基于有限元分析的公路隧道塌方处治对策研究

欧阳璐，唐明亮，王 刚，苑文博

(广西交科集团有限公司，广西 南宁 530007)

0 引言

随着我国交通总体发展水平的不断提升，公路隧道工程建设也得到了长足发展，可有效节省地面建筑空间，有利于促进经济发展。然而在各类错综复杂的地质地形条件下，隧道施工过程中可能会遭遇塌方事件，有针对性的处治方案能够很大程度上减少二次塌方的可能性，并减轻塌方损失、保障生命财产安全。

针对公路隧道塌方产生的原因及处治对策方面，已有诸多研究成果：侯艳娟等[1]统计总结了多次隧道塌方事故，系统分析隧道塌方的具体演化过程以及产生的内在原因，分别从环境原因、结构原因以及围岩原因三方面对其进行界定，提出了对应的安全控制措施；张建军等[2]利用有限元数值分析软件对隧道施工过程中发生的塌方事件进行分析，回溯事故发生的演化过程，并结合模拟结果分析塌方原因、提出相应整治措施；刘艳明[3]针对公路隧道施工中发生的地表塌陷事件进行数据分析，提出地表及地下水是此次塌方发生的主要原因，并拟定了针对性处治方案；曾波存等[4]针对渗水引起的隧道塌方进行研究，认为岩体稳定性不足等是其发生的内在缘由，从而进行有效处治；吴永波等[5]利用有限元数值分析法，模拟得出了隧道塌方产生的原因，得出避免塌方发生所须重点关注的要点；张旭等[6]结合砂卵石地层公路隧道实体施工工程，提出了一种结合注浆、支撑、管棚等要素在内的综合处治方案，并通过监测数据论证了其高效性。

综上所述，现有研究主要集中于公路隧道塌方产生机理方面，在论证公路隧道塌方处治相关措施有效性方面则主要依靠现场相关监测数据指导。也有学者将有限元分析法引入了隧道塌方相关事件，但主要是用于回溯事故发生的演化过程，未能将其与相关处治方案的处治结果相结合。因此，本文依托某高速公路隧道施工工程，以施工过程中发生的塌方事件为例，提出了有效的公路隧道塌方处治对策；采用了有限元数值分析软件以及现场指标监测，对处治后的工程分别进行模拟与验证。研究成果可为公路隧道施工避免塌方发生、减轻塌方损失、保障生命财产安全方面提供一定的经验参考。

1 工程背景

本文依托的公路隧道施工项目属于分离式隧道结构，全线分布Ⅲ级、Ⅳ级以及Ⅴ级围岩。发生隧道塌方事件的地点位于右线隧道，设计为单向四车道，全长615 m。该隧道施工项目围岩主要为破碎花岗软岩、粉质黏土，剖面图如图1所示。

图1 项目地质剖面图

2 塌方过程简介

在隧道塌方发生前进行了爆破施工，爆破完成后并没有产生塌方先兆。后期出碴工序中施工人员发现拱顶处发生流砂现象，项目组要求立刻停止施工，并安排作业人员和机械及时撤离到安全区域。施工人员尝试封堵流砂孔口，但因土质疏松，未能取得预期成果。待流砂现象结束后，采用喷射混凝土方案对流砂区域范围进行加固支护。在喷射混凝土过程第65 min左右，发生隧道塌方事件。经现场评测估算，塌方体体积约为950 m3，上部坍塌腔体深度约为12 m。

3 原因分析及处治对策

3.1 塌方原因分析

塌方发生后，项目组立即组织力量对事件进行调查分析，并将塌方的原因归结为三个主要方面：

3.1.1 塌方处土体下层硬上层软

塌方事件发生处地质条件相对较差，土体下层硬上层软。在挖掘过程中，支护措施不完善、支护方案不适用以及支护未及时跟进等均可能引起围岩应力短时间内集中骤增，直接引发塌方事件。

3.1.2 爆破进尺偏深

事故发生前隧道施工中导洞的上台阶已接近贯通，因此选取了一排炮的爆破方案进行处理，爆破进尺偏深，产生的爆破振动也相对更明显，加之周边土体下层硬上层软，更加容易引发土体不稳，最终引起塌方事件。

3.1.3 管棚注浆效果不理想

施工过程中的进洞大管棚长为30 m，但在挖掘时监测到在15 m长度处发生侵限现象。此外，管棚注浆效果并不理想，无法很好地加固周围的不稳定土体。将发生侵限现象的部分管棚切除，直接导致棚架作用发挥不充分，从而无法保证周边土体稳定性。

3.2 塌方处治对策

在初步分析塌方事件发生原因后，项目组及时提出了对应的处置对策，提出塌方洞口填土浇筑混凝土护拱、径向注浆补强并配合掌子面法向注浆补强的综合方案。具体的方案说明如图2所示。

图2 处治对策示意图

其中砂袋回填高度与拱顶持平，在其上回填1 m厚填土并仔细夯实。塌方腔体进行锚喷网加固前须清除壁面松动土体，在上方地表处做好封闭并设置合理的排水措施。

4 有限元分析

4.1 模型搭建

结合公路隧道施工项目实际所处地形地质条件，将塌方事件发生处周边相关信息考虑在内，建立二维有限元数字模型。考虑到边界条件问题，模型左右两侧方向跨度参照3倍隧道宽度，下侧深度参照3倍隧道高度，最终确定有限元模型，如图3所示。模型左右两侧边界约束其横向位移，模型下侧边界约束其竖向位移，只将重力作用纳入计算过程，除了支护点处选择梁单元外，其他处都选择平面应变单元。二次衬砌结构的计算分析选取荷载-结构模型方案。为了减少模拟分析计算量，径向及法向注浆补强均以直接提升周边土体相关参数等效替换。

图3 有限元二维模型示意图

4.2 参数确定

依照规范并结合工程地勘数据确定了相关土体及设施的参数，如表1所示。其中支护设施选取弹性本构模型，隧道周边土体则选取了Mohr-Coulomb本构模型。二次衬砌的荷载设定为设计荷载的0.7倍，侧向压力系数取值为0.4。

表1 参数确定结果表

4.3 施工步设置

模型设置的初始状态为前文处治对策处治后的状态，后续设定有7个施工步，如图4所示。

图4 施工步设置示意图

4.4 模拟结果分析

4.4.1 位移分析

将各施工步对应的拱顶沉降位移、水平净空位移的模拟计算结果进行统计，如图5、图6所示。

图5 拱顶沉降位移变化曲线图

分析可以发现，二者位移均随着施工步的推进呈现出先骤变后稳定的趋势，分界点为第4施工步，这说明下台阶开挖支护步骤对隧道稳定性情况有着决定性作用，需要进行重点关注并加强监测。

4.4.2 应力分析

分析隧道结构的最大主应力情况，如下页图7所示。可以发现，在隧道两侧边墙处存在最大拉应力，数值为0.45 MPa，并不会造成防护锚喷网的破坏，这说明前文所述处治方案能有效保证隧道整体的稳定性。

图7 最大主应力分布云图

4.4.3 二次衬砌分析

处治后的隧道二次衬砌结构轴力及弯矩分布情况如图8、图9所示。

图8 拱顶沉降位移变化云图

图9 水平净空位移变化云图

可以发现，隧道二次衬砌结构整体处于受压状态，其中最大处位于仰拱下部，两侧分布有一定的负弯矩。其中安全系数最小值位于墙角处，为2.2，大于规范要求的2.0，这说明处治加固后的二次衬砌结构可以满足使用要求，具有足够的稳定性。

5 现场指标监测

对塌方进行针对性处治的同时对拱顶沉降和水平净空收敛情况进行现场指标监测，为期40 d的监测结果汇总如图10所示。

图10 现场指标监测曲线图

可以发现，处治完成15 d后，拱顶沉降和水平净空收敛均达到相对稳定状态，不再产生明显变化，与前文有限元模拟结果高度吻合，说明处治对策对此次公路隧道塌方事件有着很好的适用性。

6 结语

本文依托某高速公路隧道施工工程，以施工过程中发生的塌方事件为例，提出了有效的公路隧道塌方处治对策；采用了有限元数值分析软件以及现场指标监测，对处治后的工程分别进行模拟与验证，得出如下主要结论：

(1)事件发生的主要原因包括塌方处土体下层硬上层软、爆破进尺偏深以及管棚注浆效果不理想等。

(2)下台阶开挖支护步骤对隧道稳定性情况有着决定性作用，需要重点关注并加强监测。

(3)塌方洞口填土浇筑混凝土护拱、径向注浆补强并配合掌子面法向注浆补强的综合方案能够有效处治公路隧道塌方事件。