m；设计高程246 m，最大埋深位于桩号K16+960，约77.9 m；隧道全长均位于直线上，纵坡为-0.6%，进、出口均位于山冲附近，地势均较低，中部地势高，为两山头间的坳口；本隧道进出口附近地段部分基岩出露，大部分地段被第四系残坡积物覆盖，为冲积、残坡积层(Q4el+dl)粘土、含砾粘土，基岩为砂岩和泥岩组成。

2014-11-14，上台阶开挖后发生塌方，塌方时隧道已出渣并未进行初期支护。经现场勘测发现为拱部拱形塌方，塌方高度为2.5 m，塌方段起讫桩号K16+921～K16+923.5。经分析，发现造成塌方险情的主要原因是隧区位于断层破碎带上，岩性为中～强风化泥岩，围岩级别为Ⅳ级，含孔隙水，岩体强度低，自稳能力差；在连续降雨的作用下，雨水入渗，此段裂隙水发育，含水量高，使强风化泥岩软化，土体抗剪强度减小，加之施工方未能及时施作初期支护，围岩变形未能得到有效的约束造成塌方。

2　隧道塌方抢险处治方案

隧道塌方应坚持“稳住塌方区、快速处理封闭成环”的基本原则；同时对塌方处治部位的处治顺序也至关重要，避免因隧道塌方未能得到及时处治而引发二次塌方。由于塌方影响区很不稳定，为了防止塌方引发的连锁反应，导致塌方区的范围扩大，首先应对已经施作好初期支护的影响区段进行加固处理(方案一、方案二相同)。本文根据隧道塌方特点，对塌方区处治提出两种处治方案，方案一针对塌方腔体顶部首先进行锚杆施作处理，然后再向塌方腔体两侧进行施作锚杆；方案二针对塌方腔体两侧首先进行锚杆施作处理，然后再向塌方腔体顶部进行施作锚杆(塌方腔体锚杆施作顺序不一致，其它的处治方法一致)。两种方案所用的材料参数相同，锚杆位置相同，锚杆施作角度一致，但锚杆施作顺序不一致。具体处治如下：

(1)塌方影响区的处治

对已支护好的影响段采用临时钢拱架内支撑，然后采用φ25中空注浆锚杆对围岩进行加固，长度为3m，锚杆纵向间距1.0m，环向间距0.8m，梅花形布设，并将锚杆端部与钢拱架焊接牢固。

(2)塌方区的处治

①塌方土体暂时不进行清理，防止在清理工程中由于对围岩的扰动而造成塌方面积的扩大。②上台阶进行初期支护。首先采用长度为3m、φ25系统锚杆对围岩进行加固，环向间距为0.8m，锚杆纵向间距为1.0m，梅花形布设；架立Ⅰ18的钢拱架；在钢拱架内侧挂一层20cm×20cm、φ8钢筋网片；两端采用长度为4m的锁脚锚杆对钢拱架进行加固；喷射厚度为25cm的C25混凝土形成初期支护；架设临时钢拱架。③当采取方案一时，首先对塌方腔体顶部进行锚杆施作处理，再对塌方腔体两侧施作锚杆(锚杆施作顺序：锚杆1、锚杆2；锚杆3、锚杆4；锚杆5、锚杆6；锚杆7、锚杆8)；当采取方案二时，首先针对塌方腔体两侧进行锚杆施作处理，再对塌方腔体顶部施作锚杆(锚杆施作顺序：锚杆7、锚杆8；锚杆5、锚杆6；锚杆3、锚杆4；锚杆1、锚杆2)。在塌方腔体上喷厚度为5cm的C25混凝土；安设塌方腔体两侧长度为5m、φ25的系统锚杆；在系统锚杆外侧挂设一层15cm×15cm、φ8钢筋网片；湿喷厚15cm的C25混凝土。④施作厚度为40cm的C25混凝土护拱。⑤对塌方区进行初期支护。架立Ⅰ18的钢拱架，在钢拱架内侧挂一层20cm×20cm、φ8钢筋网片，预埋φ108钢管。⑥通过φ108预埋钢管吹灌砂、碎石等混合干料进入塌方腔体，直至无法向塌方腔体灌人混合料为止[1.2]。如图1所示。

图1　塌方段处治横断面图

3　隧道施工有限元模拟

3.1有限元模拟计算

为了更好地比较方案一与方案二的优越性，比较两种处治方案在不同施工阶段隧道不同部位位移变化规律、围岩塑性区的变化情况，利用有限元法对某二级公路某隧道塌方段(桩号：K16+921～K16+923.5)施工全阶段进行动态模拟。

3.1.1基本假定

对于有限元分析模型做以下基本假定：(1)同一岩层的岩体为各向同性变形体，围岩应力与应变均不考虑空间效应，为二维平面应变问题；(2)对地层的初始位移进行清零处理，初始应力场不考虑地质构造应力，只考虑土体自重应力；(3)锚杆、钢拱架及衬砌材料均为弹性介质，围岩为弹塑性介质[3]。

3.1.2屈服准则

Mohr-Coulomb弹塑性模型在岩体材料的模拟中得到广泛应用，本文围岩采用屈服准则，其表达式为：

(1)

在π平面上是不等六边形，当σ1>σ2>σ3时，

(2)

式中：c——粘聚力(kPa)；

φ——内摩擦角(°)；

σ1——最大主应力(kPa)；

σ3——最小主应力(kPa)。

3.1.3材料参数选取

围岩力学参数依据《公路隧道设计规范》JTGD70-2004[4]及本隧道《工程勘察报告》，选取围岩相关物理参数取值；按照弹模换算法将钢拱架和钢筋网参数换算到混凝土中，运用弹性壳单元体模拟初期支护结构。支护结构与围岩的物理力学参数如表1所示。

钢拱架和钢筋网弹性模量折算给喷射混凝土，计算方式为：

(3)

(4)

式中：E——折算后喷射混凝土的弹性模量；

E0——原喷射混凝土的弹性模量；

Sg——钢拱架截面积；

Eg——钢材的弹性模量；

Sc——喷射混凝土截面积；

Sb——钢筋网的截面积；

L——单位长度。

表1　支护结构与围岩的物理力学参数表

3.1.4动态施工步骤模拟

利用上述有限元模型，对某隧道K16+922处按照处治方案的施工工序进行有限元动态模拟。如表2所示。

表2　两种处治方案的施工工序表

3.1.5边界条件选定

隧道开挖数值模拟分析的位移边界条件设置如下：左右边界施加水平向的约束、下底边界施加竖向的约束、上边界为自由边界。计算区域上边界取至地表，隧道中心线两侧各取3倍的洞径作为左、右边界，故模型宽度为79.56 m；纵向底部边界取3倍洞径作为下边界。隧道洞径为13.26 m，高度10.35 m；隧道拱顶发生塌方，塌方腔体高度约2.5 m，长度约5 m，面积约7 m2，如图2～3所示。

图2　隧道断面示意图(cm)

图3　计算模型图

3.2计算结果分析

3.2.1位移场分析

从图4可以看出，不同部位的累计位移量随着隧道施工的进行而不断增大，且在开挖时和隧道发生塌方时的位移变化量较大，塌方区锚杆支护及开挖支护过程中对隧道各个部位位移量影响较小。上台阶开挖与隧道塌方对拱顶下沉影响最大，上台阶开挖结束后拱顶沉降达到14.88 mm；其次是中台阶与下台阶开挖，当下台阶开挖结束时，采取方案一，拱顶沉降达到18.74 mm；采取方案二，拱顶沉降达到20.21 mm；塌方区锚杆支护以及开挖支护影响较小。左拱腰、右拱腰曲线趋势基本一致，各个施工阶段的累计位移量的大小也基本相同，主要是计算模型左右几乎对称和只考虑土体自重应力造成，上台阶开挖对拱腰位移量的影响比较大。中台阶开挖前的各施工阶段对左拱脚、右拱脚的影响很小，当中台阶开挖后左、右拱脚均迅速下沉，然而当中台阶支护结束，拱脚下沉量迅速趋于稳定状态，主要原因是下台阶支护后上部围岩自重和支护结构得到了支承，变形得到有效约束。中台阶开挖和下台阶开挖后仰拱隆起较严重，主要是因仰拱处土体应力释放造成的。中台阶开挖、下台阶开挖对周边收敛位移量影响较大，主要原因是临空面的增大，两侧围岩水平应力的挤压，造成周边收敛值的增大。浇筑仰拱结束后，采取方案一，拱顶沉降量为19.56 mm，拱腰沉降量为16.89 mm，仰拱隆起值为18.38 mm，周边收敛值为15.76 mm；采取方案二，拱顶沉降量为20.85 mm，拱腰沉降量为14.70 mm，仰拱隆起值为17.48 mm，周边收敛值为15.23 mm。综上所述，采取方案一对拱顶位移量控制取得很好的效果，但在隧道其余各个部位的位移量在各个施工工序中没得到有效的控制。采取方案二，塌方区锚杆支护时，拱顶下沉较快，但塌方腔体两侧围岩得到了控制，在塌方区治理后各个施工工序中隧道的各个部位位移量得到了有效的控制。

(a)方案一

(b)方案二

3.2.2塑性区分析

(1)方案一计算结果分析

从图5可以看出：塌方区锚杆施作前、施作锚杆3与锚杆4、施作锚杆结束、回填结束这四个施工阶段塌方腔体周边围岩塑性区与隧道周边围岩塑性区变化不大，围岩塑性区主要位于塌方腔体顶部、上台阶与拱腰交汇处，塌方腔体顶部出现塑性区主要是土体下沉引起的，而上台阶与拱腰交汇处主要是因土体隆起所造成。中台阶支护结束，中台阶与边墙交汇处出现了明显的塑性区，主要是中台阶开挖造成土体隆起。仰拱浇筑结束，仰拱上出现大面积的塑性区，在边墙与仰拱交汇处塑性区最明显，说明仰拱两侧土体隆起最为严重。

(a)施作锚杆前

(b)施作锚杆3与锚杆4结束

(c)施作锚杆结束

(d)回填结束

(e)中台阶支护结束

(f)仰拱浇筑结束

(2)方案二计算结果分析

从图6可以看出：塌方区施作锚杆前至回填结束后，隧道周边围岩塑性区并未出现太大的变化，说明在隧道塌方处治过程中周边围岩的塑性区没有进一步扩大，塑性区主要位于塌方腔体周边以及上台阶与拱腰交汇处。中台阶支护结束，中台阶与边墙交汇处出现塑性区，而塌方腔体周边围岩塑性区有小幅度的扩大，拱腰处的塑性区未发生变化。仰拱浇筑结束，仰拱与边墙交汇处的塑性区最明显，主要是边墙围岩的挤出与仰拱的隆起造成，其余各个部位塑性区与中台阶支护后的塑性区变化较小。

(3)塑性区对比分析

采取两种处治方案，在施作锚杆前、施作锚杆3与锚杆4结束、施作锚杆结束、回填结束四个施工阶段，隧道周边围岩塑性区出现的位置及大小基本相同；中台阶支护结束与仰拱浇筑结束两个阶段，塑性区出现的位置基本相同，但采用处治方案二，各个部位的塑性区有着明显的减小。

(a)施作锚杆前

(b)施作锚杆3与锚杆4结束

(c)施作锚杆结束

(d)回填结束

(e)中台阶支护结束

(f)仰拱浇筑结束

4　结语

数值分析结果表明：隧道拱部发生拱形塌方，采用喷锚支护时，锚杆施作的先后顺序对有隧道稳定性影响较大，同时指出先对塌方腔体两侧施作锚杆比塌方腔体顶部先施作锚杆效果更佳，能更好地保障隧道后续施工的安全，且处治方案二在现场施工中也更加简易可行。

[1]JTGF60-2009，公路隧道施工技术规范[S].

[2]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.

[3]李围，等.隧道及地下工程ANSYS实例分析[M].北京：中国水利水电出版社，2007.

[4]JTGD70-2004，公路隧道设计规范[S].

Cavity Treatment Method Numerical Analysis of A Tunnel Collapse

ZHONG Nai-long1，2，JIANG Hong-liang1，2，HUANG Gang

(1.Guangxi Transportation Research Institute，Nanning，Guangxi，530007；2.Guangxi Key Laboratory of Road Structure and Materials，Nanning，Guangxi，530007)

According to the characteristics of tunnel collapse，this article proposed two treatment pro-grams and conducted the numerical analysis for the tunnel collapse area of a secondary highway in Guangxi，obtained the displacement variation rules of different tunnel parts under different construction stages as well as the variation features of surrounding rock plastic zones，at the same time it evaluated the treatment effects of these two programs.

Tunnel engineering；Collapse；Treatment scheme；Numerical analysis

2016-03-21

U457+.2

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.06.014

1673-4874(2016)06-0052-05

钟乃龙(1986—)，助理工程师，硕士，研究方向：桥梁与隧道工程检测及结构稳定性研究；

姜洪亮(1980—)，工程师，硕士，研究方向：桥梁与隧道工程检测及结构稳定性研究；

黄刚(1987—)，助理工程师，主要从事道路工程研究及检测工作。