富水软弱围岩隧道塌方机理及治理措施

罗治国，张智健，李勇森，梁 斌

(1. 中铁十五局集团 第五工程有限公司，天津 300133；2. 河南科技大学 土木工程学院，河南 洛阳 471023)

0 引言

公路隧道修建过程中出现的重大事故主要是塌方，给现场工作人员的人身安全带来极大隐患，同时会使工期延长、工程成本增加。中国西南地区地质条件非常复杂，随着此地区隧道工程修建的增多，在施工中难免会遭遇富水、软弱围岩等不良地质条件，导致施工难度增加，塌方事故频发，因此，研究富水软弱围岩隧道塌方治理措施具有一定的参考意义[1-5]。

文献[6]根据石塘隧道塌方事故，通过有限元模型，对石塘隧道塌方经过及塌方段围岩变形机理进行了分析。文献[7]根据火风山隧道塌方事故，采用有限元分析的方法及现场监测，分析了该事故发生机理及处置方案。文献[8]根据典型事故案例，提出了塌方事故分类，并分别进行了塌方机理分析。文献[9]通过有限元软件研究了在上软下硬围岩地质条件下隧道的塌方机理，并提出换拱施工技术。文献[10]通过有限元数值模拟，对岳家沟隧道塌方事故中的围岩应力及变形进行了分析，研究了塌方机理。文献[11]分析了某高寒隧道塌方事故发生的缘由，并针对该隧道情况提出了合理的塌方处治措施。文献[12]分析了断层地质隧道施工过程中塌方、涌水的主要因素，并提出相应的施工处置方案。文献[13]以新龙隧道为工程背景，通过数值模拟，研究了塌方导致围岩松动区对支护结构变形的影响，并提出了塌方处置方案。

通过以上文献可知：已经有许多学者对隧道塌方治理进行了深入研究，但对于富水软弱围岩的相关研究较少。本文以国家“一带一路”重点项目云南临沧高速马家寨隧道塌方事故发生段为研究对象，建立隧道开挖三维有限元实体模型，对隧道围岩的稳定性、塌方机理进行了力学分析，并结合隧道实际情况分析塌方的治理技术，可为今后类似的实际工程提供参考。

1 工程概况

地处云贵高原之西南边缘，属横断山脉纵谷的南部地区，为怒山山脉向南延伸部分，东北高、西南低的地势趋势造成地形高差十分悬殊。地表在风化和流水强烈的侵蚀作用下切割严重，形成了亚高山、中山峡谷和大小不等的山间盆地，地形较为复杂。根据马家寨隧道场区地质勘察报告，可将基岩划分为强风化层和中风化层。场区地下水的补给来源主要靠降水的垂直渗入，大部分雨水以坡面流形式沿进出口外地势低洼处径流排泄，场区的水质对混凝土结构及钢筋具有微腐蚀性。

图1 马家寨隧道施工现场

2 塌方原因分析

马家寨隧道右洞K54+297采用环形开挖留核心土法，下台阶进行弱爆破施工时，产生的震动影响了上台阶结构层掌子面的稳定性，使其突然发生崩塌，大量灰黑色的碎石块、泥和土淹没了整个开挖工作面，并损害了附近已完工的初期支护，出现变形开裂现象。所幸发生塌方事故时附近没有施工人员，为了保证施工人员的人身安全，掌子面处进行封停。隧道右洞塌方现场如图2所示。

图2 隧道右洞塌方现场

隧道K54+297段拱顶顶板埋深约230 m，围岩表层为褐黄、硬塑状粉质黏土，下伏基岩为粉砂质泥岩、页岩，呈强风化、碎石状，成岩性较差，节理裂隙很发育，岩体松散破碎，呈角碎状。经现场勘察，塌方段洞内岩体主要为炭质千枚岩，表面为灰黑色，千枚岩岩性松软，遇水极易泥化、软化，抗风能力差，手用力捏即碎，因此隧道上台阶及拱部围岩整体稳定性较差。由于隧道开挖后围岩的力学平衡遭到破坏，岩体结构发生破坏，施工中如遇支护不当或支护不及时，易出现大面积塌方事故。

隧道塌方段地下水埋藏较浅，富水性较丰富，隧道拱顶及拱肩处时常出现滴水现象。这是因为隧道开挖后破坏了地下水与围岩之间的力学平衡，在地下水的流动下围岩逐渐软化，黏聚力及内摩擦角降低，严重影响了围岩的稳定性。加之隧道开挖时受到下台阶爆破的扰动，隧道掌子面处围岩骤然失稳，导致该段围岩发生塌方。

3 塌方段数值模拟分析

3.1 模型参数选取

马家寨隧道塌方段主要为V级围岩，初期支护主要采用喷射混凝土、中空注浆锚杆和钢拱架联合支护[14-15]，支护模型参数根据马家寨隧道项目地质勘察报告取值。隧道模型参数如表1所示。

表1 隧道模型参数

图3 预留核心土台阶法

3.2 施工开挖方案

塌方段V级围岩按新奥法原理指导施工，采用环形开挖留核心土法开挖。隧道开挖采用弱爆破，机械与人工相互配合的方式进行，以降低对软弱围岩结构层的过多扰动。隧道开挖循环进尺为0.5～1.0 m，台阶长度控制在8～10 m，核心土与掌子面之间距离控制在0.7 m左右。预留核心土台阶法如图3所示。具体施工步骤为：开挖上部弧形导坑、施作上部弧形导坑初期支护、开挖核心土、开挖中部围岩、施作边墙及初期支护、开挖下部围岩、施作仰拱支护。

3.3 模型建立及边界条件

采用迈达斯有限元软件GTS NX建立隧道三维实体模型，通过模型计算边界取隧道跨径的3倍以上进行计算分析。本文建立的实体模型在X轴方向取100 m，Z轴方向取80 m，Y轴为开挖方向，取50 m。在隧道三维实体模型的两侧、下侧施加位移约束作为边界条件；为模拟隧道上方围岩自重，在模型上沿施加均布荷载；由于隧道施工段地下水丰富，为确保有限元模型模拟更贴合现场监测条件，增设水位并考虑水压力作用。隧道三维模型如图4所示。

3.4 计算结果分析

3.4.1 围岩应力分析

围岩应力图如图5所示。由图5分析得知：隧道开挖后显著影响了隧道周边围岩的应力分布，围岩最大主应力达到了14.9 MPa。隧道开挖至塌方段时，掌子面周围出现了显著的应力释放区域，掌子面前方围岩也出现了明显的应力松弛现象。由于富水软弱围岩自身强度极低，施工中过大的扰动将使掌子面难以对前方围岩起到有效支撑作用。

图4 隧道三维模型

图5 围岩应力图

3.4.2 围岩沉降分析

图6为围岩变形图。由图6a分析得知：隧道开挖后围岩的力学平衡遭到破坏，富水软弱围岩强度极差，开挖至塌方段时，拱顶显著下沉，最大值达到了41.3 mm，仰拱处隆起最大值为54.5 mm。由图6b分析得知：隧道开挖后拱腰处的水平收敛最大值为27.4 mm。塌方段围岩结构松散软弱，若施工支护不及时或爆破开挖时装药量过大，将对掌子面附近围岩造成极大扰动，围岩变形速率骤增，易导致塌方。

3.4.3 围岩塑性区分布

图7 围岩塑性区图

图7为围岩塑性区图。由图7分析得知：隧道开挖后周边围岩基本都处于塑性区内，掌子面的塑性区范围远大于洞周塑性区范围。塑性应变主要集中在上台阶掌子面中心处，塑性应变最大值达到了1.04×10-2，说明上台阶掌子面处围岩稳定性极差，易发生塑性破坏，这和现场塌方情况表现一致。

3.4.4 衬砌内力分析

图8为衬砌内力图。由图8a可知：拱顶、拱腰及拱脚处出现应力集中现象，现场应对这些部位采取加强措施。塌方段初期支护最大拉应力为25.1 MPa，远超C25喷射混凝土的抗拉强度。由图8b可知：塌方段初期支护最大压应力为69.3 MPa，远超文献[16]中C25喷射混凝土弯曲抗压强度(13.5 MPa)。因此，该段隧道围岩稳定性极差，初期支护易发生破坏，进而导致出现塌方事故，应加强超前支护、初期支护措施。

(a) 衬砌最大主应力 (b) 衬砌最小主应力

3.5 塌方机理分析

隧道开挖后隧道周边围岩的力学平衡状态遭到破坏，由于自重应力和附加应力的双重作用，岩层将会向下弯曲。将隧道拱部的岩层看作简支梁，而岩层抗拉强度极差，则岩层弯矩最大处易出现张拉破坏，即临空面的约束应力小于法向应力，岩体结构发生破坏，在法向应力的不断作用下，拱部围岩难以自稳，将可能出现掉渣现象。

地下水流动也是造成隧道塌方的一个重要因素，隧道未开挖时地下水与围岩存在力学平衡状态。随着隧道的开挖，围岩应力状态将会重新分布，地下水的流动也将发生改变，顺着岩体节理裂隙渗透，并将其中的一些充填物带走，动水压力也随之增大。围岩主要为炭质千枚岩，遇水软化、泥化，因此在动水压力及静水压力的双重作用下，围岩重度增加，强度则进一步降低，初期支护承受荷载增大，隧道更加难以稳定。

隧道开挖后，拱部释放的荷载主要由持力岩层承受，当爆破施工扰动过大时，将会损坏该持力岩层。随着爆破施工的扰动，持力岩层的稳定性越来越差，掌子面及周边围岩塑性区面积也将不断增大。当损坏到一定程度时，持力岩层难以产生压力拱，便会导致塌方。

4 塌方治理措施与监测结果

4.1 塌方治理措施

(1)在对塌方段进行处理之前，一定要首先加固塌方段后方，确保塌方段后方的稳定后，处理塌方会更安全；否则开挖塌方段时，有可能引起塌方段后方的剧烈变形乃至二次塌方。隧道发生塌方后为了预防塌方进一步发展，首先对塌体上表面使用C25喷混进行喷浆封闭，喷射厚度约15 cm。

(2)在确保后方安全的前提下，开始对塌方段进行处理，将钢筋网片铺设在掌子面上并喷射C25混凝土施作封堵墙，也作管棚导向墙，同时埋设泵送管4根。超前管棚注浆加固是安全通过塌方段的关键，塌方段的围岩通常都十分软弱，不具备自稳能力，而超前管棚提供的梁拱效应使塌方段围岩趋于稳定。

(3)在塌方得到控制的状况下，拆除ZK54+297附近已经严重破坏的钢拱架，并施作新的初期支护，对未拆换的支护在必要时设置临时支撑。塌方段拱顶渗水部位在施作初期支护前，应首先对已经软化的不稳定围岩进行清除，对出水量较大的部位采取埋管引排措施，确保施工安全。

(4)在隧道拱部施作超前管棚支护加固塌方段。超前管棚所用钢花管每节长4～6 m，外径Φ108 mm，壁厚6 mm，钢花管上钻注浆孔，孔径12 mm，孔间距15 cm，尾部预留250 cm的止浆段，环向管间距为40 cm，倾角约为1°～3°。管棚钢管共设17根，其中，拱顶处的3根长15 m，另外的1根长7 m，其余的13根长12 m。

(5)管棚打入隧道拱部后，注入质量比为1∶1的水泥浆(水泥与水玻璃混合浆液)进行注浆加固，注浆初始压力0.5～1.0 MPa，终止压力2.0 MPa。注浆完毕后对表面进行喷浆处理。

(6)在左拱脚处设4根2.40 m、Φ42 mm×4 mm的锁脚小导管，右拱脚处设4根3.85 m、Φ42 mm×4 mm的锁脚小导管进行注浆加固，确保施工安全。

图9 塌方治理现场

(7)塌方段开挖时，要严格控制步序长度，开挖后要及时跟进初期支护，尽早封闭成环对围岩进行约束，同时严格控制初期支护的质量，杜绝在初期支护与围岩间出现空洞。在进行爆破施工时一定要坚守少装药、少扰动的原则，防止对周边围岩造成过大的扰动而再次塌方。

(8)加强对塌方段的监控测量，对围岩稳定性及支护变形及时进行跟踪测量，分析测量数据，判断塌方段围岩是否稳定，防止贸然施工造成二次塌方事故。塌方治理现场如图9所示。

4.2 治理后监测结果及效果评价

塌方治理结束后对K54+297断面进行监控测量，通过水准仪、水准尺对拱顶进行测量，通过收敛仪对隧道拱腰进行测量，断面间隔10～50 m，一个断面2～3对测点。拱顶沉降及拱腰水平收敛监测结果如图10所示。

(a) 拱顶沉降 (b) 拱腰水平收敛

由图10a可知：拱顶沉降在前14 d达到总沉降值的80%左右；在第18天时围岩趋于稳定，累计沉降量为12.8 mm。由图10b可知：拱腰水平收敛在前12 d达到总收敛值的80%以上；在第18天时围岩趋于稳定，累计水平收敛为15.2 mm。监测结果均符合规范要求，说明塌方治理措施可行且效果良好。

5 结论

(1)对于隧道出现塌方事故后，应首先详细勘察塌方的影响范围以及状态，分析导致塌方的原因，调查塌方段围岩的力学特性以及地下水流动情况，为后续采取塌方治理措施提供一定的参考。

(2)通过模拟隧道塌方段围岩稳定性得知，隧道最大拱顶沉降为41.3 mm、仰拱隆起最大值为54.5 mm、拱腰水平收敛为27.4 mm，围岩变形量较大，隧道稳定性较差。塑性应变主要集中在上台阶掌子面中心处，该处易发生塑性破坏。初期支护最大拉应力和最大压应力均超过规范要求，极易发生破坏，导致塌方。

(3)塌方机理归结为隧道开挖后，拱顶岩层在自身重力以及上覆岩层重力的作用下，围岩难以自稳。地下水的流动会进一步降低围岩强度，使支护承受更多荷载。爆破施工的扰动会影响持力岩层发挥稳定作用。

(4)根据本项目隧道的实际情况，确定合理的塌方治理措施，采取合适的支护结构，减少施工过程对围岩的扰动，确保施工安全。