大凉山深埋软弱围岩公路隧道塌方机理及处治措施

苗景川,肖鹏帅,洪富义,陈诺,李文杰,梁斌*

(1.中铁十五局集团第一工程有限公司,西安 710018; 2.河南科技大学土木工程学院,洛阳 471000)

随着中国交通建设的快速发展,在软岩山区将不可避免修建大量深埋隧道,增大了施工的难度和安全风险。由于软岩山区围岩条件复杂、岩体力学参数不准确、节理裂隙众多等原因,隧道在施工过程中极易发生塌方等事故,塌方事故不仅造成经济损失和工期延误,而且对施工人员的生命安全产生极大威胁[1-5]。

孙瑞义等[6]依托怀邵衡铁路苍稼岭隧道工程,基于层次分析法建立复杂山岭隧道的风险评估模型,确定了该隧道风险等级为较高风险,提出了针对塌方风险的具体应对措施;侯艳娟等[7]结合典型事故案例统计,根据其演化过程将塌方事故分为围岩失稳、结构失效和环境失调3种类型,指出了塌方原因及控制措施;徐海清等[8]以武汉地铁六号线隧道为背景,基于沙漏型地面塌陷机理提出具体岩溶处置措施,并通过数值模拟验证其合理性;李奥等[9]通过有限元极限分析法,从边坡安全性研究隧道洞口段塌方模式和机理,验证管棚施工的必要性;于丽等[10]基于非线性摩尔库伦准测,运用极限分析上限法,研究各参数对塌落体范围的影响,计算深埋土质隧道塌落体范围;王秋生等[11]依托黄韩侯铁路如意隧道工程,分析隧道塌方原因,提出相应的处理措施并通过现场检测和数值模拟对其效果进行评价;吴永波等[12]通过模型试验和数值模拟,对软岩隧道拱顶塌方机理进行研究,结果表明应加强保护的区域是拱顶上方一倍洞径高度范围内的围岩;单超等[13]通过有限元软件建立Ⅳ级围岩浅埋隧道力学模型,模拟分析支护调整前后拱顶沉降和拱腰收敛,确定了预留变形量的大小进而降低施工风险;安亚雄等[14]通过142个隧道塌方事故案例,基于N-K耦合模型,研究出最主要的耦合致灾关联组合和主要影响因素;张成平等[15]建立模型试验系统,分别研究软弱围岩深埋隧道和浅埋隧道塌方特征和机理,对比分析塌落拱的形状并提出塌方防控的重点;马士伟等[16]通过分析软弱围岩力学性质和围岩变形特征,确定防塌方预警值,并通过现场试验得到验证。刘腾等[17]针对富水黏土地层盾构隧道,对不排水条件下的开挖面稳定性进行了研究,通过数值模拟分析了直径、埋深比与内聚力对开挖面极限支护力的影响规律。

尽管不少学者对隧道塌方模式、机理以及预测方面有较多的研究成果,但关于隧道开挖时容易失稳位置的研究相对较少,同时缺乏对深埋软弱围岩隧道塌方处治措施的研究。现以乐西高速公路大凉山2号隧道工程为研究背景,根据现场地质情况结合Kastner公式分析塌方机理,采用软件MIDAS GTS NX建立力学模型,对围岩应力、位移、塑性区分布进行分析,得出隧道围岩容易失稳的位置,提出相应的处治措施,并通过现场监测验证其合理性,为类似工程提供参考和借鉴。

1 工程概况

大凉山2号隧道设计为分离式隧道,全长12.5 km,最大埋深774 m,属于特长深埋公路隧道,位于云贵高原与川西南山地过渡带,东北部与四川盆地毗连,2 000 m左右的一般高程,隧道周边主要有6条深大断裂带。

隧道所处地貌属构造侵蚀深切割高山区,工程区地表主要为新生界覆盖,下伏基岩除泥盆、石炭系及第三系缺失外,其余各系地层均有分布,其中以早古生界二叠系,中生界三叠系、侏罗系地层分布最广,复杂的岩体结构导致围岩的稳定性较差,施工中部分区段容易发生塌方等灾害。场地属于美姑河水文单元,地下水主要类型有松散堆积层孔隙水、碎屑岩孔隙裂隙水、碳酸盐岩夹碎屑岩岩溶裂隙水、岩浆岩裂隙水、断裂破碎带孔隙裂隙水类型和含水岩系。隧道洞口如图1所示。

图1 隧道洞口

2 塌方事故过程及机理

2.1 塌方事故过程

K105+220～K105+270段隧道平均埋深约420 m,上台阶开挖至K105+233时,掌子面揭示主要为粉砂质泥岩,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。2022年9月28日,大凉山2号隧道开挖至K105+233处,掌子面泥砂岩和灰岩交界,受构造影响,岩层产状杂乱,拱顶塌方约186 m3,塌腔约长2.5 m×宽4.2 m×高4.2 m,此次塌方未造成洞内人员伤亡,塌方现场如图2所示。

图2 隧道塌方现场

2.2 塌方原因

该段位于泥砂岩地层与灰岩地层交界处,围岩以粉砂质泥岩与玄武岩为主,中～微风化,薄～中厚层状构造,岩体较破碎,综合划分为Ⅴ级围岩,受断裂影响严重,局部地段存在层间错动或次级小断层及褶皱挤压破碎带,洞顶易产生剥层状垮塌或层面与节理切割的块状垮塌,侧壁易掉块。含裂隙水,以点滴状、线状为主,在砂岩及裂隙发育带、岩体破碎带有股状水流,具有承压性和弱腐蚀性。在裂隙水作用下,岩土体自重增大,黏聚力下降,内摩擦角减小,大大降低围岩自身稳定性,引发掌子面泥砂岩的塌方。

2.3 塌方机理

原有地应力场在隧道开挖后受到扰动引起应力重分布,将围岩分为浅层围岩和深层围岩两类,浅层围岩是需要加固才能维持稳定的围岩,深层围岩是指自身稳定性较好不需要加固也能稳定的围岩。浅层围岩由松弛到离散会导致围岩失稳破坏,当浅层围岩和初期支护共同承担形变压力,支护结构主要承担塑性形变压力时,此时浅层围岩处于松弛阶段,随着围岩塑性区不断增大浅层围岩会从松弛阶段达到离散阶段,在自重作用下浅层围岩产生的松动压力会使其发生失稳破坏,导致隧道塌方。由Kastner公式得出最大支护反力pi与围岩位移量v0为

(1)

(2)

(3)

式中:Rp为围岩塑性区半径;R0为隧道围岩半径;p0为初始地应力;α为岩体外塌陷角;c为围岩的黏聚力;φ为内摩擦角;pi为支护反力;G为塌方体重力。

由式(1)～式(3)计算最大支护反力及围岩位移量,对设计支护结构及预防塌方非常重要。

3 数值模拟

3.1 模型建立

采用有限元软件MIDAS GTS NX建立塌方段力学模型,为消除边界效应影响,模型尺寸应取隧道跨径的3～5倍,因此模型围岩宽度取60 m,高度取60 m,开挖深度取30 m。模型两侧约束水平方向位移,底部为法向位移约束;上部按覆盖岩层自重施加竖向均布荷载10 MPa,力学模型如图3所示。围岩及材料力学参数依据大凉山2号隧道地质勘察报告选取如表1所示。

表1 围岩及材料力学参数

图3 隧道力学模型

3.2 结果分析

3.2.1 围岩应力

围岩因隧道开挖扰动的影响而发生应力重分布,原有的力学平衡被破坏,掌子面四周发生应力松弛。由图4可知,围岩最大主应力出现在上下两台阶交界处,最大值为12.6 MPa,初期支护产生疲劳裂缝的主要原因是相应位置出现应力集中,并且由于粉砂质泥岩属于软弱围岩,其承载力和稳定性较差,在施工扰动和裂隙水渗流的共同作用下导致隧道塌方,因此应加固上下两台阶交界处的初期支护。

图4 围岩应力

3.2.2 围岩位移

由于粉砂质泥岩强度小,自稳能力差,隧道开挖后围岩力学平衡遭到破坏,拱顶开始下沉,最大沉降量为177.02 mm。同时围岩不能承受隧道周边应力产生的塑性变形,拱腰处水平收敛最大值为68.21 mm。围岩为达到新的平衡状态不断向隧道内部变形,造成仰拱隆起,最大值为65.47 mm。围岩位移如图5所示。判断隧道围岩稳定的重要依据是围岩变形情况,收敛应变率是最大变形量与隧道开挖跨度一半的比值,临界值为2%,该里程围岩收敛应变率为3.29%,隧道会发生塌方,与现场情况相符。

图5 围岩位移

3.2.3 围岩塑性区

由图6可知,隧道开挖后洞口四周围岩基本都处于塑性状态,洞口四周的塑性区范围远小于掌子面的塑性区范围。塑性应变集中于上台阶掌子面处,最大值为3.027×10-2,说明上台阶发生塑性破坏的可能性较大,在开挖过程中受到爆破扰动容易失稳,与现场塌方情况一致。

图6 围岩塑性区

4 塌方治理措施与效果

4.1 修整塌方体

为便于隧道开挖施工设备的布置,对塌方体进行反压回填,修整后的塌方体呈三段式台阶状,即塌方体远离掌子面的一侧向靠近掌子面的一侧呈上升状。对塌方体喷射厚约10 cm的C25混凝土进行封闭,并采用Φ42 mm钢花管对回填体坡脚进行注浆加固。掌子面反压回填如图7所示。

图7 掌子面反压回填

4.2 封闭掌子面

在确保塌方体安全的情况下,在掌子面施作由钢筋网和C25混凝土形成的管棚导向墙,采用砂浆锚杆连接管棚导向墙周边与初支背后岩体,同时在拱顶预埋两根108注浆管及两根70泄水管。在K105+232断面处设置监测点以加强塌方监测。喷浆封闭掌子面如图8所示。

图8 掌子面喷浆封闭

4.3 塌腔处理

采在拱顶上方打入2根长15 m的Φ105 mm钢管,一根泵送混凝土形成厚度不小于2 m的混凝土护拱,角度为55°,注浆压力为0.3～0.5 MPa,另一根检验混凝土是否达到要求,当达到设计要求时会有水流出,角度为45°。塌腔回填如图9所示。

图9 泵送C20混凝土回填塌腔

4.4 超前支护

如图10所示,在K105+232处拱部利用管棚钻机进行钻孔并安装32根长管棚,管棚端头应伸入基岩3～5 m,环向间距40 cm,每根长度20 m。向长管棚内注入水泥浆,以使通过长管棚从隧道的拱顶向隧道的两侧对塌方体进行注浆加固,注浆压力为0.5～1.0 MPa。在隧道初期支护的拱顶倾斜布置外层超前小导管和内层超前小导管后形成双层超前小导管,外侧超前小导管的外插角为40°左右,所述内侧超前小导管的外插角为25°左右;多个外侧超前小导管沿隧道的环向呈等间距布设,相邻两个外侧超前小导管之间的环向间距为0.5 m。采用双层超前小导管进行二次注浆时,浆液采用水泥-水玻璃双浆液,注浆压力为0.5～1.0 MPa,当注浆压力达到1.5 MPa时停止注浆。小导管安装如图11所示。

图11 小导管安装

4.5 塌方段处置效果

采用上述综合技术治理塌方后,隧道安全顺利通过塌方段。塌方段初支施工后将初支监控量测设置为5 m一个断面,监测频率每天不少于2次,以及时掌握围岩状况。监测结果如图12所示。

图12 监测数据

由图12可知:在隧道开挖过程中,前20 d拱顶沉降速率和拱腰收敛幅度较大,在开挖20 d后都基本稳定,拱顶累计沉降18.3 mm,日均沉降量0.76 mm/d,拱腰累计水平收敛13.6 mm,日均收敛量0.56 mm/d。监测点的围岩变形都趋于稳定,拱顶沉降和拱腰收敛均满足规范要求,说明处置效果良好。

5 结论

针对大凉山2号隧道塌方事故,基于Kastner公式并结合数值模拟对塌方机理进行分析,提出相应的处治措施,得出如下结论。

(1)塌方段处于泥岩和砂岩接触带,节理裂隙发育,岩体松散破碎,地下水通过裂隙渗入围岩,使围岩强度降低,加上施工扰动的因素导致塌方。

(2)隧道最大拱顶沉降为177.02 mm、仰拱隆起最大值为65.47 mm、拱腰水平收敛为68.21 mm,围岩变形量较大,隧道稳定性较差,塑性应变集中在上台阶掌子面处,该处易发生塑性破坏。

(3)通过修整塌方体、封闭掌子面、泵送混凝土回填塌腔和大管棚+双层超前小导管等综合处治措施能够有效处理隧道塌方问题,现场监测结果验证了这一措施的合理性。