黄土隧道洞口浅埋段塌方冒顶处治及效果分析

杨晓华，肖 靖，辛延甫，王安乐，郑坤隆

(1. 长安大学 公路学院，陕西 西安 710064； 2. 甘肃省公路航空旅游投资集团有限公司，甘肃 兰州 730030；3. 西安科信市政工程监理有限公司，陕西 西安 710068)

0 引 言

随着中国进一步加强基础设施建设，深入贯彻落实西部大开发战略，黄土地区的隧道工程建设得到快速发展。由于黄土具有特殊的工程特性，在黄土地区进行隧道施工时经常会遇到很多地质灾害，如掌子面突泥、围岩大变形，甚至发生隧道塌方冒顶[1-5]，造成工期延误、施工机械损坏等，对工程的经济效益产生很大影响，有些甚至会危害现场施工人员安全。为此，针对黄土地区塌方事故处治方案进行研究是很有必要的。

关于在黄土地区修建隧道时发生塌方冒顶，大量学者对其处治方案进行了研究并已取得宝贵的成果[6-10]。赵成江等[11]提出对黄土隧道塌方段采用水泥水玻璃双液注浆进行加固；Zhang等[12]基于扩展理论建立了黄土隧道塌方风险评估模型，有助于预测在不同地质条件和不同施工组织下开挖的黄土隧道的坍塌风险水平。赵占厂等[13]对新庄岭和白虎山2座隧道围岩压力的分布形式和数值大小进行具体分析，并根据分析结果讨论了黄土隧道深、浅埋的界定标准；赖金星等[14]分析了黄土隧道浅埋偏压洞口段的塌方原因，提出采用超前大管棚与小导管注浆加固的处治方案，现场监控量测结果表明处治效果良好；徐新芳等[15]针对塌方段采用大管棚支护，取得了良好的治理效果；Hu等[16]依托大断面黄土隧道，利用离散元软件PFC 2D对黄土隧道发生塌方的力学机理进行了研究。

上述研究成果对黄土隧道塌方冒顶的治理提供了有益参考，但是由于黄土隧道区域性差异较大，不同隧道工程的工程地质条件、开挖及支护方案等方面的差异巨大，很难研究出一种通用的隧道塌方整治与施工方案。目前已有的研究成果多集中在针对隧道塌方提出地表或洞内处治措施，进而通过现场监测评价该处治措施的效果，对于在分析塌方原因的基础上，提出相应的处治措施，并以有限差分软件为手段，来探索不同支护参数对结构的影响，最后通过现场监测评价隧道加固效果及支护参数合理性的研究还很少。为此，本文以十天高速公路某黄土隧道出口塌方段工程实例为依托，在分析隧道发生塌方原因的基础上，提出塌方处治方案，并针对原初期支护强度不足设计了3种初期支护方案。通过FLAC 3D数值模拟软件分析采用不同支护方案后围岩与支护结构的稳定性，依据分析结果比选出合理的支护方案，并结合现场的监控数据评价该塌方处治方案的有效性。研究结果能够为黄土隧道塌方冒顶治理方案及支护方案的设计和参数调整提供有益指导。

1 工程概况

依托工程为上下行分离式隧道，进口位于天水镇猫眼峡沟右岸岩质谷坡坡脚处，出口位于天水张董河左岸，在地貌上属于基岩中低山区，为北秦岭华力西褶皱带，该段最大高程1 872 m，最低高程1 552 m，相对高差超过200 m。隧道左线全长6 040 m，右线全长6 043 m，最大埋深163 m，IV和V级围岩长度占隧道总长95.9%。隧道位于西汉水与灰水河的分水岭地段，除隧道进出口及中部沟谷区存在第四系冲积层覆盖外，地表大部分为上第三系沉积地层及更新世地层覆盖，仅在局部河谷地段有泥盆系老地层出露。隧道出口段围岩为Q3黄土和Q2黄土，其中Q3黄土分布于地表，厚度为10.5 m。本隧道工程区的地下水主要有基岩裂隙水和松散岩类孔隙水两大类型，对混凝土无腐蚀性。隧道原始初期支护参数如表1所示。

表1 隧道原始设计支护参数Table 1 Initial Supporting Parameters of Tunnel

1.1 隧道开挖面失稳及塌方

2013年7月3日晚，隧道左线洞口浅埋段ZK719+385～ZK719+377.2发生隧道塌方，塌方段长度为7.8 m，其中7.2 m在塌方前已经完成初支，0.6 m为当天开挖。由于隧道塌方，造成地表产生严重下陷，进而形成了一个面积达54.7 m2的圆形大坑，如图1所示，坑深最深处已经达到4.1 m，平均深度约为2.2 m。隧道发生塌方时还未开挖右上导坑，左上导坑的初期支护被整体压坏，造成较大损失。

1.2 塌方原因分析

(1)由于原设计围岩分级和实际工程相差较大，导致初期支护参数过小，结构强度不够，无法保证从开挖到二次衬砌施工这段时间内围岩的稳定。

(2)在隧道开挖过程中地表已经出现裂缝，由于黄土垂直节理发育，再加上连续降雨，雨水渗入地下。黄土遇水之后强度显著降低，导致隧道开挖后围岩的自稳能力差，在隧道上方不能形成有效的承载拱，从而因局部失稳产生连锁反应，造成隧道出现塌方冒顶。

(3)为了赶工期，当围岩含水量突然增大时，未采取先降排水和围岩预加固措施,在施工时仅采取了加密锚杆和管棚超前支护手段，当注浆效果不好时，其支护作用就会不理想，甚至不起作用。

(4)急于向前挖掘赶进度，施工中仰拱和二次衬砌距离掌子面的距离较远，工序不紧凑。

2 塌方处治方案

2.1 塌方体的处治

隧道塌方后提出“防排水，严注浆，短进尺，强支护，早封闭，勤量测，速反馈，控沉陷”的处治原则。针对该坍塌，提出的处治方案如下：

(1)洞外措施：在塌方区周围6 m处设置截水沟；雨天采用雨棚遮盖；另外通过φ42钢花管对地表塌陷区5 m以外土体进行注浆加固，布设间距为1.2 m×1.2 m，浆液采用水泥水玻璃双浆液，水灰比为1∶1，水玻璃模数为2.9，浓度为35°Be′，水泥水玻璃体积比为1∶1，现场将注浆压力控制在1 MPa左右；对塌陷坑洞边、仰坡进行临时挂网喷锚支护(具体参数为C20喷射混凝土(12 cm)+φ22水泥砂浆锚杆L=4 m@1.5 m×1.5 m+φ6钢筋网@20 cm×20 cm)，封闭塌腔壁；采用防渗水泥对地表裂缝进行填充，并高出地面5 cm左右；待二衬达到设计强度并且安全通过塌方段后，对隧道洞口的塌陷区域进行回填，并在回填区域表面铺设三七灰土隔水层，厚度为30 cm。

(2)洞内措施：在初支内侧塌方体设置两环φ42钢花管进行注浆固结；对初支采用圆木排架临时支撑以防止初期支护变形加剧，并在其表面喷射混凝土进行封闭；对隧道轮廓外塌方区域采用加密超前小导管进行注浆，长度4.5 m，环向间距25 cm，外插角10°～15°；对掌子面的积水区域打泄水孔进行排水。

2.2 初期支护参数的选取

由塌方原因的分析可知，隧道在原设计初期支护参数下支护强度不足，为了保证塌方区处治后能够顺利通过塌方段，需对原来的支护参数进行调整。

现基于此提出3种初期支护方案，分别称为工况1、工况2和工况3。具体的支护参数见表2。

表2 不同工况的支护参数Table 2 Support Parameters Under Different Working Conditions

3 塌方处治后隧道受力变形的数值计算及分析

为了分析不同初期支护方案的支护效果，选用FLAC 3D[17-19]数值模拟软件建立隧道模型，模拟隧塌方处治后，在不同初期方案下隧道在开挖过程中围岩和支护结构的受力及变形特征。

3.1 计算模型和参数

根据依托工程的地质原型，建立了计算模型。在隧道工程数值模拟计算时，为了减少边界条件的影响，一般将模型范围取3倍～5倍隧道洞跨。确定模型尺寸为下部取35 m(约3倍洞径)，横向取82 m(约3倍洞径)，沿纵向取50 m，上部取至地表，模型的整体尺寸为82 m×50 m×84 m，计算模型如图2所示。采用固定边界条件，两侧施加水平方向的约束，底部施加竖直方向的约束，地表为自由边界。本构模型采用摩尔库仑模型。

由于超前小导管注浆和地表注浆的作用是通过浆脉来挤压和加固岩土体，因而通过提高围岩的弹性模量、黏聚力和内摩擦角来进行模拟。为了计算简便将初期支护进行简化，这里假定工字钢、钢筋网和喷射混凝土的作用是封闭围岩，同时将型钢钢架的影响结合在喷射混凝土中[20]。隧道模拟计算时采用CD法进行开挖，开挖循环进尺为1 m，隧道模型示意图、模拟开挖过程及监测点布置分别如图3，4所示。选取典型断面ZK719+380进行分析。

在模型计算时将型钢钢架的弹性模量按照等效刚度原则[21]折算到喷射混凝土的弹性模量中，根据地勘资料及《公路隧道设计细则》，模拟分析采用的围岩及支护结构物理力学参数见表3。

表3 围岩及支护结构物理力学参数Table 3 Physical and Mechanical Parameters of Surrounding Rock and Supporting Structure

3.2 围岩位移对比

在隧道开挖过程中，通过分析围岩位移可以判断围岩的稳定状态。

3.2.1 围岩竖向位移

图5为各工况下竖向位移云图，图6为各工况下监测点的竖向位移计算曲线。

由图5可知，各工况下竖向位移的分布规律基本一致，总体向临空面收缩，开挖完成后围岩竖向位移沿着隧道中线对称分布，隧道拱顶范围内沉降最大，拱底出现一定范围的隆起。由图6可知，各工况不同部位监测点的竖向位移趋势基本一致，在未开挖到监测断面之前变形较小，当开挖到监测断面时变形速率增大，后面随着开挖步的进行逐渐趋于稳定。各工况下掌子面到达之前拱顶的超前位移分别为1.334，2.815，4.886 mm，分别占最终位移的8.7%，11.3%和12.2%，隧道开挖产生的超前位移较小，说明经过处治后，加固效果明显。隧道开挖完成后拱顶沉降大于左右两侧拱肩。各工况下拱顶沉降分别为15.4，24.9，40.2 mm，拱底的隆起值分别为24.1，29.2，48.6 mm，工况3的拱顶沉降和拱底隆起值最大，工况2次之，工况1最小。

3.2.2 围岩水平位移

图7为各工况下水平位移云图，图8为各工况下周边收敛计算曲线。由图7和图8可知，各工况下水平位移的变化规律基本一致，隧道左右两侧拱腰处水平位移大。在开挖到监测断面之前，水平位移很小，当开挖到监测断面时变形速率增大，后面随着开挖步的进行逐渐趋于稳定。各工况下隧道的周边收敛分别为13.2，22.4，29.3 mm，工况3最大，工况2次之，工况1最小。

3.3 初期支护应力对比

隧道初期支护为混凝土结构，在受到围岩压力的作用可能出现开裂，甚至发生破坏。初期支护应力是判断初期支护稳定状态的重要依据。表4为各工况下初期支护应力值。

在FLAC 3D中，最小主应力为负表示压应力，最大主应力为正表示拉应力。从表4可以看出：初期支护压应力在左右拱脚处最大，拱脚表现为压应力集中，各工况下的最大压应力分别为3.5，5.3，8.2 MPa，小于C25混凝土的极限抗压强度；初期支护拉应力在拱底处最大，拱底表现为拉应力集中，各工况下的最大拉应力分别为1.2，1.5，2.1 MPa，工况3的最大拉应力超过C25混凝土的极限抗拉强度；初期支护剪应力在两侧拱脚处最大，拱脚表现为剪应力集中，各工况下的最大剪应力分别为2.1，2.3，2.8 MPa，工况3的最大剪应力超过C25混凝土的极限抗剪强度。

表4 初期支护应力值Table 4 Stress Values of Initial Support

3.4 数值模拟结果分析

由数值模拟结果可以得出工况1的隧道变形较小，拱顶沉降为15.4 mm，拱底隆起值为24.1 mm，周边收敛为13.2 mm，初期支护最大压应力、最大拉应力和最大剪应力分别为3.5，1.2，2.1 MPa，均小于C25混凝土的极限强度，说明初期支护的承载力存在一定富余；工况2的隧道变形和结构应力有所增加，拱顶沉降为24.9 mm，拱底隆起值为29.2 mm，周边收敛为22.4 mm，初期支护最大压应力、最大拉应力和最大剪应力分别为5.3，1.5，2.3 MPa，均小于C25混凝土的极限强度，此支护体系能够保证隧道围岩稳定及施工安全；工况3的隧道变形及受力都较大，隧道拱顶沉降已经达到40.2 mm，拱底隆起值为48.6 mm，周边收敛为29.3 mm，初期支护最大压应力、最大拉应力和最大剪应力分别为8.2，2.1，2.8 MPa，最大拉应力和最大剪应力均超过混凝土的极限抗拉、抗剪强度，混凝土结构破坏，说明初期支护体系刚度较小，承载力不足。

由以上分析可知，本黄土隧道工程塌方处治若采用I25a型钢钢架+30 cm厚喷射混凝土的初期支护体系刚度偏大，不经济，若采用I20a型钢钢架+25 cm厚喷射混凝土的初期支护体系刚度偏小，结构不安全，因此，本工程确定采用I22a型钢钢架+28 cm厚喷射混凝土初期支护体系，此支护体系不仅能够较好地控制围岩变形，也能满足受力要求，经济合理。

4 塌方处治效果分析

在隧道发生塌方后第3天开始对塌方段进行加固处理，于7月20日治理完毕。塌方处治后，采用工况2(I22a型钢钢架+厚28 cm喷射混凝土)初期支护体系对隧道进行支护。为了检验塌方段处治措施的实际效果，对塌方区周围进行监测，以便能够及时了解隧道的变形情况，保证现场施工安全。监测项目包括拱顶下沉、周边收敛及地表下沉等项目。

4.1 围岩位移量测及变化规律

根据现场的实际施工情况，监测组对隧道塌方段ZK719+385，ZK719+380两个断面进行监测，以充分掌握塌方处治后围岩动态情况，测点布置示意图如图9所示，监测结果如图10，11所示。

由图10和图11可知：塌方处理结束后2个断面的拱顶下沉和周边收敛逐渐增大，ZK719+385断面的拱顶沉降在8月3日达到最大值，为13.3 mm，最大拱顶沉降速率为1.9 mm·d-1，周边收敛在8月10日达到最大值，为8.9 mm，最大收敛速率为1.2 mm·d-1；ZK719+380断面的拱顶沉降在8月8日达到最大值，为16.4 mm，最大沉降速率为2.2 mm·d-1，周边收敛在8月14日达到最大值，为11.3 mm，最大周边收敛速率为1.6 mm·d-1。2个监测断面的隧道变形都已趋于稳定，拱顶沉降和周边收敛都在标准范围内。

4.2 地表下沉量测及变化规律

根据现场地表实际情况，对断面ZK719+385和ZK719+380的地表沉降进行监测，监测点布置在隧道正上方地表，如图12所示，测点间距为4 m。监测结果如图13，14所示。

由图13和图14可知：塌方处治结束后2个监测断面各监测点的地表沉降逐渐增大，ZK719+385断面各监测点的累计地表沉降分别为24.0，46.6，30.2 mm；ZK719+380断面各监测点的累计地表沉降分别为24.4，34.1，17.2 mm，地表最大沉降均在隧道拱顶正上方的地表测点2。从监测结果来看，各个测点的累计沉降都在标准范围内，说明本隧道工程采用的塌方冒顶处治方案起到了良好的治理效果。

5 结 语

(1)由于原设计围岩分级和实际工程相差较大，初期支护强度不够；在隧道开挖过程中地表已经出现裂缝，连续降雨导致雨水渗入地下，黄土遇水之后强度显著降低，加剧初期支护结构受力，导致结构破坏；当围岩含水量突然增大时，未采取先降排水和围岩预加固措施；施工中仰拱和二次衬砌距离掌子面的距离较远，工序不紧凑。上述原因导致隧道发生塌方。

(2)针对本黄土隧道塌方工程，对塌方体采用的处治措施为：洞外设置截水沟疏排地表水和地下水，采用水泥水玻璃双液注浆对地表进行加固，并采用临时挂网喷锚支护封闭塌腔壁；洞内对初期支护采用圆木排架临时支撑支护，对塌方体和隧道轮廓外塌方区域采用小导管进行注浆加固，同时打泄水孔排出掌子面的积水。

(3)采用FLAC 3D数值模拟软件对合理的初期支护参数进行选取。根据模拟结果，本工程确定采用I22a型钢钢架+厚28 cm喷射混凝土+50 cm钢拱架间距的初期支护体系，此支护体系能有效减小隧道围岩变形及支护受力，在保证隧道施工安全的前提下支护刚度又不至于过大，经济合理。

(4)塌方处治后，通过现场监测得到隧道拱顶下沉和周边收敛都在标准范围内，围岩变形稳定，同时地表沉降也满足整体的控制要求，表明依托工程处治效果良好。