隧道塌方冒顶结构计算与特殊设计

林礼华

（福建省交通规划设计院有限公司，福州 350004）

0 引言

1999 年建成通车的原后祠隧道位于龙岩市适中镇上郑村与后祠村之间，属双洞两车道分离式隧道，新建后祠隧道为在原址上的改扩建工程。 隧道采用的改扩建方案受路线控制，上行线（漳州往龙岩方向）为原后祠隧道右洞两车道扩建为四车道，下行线（龙岩往漳州方向）为左洞利用，并在其外侧新建三车道隧道，如图1 所示：

新建后祠隧道净空14.0×5.0m （宽×高）， 最大跨度17.0m； 起讫桩号为ZK130+473～ZK132+015， 长1542m。2014 年12 月5 日，新建后祠隧道在施工时发生坍塌，坍塌桩号为ZK131+876.2（二衬施作至桩号ZK131+881.5），距出口洞门约140m，距掌子面约150m，塌体延伸至地表形成冒顶。

图1 后祠隧道混合关系图

1 工程背景

1.1 地质概况

隧道区属构造-剥蚀低山地貌，地形起伏较大，山坡较陡。 左洞出口端自然山坡坡度20～30°，围岩以坡残积土-强风化花岗岩为主。坡体主要为坡残积土，强风化岩，且厚度较大，横向坡度较陡，存在偏压，水量较贫乏。塌方段地质纵断面见图2。

图2 新建后祠隧道左洞出口段地质纵断面图

1.2 塌方情况

本次塌方段围岩为Ⅴ级， 隧道埋深41m， 属深埋隧道。 塌方使拱顶地表形成一个17.8m×15.4m 的近似方形陷穴，坍塌中心位于隧中左侧5m。塌方时，隧道已开挖至ZK131+711， 坍塌口桩号ZK131+876.2～ZK131+879.5，二衬已施作至桩号ZK131+882.435， 台车位于ZK131+884.935（见图3）。

图3 隧道塌坑横断面

有关隧道塌方的研究主要集中在围岩稳定性、 失稳预测以及塌方机理等方面，研究手段以数值模拟为主，对塌方后隧道衬砌结构的变更设计， 特别是深埋隧道塌方冒顶后结构受力与设计方面的研究较少， 大部分根据工程类比，结合地层-结构法做定性分析，或者应用全土柱理论，进行偏保守的设计[1]。本文应用结构-荷载法的基本原理，结合太沙基理论[2-3]，对大跨深埋隧道塌方冒顶后的围岩压力提出新的计算模式， 在采用规范公式计算得出的围岩压力的基础上， 通过考虑坍塌冒顶对围岩力学参数的降低及坍塌体对衬砌结构产生的附加荷载， 来综合考虑隧道塌方冒顶后的围岩压力，计算结果更为科学，对类似工程也具有较好的借鉴意义。

2 事故原因分析及治理措施

2.1 事故原因分析

由于地下工程及地质复杂性， 隧道工程的设计与施工主要是工程类比法结合数值模拟进行定性分析和少量的定量分析， 决定了隧道的设计必须在施工过程中结合实际地质情况以及监控量测数据及时调整， 以实现动态设计。实际施工中，围岩变化频繁，超前地质预报精度低，监控量测不重视甚至编造数据， 致使浅埋隧道容易发生坍塌事故，冒顶也屡见不鲜，而对于深埋隧道或埋深较大的隧道，坍塌冒顶情况并不多见[4]。从工程技术角度分析，本次塌方冒顶的主要原因如下：

（1） 原设计为双侧壁导坑法施工， 实际为上下台阶法，且支护不到位，围岩扰动较大，自稳能力降低；

（2）二衬至掌子面距离过大，达150m，初支承受围岩压力时间过长，且初支强度较低，未达到设计要求；

（3）违规进行换拱作业，进一步削弱土体自稳能力，加大了初支受力。隧道坍塌冒顶之前出现过小塌方，未引起足够重视，且施工监控量测不到位，最终导致由局部塌方发展为坍塌冒顶。

除上述主要原因外， 以下原因也是本隧道塌方冒顶的影响因素：

（1）新建后祠隧道虽属深埋地段，但埋深仅41m，且坍塌段属偏压地段，隧道开挖引起应力重分布，低处易产生侧移。

（2）本隧道地下水总体比较贫乏，但受季节性降雨影响较大，围岩经雨水的长时间浸润会发生软化，导致力学指标降低，产生滑动面，造成围岩由局部失稳发展到整体失稳，最终导致坍塌冒顶。

综合以上分析，并结合其它类似事故，可知深埋隧道发生塌方冒顶的原因大多与塌方所在位置地形起伏大、二衬未及时跟进、初支受力时间过长、遭遇强降雨使雨水长时间渗透等有关。此外，施工单位未按设计及相关施工规范施工， 对于三车道等大跨隧道采用上下台阶法甚至全断面法开挖，对围岩扰动较大，遇到围岩突变，极易造成塌方事故，应引起足够重视。

2.2 事故综合治理措施

对于此类隧道事故治理，首先应保证施工期间人员安全，待安全通过坍塌段时，再对坍塌段前后影响范围的衬砌结构做全面的检测，结合检测结果，进行变更方案设计。总的原则概括为“一撑二固三换”，主要措施如下（见图5）：

（1）塌坑四周设置临时截水沟，防止地表水流入塌坑造成再次塌方。

（2）用沙包反压回填塌方体坡脚，并在塌方体表面喷射早强砼、施作注浆小导管，将塌方体封闭、固结。

图4 临时支撑设计图

（3）施作大管棚并辅以超前小导管注浆加固，大管棚根部应有效支撑在临时钢拱架上 （管棚至少打入基岩3m）；

（4）塌方段严格按照双侧壁导坑法施工，坚持短进尺、快支护、早成环，减少开挖对周边围岩的损伤，充分发挥其自承能力。 采用双层初期支护，具体参数见表1（K-2）。

图5 临时支撑设计剖面图

（5）待坍塌影响范围内二衬达到强度后，对地表塌坑回填至原地面，并设不小于5%排水坡，施作胶泥防渗层并进行绿化。

3 施工方案数值模拟分析

由于塌方引起隧道周边围岩扰动， 受力模式已发生改变，为保证施工安全及后期运营要求，通过方案比选及数值计算，确定最终方案为：拆除已施工的仰拱，采用ZDK-2 结构形式。

根据设计文件，后祠隧道支护参数见表1。 基于截面换算原理，得出截面换算后的支护材料和围岩参数，见表2、表3：

表1 支护设计参数表

表2 围岩物理力学参数

表3 ZDK-2 支护结构力学参数表

基于荷载结构法原理，采用MIDAS GTS 有限元分析软件进行数值分析，利用梁单元模拟衬砌结构，围岩对衬砌结构的作用通过弹性连接（只受压）单元实现。 围岩压力包括基本荷载（根据《公路隧道设计细则》（JTG/T D70-2010）8.2.2 ～8.2.4 深埋单洞隧道V 级围岩压力经验公式计算）及塌方引起的附加荷载（按太沙基理论简化计算）。隧道顶坍塌冒顶形成宽约9m 的塌方体视为散粒体，采用K. 太沙基法近似计算塌方体土柱对隧道产生的附加荷载，K 值取为1.25，不考虑散粒体粘聚力，围岩内摩擦角为25°，塌方体高度为31m，简化计算图示如图6，计算所得附加荷载与按《公路隧道设计细则》计算所得基本荷载叠加，得围岩最终压力（见图7），有限元模型见图8。

图6 塌方体附加荷载简化计算图（单位m）

图7 围岩最终压力图（单位m）

图8 有限元模型

采用综合安全系数法，根据《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）对每个单元进行验算。 验算施工阶段强度时， 安全系数采用表 《公路隧道设计规范》（JTG D70-2004）9.2.4-2，且应大于1.53；验算二次衬砌时，应满足安全系数大于2.0 的要求。 计算结果见表4，内力图见图9～图16。

表4 衬砌结构安全系数计算结果

图9 Z5（加强）初支轴力图

图10 Z5（加强）初支弯矩图

图11 Z5（加强）二衬轴力图

图12 Z5（加强）二衬弯矩图

图13 ZDK-2 初支轴力图

图14 ZDK-2 初支弯矩图

图15 ZDK-2 二衬轴力图

图16 ZDK-2 二衬弯矩图

综上所述， 方案采用拆除已施工的仰拱及采用ZDK-2 复合式衬砌结构，并按双侧壁法施工，满足施工安全及后期运营要求。

4 结论

本文对新建后祠隧道左洞进口段塌方冒顶原因进行分析并提出事故处理措施， 采用太沙基理论并结合相关规范提出冒顶后隧道围岩压力计算模型， 指导衬砌变更设计，主要结论有：

(1)深埋隧道发生塌方冒顶的主要影响因素有：塌方所在位置地形起伏大、二衬未及时跟进、初支受力时间过长、遭遇强降雨、雨水长时间渗透等情况，施工时应引起足够重视。

(2)对于此类隧道事故治理，总的原则为“一撑二固三换”，首先应保证施工期间人员安全，再对塌方体进行加固处理，待安全通过塌方影响段路后，再进行全面检测，根据检测结果指导衬砌变更设计。

(3)提出了塌方冒顶隧道围岩压力计算模型，可指导衬砌结构配筋设计，供相关工程人员参考。