隧道下穿采石坑的受力分析及处治技术探讨

■池春生

（福建省交通规划设计院有限公司，福州 350004）

随着交通建设的快速发展，陆续出现了在一些复杂地形、地质条件下建设隧道工程的情况。 当隧道通过石料开采矿山区时，不可避免的出现隧道下穿采石坑的情况。 隧道下穿采石坑与隧道塌方、隧道经过溶洞区，从坑腔体与隧道的空间关系有相近之处。 在岩溶隧道、隧道塌方分析计算和处治方面，国内外学者开展了一系列研究，并取得了一定的成果[1-7]。 但由于多数大型采石坑深度较大，坑壁较为光滑，且坑口位于地表，与上述两种情况又存在一定的差别。 目前针对隧道下穿采石坑的支护结构受力分析计算和相关工程技术措施的研究相对较少，尤其是缺少用于指导设计和施工的研究。

基于此， 本研究以南安市扬子山隧道为例，对隧道下穿采石坑的受力计算及处治方式进行了探讨，可为今后类似工程的建设提供相关的经验。

1 工程概况

扬子山隧道为双洞分离式三车道隧道，隧道长度1 461.5 m，隧道沿线场地现状主要为山地，隧道洞身围岩为微风化花岗岩，为坚硬岩，岩体较完整～完整，Ⅲ级围岩段落长度超过50%。 受路线条件限制， 隧道右洞YK1+040～YK1+100 需从现状采石坑下方通过，其中1 号采石坑位于右洞上方，2 号采石坑位于其右侧，见图1、图2。

图1 隧道与采石坑位置关系卫星图

图2 抽干水后1 号采石坑情况

根据勘察资料，1 号采石坑坑口面积约26 m×50 m，坑内见积水，经过抽排水后测得坑底深约33.6 m，坑底为片块石弃渣，弃渣最大厚度约5.6 m，石块最大粒径约1 m。 隧道右洞顶开挖线进入采石坑底最大为1.02 m，隧道与采石坑之间的位置关系见图3。

图3 隧道与采石坑位置关系示意

此外，2 个采石坑中间余留的未开采部位可见构造带F1 发育，产状105°∠75°～85°，出露位置宽1～5 m，带内岩体较破碎，呈块（石）碎（石）状结构，岩石多呈碎块状～中风化，裂隙极发育，线密度5～20条/m，部分裂隙可见侵入岩脉。 采石过程中为防止中间构造带进一步破裂，现场已采用钢索进行对拉，见图4。同时，受该构造带影响，采石坑岩壁地面处可见岩石开裂，裂隙近垂直切割岩体，局部裂隙张开，张开度5～20 cm，在震动的作用下易产生崩塌滑落，采石坑下部揭露的岩体较完整，上部靠近原地表越近裂隙越发育，其中的190°∠45°一组节理面，倾向接近采石坑北侧坡面，不利于坡面稳定，见图5。

图4 采用钢索对中间岩体进行对拉

图5 采石坑上部岩体破碎

2 拟定隧道下穿采石坑处理方案

2.1 拟定隧道下穿方案

随着国家对生态环境的日益重视，矿山治理工作势在必行。 基于现场情况，采石坑势必要回填处理，故拟定了2 种隧道下穿采石坑的实施方案：（1）先挖后填（即先开挖隧道再回填采石坑）；（2）先填后挖（即先回填采石坑后开挖隧道）。

根据地质资料描述采石坑之间的坑壁可见构造带F1 发育，带内岩体较破碎，施工爆破震动易引起坑壁崩塌、石块掉落，危及隧道结构及人身安全，安全风险较高。 同时，先挖后填隧道衬砌结构需承受采石坑回填时的冲击荷载，施工不当易造成结构开裂影响隧道支护结构的安全性、 耐久性和可靠性。 为保证隧道施工及结构安全，扬子山隧道拟定采用先填后挖方案下穿采石坑。

2.2 拟定采石坑回填料

对现状采石坑的回填主要采用土石混合料，但为保证隧道拱顶范围与衬砌结构协同受力，拱顶以上3 m 范围采用C20 素混凝土回填形成混凝土板；其上填筑2 m 厚的碎石砂层作为缓冲层，以减小土石填料对C20 混凝土板的冲击作用。由于C20 混凝土板大部分两端均支撑于微风化花岗岩上，考虑混凝土板的支撑效应，在C20 混凝土板底悬空部分的岩壁上施作锚杆，以增强C20 混凝土板与坑壁之间的粘结效果，更利于洞顶范围回填材料发挥土拱效应。其中，锚杆采用直径22 mm 的药卷锚杆，按梅花型布设，间距50 cm×50 cm，长2.5 m，进入岩壁锚固长度1.5 m，外露长度1.0 m。 采石坑岩壁锚杆加固设计见图6。

图6 采石坑岩壁锚杆加固示意图

3 衬砌结构安全性计算分析

结合隧道工程条件和水文、地质条件，综合考虑结构安全、造价等因素，按隧道工程类比初步拟定支护参数。 为确保隧道支护结构的安全，基于地层结构法和荷载结构法， 采用Midas NX有限元分析软件分别对隧道初期支护及二次衬砌的结构安全性进行计算分析，为工程设计提供可靠依据。

3.1 初期支护结构安全性计算

3.1.1 模型建立

根据采石坑段落的实际情况，选取扬子山隧道右洞YK1+060 与YK1+085 2 个典型断面， 按地层结构法对初期支护结构安全性进行计算。 选取计算断面见图7，建立模型见图8。

图7 计算断面

图8 数值计算断面网格

3.1.2 计算参数选取

根据扬子山隧道工程地质勘察报告，计算断面围岩物理力学参数选取见表1。

表1 围岩物理力学参数

计算断面采用台阶法开挖，初期支护参数为喷射砼强度等级C25、喷砼厚度30 cm、钢支撑型号工22b、钢架间距0.5 m，物理力学参数见表2。

表2 初期支护物理力学参数

3.1.3 计算结果分析

（1）初期支护变形分析

各计算断面的初期支护变形见图9、图10。

图9 Y 方向位移云图

图10 X 方向位移云图

由图9 和图10 可知，按设计支护参数和工法进行数值模拟，YK1+060 和YK1+085 断面的初支竖向位移最大值均位于拱顶位置，分别为5.3 mm和2.5 mm； 周边水平位移最大值均位于拱腰位置，分别为0.5 mm 和0.7 mm，满足JTG 3370.1-2018《公路隧道设计规范》初期支护允许相对位移的要求。

（2）初期支护结构安全分析

各计算断面典型部位内力值及其安全系数见表3、表4。

表3 YK1+060 典型部位内力值及其安全系数

表4 YK1+085 典型部位内力值及其安全系数

由表3 和表4 可知，计算断面的初期支护安全系数均大于1.53，满足规范安全要求。

3.2 二次衬砌结构安全性计算

根据采石坑段落的实际情况，选取扬子山隧道右洞YK1+085 作为典型断面， 按荷载—结构法对二次衬砌结构安全性进行计算。

3.2.1 采石坑回填体产生的垂直压力计算

目前针对采石坑回填后产生垂直压力计算尚无明确的研究，因此必须选取合理计算原理以确定结构安全系数。 根据采石坑的形态及与隧道之间的位置关系，采石坑段作用在衬砌结构的围岩垂直压力q 主要包括围岩基本荷载q1和采石坑回填松散体荷载q2，见图11；本工程中按最不利情况计算，即不考虑采石坑回填料与坑壁交界面处的相互影响，采石坑段作用在衬砌结构上的围岩垂直压力q 按式（1）计算。

图11 采石坑段衬砌结构荷载计算示意

其中围岩基本荷载（q1）比较容易求得。 由于采石坑段隧道洞身位于微风化花岗岩， 为Ⅲ级围岩段，根据JTG 3370.1-2018《公路隧道设计规范》[9]计算可得q1=93.27 kPa。

而采石坑回填松散体荷载（q2）的采用全部回填土的自重还是按其他的理论计算则需进一步选择。通过对比分析，确定采用太沙基理论计算采石坑回填松散体荷载[8]。 根据太沙基理论，采石坑回填松散体荷载（q2）可按式（2）计算：

3.2.2 计算模型及计算参数

根据平面弹性有限元原理，将二次衬砌离散为由梁单元组成的平面杆系，围岩对二次衬砌的约束作用采用只受压不受拉的弹簧单元进行模拟。 计算中对二次衬砌墙脚进行固结，混凝土收缩和徐变的影响按整体降温15℃考虑。

二次衬砌力学参数取自JTG 3370.1-2018 《公路隧道设计规范》[9]和GB 50010-2010《混凝土结构设计规范》[10]，混凝土的极限强度：混凝土强度等级为C30、 轴心抗压Ra为22.5 MPa、 弯曲抗压Rw为28.1 MPa、轴心抗拉Rl为2.2 MPa。拟定计算断面二次衬砌参数：混凝土强度等级为C30、二次衬砌厚度80 cm、配筋（HRB400，φ25@20）。

3.2.3 计算结果分析

根据计算的垂直压力，侧压力系数λ 取0.3，计算得到水平压力e=141.31 kPa。 采用综合系数法进行强度校核，各类荷载的组合系数均取1.0。 下穿采石石坑段隧道二次衬砌轴力和弯矩见图12～13，典型部位内力值及其安全系数见表5。

图12 二次衬砌轴力图

图13 二次衬砌弯矩图

表5 典型部位内力值及其安全系数

由表5 可知， 当隧道初支按安全储备考虑，拱顶回填荷载100%由80 cm 二衬承担情况下， 二次衬砌安全系数均大于2.0，满足规范安全要求。

4 采石坑处理效果分析

4.1 采石坑处理技术

根据拟定的支护参数及施工方案，经计算分析确认满足规范要求的前提下，对扬子山隧道下穿采石坑段的处理技术进一步细化。

4.1.1 坑底弃渣清除

采石坑内抽水完成后， 先清除坑壁松动的石块，防止受震动坠落。 通过在洞内开挖导洞至采石坑，清除坑底虚渣。

4.1.2 采石坑回填

坑底回填拱顶以上3 m 厚C20 素混凝土形成底板，并在隧道开挖宽度内坑壁与C20 素混凝土的交界面范围岩壁施作锚杆，以增强与坑壁之间的粘结效果， 更利于洞顶范围回填材料发挥土拱效应；待C20 混凝土回填施工完成达到设计强度后，再向坑内回填2 m 厚碎石砂作为缓冲层以保护C20 混凝土；最后回填土夹石填料至采石坑顶面并施作防水层。

4.1.3 隧道开挖支护

采石坑回填完成后，按上下台阶预留核心土法开挖隧道洞身，隧道初期支护采用30 cm 厚C25 喷射混凝土+工22b 钢支撑（间距50 cm）；二次衬砌采用80 cm 厚C30 防水钢筋混凝土。

4.1.4 隧道防排水

该段隧道防排水包括隧道洞身防排水和洞顶防排水。 为尽快排走隧道围岩裂隙水，采石坑段隧道环向排水盲沟纵向间距调整为3 m； 为确保坑顶回填部分不积水，回填顶面标高应根据周边地形确定，完成后表面应呈4%排水坡度，并在回填顶面设置防水层， 确保回填部分不积水； 防水层为50 cm胶泥防渗层+防水板+50 cm 胶泥防渗层，与坑壁周边岩体搭接不小于1 m。

4.2 处理效果分析

为保证下穿采石坑段施工安全，实时了解隧道的变形情况。 根据现场的实际施工情况，对隧道下穿采石坑段YK1+060、YK1+085 2 个断面进行拱顶下沉、周边收敛等项目监测，以充分掌握采石坑段隧道开挖支护过程中的围岩及支护结构动态情况，测点布设位置见图14～15，监测结果见图16～19。

图14 隧道周边收敛监测点布置示意图

图15 隧道拱顶下沉监测点布置示意图

图16 YK1+060 断面周边收敛累计-时间曲线

图17 YK1+060 断面拱顶下沉累计-时间曲线

图18 YK1+085 断面周边收敛累计-时间曲线

图19 YK1+085 断面拱顶下沉累计-时间曲线

由图16～19 可知，（1）随着隧道的开挖，选取的2 个监测断面的周边收敛和拱顶下沉逐渐增大，在达到最大位移值后趋于稳定，且最大位移值均小于数值计算结果。 其中YK1+060 断面自2021 年6 月1日开挖，周边收敛在6 月19 日达到最大值2.3 mm，最大收敛速率为0.2 mm/d，拱顶沉降在6 月13 日达到最大值2.2 mm，最大沉降速率为0.2 mm/d；YK1+085 断面自6 月18 日开挖， 周边收敛在7 月5 日达到最大值2.4 mm，最大收敛速率为0.2 mm/d，拱顶沉降在7 月3 日达到最大值2.2 mm，最大沉降速率为0.2 mm/d。 （2）从监测结果来看，2 个监测断面的最大拱顶沉降为2.2 mm， 最大周边收敛为2.4 mm，均满足JTG 3370.1-2018《公路隧道设计规范》初期支护允许相对位移的要求。

同时，扬子山隧道下穿采石坑段自2021 年6月开挖，已于2021 年8 月完成该段二次衬砌施工，截至2022 年4 月二次衬砌外观完好，说明采用的采石坑回填处理方案可行，设计的支护体系安全可靠。

5 结论

通过扬子山隧道下穿采石坑段成功实施得出结论如下：（1）采石坑之间坑壁地质条件普遍较差，为保证施工安全建议隧道下穿采石坑优先采用先填后挖方案；（2）采石坑回填料采用3 m 厚C20 混凝土+2 m 厚的碎石砂缓冲层+土夹石填料，在隧道开挖宽度内坑壁与C20 混凝土的交界面范围岩壁施作锚杆，以增强与坑壁之间的粘结效果，更利于洞顶范围回填材料发挥土拱效应；（3）采用太沙基理论计算采石坑回填后作用在隧道结构上的垂直荷载，计算理论合理可靠，符合工程实际；（4）根据监控量测数据分析及下穿采石坑段落建成观测，说明本隧道工程采用的采石坑回填处理方案合理可行，设计的支护体系安全可靠，可为今后类似工程提供借鉴。