浅埋富水全风化花岗岩公路隧道塌方数值模拟分析*

茶增云，朱 涛，沈孟龙，刘金叨，赵兴春

(1.西双版纳景海高速公路建设投资有限公司，云南 景洪 666100； 2.云南腊满高速公路有限公司，云南 西双版纳 666300； 3.中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，湖北 武汉 430071； 4.中国科学院大学，北京 100049)

0 引言

隧道塌方是隧道中常见且危害较大的地质灾害[1]，已有不少学者进行了相关研究。刘利生等[2]以穿越倾斜岩层段隧道施工塌方为工程背景，基于围岩的工程力学特性，运用数值模拟和现场监测研究隧道塌方的力学机理。张毅等[3]结合理论推导、数值模拟和现场监测，研究李家坪隧道施工时发生塌方冒顶事故的机理。杨成忠等[4]总结灾害诱发因子，提出处理措施，并利用数值模拟分析隧道涌水塌方原因。任和祥[5]提出3种预防治理公路塌方的施工方案，并依次进行数值模拟，发现相同围岩力学条件下，以钢拱架作为围岩的支护措施可显著降低隧道塌方次数，减小围岩变形量。张冬梅等[6]建立隧道-土体离散元计算模型，模拟隧道不同区域发生局部渗流侵蚀土体时隧道围岩变形、地表沉降及隧道围岩应力分布变化。张万志等[7]运用FISH语言对FLAC3D流固耦合模块中非饱和渗流部分进行改进，同时模拟渗流过程中土体含水量增加导致土体强度参数折减及膨胀力增加的特点，总结不同降雨强度下雨水渗入膨胀土隧道围岩变形数值模拟方法。

由于全风化花岗岩力学性能差，岩体软弱，工程扰动后极易失稳，导致隧道产生大变形、塌方等地质灾害，严重影响施工进程。因此，研究浅埋富水全风化花岗岩公路隧道施工灾害问题非常有必要，本文依托云南景洪—勐海高速公路建设工程，研究总结浅埋富水全风化花岗岩公路隧道安全施工模拟技术。

1 工程概况

宾房2号隧道属于景海高速公路，靠近勐海县，为分离式隧道。右幅全长2 230m，从K29+995—K32+225，最大埋深119m；左幅全长2 225m，从ZK30+017—ZK32+235，最大埋深118m。

1.1 地质条件

粉质黏土⑥1-2呈棕红色、淡黄色，可塑状，土体表面光滑但无光泽，韧性及干强度中等。钻孔揭露厚度0.8～2.8m。隧址区表层多有分布。

粉质黏土⑥1-3呈褐黄、灰黄、蓝灰色，硬塑状，稍湿，土体表面光滑但无光泽，韧性及干强度中等，土质基本均匀。局部见全风化花岗岩碎粒。钻孔揭露厚度5.0～7.0m。分布在隧址区出口段表层。

碎石土⑥6-3呈褐黄、灰黄色，湿，稍密～中密，母岩成分为强风化花岗岩，棱形、亚棱形为主，见少量石英石。钻孔揭露厚度约2.0m。

2)华力西晚期(γ43)岩浆岩

植物精油是从植物根、茎、叶或种子中分离提取得到的精油。这些精油具有一定的抑菌和抗氧化作用，可以作为天然的防腐剂运用到食品工业当中[1]。丁香酚(Eugenol，4-烯丙基-2-甲氧基苯酚)是提取自丁香花蕾的一种精油，可作为香料使用[2]，其分子式为C10H12O2，化学结构式如图1所示，这种甲氧基苯酚对光敏感，在某些情况下可被用作抗氧化剂和氧化剂[3]。丁香酚具有广谱抗菌性，可通过破坏细胞膜而抑制沙门氏菌等的生长[4]。因此，丁香酚可以作为天然的抗氧化剂和防腐剂以及香味剂应用在食品工业中。然而丁香酚暴露在空气中时极不稳定，容易挥发，且在水中几乎不能溶解，极大地限制了其应用范围。

1.2 气象与水文条件

隧道所处北亚热带雨林气候区，年降雨量1 291.2～1 943.9mm，每年5—10月为雨季，雨季降雨量占全年总降雨量的86%，月降雨量最高达410mm，雨季较长，施工时更应注意防范隧道涌水。

隧址内地下水以碎屑岩裂隙水为主，赋存于华力西晚期花岗岩中。基岩裂隙水含水层属地下潜水，富水性中等～较弱，埋深较浅，补给以大气降水为主，多以溪沟就近排泄，以散流状向河谷汇集，径流短。

1.3 K31+565.5塌方概况

K31+500—K31+636段地质纵剖面如图1所示，右幅隧道K31+565.5处围岩性质发生变化，隧道顶板上由中风化花岗岩变为全风化花岗岩。2020年6月16日此处施工过程中，上台阶围岩破碎、松散、自稳能力差且渗水较严重，初喷混凝土开裂，掌子面发生涌水涌砂，加上连续降雨，此处渗水量加大，最终造成塌方，掌子面涌出约10m。同时由于隧道内部塌陷，岩土体向下迁移，顶部上方地表发生塌陷(见图2)，塌陷面积长约7m，宽约6m，塌方量500～600m3。

图1 K31+500—K31+636段地质纵剖面

图2 地表塌陷

通过现场调查与分析，采用瞬变电磁法[8]，发现上方有1个风化槽，内部完整性较差，岩体强度有明显弱化趋势，并以此建立数值模型，模拟渗流条件下隧道的变形，以确定整治措施。

2 室内试验

设计围压为100，200，400，600kPa 4组试验，各组按10%，15%，20%，26.5%(饱和)4种不同含水率展开三轴剪切试验。试验结果如图3，4所示。

图3 不同含水率下的强度参数值

图4 不同条件下的抗剪强度

表2 力学参数

3 数值模拟分析

3.1 模型建立

采用六面体单元，共划分12 993个单元，取隧道洞径的3～5倍，根据地质剖面图建立全风化花岗岩、中风化花岗岩地层，根据结果建立风化槽地形；通过提高加固区力学性质实现超前注浆模拟，超前注浆范围为120°，扩散半径为1.5m；锚杆采用结构单元模拟，锚杆长3m，间距为1m×0.5m，无管棚支护；初期支护采用实体单元模拟，厚0.25m。地层采用莫尔库仑模型，衬砌采用弹性模型，边界条件为四周固定。K31+565.5计算模型如图5所示。

图5 K31+565.5计算模型

3.2 计算参数

计算所需的流体和力学参数[9]如表1，2所示。其中钢拱架的作用可采用等效方法考虑，即将钢拱架的弹性模量折算给地层，计算方法如下[10]：

表1 流体参数

(1)

式中：E为折算后岩土层的弹性模量；E0为原岩土层的弹性模量；Sg为钢拱架支护等效截面积；Eg为钢拱架的弹性模量；Sc为支护断面截面积。

3.3 计算结果

3.3.1仅有风化槽

洞顶上方有风化槽条件下隧道数值模拟结果如图6～8所示。

图6 竖向位移(单位：m)

图7 围岩竖向应力(单位：Pa)

图8 衬砌应力(单位：Pa)

由图6～8可知，隧道围岩变形主要发生在开挖隧道上方，开挖引起拱顶以上围岩沉降，最大沉降约4.57mm，出现在地层分界线处；地表沉降0.5～1mm。最大衬砌内力出现在拱腰，约1.46MPa。隧道开挖后，打破了原来的应力平衡状态，围岩应力重新分布，在隧道边界出现应力集中现象；在隧道顶、底部出现局部拉应力，其他部位出现压应力集中现象，最大压应力出现在拱肩，为1.98MPa。

3.3.2有风化槽加地表水渗流

根据当地气象局资料，24h内降雨量50～99.9mm为暴雨，暴雨降雨量取75mm，根据地表面积计算入渗取值8.68×10-7m/s，仅考虑隧道上方低洼处入渗。由于花岗岩遇水软化，易崩解，对含有水的风化槽按试验结果强度参数减少56.8%。降雨过程中边坡孔隙水压力分布如图9所示。由图9可知，地表处孔隙水压力从0.332MPa增加到1.030MPa，是由于渗透系数较小，且降雨强度太大，雨水在局部聚集，导致孔隙水压增大。雨水向下入渗深度逐步增加，风化槽中增加最明显，在第3天入渗到达拱顶处。

图9 孔隙水压力分布(单位：Pa)

降雨过程中竖向位移分布如图10所示。由图10可知，3d最大位移值依次为15.5，28.1，51.6cm，均发生在风化槽与拱顶交界位置，结合图9可发现雨水入渗深度越大，竖向位移越大，一方面这是由于雨水在重力和水压力差的作用下向隧道内部入渗，形成动水压力，对岩土体进行冲刷；另一方面降雨导致岩土体含水率增大，岩土体抗剪强度降低，变形增大；且风化槽中位移变形比周围岩土体位移大1个数量级，风化槽与拱顶交界处极有可能发生塌方。

图10 降雨过程中竖向位移(单位：m)

4 监测结果及处理措施

K31+565.5位移监测曲线如图11所示。由图11可知，开挖过程中，位移曲线出现陡增，最大位移达290.7mm，气象资料显示当地连续降雨，导致变形陡增，数值模拟揭示了雨水入渗及岩土体发生大变形的过程。根据上述分析，提出整治措施，进行地表加固和支护参数调整。

图11 监测曲线

沿隧道轴线采用φ108×6钢花管进行竖向地表加固，钢花管底面高程依据横断面图以开挖轮廓线外1m控制，单根平均长度约20m，纵向每2m设置1排，横向每排设置6根，间距为3m，相邻2排错开呈梅花形分布，压注1∶1水泥浆液，注浆压力≥0.75MPa。

原设计双层小导管的超前支护，调整为φ108×6大管棚和φ42×4小导管作联合超前支护，管棚每循环长度为20m、搭接4m，内设钢筋笼，小导管每循环长度4.5m，搭接长度2.5m。

5 结语

在隧道上方仅有风化槽的情况下，隧道开挖引起的位移较小。但若雨水渗入，开挖过程中由于风化槽松散的性质，渗透系数相对较大，地表雨水更易在风化槽中形成渗流通道；由于含水风化槽强度降低，导致隧道上面地表雨水局部渗流，随着渗流风化槽强度降低，隧道上方位移快速增大，导致隧道塌方，地表塌陷。

隧道施工过程中，若超前地质预报发现围岩存在风化槽或破碎带等不良地质体，应提前对其进行加固处治，并加强支护，及时调整施工方式。降雨期间对地表流水进行处治，集中引排，减少地表流水渗入，同时补打洞内排水孔。