软弱围岩隧道变形破坏机制及处治措施

陶云平

(中铁十七局集团第五工程有限公司，山西 太原 030032)



软弱围岩隧道变形破坏机制及处治措施

陶云平

(中铁十七局集团第五工程有限公司，山西 太原 030032)

为深入研究软弱围岩隧道产生变形破坏的机制及其处治措施，选取四方山隧道为工程实例，分析其产生局部掉块、拱架剪切变形、塌方等病害的特征。在此基础上研究了该隧道产生变形破坏的机制，从而有针对性地提出了相应的处治措施，并利用数值模拟手段对处治效果进行了全面评价。研究结果表明：①四方山隧道产生变形破坏的主要原因在于其受到水平岩层、地应力、地表防排水、人为因素等的影响；②采取加强初期支护及基底锚注加固措施后，该隧道水平、竖向位移得到有效控制，软弱破碎围岩中的节理、裂隙减少，避免了地下水渗入而引起的基底围岩膨胀；③处治后,隧道初期支护结构的水平位移大幅下降，围岩塑性区范围减小，竖向位移大幅降低，隧道处于稳定状态，塌方变形处治效果良好。

软弱围岩；隧道变形；破坏机理；处治措施

随着我国公路隧道建设事业的不断发展，公路隧道工程逐步向崇山峻岭地区发展，穿越软弱围岩地层的长大隧道越来越多。众所周知，软弱围岩对于隧道工程的影响非常显著，由于软弱围岩整体强度较低，在一定地应力条件下，极易发生大变形及失稳破坏，如基底失稳、衬砌开裂、大变形、塌方等[1]，直接威胁着隧道施工人员、机械的安全，而且会导致工程造价增高，影响工期。目前，国内外学者对软弱围岩隧道破坏机理及其处治措施开展了大量的研究。李鹏飞等[2]总结分析了软弱围岩隧道变形机制、变形时空效应、变形特性，并提出了为控制掌子面超前变形、挤出变形及后方变形所采取的工程措施；张健儒[3]分析了软弱围岩工程地质特性、软岩隧道变形机制及变形控制的基本理念，并结合相关工程实例提出软岩隧道支护结构安全稳定性评判标准及施工应采取的相应对策；饶军应等[4]针对软弱围岩塌方提出了一套基于“地表排水、围岩注浆、衬砌增强、基底防降”的塌方综合处治方案,并对方案实施后的效果进行了跟踪监测。

四方山隧道穿越软弱围岩地层，在施工过程中多次发生变形破坏，出现局部掉块、初支开裂、钢拱架扭曲变形、塌方等病害，严重影响了施工安全，增大了施工成本。因此，笔者结合四方山隧道的工程特性，深入研究其发生变形破坏的机制及特性，从而有针对性地提出处治措施，并对处治后的效果进行全面评价，结果可为类似工程提供借鉴。

1　工程概况

四方山隧道位于钦州至崇左高速公路中段，是一座双向四车道分离式特长隧道，左线长3 400 m，右线长3 390 m，行车道宽2×3.5 m，建筑界限为净高5.5 m，净宽10.5 m。隧道穿越地段最高点约690 m，最低点位于隧道出口处的斜坡坡脚一带，约290 m，相对高差400 m。四方山隧道位于复式背斜之中，岩层整体倾向北，倾角20°～30°，属单斜构造，中间夹有小型褶曲，裂隙较发育，多呈闭合状。

四方山隧道左线掘进至ZK76+748时，掌子面前方10 m范围内的初期支护出现局部掉块及多条裂缝，随后裂缝宽度不断增大，拱顶和拱腰部位变形明显，格栅拱架严重扭曲破坏，锚杆被拉出，最终产生塌方。此次塌方涌出物为溶洞填充物，包括碎石土夹大块石、黏性土，黏性土呈可塑状，局部呈流塑状，渣体较松散。塌方体长度约15 m，塌方量约1 200 m3，填充了整个隧道断面。

2　四方山隧道变形破坏机制

2.1水平岩层的影响

塌方段地层主要为第四系残坡积层，由黏土和碎石块组成，由于其地势较缓，坡积层基本呈水平层状，层间黏结力较低，其结构较为松散破碎。当隧道开挖后，水平岩层产生定向软弱面，使得隧道边墙部位围岩压力较小，而拱部围岩压力较大，导致水平岩层竖向裂隙错动，从而使该隧道变形破坏以水平挤压变形为主，呈现非对称变形特点。

2.2地应力的影响

为全面了解四方山隧道地应力状况，笔者采用水压致裂试验对其水平、垂直方向的主应力情况进行测试。其结果显示：在地应力测试深度范围内，应力作用以水平力为主，最大主应力作用方向主要在N25°W—N35°W，与该隧道区域构造线基本一致。因此，在该地应力情况下，隧道拱部、边墙处水平应力较大。由于塌方段隧道位于复式背斜之中，岩层整体向北倾斜20°～30°，属于单斜构造，中间夹有小型褶皱带，裂隙较发育。隧道开挖前褶皱背斜、裂隙一般处于受力平衡状态。当隧道开挖后，受水平主应力挤压作用的影响，拱部及边墙部位围岩失去平衡，从而导致其产生剪切破坏，初支混凝土严重开裂，格栅钢架出现严重扭曲破坏，最终发展为塌方。

2.3地表防排水的影响

2.4人为因素

塌方段隧道在开挖过程中由于围岩破碎、含水量较大，其围岩级别由Ⅳ级变更为Ⅴ级，采取相应的初期支护加强与及时封闭成环的措施，但由于拱脚处围岩破碎程度较高，基底承载力严重不足，导致锁脚锚杆失效。根据现场监测结果，塌方前隧道拱顶最大累计下沉量达3.4 cm，累计水平收敛值达5.0 cm，但未引起设计及施工人员的足够重视，导致拱部初支钢拱架急剧变形，直至产生严重的扭曲破坏，最终导致塌方。

3　四方山隧道变形破坏处治措施

3.1塌方体清除

清除塌方体应采用三台阶法挖除，台阶长度不大于3 m，每循环进尺0.5 m，以保证掌子面的稳定性。下半断面左右错开马口开挖，仰拱及时封闭成环。对局部出露的大块孤石应松动爆破后再挖除。

3.2加强初期支护结构

对于塌方区，首先使用直径42 mm、长度6 m、壁厚3.5 mm的无缝钢管进行注浆加固，其环向间距和纵向间距均为1.0 m，呈梅花型布设，浆液为双液浆，水泥浆与水玻璃体积比为1∶0.5；其次，塌方区的初期支护采用“钢拱架+锁脚锚管及环向小导管+双层钢筋网+C30早强喷射混凝土”联合支护体系，其中钢拱架用I20a型，纵向间距为0.5 m，钢拱架之间用φ22 mm纵向螺纹钢筋连接，其环向间距为1.0 m；锚管及小导管均选用φ42 mm、壁厚3.5 mm的无缝钢管，长3.0 m，具体情况如图1所示。

图1　加强初期支护结构示意图

完成小导管的施工后，布设φ8 mm双层钢筋网，网间距为20 cm×20 cm，钢筋网片搭接长度不少于20 cm；最后喷射25 cm厚的C30早强混凝土。

3.3隧道基底锚注加固

该隧道基底围岩破碎，利用锚注方式对隧道拱脚、仰拱等部位进行加固，一是可提高基底围岩抗压强度，避免拱脚过早破坏而引起隧道周边收敛较大；二是通过浆液的扩散，可有效减少破碎围岩中的节理、裂隙，避免地下水渗入而引起基底围岩膨胀。

根据实际情况，在隧道两侧拱脚部位设置高强度预应力锚杆，其设计参数为直径φ=22 mm，长度L=2.8 m，间距1.0 m，排距1.5 m，锚杆抗拔力应大于120 kN。隧道底板处注浆加固采用R32N型自钻式中空注浆锚杆，纵向、环向间距均为1.0 m，为保证浆液充分扩散，采用长、短管交错布置[7-8]，长管为4.5 m，短管为3.0 m，其具体平面布设情况如图2所示。

图2　隧道基底锚注加固

4　处治效果评价

拟采用大型有限元软件对四方山隧道变形处治结果进行验证。建立二维平面模型，对隧道塌方段处治前后进行数值模拟分析。计算区域上部取至实际地表，左、右部取为离隧道外缘约2倍的隧道净宽，下部取为离隧道下缘约2倍的隧道净高[9]。该模型材料的物理力学参数见表1，所得处治前后的隧道初期支护结构水平、竖向位移云图如图3—4所示。

表1　模型材料的物理力学参数

图3　隧道初期支护水平位移云图

图4　隧道初期支护竖向位移云图

由图3可以看出，原隧道初期支护结构发生水平位移的范围较大，主要分布在隧道两侧拱肩及拱脚处，水平位移在两侧拱肩部位达到最大值，其值为15.43 cm；采取处治措施后，初期支护结构发生水平位移的范围大幅度减小，在两侧拱脚部位，水平位移达到最大值，为1.65 cm，仅为原最大值的10.7%。

由图4可以看出，原隧道在初期支护施作完成后，由于其支护强度不足，围岩塑性区不断向外扩展，拱顶下沉量不断增大，其最大值达11.10 cm；同时，由于仰拱支护强度不足，隧道基底向上隆起量达13.70 cm；采取处治措施后，围岩塑性区范围大幅减小，拱顶下沉量最大值仅为3.42 mm，基底上隆量最大值仅为7.79 mm。

总之，采取加强初期支护及基底锚注加固后，水平、竖向位移得到有效控制，结合对现场地表沉降及周边位移的监测结果，可以综合判定隧道处于稳定状态，塌方变形处治效果良好。

5　结　语

1)由于四方山隧道水平岩层产生定向软弱面，且隧址区内地应力的最大主应力作用方向与该隧道区域构造线基本一致，当隧道开挖后，在水平主应力挤压作用的影响下，拱部及边墙部位围岩失去平衡，从而导致其产生剪切破坏。

2)地表防排水措施不当导致地下水位上升，一方面引起外荷载大幅增加，围岩自承能力急剧下降；另一方面引起膨胀压力，增大隧道支护结构变形量，导致变形破坏。

3)由于设计、施工人员未对原隧道拱顶下沉量及水平收敛值引起足够重视，未及时采取有效处治措施，导致拱部初支钢拱架急剧变形，最终导致塌方。

4)采取加强初期支护及基底锚注加固措施后，一方面提高了初期支护结构整体稳定性，减小其水平及竖向位移；另一方面减少了软弱破碎围岩中的节理、裂隙，避免了地下水渗入而引起的基底围岩膨胀，避免了拱脚过早破坏而引起的隧道变形较大。

5)由数值模拟结果可知，处治后隧道初期支护结构的水平位移大幅下降，围岩塑性区范围减小，竖向位移大幅降低，结合现场监测结果，可以综合判定隧道处于稳定状态，塌方变形处治效果良好。

[1]齐甦,王立英,崔小鹏,等.兰渝铁路清水隧道塌方治理结果的分析[J].现代隧道技术,2014,51(2):172-177.

[2]李鹏飞,赵勇,刘建友.隧道软弱围岩变形特征与控制方法[J].中国铁道科学,2014,35(5):55-60.

[3]张健儒.善岭隧道软弱围岩工程地质特性及施工对策[J].隧道建设,2014,34(8):749-753.

[4]饶军应,傅鹤林,黎明,等.白山隧道塌方处治技术及其监测结果分析[J].现代隧道技术,2014,51(2):157-165.

[5]胡元芳,刘志强,王建宇.高地应力软岩条件下挤压变形预测及应用[J].现代隧道技术,2011,48(3):28-33.

[6]王建宇,胡元芳,刘志强.高地应力软弱围岩隧道挤压型变形和可让性支护原理[J].现代隧道技术,2012,49(3):9-17.

[7]董勤银,曹乾桂,董洋.后山坪隧道塌方原因及处理方案分析[J].兰州交通大学学报,2014,33(1):10-14.

[8]戴桂华,彭梦鸽,贺炜.老屋湾隧道塌陷原因及处治方案比选研究[J].中外公路,2013,33(6):213-216.

[9]赵旭,许崇帮.软岩隧道施工变形修复方案优化研究[J].华北水利水电学院学报,2009,30(1):79-83.

(责任编辑：乔翠平)

Damage Mechanism and Prevention Measures of Weak Surrounding Rock Tunnel Deformation

TAO Yunping

(China Railway 17th Bureau Group Railway No.5 Transportation Engineering Co., Ltd.， Taiyuan 030032， China)

In order to study the damage mechanism and prevention measures of the weak surrounding rock tunnel deformation, taking the Sifangshan tunnel as an engineering example, its disease characteristics of the local off-block, arch shear deformation and collapse were summarized and analyzed. Based on the analysis results, the deformation and failure mechanisms of tunnel were studied, and then the corresponding treatment measures were put forward. Furthermore, the numerical simulation tools were used to conduct a comprehensive evaluation of the treatment effect. The results show that: (1) the main reasons of deformation and failure are in the effect of horizontal stratum, ground stress, ground surface drainage and human factors; (2) after adopting the measures of strengthening initial supports and base anchoring-grouting, the horizontal and vertical displacements can be efficiently controlled, and the joints and fractures are reduced in the weak broken surrounding rocks to avoid the infiltration of groundwater which can cause the expansion of base surrounding rocks; (3) using numerical simulation tools to analyze the tunnel before and after being treated with, the analysis results show that the horizontal displacement of the initial support structure of tunnel dramatically drops after be treated with, the range of plastic zone in surrounding rock is reduced, and the vertical displacement is significantly reduced. Finally, the tunnel is in a stable state, and the treatment effect of collapse deformation is very well.

weak surrounding rock; tunnel deformation; damage mechanism; prevention measure

2015-10-12

陶云平(1984—)，男，山西太原人，工程师，主要从事公路工程施工管理方面的研究。E-mail:582991719@qq.com。

10.3969/j.issn.1002-5634.2016.01.013

TV554;U452

A

1002-5634(2016)01-0069-04