浅埋大断面隧道塌方处治与数值模拟对比分析

王超林，王兴宏，段艳平

(湖南科技大学 土木工程学院， 湖南 湘潭市 411201)

0 引 言

隧道工程由于埋深浅、断面大等特点，当遇复杂地质条件、设计施工不当时常发生坍塌事故。针对隧道施工过程中发生的坍塌事故，国内学者做了大量研究：陈秋南等[1-2]结合某高速公路隧道工程，分析了隧道坍塌原因及加固措施；韩同春等[3]结合高宝隧道塌方事故，对隧道拱脚塌方事故进行了分析与研究；谭代明等[4]采用有限元方法研究了侧部岩溶对隧道围岩稳定性的影响。

本文结合重庆轨道交通六号线二期北碚站开挖过程中出现的冒顶坍塌事故，对引起隧道坍塌的原因进行分析，结合实际情况对塌方区分段采取护拱法和临时回填砂浆两种抢险处理措施，并通过对隧道进行现场监控量测，得到了塌方区加固后隧道围岩位移及支护结构应力变形规律。同时运用FLAC3D软件对隧道塌方段进行开挖支护模拟分析，得出围岩竖向及水平位移变化规律，通过与现场监测结果进行对比，评价隧道塌方后加固措施的有效性。本文所研究的方法、得出的结论可为类似工程提供借鉴参考。

1 工程概况

1.1 隧道总体概况

重庆轨道交通六号线二期北碚站位于北碚区政府对面、北碚嘉陵风情街下。车站内部采用单拱双层岛式，主体采用曲墙+仰拱的五心圆马蹄形断面，顶部覆土21.4 m，最大开挖断面宽23.16 m，高18.34 m，隧道起讫桩号为DK55+955.302～DK56+134.302，总长179 m。内部共设3处风道、4个出入口，其中一个为远期预留与7号线换乘。车站两端为复合式TBM区间，主体采用掘进通过，在车站大里程端设置复合式TBM接受导硐。车站属于特大断面暗挖隧道，IV级围岩，采用双侧壁导坑法施工。

1.2 隧道现场塌方概况

自2011年6月车站进入主体以来，由于施工等原因出现多次小型坍塌。2011年8月14日发生严重坍塌事故，车站左线DK55+985～DK55+962段侧壁导坑发生冒顶，坍塌已延伸至掌子面，长度约23 m。

2 隧道坍塌原因分析

隧道开挖过程中导致坍塌的原因主要有两类，一是地质因素，即围岩本身的稳定状态，二是人为因素，即不适当的设计、施工方法等[5]。

2.1 地质因素的影响

北碚站隧道围岩不稳定，强度低，属于IV级围岩，施工时自稳能力差。围岩结构松散、风化严重，地层裂隙发育，结合差，当隧道穿过时，如无其他支护措施或支护措施不当，一经开挖，潜在应力迅速释放、围岩失稳，轻则引起围岩掉块、塌落，重则引起塌方。该隧道地下水富水性受地形地貌、岩性及裂隙发育程度控制，补给源主要为大气降水，水量大小与降水关系密切且受气候和季节变化影响大，而坍塌时处重庆多降雨季节，降水量大。大量的地表水渗透到地层，加大了地下水对围岩自稳的破坏。

2.2 人为因素的影响

(1) 设计原因：北碚站设计埋深21.4 m，最大开挖宽度23.16 m，高18.34 m，属浅埋大断面隧道；隧道的埋深越浅，涉及破碎岩体的几率越大；同时隧道的跨度越大，围岩的自身稳定性越差，发生塌方的几率便随之增大。该隧道采用暗挖钻爆法施工，爆破的震动也会改变岩石力学性能，促使裂隙发育，破坏岩体的完整性。

(2) 施工原因：施工时施工单位支护不及时，不按照设计要求的双侧壁导坑法及纵向施工步序进行施工，未留设核心土等人为因素是导致塌方事故发生的直接原因。

3 隧道塌方事故处治

考虑施工安全和施工进度，根据实际情况对塌方段采取了两种不同的处理方案。对里程DK55+985 ～DK+970段采用护拱法，处治方案如下：

(1) 喷射C25混凝土对塌腔内壁进行封闭加强处理；

(2) 把护拱拱脚做成扩大基础，将拱架落在坚实的基岩上；

(3) 采用单层钢架网喷混凝土结构，对该段进行外部护拱；

(4) 分段护拱支护4 m后，对支护段背后空腔采用泵送C30混凝土进行回填；

(5) 采用I25b工字钢，并用Φ32自进式锚杆作锁脚杆，工字钢外围浇筑C30混凝土，形成间距为4 m的核心柱；

(6) 在塌腔正上方地表钻注浆孔注水泥砂浆将空腔回填密实。

对里程DK55+970～DK+962段采用临时回填砂浆，处治方案如下：

(1) 在里程DK55+970处设置堵头墙：浇筑1 m厚C30混凝土墙，将塌腔封闭；

(2) 地表设置投料孔：用地质钻机钻2个Φ250 mm的投料孔，设置在塌腔最高点处；

(3) 分层回填砂浆，每层厚度控制在0.5～1 m；

(4) 开挖及支护：临时回填砂浆强度达到设计强度后，采用非爆破施工方法开挖，在核心土一侧留1 m厚砂浆作临时支撑；然后用I25工字钢钢架+Φ25双层连接钢筋+双层钢筋网片+C25喷射混凝土+径向锚杆+锁脚锚杆进行初期支护，使之封闭成环。

4 塌方段加固后监控量测

为了解塌方段加固后围岩的稳定性，对塌方区周围进行监控量测，以及时了解隧道变形情况，保证隧道施工安全和围岩稳定。监测项目有：拱顶下沉、收敛位移、拱架应力、地表下沉等项目。

4.1 隧道变形量测及变化规律

图1、图2分别是DK55+975断面拱顶沉降、周边收敛与时间变化的关系曲线。从图1可以得知，受塌方段影响，隧道向内不断收敛，塌方采取加固处治一定时间后才逐渐趋于稳定，最大收敛位移达23.76 mm。图2表明，塌方处治后该断面的拱顶沉降不断增大，其中中间测点变化最为明显，日沉降量最大达6.7 mm，但最终稳定在26 mm左右，原因在于受塌方的影响，土体原有结构受到破坏，加固处治后一定时间内围岩仍处于较不稳定状态，随着支护逐渐发挥作用，应力得到重新分布，使围岩再次趋于稳定，证实护拱法与临时回填塌腔的加固措施达到了预期的目的。

4.2 钢拱架内力量测及变化规律

图3为DK55+580 断面工字钢应力与时间的曲线。从图3可以看出，应力最大的位置出现在右拱腰，这与隧道塌方发生在右拱肩位置有关。隧道开挖后应力急剧增大，在右拱腰上应力最大接近200 MPa，而且隧道硐内出现环向裂纹现象，为防止隧道再次发生塌方，施工单位立即采取紧急措施停止对掌子面的开挖，并及时将隧道封闭成环，经处理后，各测点的应力值逐渐稳定。

5 数值模拟分析

5.1 模型的建立

采用FLAC3D软件模拟计算塌方区开挖支护后的竖直、水平方向的最终位移，围岩尺寸大于隧道3倍硐径，前进方向取塌方段长度23 m，隧道初期支护结构采用壳体结构单元(shell)进行模拟。为使施工模拟过程尽可能与实际一致，对隧道开挖分三步进行：

(1)左右导硐的开挖；

(2)核心土开挖；

(3)初支并增加混凝土核心柱。围岩及支护参数见表1。

5.2 模拟结果及分析

由模拟隧道开挖过程得知，初期支护及增加混凝土核心柱后拱顶沉降变化量逐渐减小，左右导硐的拱顶沉降值分别为17.84、34.32 mm，DK55+975模拟断面各点位移见表2。图 4～图5为围岩竖直和水平方向位移的变形云图，对比开挖未支护前变形云图，隧道变形明显减小，说明留设核心土可有效减小工作面的拱顶下沉，可增强隧道围岩的稳定性。对比现场监测结果，模拟结果与现场监测值基本符合，说明隧道塌方后采取的加固措施行之有效，可供类似工程参考。

图1 断面收敛位移-时间关系曲线

图2 拱顶下沉量-时间关系曲线

图3 各测点钢拱架应力 - 时间曲线

表1 计算参数取值

表2 FLAC3D 模拟各点最终位移/mm

图4 围岩支护Z向位移云图

图5 围岩支护X向位移云图

6 结 论

结合北碚站塌方事故，分析引起塌方的原因，通过采取护拱法和临时回填法两种加固处理措施，维护了塌方段的稳定。得出如下结论：

(1) 通过采取具体工程实例，得出对大断面浅埋隧道施工而言，能否合理留设核心土，对隧道围岩稳定性影响甚为重要。

(2) 采用护拱法和临时回填方案处理隧道坍塌后，顺利通过了坍塌及变形地段，现场监测和数值模拟结果证实处理方案效果明显，对类似工程事故处理有一定的借鉴作用。

参考文献：

[1]陈秋南，赵明华，周国华，等. 复杂层状岩层隧道塌方原因分析与加固后信息化施工技术[J].岩土力学，2009，30(3)：650-653.

[2]陈秋南，张永兴，刘新荣，等. 隧道塌方段加固后的施工监测与仿真分析[J].岩石力学与工程学报，2006，25(1)：158-161.

[3]韩同春，黄福明，郑俊清,等. 隧道拱脚塌方施工加固及监测分析[J].岩石力学与工程学报，2011(S2):3443-3449.

[4]谭代明，漆泰岳，莫阳春． 侧部岩溶隧道围岩稳定性数值分析与研究[J].岩石力学与工程学报，2009，28(2): 3497-3503.

[5]陈秋南.隧道工程[M].北京：机械工业出版社，2007：146-208.

[6]JTG D70-2004.公路隧道设计规范[S]. .