浅埋软弱围岩隧道施工塌方及处治措施研究

谢雄耀 蔡杰龙 周应新 曾维成

1. 同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室 上海 200092；2. 同济大学地下建筑与工程系 上海 200092；3. 云南省交通投资建设集团有限公司 云南 昆明 650228

隧道常常需要穿越复杂的地质环境，例如浅埋偏压、软弱围岩等，施工中极易发生大变形、衬砌开裂，继而发展成塌方、冒顶等事故。

目前，大量学者对隧道施工的围岩变形及稳定性进行了研究。Han等研究了软岩隧道围岩的力学性质及变形破坏特征[1-5]；孙洋等在现场地质调研和监控量测的基础上，从地质条件、埋深影响、软岩特性、偏压以及施工因素等方面对隧道大变形的特点和机理进行了定性分析[6-7]。

塌方是隧道围岩变形失稳最严重的后果之一，相关案例对塌方机制及处治措施的研究也十分具有参考意义。油坊坪隧道[8]塌方的外部诱因是地质构造、地下水和大气降水，人为因素则是施工工法和支护措施不当；木寨岭隧道[9]的塌方是层状岩体在横弯作用下发生挠曲破坏所致，地下水进一步削弱了结构面强度，初支跟进不及时，也导致了围岩的失稳；白山隧道[10]塌方的根本原因是仰拱基底承载力不足导致初支结构整体下沉，暴雨和地表防排水不力导致外荷载增加、围岩承载能力降低是塌方的直接诱因。高峰等[11]用UDEC离散元法模拟了子尹隧道塌方过程，并研究了不同埋深、岩体结构、围岩级别隧道的塌方特征；张成平等[12]通过模型试验发现城市软弱围岩隧道塌方是一个渐进性的围岩破坏过程，不同于深埋隧道形成稳定的塌落拱，浅埋隧道地表围岩破裂会与隧道周边围岩破裂面贯通，进而发展为地表塌陷；周宗青等[13]总结段家屋场隧道孕险环境为自然气候、隧道浅埋、地表水库、节理裂隙、水文地质，并根据施工揭露情况进行塌方风险动态评估。

综上所述，隧道塌方的成因十分复杂，只有结合工程实际，充分分析隧道塌方的成因机制，才能采取针对性的有效处治措施。本文依托云南武（定）易（门）高速丰收隧道工程，描述了隧道大变形及塌方过程。从地质条件、支护设计及施工管理方面分析了隧道塌方成因，并通过数值模拟，分析了三台阶法开挖隧道的拱顶沉降规律，对比了不同台阶长度及锁脚锚杆打设角度对拱顶沉降的影响。给出了右段塌方段的处治措施，并在左洞进行了应用。结合自动化监测系统监测数据，左洞隧道变形得到了有效控制。所得结论可供类似工程参考。

1 工程概况

云南武（定）易（门）高速丰收隧道为分离式小净距隧道，右幅全长620 m（K89＋630～K90＋250），埋深5.00～62.21 m；左幅全长603 m（K89＋623～K90＋226），埋深9.00～64.91 m。丰收隧道平面如图1所示。

图1 丰收隧道平面示意

隧道地层为Pt1lb板岩夹砂岩，K89＋800～K90＋120段顺一条山沟布设，地形偏压较严重。基岩产状82°∠56°，走向与线路方向夹角为10°，倾向线路左侧。隧区位于罗茨至易门断裂带内，围岩节理裂隙发育，属于Ⅴ2级围岩，主要为中风化、全风化板岩。

由武定端单端掘进，右洞先行，后行洞掌子面与先行洞二衬完成段距离不小于40 m，采用三台阶法施工，SF5d型衬砌（图2）。

图2 SF5d型衬砌断面示意

2 隧道大变形及塌方过程

掘进至右幅K90＋089处时，初支变形侵入二衬界限（图3）。该段落现场围岩地质（图4）以黑色泥质岩为主（断层泥），岩体松散破碎。加之部分段落存在较大偏压，隧道拱顶日均下沉量2 cm以上，日最大下沉量达20 cm，累计最大下沉量172 cm，洞顶山体出现开裂情况，最大宽度3.5 cm。加固处治完成后，二衬厚度小于45 cm，需采取换拱处理。

图3 右洞初期支护拱顶下沉

图4 洞内围岩揭露情况

对剩余左幅ZK90＋068～ZK90＋191、右幅K90＋099～K90＋201在原设计SF5d基础上进行调整。采用47根φ108 mm×6 mm注浆钢花管作为超前支护，长度9 m，环向间距0.4 m，水泥-水玻璃双液注浆。初支钢支撑调整为25b#工字钢，间距0.4 m。径向小导管间距调整为1.0 m×0.4 m。中岩柱设置φ108 mm×6 mm水平注浆钢花管，向前进方向45°水平倾斜施作，设置4排，长度9.0 m，间距1.0 m×0.8 m。二衬内增设18#工字钢支撑，纵向间距1.0 m。按上述方案施工，隧道右幅K90＋133～K90＋175出现较大坍塌，塌方体达600 m3。塌方段经回填稳定后，对侵入二衬界限的初支进行换拱处理。当换拱施工至K90＋156时，洞内再次出现严重坍塌，致使K90＋133～K90＋156受牵连影响，产生冒顶，地表出现塌陷。此时，与隧道右幅冒顶段落相对应的左幅段仍未开挖。

3 塌方成因及影响因素分析

3.1 塌方成因分析

3.1.1 地质条件

据掌子面揭露情况，断裂带在隧区内走向近南北方向，与隧道轴线平行，倾向隧道右侧，倾角60°～80°。掌子面的黑色泥质岩为炭质片岩经断层挤压作用形成的断层泥，是一种极不稳定的软弱结构面。掌子面前方土体开挖前已产生很大变形；开挖后，围岩松动圈进一步扩展产生较大的松动荷载。加之隧道埋深较浅，无法形成承载拱，围岩变形发展至地表，造成初支垂直荷载较大，继而产生较大的拱顶沉降并发展成塌方。另一方面，隧道附近基岩产状为82°∠56°，走向与隧道轴线基本平行，倾向线路左侧。开挖使得隧道左侧（反倾侧）拱腰处围岩最大主应力与岩层面平行，岩体挠曲变形产生垂直于层面的拉应力，导致岩层拉裂破坏。因此，隧道反倾侧拱腰处存在顺层偏压问题，加之左侧埋深较大，左侧支护承受的压力最大，围岩最不稳定。从图3可看出隧道左侧变形明显大于右侧。

3.1.2 支护设计

针对大变形调整了右幅K90＋099～K90＋201的支护设计，采用φ108 mm×6 mm注浆钢花管作为超前管棚，并进行注浆加固。考虑工期压力，采用水泥-水玻璃双液注浆，水玻璃作为速凝剂可加速浆液的固化。但随着后期强度下降，反而增加了荷载。此外，围岩渗透率低，注浆加固范围也难以保证。由于岩体破碎，拱脚承载力不足，初支钢拱架基础薄弱，且锁脚锚杆打设角度偏小，没有给隧道拱顶提供足够的支护力，也是拱顶产生大变形的重要原因。

3.1.3 施工管理

初支钢拱架安装质量差，搭接处无法采用螺栓连接，而采用钢筋简单焊接，初支刚度降低。超前管棚施工不规范，尾端没有搭接在钢拱架上，无法与初支共同形成梁拱效应。采用三台阶法施工掘进，但现场台阶不明显，没有预留核心土，掌子面支护欠佳。施工组织效率低，支护不及时，初支封闭较慢，围岩的变形没有得到有效控制。在对侵限段进行换拱时，受开挖扰动的松散岩体失去支护是导致最后塌方的直接原因。

3.2 数值模型

利用FLAC3D对隧道掘进施工进行三维精细化数值模拟。隧道断面见图2。先行隧道二衬完成段与后行隧道掌子面的距离不小于40 m，因此本文仅分析发生塌方的右幅。模型尺寸为118 m（宽）×113 m（高）×80 m（长），上部边界取至地表，地表坡度23°，隧道洞顶埋深28 m。计算时，地表为自由边界，模型前后、左右边界分别施加相应方向的水平位移约束，模型底部边界施加固定约束。

围岩采用摩尔-库仑本构模型；在隧道拱顶及中岩柱处分别设置超前、水平注浆钢花管及径向小导管，采用pile单元模拟；超前注浆采用加强相应范围土体参数的方法来实现；初支钢支撑与初喷混凝土采用shell单元模拟；二衬通过增加初支shell单元厚度来实现。模型结构单元见图5，材料参数如表1所示。

图5 丰收隧道数值模型

表1 模型材料参数

隧道采用三台阶法开挖，台阶长度6.4 m，每个工作循环开挖进尺为3.2 m。一个工作循环的具体模拟过程：激活超前钢花管，加固超前注浆层土体；开挖上台阶；激活上台阶径向小导管和初期支护；开挖中台阶；激活中台阶径向小导管、初期支护以及中岩柱钢花管；开挖下台阶；激活下台阶初期支护；初支成环后12.8 m激活二衬。

3.3 现场监测

丰收隧道施工过程现场监测项目主要有洞周收敛以及拱顶下沉。洞周收敛测量采用收敛计，拱顶下沉采用全站仪观测，测点布置如图6所示。

图6 隧道围岩变形测点布置示意

3.4 计算结果与分析

3.4.1 拱顶下沉分析

图7所示的典型断面拱顶各点沉降及发展规律监测值与模拟结果的一致性验证了数值模型的可靠性。根据下沉速率，隧道拱顶下沉可分为3个阶段：工作面到达监测断面之前，前9个开挖步约3倍进尺，各监测点已累计产生较大沉降，沉降值达1 m；工伤面到达监测断面后，拱顶下沉速率急剧增大；监测断面初支封闭后，拱顶下沉速率减缓，此时累计沉降已达2.8 m，且依旧未收敛。

图7 隧道拱顶沉降计算值与监测值

阶段1说明软弱围岩隧道掌子面前方岩体开挖扰动范围大，达到3倍开挖进尺。掌子面变形以向临空面的挤出变形为主。如果不对掌子面变形加以控制，掌子面带动周围岩体变形，极易造成大变形，甚至塌方冒顶。上台阶开挖产生的拱顶沉降最大，约占80%。下台阶开挖完成后，初衬闭环对隧道变形的抑制作用明显，因此，初衬应尽早封闭，必要时可设置临时仰拱。但软弱围岩隧道拱顶沉降受后续开挖影响持续时间较长，累计变形量大，应预留足够变形量，避免变形侵限、需要换拱的情况。且应考虑早上二衬，抵抗围岩变形。受偏压影响，3个测点的沉降值A1＞A2＞A3。

3.4.2 台阶长度及锁脚锚杆角度的影响

如图8所示，阶段1台阶长度及锁脚锚杆角度对拱顶沉降影响不大。开挖后，拱顶沉降量及沉降速率均随着台阶长度的缩短、锁脚锚杆角度的增大而减小。台阶长度越短意味着初支能够越早封闭，及时形成支护抗力。锁脚锚杆角度越大，其与钢拱架焊接处的弯矩和剪力越小，锚杆挠曲产生的竖向位移分量也越小，虽然轴力较大，但其轴向刚度较大，所以此时锁脚锚杆控制拱顶沉降效果较好。考虑到锁脚锚杆打设难度，建议打设角度为45°。锁脚锚杆角度对拱顶沉降影响虽不如台阶长度明显，但可通过增加锁脚锚杆数量来获得更好的支护效果。

图8 台阶长度及锁脚锚杆角度对拱顶沉降的影响

4 处治措施

4.1 右幅塌方段处治措施

1）对塌方段掌子面采用C25喷射混凝土封闭，厚度为20 cm。对塌方体采用长12 m的φ89 mm×6 mm钢花管进行水平注浆加固，间距1.0 m×1.0 m。注浆材料由水泥-水玻璃双液浆改为水泥单液浆，水灰比1∶1。

2）对塌方段采用双侧壁导坑法开挖，减少拱顶一次暴露面积，加快开挖块支护闭合。隧道右侧为先行洞，左侧为后行洞，先打开工作面，再进行预留核心土拱部施工，最后进行核心土下部开挖。

3）开挖后及时施加初衬。侧导坑初衬钢拱架在主洞初衬钢拱架闭合之后分段拆除，拆除时加强监控量测，并据此调整一次拆除长度，不大于15 m，必要时对初支进行局部加强。拆除后15 d内完成二衬浇筑，二衬厚度由60 cm调整为70 cm。

掘进过程中依旧采用图6所示的监测方案，最终隧道顺利贯通，拱顶沉降量小于20 cm，水平收敛位移小于12 mm，整体稳定性良好。

4.2 相邻左洞处治措施

与隧道右幅冒顶段落相对应的左幅ZK90＋115～ZK90＋165在右幅贯通并施作二衬后继续施工，沿用右幅冒顶段改进的支护方案，严格按照预留核心土台阶法施工，台阶长度不超过5 m。增设锁脚锚杆和临时仰拱，仰拱与掌子面距离控制在20 m以内，加快工作循环以使初支尽快封闭。严格把控超前支护和钢拱架的施工质量，钢拱架之间增设7道25b#工字钢进行纵向连接。采用静力水准自动化监测系统，加强施工中监控量测的时效性。

静力水准系统采用高精度压力传感器，通过测量测点相对于基准点储液罐的液位压力变化来获取测点的沉降值。如图9所示，多个静力水准仪通过通液管和通气管与干燥剂管和储液罐相连形成内压自平衡系统。数据采集仪通过电缆连接多个静力水准仪，可实现静力水准仪的自动测量及数据处理等工作，并可通过移动网络将监测结果发布到远程主机及移动客户端。该系统测量精度高，工作稳定，安装后无需人工操作即可实现实时监测，成本较低。

图9 静力水准系统示意

此次监测项目为隧道拱顶沉降，监测频率为1次/h。由于已开挖段受后续开挖影响持续时间较长，选取距离监测段落50 m已施加二衬的ZK90＋65断面拱顶作为基准点，编号S0。各监测断面间距5 m，随着掌子面的推进，将静力水准仪固定在拱顶的安装支架上，并预留通液管和通气管，编号依次为S1—S11。

选取监测断面S3、S4，初衬及二衬拱顶沉降如图10所示。S3断面上台阶开挖后，拱顶沉降持续快速发展，截至2017年3月30日，已累计产生沉降117.1 mm，危及施工安全。故决定施加临时支撑并进行补充注浆。拱顶沉降速度得到明显减缓并最终收敛，累计沉降170.0 mm。S4断面上台阶开挖后的初期，拱顶也经历了一段快速下沉阶段，但累计沉降较小，约为55.2 mm，后逐渐收敛，累计沉降75.9 mm。初支稳定后，S3、S4断面均未侵限。施加二衬后，S3、S4断面拱顶稳定，新增沉降小于3 mm。

图10 静力水准系统监测值

5 结语

1）受断裂带影响且隧道埋深较浅，隧区岩体破碎无法形成承载拱，导致较大的垂直荷载，隧道左侧的顺层偏压及地形偏压更加剧了左侧的变形，是隧道产生大变形并塌方的客观原因；钢拱架基础薄弱、连接质量差，导致初支刚度下降，超前管棚施工不规范、台阶不明显、没有预留核心土使得对掌子面的稳定性控制不佳，是隧道产生大变形及塌方的重要原因；对侵限段落换拱导致松散岩体失去支护则是塌方的直接原因。

2）软弱围岩隧道开挖对掌子面前方扰动范围较大，达到3倍进尺，约80%拱顶沉降发生在上台阶开挖。做好掌子面超前支护及加固、采用短台阶开挖、减少拱顶一次暴露面积、及时施作支护并封闭可有效控制围岩变形，锁脚锚杆角度宜取45°。对于围岩条件极差、收敛变形较大的区段，可采用双侧壁导坑法施工。

3）静力水准自动化监测系统测量精度高，成本低，可实现隧道沉降的持续性实时监测，根据监测结果确定预留变形量，尽量避免换拱，不仅可以减少工期延误，更能有效降低塌方风险。