岳家沟隧道塌方机制与数值模拟

刘春原 徐良玉

摘要 过对岳家沟隧道RK74+010处塌方前超前地质预报结果与塌方后揭示的实际围岩情况相比较得出：塌方前的掌子面的地质超前预报结果存在一定的局限性，而与实际塌方后揭示的围岩状况存在偏差，并未发现隐藏在隧道上方的软弱破碎围岩，从而导致施工中人们对该处围岩施加了较低的支护强度，致使在掌子面向前推进的过程中，隧道发生塌方.通过3DEC离散元数值模拟，从塌方处围岩受力及位移特征上分析了岳家沟隧道的塌方机制。

关 键 词 岳家沟隧道；节理岩体；塌方机制；3DEC数值模拟；支护措施

中图分类号 U458.3 文献标志码 A

随着我国交通网的不断完善，山岭区的隧道建设数量日益增多。但由于隧道施工具有隐蔽性、作业空间狭窄、地质条件不确定等特点，这就导致道施工中发生许多难以预料的工程灾害问题[1]。塌方就是其中一種较为严重的灾害[2]。

目前，最常用的数值模拟方法主要有：有限单元法和有限差分法[3-4]。而本文以岳家沟隧道塌方段为研究对象，在地质分析的基础上，采用更适合分析破碎围岩的离散元软件3DEC进行数值模拟[5]，分析了岳家沟隧道的塌方机制。

1 塌方处围岩特征

岳家沟隧道位于河北省易县紫荆关镇白家庄村与三铺村之间，为分离式隧道。左线进口桩号LK73+470，出口桩号LK77+580，左线长4 110 m；右线进口桩号RK73+444，出口桩号RK77+503，右线隧道长4 059 m。属特长隧道。最大埋深342 m[6]。施工过程中，当掌子面向前推进一段距离后，在已开挖RK74+010处发生塌方事故。为进一步说明塌方处的围岩特征，分析其塌方机制，将该处超前地质预报结果与塌方后揭示的围岩状况相对比加以说明。

1.1 超前地质预报结果

超前地质预报是针对隧道未开挖段的掌子面前方一段距离的围岩情况的预测。岳家沟隧道超前地质预报采用美国Sir-20地质雷达预测，其具有国际先进技术水平，是隧道和地下工程广泛应用的地质超前预报系统。图1为隧道掌子面施工到RK74+010处时的地质超前预报雷达测线图。

根据地质超前预报资料给出的对波形图分析的结果为：通过分析地质雷达获取的波形图，可以了解掌子面前方围岩情况，掌子面前方岩性无太大差异，为弱风化花岗闪长岩，局部节理裂隙较为发育，有风化物填充。推断前方20 m范围内岩体较为完整，风化程度与掌子面相似，岩体整体质量较好。

1.2 塌方后揭示围岩情况

2010年9月 8日岳家沟隧道右幅掘进至里程桩号 RK74+018 处时，发现掌子面上部围岩条件变差，为强风化带，节理裂隙发育明显，围岩破碎，随即提高了相应的支护级别从而继续施工，当掘进至RK74+028处时，拱顶位置出现掉块，并有塌方趋势，施工单位立即停止施工，并撤出人员，随后拱顶围岩破坏加剧，RK74+012～RK74+028段拱顶不断有大石块掉落，塌方区域进一步扩大。RK74+000～RK74+012段初期支护已变形开裂，拱顶岩体随时有坍塌的可能。待塌方停止后，组织塌方清渣时，从塌方揭露的围岩情况看，该处掌子面虽然为花岗岩，岩性坚硬，但隧道上部围岩节理裂隙发育，且局部夹有白色强风化物质，强度较低，原有的支护等级不足，存在极大的安全隐患。

通过超前地质预报结果与塌方后真实情况对比可以发现，岳家沟隧道围岩具有如下特征：岳家沟隧道围岩岩性较好，容易造成施工中对于围岩质量偏于良好的判断，但是局部区域存在节理发育，风化程度高的围岩破碎带，这些区域虽然岩石岩性较好，但是由于受结构面的切割严重，岩体强度主要受结构面控制，而非岩石本身的强度，这也是造成塌方事故的原因。

2 塌方机理分析

由前文分析可知，虽然由隧道内观察，塌方段面处围岩质量较好，但实际上塌方处上方存在隐藏的未被发现的风化破碎带，风化破碎带的岩体强度远低于原有良好围岩，如图2所示。

在走势几乎与开挖方向平行的情况下，这种节理裂隙发育明显，岩石破碎，夹有强风化物的软弱破碎带回导致隧道起初开挖时，人们并不会及时发现，直至与隧道掌子面相交才被发现，随即变更围岩级别，增强了支护等级，但已开挖支护段并未采取措施[7]。因此，当时掌子面后方的支护强度实际上是不足以支撑围岩的，从而导致塌方断面围岩在开挖一段距离后才发生塌方。

3 塌方过程数值模拟分析

将针对岳家沟隧道这种特殊塌方情况，对隧道开挖工程进行数值模拟，从应力及位移上分析造成这种掌子面向前开挖，而后方围岩坍塌事故的机制。

3.1 模型建立

由于岳家沟隧道大变形的围岩节理发育，岩体破碎，所以本文采用基于离散元理论的分析软件3DEC进行建模分析。离散单元法主要是用于模拟解决非连续介质问题的数值模拟方法，能够更真实地模拟节理岩体中的塑性变形特征。

岳家沟隧道为双洞分离式隧道，跨度15 m左右，隧道截面为三圆心马蹄形形状，模型计算范围取4倍洞径，左右总宽度150 m，上下总高度为120 m。模型左、右、前、后边界和底部边界施加位移边界约束，上边界根据埋深及地层偏压情况施加应力边界，隧道岩体本构模型选取摩尔-库伦弹塑性模型，对节理采用接触面库伦滑动模型。根据对应的围岩级别及软弱破碎地层围岩级别，赋予模型围岩及节理对应参数，其中良好地层围岩级别为Ⅲ级，软弱破碎地层按Ⅴ级围岩施加参数，在其中设置切角35°和110°两组节理。各等级围岩及节理参数取值[8]如表1、表2。

根据施工资料及塌方报告描述，模型建立如下，其中塌方段位于距模型左端40 m处。

3.2 模拟结果分析

在模型中，Y轴方向为垂直方向，X轴方向为横向水平方向，Z轴方向为沿隧道洞深的水平方向。模型中以10 m为一开挖步向前推进，并且右洞先开挖10 m，左洞再开挖。通过数值模拟，得出了模型相应的应力特征，位移特征。

3.2.1 应力分析

由图4可以看出，当模型向前开挖20 m时，距离塌方断面较远，开挖并未对塌方段面应力造成影响，所以此时，该处的垂直应力及水平应力基本与初始时地应力分布规律相同；当模型掌子面向前推进40 m时基本已经到达塌方处时，随着掌子面接近监测断面，监测断面的水平应力和垂直应力相较20 m时是增加的，这个过程相当于掌子面及其前方未开挖围岩是对后方已开挖围岩有一个虚拟的支撑力，从而提高了围岩的稳定性，因此掌子面开挖到此处时，隧道围岩并未立刻发生塌方事故；而当掌子面推进到60 m时，塌方断面RK74+010已处于掌子面后方开挖区段，此时随着掌子面距离塌方断面越来越远，掌子面后方围岩对此处围岩影响渐渐减弱，提供的虚拟支撑力减小甚至消失，在掌子面由未开挖状态转为开挖状态过程中，塌方断面掌子面经过了一个先加载再卸载的过程，这个过程对该处围岩扰动极大，从而使塌方断面围岩破碎，随着掌子面推进，围岩应力和位移都进一步释放，围岩劣化破碎加剧，此时可以看出右洞上方垂直应为正，证明围岩已处于受拉破坏状态，再到掌子面推进到80 m时，右洞上方拉应力进一步增大，受拉范围也进一步加深，最终隧道产生塌方。

通过隧道掌子面推进过程中塌方断面RK74+010的应力变化的模拟分析，总结出RK74+010处发生先挖后塌的原因主要有两点：一是掌子面可以为后方开挖围岩提供一个支撑力的作用，可以提高后方围岩稳定性，但是这种力的作用范围是有限的，随着掌子面的不断推进，这种作用逐渐减弱直至消失；二是塌方断面围岩软弱破碎，当此处围岩由未开挖转变为开挖状态后，围岩发生扰动破坏，并随着隧道向前开挖，此处围岩不断劣化破坏，并向围岩内部发展，从而当隧道向前开挖一段距离后发生塌方。

3.2.2 位移分析

由图5、图6分析可得，在隧道开挖完成后，在软弱破碎带处围岩变形量明显大于周边良好围岩，且向软弱破碎带内部延伸，同时，右洞拱顶沉降量大于左洞，因此可以判定塌方主要是由于软弱破碎带围岩强度较低导致，且右洞拱顶会先于左洞坍塌，这也是由于右洞先于左洞开挖所致。

在隧道开挖过程中，本文对塌方断面隧道拱顶进行了位移监测，以便分析隧道上部围岩随着掌子面向前推进过程中的位移变化。

由图7、图8的2条曲线可知，在未开挖到塌方断面处前，拱顶几乎没有变形，而随着掌子面推进远离塌方处时，该处拱顶经历了一个沉降持续增大然后在中间经过一段平稳阶段后变形趋势进一步增大的过程，并且右洞先于左洞发生沉降，且沉降量大于左洞。曲线反映出岳家沟隧道拱顶变形坍塌是一个随掌子面推进，围岩渐进性破坏的过程。

4 塌方处支护措施

为了减小围岩的变形量，保证围岩的稳定，初期支护设计所采用的支護措施时远远不够的，必须采取加强支护等有效的补强措施[9]。采取的加强支护方法必须要结合围岩变形破坏特征和初期支护变形信息反馈，从而建立塌方段支护的基本原则。这一原则的基本思路是：在隧道开挖后，软弱破碎围岩处于极不稳定状态，必须及时进行支护，但是单独使用锚杆的支护很难保证围岩能够达到稳定，单纯增大锚杆长度也不是提高围岩力学特征的有效方法[10]。因此，对软弱破碎围岩的支护应该在提高软弱破碎围岩的整体性的原则下，采用超前支护措施，这样可以提前抑制掌子面前方围岩由于开挖效应造成的松动，先一步阻止掌子面前方的围岩下沉和塌方。根据以上思路，针对岳家沟隧道围岩大变形关键里程段，在初期支护措施的基础上又重新设计了补强支护措施，具体情况如下：

在塌方段大桩号端，将该段隧道围岩等级由原有的的勘察阶段判定等级Ⅲ级变更为Ⅳs级，进行加强支护，措施为采取强超前锚杆改为4.5 m，每排45根，排距1.6 m的Φ50小导管注水泥水玻璃双浆液施工，灌浆顺序为跳槽施工；施做二衬，按照C40混凝土衬砌施工，其余系统锚杆、仰拱、二次钢筋按照Ⅳs围岩级别施做。对塌方段处理如下：

1）在大变形区段进行二次开挖支护施工，为减小围岩扰动，在拱边墙及拱顶按照人工拆除钢拱架混凝土相同工艺，仰拱采用小装药的微爆开挖，钢支撑在用横向一字、竖向扇形联合支护。

2）加设小导管进行加强支护，再进行注浆处理.灌浆时采用水泥-水玻璃双浆液。

3）该区段大变形区段布设I20b钢支撑，竖向支撑上端抵实围岩腔体临空面，在开挖线以外的下端直接接力与坚实岩基上。

4）在支护拱顶空腔内预埋7.5 m长Φ108钢管，然后泵送C25混凝土填实大变形塌方处。

5）塌方段二衬混凝土按照C40洞深衬砌混凝土施工，其余锚杆、仰拱、二衬钢筋等均按照Ⅳ级围岩级别施做。

5 结论

本文以岳家沟隧道塌方围岩为研究对象，通过数值模拟方法，分析了岳家沟隧道塌方的机制，主要结论有：

1）通过岳家沟隧道RK74+010处塌方断面揭露真实围岩状况和隧道掌子面超前地质预报结果相对比，得出地质超前预报只能预测掌子面前方一段距离的围岩状况，并不能预测到隧道上方围岩的情况，这就导致当隧道上方围岩存在软弱破碎层，而在掌子面开挖揭露前，人们很难发现上方它的存在，并对之前已开挖的存在隐藏破碎层的围岩采取相应的支护措施，从而随着掌子面向前推进，后方开挖的破碎围岩发生渐进性劣化破坏，最终发生塌方。

2）采用3DEC数值建模从而模拟掌子面推进过程，通过塌方断面的应力特征，位特征的分析研究，得出造成岳家沟隧道发生掌子面推进过程中后方已开挖围岩发生塌方的原因主要由以下两点：一是掌子面可以为后方开挖围岩提供一个支撑力的作用，可以提高后方围岩稳定性，但是这种力的作用范围是有限的，随着掌子面的不断推进，这种作用逐渐减弱直至消失；二是塌方断面围岩软弱破碎，当此处围岩由未开挖转变为开挖状态后，围岩发生扰动破坏，并随着隧道向前开挖，此处围岩不断劣化破坏，并向围岩内部发展，从而当隧道向前开挖一段距离后发生塌方。

3）由于在施工中很难发现隐蔽的软弱破碎围岩，当掌子面揭示的围岩质量变差时，不但要对接下来开挖的隧道围岩采取相应的支护措施，而且对之前已开挖的围岩，也要加强监控测量，必要时需提高支护强度，从而保证隧道稳定以及施工人员的生命安全.本文结合软弱破碎围岩特征及支护准则，针对岳家沟隧道塌方处围岩提出了相应的支护措施。

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[责任编辑 杨 屹]