公路隧道含煤层围岩加固措施及效果分析

陶 琼， 张鹏阳， 李翩翩

(云南省公路科学技术研究院， 昆明 650000)

随着我国山区高速公路建设的快速发展，隧道构筑物在路线占比越来越多，但因隧道围岩的隐蔽性和复杂性，如岩溶、煤层、暗河、断层破碎带等[1-3]不良地质不易提前准确预知。尤其是煤层条件下隧道施工建设危险性较大，一是煤层会导致围岩的完整性和自稳能力下降，施工中极易发生围岩塌方；二是含煤地层赋存的瓦斯气体因开挖揭露而释放，在高瓦斯段，若施工不当，极易发生瓦斯爆炸，造成大量人员伤亡和财产损失[4]。

针对隧道穿越煤系地层的工程问题，国内外学者进行了大量研究。谢全敏等[5]采用结构力学理论推导了隧道在含煤地层段开挖时煤岩柱安全厚度，并进一步分析了煤层的动力特性。万正等[6]运用数值模拟和现场监控量测的方法，研究了富水煤系地层的隧道仰拱隆起问题，指出隧道基底围岩在水的作用下软化，且在地下水的高水压力是致使仰拱隆起主要原因。喻军等[7]结合隧道施工现场实况，研究了软弱煤系地层塌方处治技术。李树良[8]以具体工程为背景，研究了水平煤系地层隧道塌方的规律，提出了防治措施并在工程中应用，取得了良好效果。刘江等[9]针对特长公路隧道煤层段高瓦斯施工通风技术问题，通过划分工区、通风量计算等方法，确定了通风设备功率和通风方式。通过文献调研发现[10-12]，目前有关含煤层隧道的研究主要集中在瓦斯处治方面，而对含煤层区段围岩开挖的稳定性和破坏特征研究相对较少。

本文结合隧道含煤层区段围岩塌方实际情况，主要针对塌方特征和加固处治方案进行研究，并提出合理的处理措施。

1 工程概况

1.1 地质概况

依托隧道左线长度为2 444 m，里程点ZK162+556～ZK165+000；右线隧道长度为2 447 m，里程点K162+546～K164+993。隧址区海拔高程1 080 m～1 680 m，相对高差600 m。隧址区属构造剥蚀岩溶中山地貌区，地形起伏较大，自然坡度25°～40°，坡面植被不发育，大多基岩出露，地质作用以构造剥蚀、溶蚀为主。岩体主要由灰岩、玄武岩、钙质粉砂岩夹煤层、粉砂质泥岩和泥质粉砂岩组成，裂隙发育，岩体破碎，岩体完整性差。隧道在K163+800～K163+900段存在煤层，产状为330°～350°∠40°～60°，该段隧道围岩为Ⅳ级，以黄灰色钙质粉砂岩为主，夹灰黑色页岩夹煤层，呈中厚层状构造，中风化为主，节理裂隙发育，层间结合一般，岩体较破碎多呈碎石状碎裂结构。

1.2 含煤层塌方过程

在隧道左线ZK163+815断面施工时，掌子面出现较破碎松散状的黑色煤块，涌水量较大，掌子面上的石块开始松动滑落，立即暂停掌子面施工。次日，隧道发生滑塌，塌方位置由拱顶位置逐渐发展为整个掌子面，滑塌体积逐渐增大，塌方体积大概有250 m3，掌子面初支台架被煤块掩盖。受坍塌体的影响，ZK163+815～ZK163+838段初期支护受损严重，主要表现为初期支护混凝土开裂、掉块、钢拱架变形等。

1.3 原支护设计

本隧道在穿越含煤层围岩段采用上下台阶法开挖，复合式衬砌，在隧道两侧各设一条维修道，左侧为电缆沟，右侧为消防沟，隧道路基两侧各设置排水边沟，隧道的横断面设计如图1所示。

单位：m

1.4 位移测点布置

隧道施工过程中，采用收敛计测量围岩周边位移收敛值、全站仪测量拱顶沉降值。拱顶沉降监测由3个监测点组成，在隧道拱顶布置一个监测点，距离隧道拱顶监测点2 m左右各一个监测点，周边收敛由2个监测点组成，分别在隧道左右边墙位置，周边收敛和拱顶沉降的监测点布置在同一个截面上，在Ⅳ级围岩中每10 m～20 m布置一个断面，特殊不良地质条件下缩短2个断面的布置距离，监测频率为1次/d[13]。监控点的布置如图2所示。

(a) 横断面测点布置

2 围岩加固

2.1 加固方案

1) 增设临时支撑

塌方预兆发生时，立刻停止施工。为确保塌方处理人员的人身安全，先对已施工初支段进行钢支撑临时支护，防止围岩发生松动变形导致初支破坏。临时钢支撑采用与初期支护的钢拱架同型号的工字钢制成。同时，为了提高初期支护的稳定性和承载能力，防止塌方进一步恶化[14]，钢拱架的锁脚采用Φ42、L=3.5 m的锁脚锚杆，每组锁脚锚杆数量由原设计的2根增加至4根。相邻2个临时钢支撑纵向间距2 m。临时钢支撑及锁脚锚杆布设位置及主要参数如图3所示。

为了提高初期支护的支护能力，衬砌类型由原S4a衬砌变更为S5c衬砌。围岩由原来的Ⅳ级围岩变更为Ⅴ级围岩，同时，改变了隧道的开挖方式，由原来的上下台阶法变更为环形开挖预留核心土法，用人工机械开挖方式代替钻爆开挖。

(a) 隧道开挖横断面

(b) 锁脚锚杆布设侧视图

(c) 锁脚锚杆布设正视图

2) 注浆加固围岩

为了充分发挥围岩的自承能力，提高已施工段围岩的整体稳定性，在ZK163+815～ZK163+835的开挖面进行预注浆处理。采用分段注浆措施，每段长度为7.5 m，相邻两端搭接1.5 m。注浆孔沿隧道中轴伞状布置，浆液扩散半径为2 m。套管段采用Φ115钻头成孔，注浆段采用Φ76钻头成孔。注浆液采用水泥-水玻璃浆液，水泥∶水玻璃(体积比)=1∶(0.6～1.0)，水灰比为0.8∶1～1∶1，水玻璃模数2.6～2.8，注浆压力0.5 MPa～1.5 MPa。

3) 超前管棚支护

根据施工现场隧道超前地质预报分析结果，煤层分布在隧道掌子面前方20 m范围内。为了防止后续开挖过程中再次发生坍塌，提高未开挖段围岩的承载力，采用管棚进行预加固处理[15]。管棚参数如下：长度为30 m，内径为108 mm，壁厚为6 mm，环向间距为30 cm，外插角范围为1°～2°，在拱顶和两拱腰位置共布置31根管棚。在掌子面位置施作1.5 m长的套拱，管棚的一端搭接在套拱上，另一端搭接在隧道掌子面前方大概20 m～30 m的岩体中，注浆参数同前。

2.2 围岩加固效果验证

1) 数值模拟

为了解加固措施在实际应用中的效果，保证隧道在加固后的开挖施工能够安全进行，在加固措施进行实际工程应用前，运用数值模拟的方法进行围岩加固效果验证。采用Midas GTS NX有限元软件建立三维隧道有限元模型，模拟隧道含煤层区段在经过本文的加固措施加固前、后，开挖施工引起的围岩变形特征。在建模时，为了简化模型，仅保留隧道拱顶以上20 m范围内的围岩，在这之上的围岩重力按照等效荷载施加在模型的顶部。隧道围岩和支护材料选用摩尔-库伦弹塑性本构模型。根据现场地质勘察报告及隧道设计资料，模型中各种材料的主要物理力学参数如表1所示。有限元模型一共划分网格数目101 490个，节点数59 076个，如图4所示。

表1 围岩及支护材料物理力学参数

单位：m

2) 加固方案评估

通过对隧道开挖有限元数值模拟，可得到隧道含煤层区段围岩经加固后，开挖施工引起的隧道拱顶沉降和周边收敛分布云图。实际中，隧道围岩未采取加固措施开挖后产生了塌方，表明隧道含煤层围岩发生了塑性破坏。

为了便于观察，选取模型中隧道轴线与煤层相交附近的横截面进行分析。隧道加固后开挖引起的围岩变形如图5所示。由图5可见，隧道在完成开挖施工后，围岩的最大沉降为1.85 mm，最大值位置在煤层所在位置的右侧拱肩；围岩的最大水平位移在煤层所在位置的右侧拱腰，数值为1.79 mm。按照我国隧道施工规范，已满足围岩稳定规定，围岩加固效果明显。含煤层围岩开始开挖时发生塌方，表明当时隧道开挖时围岩的变形量和变形速率已远远超出规范的规定。分析表明含煤层围岩经过加固后，整体稳定性得到提高。

3 围岩加固技术应用及效果

隧道在含煤层区段开挖初期发生塌方，塌方稳定后进行围岩加固处理。加固完成后，采用环形开挖预留核心土法继续进行隧道施工，塌方掌子面桩号为ZK163+815。隧道开挖后，以ZK163+810断面、ZK163+815断面和ZK163+820断面的拱顶沉降和周边收敛监测数据为依据，绘制出这3个断面的拱顶沉降位移时程曲线、周边收敛位移时程曲线。为了更准确地获取围岩变形信息，在ZK163+815断面和ZK163+820断面提高了监测频率，即2次/d。监测结果如图6所示。

(a) 竖向位移

(b) 水平位移

由图6(a)可知，ZK163+810断面的围岩原已趋于稳定，后因ZK163+815掌子面开挖对围岩产生扰动，使得ZK163+810断面的拱顶沉降又出现变形增大的趋势，且右侧拱肩位置的围岩沉降量最大，其累计沉降位移值达到125.31 mm后趋向稳定。由图6(b)可知，ZK163+815断面开挖后，第一次拱顶沉降值在开挖后的第3天趋于稳定，右侧拱肩的累计拱顶沉降量最大，累计沉降值为1.28 mm，表明围岩的加固效果较好。在ZK163+820开挖时，ZK163+815的拱顶沉降又呈现一个快速增长阶段，ZK163+820开挖完成后，开挖引起的围岩扰动减小，右侧拱顶沉降再次趋于稳定，右侧拱肩的累计拱顶沉降量为2.13 mm。累计沉降值与数值模拟得到的拱顶沉降值相近。由图6(c)可知，ZK163+820断面的拱顶沉降最大值为6.84 mm，表明该位置的围岩受煤层作用的影响已经变小。由图6(d)可知，ZK163+815断面和ZK163+820断面的累计周边收敛位移值均约为1.6 mm，表明含煤层围岩在经过加固后稳定性增强，且在ZK163+820断面在开挖时，ZK163+815断面的累计收敛位移有所上升，说明开挖面的围岩扰动会对已开挖完成的隧道初支结构产生一定的扰动。

(a) ZK163+810断面拱顶沉降位移时程曲线

(b) ZK163+815断面拱顶沉降位移时程曲线

(c) ZK163+820断面拱顶沉降位移时程曲线

(d) 周边收敛时程曲线

4 结论

本文以我国西南地区某隧道为例，对该隧道在含煤层区段的开挖过程中围岩的变形规律及其加固处理效果进行了研究，通过有限元数值模拟和围岩位移变形现场监测，验证了该加固处理方案的可靠性，主要有以下结论：

1) 含煤系地层的隧道围岩加固方案采用设置长管棚支护、注浆加固围岩、临时支撑提高已施工路段及开挖方式调整为环形开挖预留核心土法等措施，可有效控制围岩变形，提高围岩稳定能力。

2) 借助数值模拟的方法评估了加固方法的可靠性，并通过对现场施工监控量测数据分析，验证了含煤层围岩加固方法的加固效果，该含煤层围岩加固设计方法可供类似工程参考。