西南地区岩溶富水隧道坍塌力学机理及处治措施

陈秀雯，刘家奇，张 浩，李文杰，梁 斌*

(1.中铁十五局集团第三工程有限公司，成都 641418；2.河南科技大学土木工程学院，洛阳 471023)

中国是世界上岩溶分布面积最广的国家之一，岩溶分布纵深很广，形成北方以山西为中心、西南以贵州为中心的两片面积瞩目的岩溶高原。因岩溶隧道围岩周边隐伏溶洞的隐蔽性，在隧道施工过程中发生坍塌、突水涌泥等危害的风险较大，严重威胁施工安全，其中岩溶隧道围岩失稳坍塌问题已成为中国地下工程建设中的重大问题之一[1-4]。

殷颖等[5]通过收集总结160个岩溶隧道工程地质灾害发生的原因与后果，建立岩溶隧道突水突泥致灾因素的层次关系，可为隧道施工风险评估提供指导。徐海清等[6]通过室内实验结果提出了隧道穿越岩溶地质区域的支护方案，通过数值模拟的方法验证其方案有效性。孟哲玮等[7]采用荷载-结构法二维有限元模型分析了不同支护方案的变形与受力特性。何桥等[8]以德务高速为例通过理论分析，探讨了岩溶隧道内高压涌水问题并成功处治。安永林等[9]针对上软下硬地层隧道建立三维有限元模型通过分析掌子面稳定性及破坏形态，得出上软下硬地层掌子面稳定性地层破坏规律及围岩岩性对掌子面安全系数的影响。高洪涛[10]运用 ANSYS 软件对隧道初期支护结构进行力学模型分析，选择出合理的初支结构确保坍塌段隧道施工安全。俞凡等[11]通过室内试验模拟不同钢拱架间距下初期支护的破坏特征，得出钢拱架间距与初支破坏最早出现裂缝位置变化的规律。单超等[12]采用 MIDAS NX 3D数值模拟方法，分析了支护结构调整前后围岩状态的变化情况，提出了修正预留变形量，为避免隧道坍塌提供指导。

现阶段，学者们对隧道岩溶支护措施研究较多，但针对岩溶地质砂泥岩地层隧道坍塌治理措施的研究相对较少。依托玉溪至磨憨铁路线YMZQ-20标三分部DK445+725～DK454+005 段曼勒一号隧道工程，利用MIDAS GTS NX软件建立岩溶地质砂泥岩地层隧道力学模型，分析坍塌段围岩和初期支护的受力特性和坍塌机理，提出隧道开挖过程中预防及治理坍塌的相应措施。

1 工程背景

中铁十五局集团第三工程公司承建云南玉溪—磨憨铁路曼勒一号隧道，全长8 280 m，隧道大部分为单线隧道。隧道洞内线路坡度为单面上坡，线路最大坡度为9.9‰，铁路内轨顶面高693.643 m。隧道进口附近下穿在建小磨高速公路桥，隧道从梁桥墩钻孔桩基础间通过。

隧道所处地貌属喀斯特地貌发育区低中山溶蚀剥蚀地貌，上覆第四系全新统滑坡堆积层粉质黏土，隧洞内岩体强度较高，节理裂隙发育，围岩完整性及稳定性较差，施工中局部易产生掉块、坍塌等地质灾害。隧道进出口都有河流发育，地表水主要由大气降水补给以及地下泉水补给，地下水主要类型有第四系孔隙潜水、基岩裂隙水、岩溶水。预测隧道一般涌水量为44 000 m3/d，雨季隧道涌水量为78 000 m3/d。

曼勒一号隧道所经地层岩性复杂，主要为砂泥岩地层，其次为结晶岩系及变质岩系，局部有侵入岩体，部分岩体存在膨胀土，围岩稳定性差，发生滑坡，坍滑等施工灾害的风险较大。隧道开挖采用弱爆破，以减少爆破对围岩造成的扰动，并对围岩及支护稳定性进行监测。曼勒一号隧道洞口如图1所示。

图1 曼勒一号隧道洞口Fig.1 Manle No.1 Tunnel entrance

2 坍塌原因及机理分析

2.1 围岩坍塌原因

曼勒一号隧道DK448+683～DK448+686 段采用光面爆破开挖施工，洞渣外运过程中右拱腰有股状水渗出，随后股状水渗出附近围岩发生溜塌，溜塌体深灰色，岩性为粉砂岩，坍塌范围由右拱腰位置逐渐延伸至拱顶，并损害附近已完工初支，最终经测量，塌方顶部距掌子面约10.5 m，坡脚距掌子面约21.5 m。此次坍塌未造成洞内人员伤亡，无设备损坏。隧道坍塌纵断面图及现场如图2、图3所示。

图2 曼勒一号隧道坍塌纵断面Fig.2 Collapse profile of Manle No.1 Tunnel

图3 曼勒一号隧道坍塌现场Fig.3 Collapse site of Manle No.1 Tunnel

曼勒一号隧道横洞工区正洞大里程施工至DK448+642～DK448+686 段，掌子面开挖揭露地层为灰岩与砂岩夹泥岩两种地层接触段，岩层分界线与隧道轴线夹角约30°。砂岩夹泥岩成深灰、灰黑色，弱风化带，泥质结构，岩质相对较软，层理不明显。该段围岩整体破碎，节理裂缝较发育，受节理切割围岩呈块、碎石状镶嵌结构，由此可见隧道上台阶及拱腰围岩有失稳风险。

2.2 围岩坍塌机理

隧道开挖后，原有的岩土体地应力场发生改变引起应力重分布，将需要支护结构加固才能实现稳定的围岩称为浅层围岩，整体稳定性较好可以实现自稳的围岩称为深层围岩。围岩失稳破坏是浅层围岩由从“松弛”到“离散”的过程，当浅层围岩处于“松弛”阶段形变压力由浅层围岩和初期支护共同承担，作用在支护上主要为塑性形变压力，随着隧道围岩塑性区变形逐渐增大浅层围岩达到“离散”阶段，浅层围岩产生松动压力，使其在自重作用下坍塌或形成对支护结构的荷载。由Kastner公式可知，最大支护反力pi与围岩位移量v0之间的关系可表示为[13-14]

(1)

(2)

(3)

式中：R0为隧道围岩半径；p0为初始地应力，α为岩体外塌陷角；c和φ分别为围岩的黏聚力和内摩擦角；Rp为围岩塑性区半径；pi为支护反力；G为坍塌体的重力。

根据式(1)～式(3)计算最大支护反力及围岩位移量，在隧道支护结构设计及隧道开挖施工中及时有效的预防隧道发生坍塌有重要作用。

A、B为上台阶底部；O为上台阶轮廓圆心；b为坍塌体高度；β为抛物线上任意一点切线与水平方向的夹角；θ为坍塌体的范围；σn为抛物线上正应力；τn为抛物线上切应力图4 围岩坍塌力学分析Fig.4 Mechanical analysis of surrounding rock collapse

2.3 围岩坍塌受力分析

隧道上部围岩的初始坍塌受力状态如图4所示[15]，坍塌体为抛物线拱形。

假定抛物线满足二次方程：

y=ax2+c

(4)

式(4)中：a和c为待定参数。

当隧道半径为r0时，根据几何关系可得

(5)

根据力学极限状态可知，当坍塌体边界的主动力与摩擦抗力相等时，围岩处于失稳临界状态，围岩失稳临界状态的力学表达式为

(6)

式(6)中：s为式(4)所表达的二次曲线；Ω为围岩稳定性系数，当Ω≤0时上部围岩失稳破坏[16]。

3 数值模拟

3.1 模型参数

依据曼勒一号隧道地质勘察报告，同时参考《铁路隧道设计规范》(TB 10003—2016)[17]，围岩材料及初期支护力学参数如表1所示。使用有限元分析软件MIDAS GTS NX建立三维单元数值模型，隧道模型边界条件取隧道洞径的3～4倍，x轴水平方向取50 m 为模型围岩宽度，z轴竖直方向取60 m 为模型围岩高度，y轴纵向开挖长度取30 m。模型上施加水平及法向位移约束；为模拟计算隧道上方覆盖岩层自重，在上部围岩上施加自重荷载。数值模型如图5所示。

表1 围岩及支护结构力学参数Table 1 Mechanical parameters of surrounding rock and supporting structure

图5 数值模型Fig.5 Numerical model

3.2 施工方案

坍塌段围岩等级为IV级，采用三台阶法进行开挖。隧道开挖采用弱爆破，机械与人工配合的开挖方式，开挖进尺上台阶每次进尺1 榀拱架，下台阶开挖进尺每次为2 榀钢拱架，仰拱每次开挖3 m。仰拱初期支护超前仰拱1 m，仰拱开挖超前填充1 m，隧道开挖与各台阶前后交错开挖，错开距离不超过30 m。具体开挖步骤如下：开挖①部、施作①部台阶周边的初期支护，开挖②部、施作台阶周边部分初期支护，开挖③部、施作隧底喷砼。三台阶开挖示意图如图6所示。

图6 三台阶法Fig.6 Threebench method

4 结果分析

4.1 围岩应力分析

通过计算各施工步序对围岩应力的影响可知，隧道开挖后引起了围岩应力重分布，掌子面周围出现应力松弛现象，围岩最大主应力及最大von Mises应力均出现在上台阶角隅处，围岩应力如图7所示。相应位置出现应力集中现象是初期支护产生疲劳裂缝的主要诱因，由于围岩主要为砂岩夹泥岩承载力较差，前方开挖扰动及地下水渗流导致上台阶角隅处发生溜塌，在初期支护中应加强上台阶与中台阶连接处的支护措施以防溜塌。

图7 隧道围岩应力图Fig.7 Stress map of surrounding rock of tunnel

4.2 围岩变形分析

通过隧道施工数值模拟计算可知，隧道开挖后围岩力学平衡遭到破坏，砂岩夹泥岩围岩强度较低，对初期支护压力较大造成拱顶显著下沉，沉降量最大值为48.5 mm，仰拱处收到围岩挤压应力造成仰拱明显隆起，隆起高度最大值为89.6 mm。隧道开挖后受围岩压应力隧道拱腰处出现水平收敛，最大值为111.53 mm，围岩沉降位移云图如图8所示。根据模型计算结果，应对隧道内变形较大的部位加强支护并对这些位置进行沉降及收敛监测。

图8 围岩沉降位移云图Fig.8 Displacement cloud map of surrounding rock settlement

4.3 围岩塑性区分布

通过分析图9可知，围岩塑性区主要集中于上中台阶掌子面，拱腰与仰拱处。隧道周围及掌子面塑性应变最大值为7.85×10-2，并且掌子面塑性区范围相较于围岩周围塑性区分布更广，说明掌子面发生塑性破坏的可能性较大，与现场由上台阶角隅处溜塌对掌子面造成极大扰动后，导致大范围坍塌的情况相符。

图9 围岩塑性区云图Fig.9 Cloud map of plastic zone of surrounding rock

4.4 初支应力分析

由数值模拟中各施工步序对衬砌的影响可知，坍塌段隧道初期支护在拱顶出现最大拉应力为19.68 MPa，在仰拱处出现最大压应力为17.89 MPa，最大拉应力远远大于设计规范《铁路隧道设计规范》(TB 10003—2016)[17]中的弯曲抗拉极限强度，最大压应力大于设计规范中的设计强度且接近极限抗拉强度，衬砌应力如图10所示。坍塌段应加强超前支护以防止拱顶产生过大的拉应力，加强初支强度应对仰拱处产生的压应力。

图10 衬砌应力云图Fig.10 Lining stress cloud diagram

5 坍塌处置措施与效果

5.1 坍塌处治措施

结合地质勘探报告与坍塌段隧道有限元模拟计算结果，可以有效评估隧道围岩稳定性及初支薄弱位置。根据以上分析结果结合实际工程情况对坍塌段隧道采取以下处治措施。

(1)对溜塌堆积体采用C25喷射混凝土进行封闭且厚度不小于10 cm；确保安全的前提下，使用洞渣对掌子面溜塌体进行反压回填至台阶状，上台阶高度按洞顶以下2 m控制，纵向回填至DK448+655处；对回填体坡脚采用Φ42 mm钢花管进行注浆加固以确保台阶稳定。

(2)反压回填完成后，与DK448+668处上台阶设置2 m厚C20 封堵墙，封堵墙周边与初支背后岩体采用两排Φ22 mm砂浆锚杆连接，长2.5 m，环向间距1.0 m，嵌入封堵墙1.0 m，嵌入基岩1.5 m，封堵墙基础埋入回填体不小于0.5 m，采用两排Φ42 mm钢花管连接，长度3 m，间距1.0 m 布置，嵌入封堵墙和回填体分别为1 m，2 m，并对封堵墙基底回填体进行注浆加固以确保封堵墙基础的稳定；封堵墙底部设置2～3个引水管。

(3)对DK448+664～DK448+667 段回填体上方初支拱顶采用锚杆加喷射混凝土支护和钢筋网片相互结合的支护方式，锚杆采用Φ22 mm砂浆锚杆，每根3 m，交错布置间距1.0 m，钢筋网片采用Φ8 mm钢筋，网格间距25 cm × 25 cm，并喷射C25混凝土封闭。为加强对坍塌段监测，在DK448+665断面处布设3个监控量测点。

(4)采用3 根15 m长Φ89 mm钢花管对物探结果进行验证，探明塌腔高度、纵向长度及坍塌体松散程度，塌腔范围探明后，利用探测管辅以Φ42 mm超前小导管对前方松散体进行注浆加固；注浆采用水灰比为1∶1 的水泥浆，注浆压力为 0.3～0.5 MPa。

(5)利用DK448+668处封堵墙兼做管棚导向墙，于DK448+667处拱部范围设置一环Φ89 mm大管棚，应确保管棚端头嵌入基岩不小于5 m，环向间距0.4 m，共28根，每根长度25 m。

(6)超前管棚施作完毕后，在管棚的棚护作用下，DK448+672～DK448+692段按台阶法开挖，衬砌结构采用复合式衬砌；DK448+672～DK448+692段加强支护采用全环I18 型钢钢架，每榀间距0.6 m，考虑到洞内已施作大管棚外插角较大，拱部范围采用Φ42 mm双层小导管小外插角对大管棚进行超前支护补强，每环间距3 m，每环17 根，每根长4.5 m。小导管纵向间距为1.2 m，小导管外插角按10°～15°及20°～30°交替布置。

(7)后续开挖支护过程中，于拱部塌腔部位预留3～5根混凝土泵送管，泵送C25 混凝土对拱部塌腔进行回填密实。泵送混凝土前预留3～5根聚氯乙烯(polyvinyl chloride，PVC)引水管，管头设置无纺布包裹，另一端直接引入隧道侧沟。

(8)施工过程中，应严格控制开挖进度，IV级围岩段上台阶开挖进尺为1榀钢架间距，下台阶不大于2榀钢架间距。

5.2 坍塌段处治效果

坍塌段初支施工后将DK448+525～DK448+692 段初支监控量测断面增设至每道5 m，布设监控量测点要保证及时且牢固，反射贴片与全站仪激光束基本正交，监测频率不小于2 次/d，使用全站仪对隧道初支拱顶沉降及拱腰收敛进行监控量测。量测结果如图11所示。

由图11(a)可知，隧道拱顶累计沉降18.8 mm，其中前16 d沉降量较大，20～26 d拱顶围岩趋于稳定，日均沉降量0.72 mm/d；由图11(b)可知，隧道拱腰累计水平收敛14.3 mm，其中前18 d水平收敛量增速较快，20～26 d拱腰围岩趋于稳定，日均沉降量0.55 mm/d。监测结果满足规范要求，隧道坍塌段处治效果良好。

图11 隧道监测数据Fig.11 Tunnel monitoring data

6 结论

依托云南玉溪至磨憨铁路线曼勒隧道工程，通过建立坍塌段隧道模型，分析了隧道围岩坍塌机理，并提出坍塌段隧道治理措施，得出以下结论。

(1)通过地质勘探探明坍塌后隧道岩性及地下水分布情况，分析坍塌原因找出隧道围岩稳定性较差位置，对后续坍塌段处治措施提供参考依据。

(2)根据坍塌段地质预报数据及坍塌机理分析可知，隧道右拱腰股状水渗出使拱腰围岩收敛导致围岩强度降低。支护结构在围岩失稳后承受更多来自拱顶围岩自重及拱腰处围岩压应力，加之施工机械扰动导致隧道坍塌。

(3)根据MIDAS GTS NX对隧道坍塌段围岩稳定性模拟结果可知，拱顶及拱腰处的围岩变形量较大，说明围岩稳定性较差；上台阶及拱腰处塑性区范围较大，且上台阶初支受拉应力过大，极易导致隧道坍塌。

(4)根据现场地质勘探及有限元模型模拟分析结果，确定以双层小导管对超前支护补强的坍塌治理措施，严格控制开挖进尺，减少爆破及机械开挖对围岩的扰动，以确保隧道坍塌段开挖施工安全。