营尔岭隧道浅埋段连续坍塌原因分析及预防

顾 洋，侯哲生，韩吉

(烟台大学 土木工程学院， 山东 烟台 264000)

营尔岭隧道浅埋段连续坍塌原因分析及预防

(烟台大学 土木工程学院， 山东 烟台 264000)

双侧壁导坑法是现有大断面隧道施工方法中最为理想的一种方法。以某隧道浅埋段连续坍塌为例，通过MIDAS/GTS NX有限元软件对较大断面侧壁导坑上台阶开挖时出现连续坍塌事故进行了分析，并对添加临时仰拱这一措施对改善支护结构稳定性及预防坍塌发生的效果进行验证。浅埋条件下，初期支护结构未得到有效封闭连接是引起侧壁导坑上台阶开挖时出现连续坍塌的主要原因，施做临时仰拱能够有效防止坍塌的发生，这一结论对具有相似条件的工程具有借鉴意义。

双侧壁导坑；大断面；浅埋；连续坍塌；临时仰拱

为满足我国快速增长的通行需求，高速公路建设活动蓬勃发展，为提高通行能力、缩短里程及优化线形，长大公路隧道建设日益增多[1-5]，隧道断面的增大为施工安全带来了较大的挑战。在现有的大断面隧道施工方法中，双侧壁导坑法被证明是最为理想的方法[6-7]，但隧道断面的扩大必然引起侧壁导坑断面面积的相应放大。在对处于浅埋段的较大断面侧壁导坑进行开挖时，台阶法相较于全断面法更易操作，但在原设计未给出针对性支护方案的情况下分段施做原支护结构可能引起坍塌等安全问题。本文将以荣乌高速营尔岭隧道为例，对添加临时支撑结构这一方案进行分析研究。

1 工程概况

营尔岭隧道位于河北省保定市涞源县境内，是荣成—乌海高速公路(G18)徐水至涞源(晋冀界)LJSG-21合同段主要控制性工程，隧道左线起讫桩号ZK99+535—ZK105+191.0，全长5 656 m；隧道右线起止桩号YK99+523—YK105+200.3，全长5 677.3 m，为双向六车道隧道。隧址区属构造剥蚀-中山丘陵地貌，洞体大部属于分离式隧道，进口向内约140 m区段属小净距隧道，最大埋深825 m，单洞净宽14.25 m，净高5 m，开挖宽度15.72 m～17.421 m，设置仰拱开挖面积为122.58 m2，内轮廓为三心圆。隧道出口洞口段处于中密实碎石土区段内，围岩类别为V类，围岩无自稳能力或自稳能力差，对应支护结构为S5a衬砌，洞体衬砌及侧壁导坑轮廓如图1所示。

图1 洞体衬砌及侧壁导坑轮廓图

隧址区地表水不发育，孔隙潜水及裂隙水为主要地下水类型，且出口段地层透水性、赋水性均较好，局部短时降水可能引起隧道围岩恶化，施工难度较大。

2 浅埋段连续坍塌事故介绍

2015年5月中旬，营尔岭隧道出口左洞ZK105+124.0处左侧导坑发生坍塌事故，坍塌位置处于导坑上台阶外侧拱角附近，支护结构向洞内有明显的收敛变形，喷射混凝土部分脱落，钢筋网撕扯断裂，泥浆土体沿破坏孔洞大量涌出，堆积体封堵导洞断面近1/3。

2015年6月上旬，出口左洞ZK105+103.5处左侧导坑发生坍塌事故，坍塌位置与ZK105+124.0处一致，即导坑上台阶外侧拱角附近，支护结构向洞内收敛，大量潮湿碎石土沿支护结构自上方滑塌，堆积在拱角，坍塌事故平面素描图见图2。

图2 坍塌事故平面素描图

3 事故原因推断

坍塌发生后，笔者与相关技术人员对两次事故的现场分别进行了勘察，发现以下问题：

(1) 因几日前隧址区域有局部短时降雨，事故发生处对应地表面有积水汇集下渗，坍塌体含水率大；坍塌附近围岩局部有类似蜂窝状结构的土体出现，围岩整体评价差；

(2) 钢拱架拱角处向洞内弯折变形，锁脚锚杆完全变形并从土体中抽离，支护结构失效。

根据上述现场资料，笔者认为引起连续两次坍塌事故的原因，除了隧址区地质条件差外，与导坑上台阶支护结构两侧拱角未得到有效连接并封闭成环的关联性极大，需对此进行分析验证。

4 有限元分析

根据营尔岭隧道相关资料，采用MIDAS/GTS NX岩土工程通用有限元软件建立了3D有限元计算模型。 MIDAS/GTS NX是国内近几年出现的新型有限元分析软件，作为GTS的升级版本，该软件对分析计算岩土工程问题具有较强的针对性设计，操作便捷，计算精度较高。

4.1 模型建立

计算选取ZK105+93.7—ZK105+136.0区间及其对应的YK105+103.0—YK105+145.3区间。依据隧道开挖的影响范围[8]及考虑洞口开挖对支护结构受力的影响[9]，模型尺寸设定为：隧道轴向长72 m；上边界为地表面；下边界为不小于3倍洞跨，即Z轴负向52 m；左右边界不小于3倍洞跨，同时考虑隧道两主洞33.4 m的净距并不满足规范[10]给出的分离式隧道最小净距的要求，取X轴正向、负向各86 m；每一循环进尺定为1.2 m；超前加固区按提高围岩等级一级考虑。模型的地层力学参数按照细则[11]选取如表1所示。

表1 模型地层力学参数

为验证文中对事故原因的推断，计算模型加入临时仰拱作为临时支撑机构，选用20b工字钢的材料参数，布置方式如图3所示。

图3 双侧壁导坑临时仰拱布置示意图

由于围岩的破坏一般认为是塑性破坏[12]，因此计算准则选用弹塑性本构模型即德鲁克-普拉格(Drucker-Prager)屈服准则，模型网格采用混合网格，模型单元共98863个。网格化分情况如图4所示。

图4 模型网格化分

此外，锚杆采用植入式桁架单元模拟；临时仰拱采用植入式梁单元模拟；初期支护采用板单元模拟，并对支护结构中的喷射混凝土-钢拱架的弹性模量做了等效计算[13]，公式如下：

(1)

其中：E0为原混凝土弹性模量，GPa；Eg为钢材弹性模量，GPa；Sc为混凝土截面积，m2；Sg为钢材截面积，m2。

其余参数根据规范[14-15]及设计图纸选取，支护结构参数见表2。

表2 支护结构参数

4.2 模拟结果及分析

4.2.1 塌方断面水平位移分析

为了便于分析计算左侧导坑，将施工阶段定义为只开挖左侧导坑上部，并以无临时仰拱和有临时仰拱两种情况分别进行分析。

经分析计算，得到了ZK105+103.5处在两种工况下的X方向位移云图(见图5、图6)，及ZK105+124处在两种工况下的X方向位移云图(见图7、图8)。

图5 ZK105+103.5无临时仰拱时X方向位移云图

图6 ZK105+103.5有临时仰拱时X方向位移云图

图7 ZK105+124无临时仰拱时X方向位移云图

从水平位移折线图可以看出，ZK105+103.5处于第37施工步开挖，开挖后外侧拱角水平位移在不添加临时仰拱稳定在3.97 cm左右，添加临时仰拱后稳定在0.94 cm左右(见图9)；而ZK105+124处于第20施工步开挖，开挖后外侧拱角水平位移在不添加临时仰拱时稳定在3.61 cm左右，添加临时仰拱后稳定在0.86 cm左右(见图10)。设置临时仰拱前后水平位移值的显著变化说明了这一做法对抑制拱脚处支护结构变形有明显效果。

图8 ZK105+124有临时仰拱时X方向位移云图

图9 ZK105+103.5导坑上台阶外侧拱角水平位移图

图10 ZK105+124导坑上台阶外侧拱角水平位移图

4.2.2 塌方断面塑性区分析

从塑性区的计算结果来看，ZK105+124处在添加临时仰拱前，左导坑上台阶拱角外侧出现明显的失效区域(见图11)，在添加临时仰拱后，拱角外侧失效区域消失(见图12)；ZK105+103.5处相同位置也有接近相同的结果(见图13、图14)。

图11 ZK105+124无临时仰拱时塑性区示意图

图12 ZK105+124有临时仰拱时塑性区示意图

图13 ZK105+103.5无临时仰拱时塑性区示意图

图14 ZK105+103.5有临时仰拱时塑性区示意图

两处塌方位置的塑性区结果直接反映出添加临时仰拱对于稳定支护结构的作用，对坍塌事故有明显地预防效果。

5 结 论

对处于浅埋地段的大断面隧道来说，为便于施工，选择台阶法替代全断面法开挖侧壁导坑是合理的。在原有设计对于这一情况未做出应对方案时，添加临时仰拱，将分段施做的原有支护结构连接封闭成环，能够显著改善支护结构周围岩土体的受力情况，有效预防坍塌灾害，这对于今后类似条件下的隧道施工具有很好的借鉴意义。

[1] 石 乐.我国高速公路建设现状分析[J].合作经济与科技，2016(8):16-17.

[2] 樊 毅，赵春燕，郝 哲.我国长大公路隧道发展综述[J].辽宁建材，2009(6)：61-62.

[3] 王少飞.公路隧道分类及公路隧道群概念探讨[J].公路隧道，2009(2)：11-14.

[4] 王 岚.高等级公路隧道施工监控技术研究[D].长沙：湖南大学，2003.

[5] 陆鹏源，王 静.红层软岩隧洞施工过程围岩大变形特征及其支护[J].水利与建筑工程学报，2015，13(6)：70-74.

[6] 徐崇帮，夏才初，朱合华.双向八车道连拱隧道施工方案优化分析[J].岩石力学与工程学报，2009，28(1)：66-73.

[7] 李云刚.软岩大断面浅埋暗挖隧道施工工法比选数值分析[J].水利与建筑工程学报,2017，15(1):157-160.

[8] 孙 钧，侯学渊.地下工程[M].北京：科学出版社，1988.

[9] 严宗雪.大断面隧道施工的应力路径与空间效应研究[D].广州：华南理工大学，2011.

[10] 中华人民共和国交通部.公路隧道设计规范:JTG D70—2004[S].北京：人民交通出版社，2004：15-17.

[11] 中华人民共和国交通部.公路隧道设计细则:JTG/T D70—2010[S].北京：人民交通出版社，2010：45-47.

[12] 周江天.四连拱隧道围岩稳定性分析[J].工程力学，2000(S2)：604-610.

[13] 傅志锋，王 静，张胜云.浅埋松软地层开挖中管棚注浆法加固机理及效果分析[J].岩石力学与工程学报，2005，24(6)：1025-1029.

[14] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.热轧型钢:GB/T706—2008[S].北京：中国标准出版社，2008：2-8.

[15] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.钢筋混凝土用钢(第二部分·带肋钢筋):GB1499.2—2007[S].北京：中国标准出版社，2007.

Continuous Collapse Cause Analysis and Prevention for Shallow Buried Section of Yingerling Tunnel

GU Yang, HOU Zhesheng, HAN Jishen

(SchoolofCivilEngineering,YantaiUniversity,Yantai,Shandong264000,China)

Double side drift method as the most ideal method has always been applied to construction of large cross-section tunnel. Taking an example of continuous collapse in shallow buried section of a tunnel, by adopting Midas GTS NX finite element software this paper analyzed an accidence of continuous collapse which appeared during the excavation of a larger cross-section side drift and verified the stability improvement of the retaining structure and the effect of preventing the occurrence of the collapse by adding temporary inverted arch. The results show that under shallow burial conditions, the main reason leading to continuous collapse is considered that the initial supporting structure is not effectively closed when excavating side drift upper steps. The occurrence of collapse can be prevented effectively.by making temporary inverted arch .

double side drift; large cross-section; shallow buried; continuous collapse; temporary inverted arch

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.03.031

2017-02-14

2017-03-19

顾 洋(1990—)，男，河南新乡人，硕士研究生，研究方向为隧道工程。E-mail:542481104@qq.com

U457+.5

A

1672—1144(2017)03—0153—04