高地应力软岩隧道塌方处置措施及处置效果评价

邹逸伦，廖 雄，李正辉

(中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031)

引言

随着我国基础交通设施不断向西部地区延伸，受地形地质等条件限制，多以长大深埋隧道穿越。其中，软弱围岩、高地应力等不良地质条件进一步加大了隧道施工难度和安全风险。高地应力软岩地层具有岩体强度低、围岩稳定性差、初始应力高、开挖扰动易发生塑性变形的特点。由于地质条件复杂、影响因素众多，高地应力软岩隧道施工时塌方事故时有发生[1-7]。

目前，国内学者和工程技术人员对软岩隧道塌方的研究主要集中于塌方事故原因分析及其处置措施、塌方事故预测等方面。魏雪斐等[8]分析了新奥法施工隧道工程中塌方事故原因及其应对策略；侯艳娟等[9]基于典型事故案例统计从围岩变形、失稳及破坏特征，研究了隧道塌方事故发生机理及其分类；张晓今等[10]以某浅埋山岭隧道软岩段塌方处理为工程背景，研究了软岩段隧道塌方的原因；杨忠民[11]依托工程塌方事故，研究了软岩大变形隧道岩体及衬砌的失稳破坏程度、塌方机理，并提出相应的处治技术；徐海清等[12]基于尖点突变理论，研究了软岩隧道塌方预测机制，建立软岩隧道尖点突变失稳模型；吴永波等[13]采用模型试验和数值模拟的方式，研究了软岩隧道拱顶塌方破坏机理；李天斌等[14]基于典型塌方变形监测曲线特征分析，建立了隧道塌方定量预警模型；于丽等[15]基于非线性Mohr-Coulomb准则和极限分析上限法，研究了深埋土质隧道顶部塌落体范围；宋杨[16]基于能量意外释放理论和强度准则，研究了隧道施工塌方形成规律；安亚雄等[17]总结多个隧道塌方事故案例，采用逆推分析的方法得出隧道发生塌方是由多因素耦合关联的结果；李又龙等[18]以小型拱形塌方为研究对象，提出应用锚杆进行塌方处治可较好的加固围岩，有限控制围岩变形；张龙生等[19]依托江西省昌宁高速公路莲花山隧道塌方实例，运用多物理场耦合模拟软件研究了塌方机理并提出了稳固处置措施；张景等[20]以广甘高速隧道塌方为依托，认为在强震作用下，隧道初支背后出现空洞时，极易发生破坏。综上所述，已有不少学者对软岩隧道塌方开展研究，但关于在高地应力作用下造成软岩隧道塌方处置措施的文献不多，而涉足其支护结构安全评价研究更少。

基于某铁路工程深埋长隧高地应力软岩段施工塌方处置，分析高地应力软岩隧道塌方原因，并结合数值计算及现场监控量测数据，评价塌方处置效果和支护结构安全性，以期为类似工程提供借鉴。

1 工程概况与塌方过程

1.1 工程概况

该隧道全长11.298 km，为单洞双线隧道，最大埋深945 m，隧址区属构造剥蚀高中山地貌，地形起伏大，相对高差50～990 m，地表植被茂密。洞身穿越主要地层为古元古界康定群冷竹关组石英片岩、片麻岩及咱里组片麻岩；隧区褶皱及断层密集发育，隧道共穿越6条断层、2条背斜、4条向斜。隧址区围岩受构造影响，岩体软弱破碎、风化程度高、节理发育破碎，局部段地下水较发育。该隧道高地应力软岩段落施工过程中，隧道侵限、塌方时有发生。深入研究该隧道D1K561+525～D1K561+552段高地应力软岩大变形段落施工塌方原因及处置措施，并对处置后支护结构进行评价。

1.2 塌方过程

D1K561+525～D1K561+552段隧道平均埋深约423 m，开挖揭示围岩主要为强风化片麻岩，岩质软硬不均，局部含软弱夹层，层状节理裂隙发育，岩体破碎，岩体强度较低，稳定性差，为V级围岩。D1K561+540处开挖后的掌子面照片如图1所示。

图1 D1K561+540处掌子面

该段衬砌采用Ⅴ级大变形衬砌，超前支护为双层φ42 mm小导管，初支采用全环HW175型钢(间距0.8 m)和25.5 cm厚C30早强喷射混凝土，二衬为55 cm(拱墙)和60 cm(仰拱)厚钢筋混凝土，初支与二衬之间设35 cm预留变形量，如图2所示。

图2 D1K561+525～D1K561+552隧道横断面(单位：cm)

该段隧道开挖后，出现明显大变形病害特征，

钢拱架变形扭曲，初支累计变形过大，最大侵限值93.4 cm，如图3所示。

图3 D1K561+532里程处钢架扭曲变形

为保证施工安全和工期，已绑扎二衬钢筋段(D1K561+525～+544)采用先施工模筑混凝土方法，初支侵限段(D1K561+544～+552)采取注浆加固、增设套拱并跳打二衬措施稳定该段变形，待全隧贯通后再做处理，如图4所示。

图4 D1K561+525～D1K561+552大变形病害段应急处理措施(单位：m)

全隧贯通后，从大里程端向小里程方向采用逐榀拆换的方式对该段支护结构进行拆换。安全完成5榀钢架拆换后，拆换D1K561+548里程处发生塌方。事发当日凌晨3∶00开始拆除套拱及初支，5∶30完成拆除，拆除长度约1 m，未发现掉块；6∶00发现破除处围岩风化速率加快，开始掉块；为封闭岩体，决定初喷，7∶19初喷机具及材料到场，但现场围岩塌落严重，已不具备施工条件，随即停止施工，撤出人员及机械设备；此后拱部围岩塌落速度加快，最终形成塌方，塌方量约700 m3，塌方现场见图5。塌方造成大里程端已完成拆换3榀钢架、其余未拆换的初支钢架均被砸坏，D1K561+525～D1K561+544段模筑混凝土严重开裂。

图5 隧道塌方现场

2 塌方成因分析

2.1 工程地质因素

基于隧道开挖支护后出现钢架扭曲变形、初支严重侵限等大变形病害特征，从地质条件角度分析造成该段塌方的主要原因有：①该段隧道主要穿越古元古界咱里组片麻岩，地层古老且处于构造密集发育地段，围岩受高温高压变质作用及岩浆岩的侵入、挤压、蚀变作用和多期次构造作用，岩体软弱破碎；②隧道开挖揭示该段围岩风化程度为强风化，岩体稳定性差；③地应力测试结果显示，该段地应力高且主应力方向对隧道结构稳定不利；④该段岩层层面顺层挤压，且地下水及施工用水对围岩有一定劣化作用。

2.2 施工因素

由图2可知，该段隧道采用全环HW175型钢(间距0.8 m)和C30早强喷射混凝土(25.5 cm厚)初支，且设置35 cm预留变形量。该段落施工时采用三台阶法，各级台阶高度约为3 m，全环支护封闭时间约为3 d。图6为D1K561+527.5处的监控量测曲线，由图6可知，出现大变形前，拱顶下沉为134.5 mm，边墙收敛值为114 mm，该段落的支护结构变形以拱顶下沉为主。该段落在高地应力挤压、构造和强风化作用下岩体软弱破碎，稳定性差，同时，由于对该段复杂的地质情况认知不充分，支护未及时封闭成环，造成拱部初支钢架扭曲变形，发生严重侵限。

图6 D1K561+527.5处隧道监控量测结果

出现明显大变形病害特征后，对该段隧道分段采取施工模筑混凝土或设置套拱的应急处置措施进行临时加固，虽稳定了支护结构变形，但隧道拱部一定范围内岩体已不同程度劣化；同时，隧道贯通后拆换该段严重侵限支护结构时一次性拆除该榀钢架拱墙范围全部钢支撑。由于对该段地质情况认识不充分、施工经验不足，拆换前未对拱部岩体进行预加固，拆换时施工振动进一步劣化洞周岩体，拆换后未及时采取初喷等方式封闭开挖临空面，最终导致本次塌方事故的发生。

3 塌方处置措施

塌方段埋深超过400 m，无明显地下水，以洞内处置为主。塌方段处置按塌方体固结→D1K561+525～+544段模筑混凝土加固→塌腔处理→塌方段支护结构拆换→施作二衬共5个步骤进行，具体处理措施如图7所示。

图7 塌方段处置措施(单位：m)

3.1 塌方体固结

为稳定塌方体，避免施工过程中塌方体滑动、溜坍，采取注浆方式固结塌方体。固结施工前，分别从塌方体两端用洞砟进行反压回填，并修整形成工作平台，为后续施工提供施工条件。待工作平台修整稳定后，对整个工作平台及塌方体表面采用C20喷射混凝土进行封闭，以防止塌方体注浆固结过程中漏浆。待表层封闭完成后，采用φ42 mm钢花管进行注浆加固，钢花管长6 m，间距1.2 m×1.2 m，呈梅花形布置。

3.2 D1K561+525～+544段模筑混凝土加固

D1K561+525～+544段模筑混凝土厚度不足，受拱部围岩塌落影响，该段模筑混凝土严重开裂。为保证施工安全，设置I20b型钢临时拱墙套拱，间距0.8 m/榀，钢架下端采用扩大钢板进行支垫。拱部范围采用φ42 mm钢花管径向注浆如固，间距1 m×1 m(环向×纵向)，每根长5 m，注浆液采用水泥浆，浆液配比和注浆压力由现场实验确定。注浆效果采用钻孔取芯法进行评价，通过对注浆后岩样抗压强度、劈裂强度、密度、含水率、空隙率、饱和度等指标进行测试，来检验是否达到注浆效果。注浆加固时加强现场监控量测，防止注浆压力过大引起支护结构损坏。

3.3 塌腔处理

为保证后续塌方体开挖、支护结构拆换施工的安全，采取拱部管棚+局部径向注浆加固+塌腔注浆回填的措施进行塌腔处理，其中，管棚加固+局部注浆加固是为了在塌腔下部形成承载拱，并保证塌腔注浆回填时不跑浆。管棚设置于D1K516+552处，从大里程端向小里程方向施作。由于塌方体松散，难以成孔，采用跟管法，在拱部120°范围内施作φ108 mm大管棚。同时，预留塌腔注浆回填混凝土泵送管和出气口。大管棚注浆加固后管棚三角盲区拱墙范围内采用φ42 mm钢花管径向注浆加固。待管棚加固及局部径向注浆加固完成后，通过预留管泵送C20混凝土填满塌腔。

3.4 塌方段支护结构拆换

塌方段支护结构拆换需在塌腔处理完毕且该段变形监测稳定后逐榀进行。拆换施工时，采用机械开挖的方式以三台阶预留核心工法开挖塌方体，同时调整预留变形量为65 cm。

3.4.1 D1K561+544～+552段初支拆换

初支拆换后采用HW175型钢，缩小钢架间距至0.6 m/榀；上台阶钢架设双排φ42 mm锁脚锚管，每根长4.5 m，下台阶钢架设2根φ76 mm锁脚锚管，每根长4.5 m；设置φ22 mm纵向连接筋，环向间距50 cm。由于原钢架间距0.8 m/榀，新换钢架间距0.6 m/榀，部分拱墙钢架与原仰拱钢架部分不能连接处不再设仰拱钢架，在仰拱钢架与边墙钢架连接处设置连接钢板，钢板宽300 mm，未能与拱墙钢架搭接的仰拱钢架焊接在钢板上，保证仰拱钢架受力。

拆换时，逐榀施作φ42 mm超前小导管，采用喷混凝土封闭掌子面后再进行注浆施工。初支拆换后，拆换段拱墙范围采用φ42 mm钢花管进行径向注浆加固，每根长5 m，间距0.8 m×0.8 m(环×纵)，注浆时控制注浆压力，防止因注浆压力过大造成支护结构损坏。

3.4.2 D1K561+525～+544段支护结构拆换

D1K561+525～+544段支护结构拆换由D1K561+525里程处向大里程方向进行。拆换时先拆除模筑混凝土，再进行断面扫描判断初支是否侵限，若初支侵限，则逐榀拆换拱墙初支；模筑混凝土单次拆除进尺1 m，拆换6 m及时施作二衬；待二衬达到强度后按此工序拆换下一循环6 m。拆换过程中加强监控量测，如监测数据异常，立即停止施工。

3.5 施作塌方段二衬

塌方段支护结构拆换完成且监控量测稳定后，先施作D1K561+544～+552段防排水设施，再施作该段二衬。

4 塌方处置结果评价

综合分析隧道塌方段二次衬砌安全度及监控量测资料，对该隧道塌方段处置结果进行评价。

4.1 塌方段二次衬砌受力及安全系数

采用荷载-结构法，以塌腔范围内松动围岩压力为支护结构承担荷载，以二衬为承载主体，计算塌方段隧道二次衬砌内力及安全系数。按最不利情况考虑，即不考虑塌方段拆换后超前支护及初支的支撑作用，将全部围岩荷载直接作用于二衬，实际情况二衬受力状态将比模拟计算假定偏安全一些。计算时，考虑围岩对支护结构的弹性支撑作用，通过设置地层弹簧仅受压来模拟围岩与支护结构间的相互作用。建立计算模型如图8所示。

图8 荷载结构模型

4.1.1 计算参数选取

受塌方影响，该段支护结构所受荷载主要为塌腔范围内的松动围岩压力，即要确定作用在二衬上的荷载，应先确定塌腔高度。根据塌腔处理时混凝土灌注情况推算，隧道上方塌腔高度约8 m。参考普氏平衡拱理论及文献[15]有塌腔高度计算公式

(1)

式中，h为塌腔高度，m；L为塌腔宽度的一半，m；φ为内摩擦角，(°)。

由于该塌方段为隧道拱部塌方，隧道侧壁稳定，L可取隧道开挖跨度的一半，为6.88 m；根据《工程地质手册》塌方体内摩擦角φ取30°；代入式(1)得塌腔高度h=11.9 m。综合现场情况推算值和理论计算值，考虑一定安全预留，取塌腔高度为15 m，即考虑作用在二次衬砌上的荷载所对应的岩土柱高度为15 m。其对应竖向荷载按Pz=γh(γ取26 kN/m3)计算为390 kPa。计算时取侧压力系数为0.5。

根据设计规范及现场测试结果，取塌方体及二次衬砌物理力学参数见表1。

表1 围岩及二次衬砌物理力学参数

4.1.2 计算结果分析

对地层弹簧围岩段施加水平及竖向位移约束，设置地层弹簧仅受压以模拟围岩对支护结构的支撑作用。计算完成后，提取二衬轴力、弯矩内力，如图9、图10所示。

图9 二次衬砌各单元轴力云图(单位：N)

图10 二次衬砌各单元弯矩云图(单位：N·m)

由图9、图10可知，塌方段处置完成后，隧道二衬仰拱位置轴力值最大，为2 984.9 kN；拱顶位置负弯矩值最大，为474.1 kN·m，左右边墙角位置正弯矩值最大，为502.7 kN·m。提取各单元轴力弯矩值，根据TB10003—2016《铁路隧道设计规范》计算得到隧道二次衬砌安全系数包络图，见图11。

图11 二次衬砌安全系数包络图

从图11可以看出，塌方段隧道二衬全环安全系数较均匀，无明显畸变点；与二衬受力状态对应，拱顶及边墙脚处安全系数相对较低，其中，拱顶位置为受力最不利点，该点安全系数为4.4，满足TB10003—2016《铁路隧道设计规范》要求，即可认为隧道二次衬砌结构是安全的。

5 结论

通过采取注浆固结塌方体、设置套拱及拱部钢花管注浆加固临近段支护结构、采取拱部管棚+局部径向注浆加固+注浆回填处理塌腔后再进行短进尺拆换塌方段支护结构顺利通过塌方段。该处高地应力软岩隧道塌方处置效果明显，保证了施工安全及隧道结构的可靠性，避免了次生事故发生，加固后塌腔填充情况好，塌方段围岩稳定，拆换后支护结构变形较小，二次衬砌结构安全可靠。

(1)本隧道塌方段为片麻岩，岩体软弱破碎，岩体稳定性差，且该段地应力高且主应力方向对隧道结构稳定不利；支护结构承载力不够，开挖支护后初支出现明显大变形特征，严重侵限；后期拆换时未对拱部岩体进行预加固，施工振动进一步劣化洞周岩体，且未及时采取初喷等方式封闭开挖临空面，最终导致本次塌方事故的发生。

(2)高地应力软岩隧道塌方处置中，应先固结塌方体、加固隧道临近塌方段支护结构，防止塌方范围继续扩大；应重视塌腔充填，通过设置管棚于塌腔下形成承载拱，再采用小导管进行注浆加固，逐步充填塌腔至密实，能显著降低后续塌方处置过程中拱部岩体再次发生坍塌的风险，从而保证施工安全和拆换后衬砌结构安全；支护结构拆换时严格控制进尺，随拆随撑，拆换后支护结构尽快封闭成环，保证结构稳固。

(3)结合工程实际对该段隧道二次衬砌结构安全性进行计算分析，采取塌方处置措施后，塌方段二次衬砌结构安全系数满足《铁路隧道设计规范》要求，可认为隧道二次衬砌结构是安全的。