新龍隧道大變形成因分析

唐富軍, 宋 莉, 倪春梅, 韋 琴

(四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院道路與橋梁工程系, 四川成都 611130)

[定稿日期]2017-09-15

1 隧道大變形分類

根據(jù)圍巖破壞形式及隧道大變形形成原因，將大變形分為以下三大主要類型[1-2]。

1.1 膨脹型大變形

當(dāng)圍巖中含有蒙脫石、高嶺土、伊利石等黏土礦物或是其他具有膨脹性礦物時(shí)，由于隧道開挖使得圍巖發(fā)生松動(dòng)，使得地下水能夠滲透到隧道附近；隧道的存在猶如一個(gè)抽水機(jī)的存在，這加速了地下水向隧道周圍富集。膨脹性礦物在地下水作用下發(fā)生水解反應(yīng)使得隧道產(chǎn)生大變形，由于巖石水解作用緩慢，因此此類大變形的發(fā)展時(shí)間較長。

1.2 擠壓型大變形

在高地應(yīng)力條件下開挖隧道會(huì)使得圍巖產(chǎn)生塑性區(qū)，巖石發(fā)生塑性流動(dòng)。當(dāng)強(qiáng)度應(yīng)力比小于0.3～0.5時(shí)，圍巖的塑性區(qū)分布范圍可達(dá)5倍的洞徑，在巖石剪脹效應(yīng)作用下，洞壁將產(chǎn)生很大的收斂位移[2]。

1.3 局部承壓型大變形

當(dāng)初期支護(hù)施作完成后，由于圍巖局部破損，掌子面施工時(shí)發(fā)生坍塌，導(dǎo)致圍巖發(fā)生松動(dòng)，圍巖松動(dòng)圈擴(kuò)大，接近掌子面的初支由此而承受了較大的松動(dòng)壓力，隨著施工不斷地推進(jìn)，松動(dòng)圈的不斷擴(kuò)大，初支承受的松動(dòng)壓力越來越大，從而使得隧道發(fā)生大變形。

2 新龍隧道變形發(fā)展過程

新龍隧道屬于甘君路改建工程S2合同段，洞口里程K94+790。該隧道2013年5月開工，2013年11月14日在K95+150開挖掌子面左側(cè)突然發(fā)生大量坍塌并伴隨大量涌水(拱頂坍塌情況)，該部位坍塌發(fā)生后，業(yè)主、監(jiān)理、設(shè)計(jì)、咨詢、施工等相關(guān)參建單位人員進(jìn)行了現(xiàn)場踏勘，根據(jù)設(shè)計(jì)提交的處置方案在K95+138至K95+148已施做初期支護(hù)處增設(shè)縱向間距1m的I18臨時(shí)鋼支撐，拱頂塌方體5m范圍采用1m×1m(縱×環(huán)) 4.5m長Φ42小導(dǎo)管徑向注漿加固，拱頂塌方體注漿固結(jié)后縱向采用9m長Φ127中管棚超前支護(hù)進(jìn)行過渡，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場圍巖較差實(shí)際，在K95+150至K95+160掘進(jìn)段落按設(shè)計(jì)的初支參數(shù)支護(hù)完成后又增加了縱向間距1m的I18臨時(shí)鋼支撐予以加固。在此后施工期間，通過監(jiān)控量測數(shù)據(jù)反映，該塌方段落通過監(jiān)測量測未出現(xiàn)大的變形。

2014年1月6日因?yàn)槎莺痛汗?jié)原因放假，整個(gè)隧道封閉。2014年2月12日復(fù)工，技術(shù)人員進(jìn)場恢復(fù)施工后發(fā)現(xiàn)新龍隧道K95+135～K95+205(共計(jì)80m)段已施做初支及臨時(shí)鋼支撐已發(fā)生嚴(yán)重變形(圖1、圖2)，最大變形量近700mm，嚴(yán)重超過了設(shè)計(jì)允許的預(yù)留變形范圍，隧道初期支護(hù)隨時(shí)都有坍塌的可能。

圖1 拱架變形

圖2 初支開裂

2014年3月6日對(duì)該隧道大變形地段進(jìn)行處置(K95+135～K95+205)，2014年3月29日上午，變形初期支護(hù)拆除施工至K95+160處，拱頂突然發(fā)生坍塌，塌方體約200m3,坍塌體將施工斷面全部封閉(圖3、圖4)。

圖3 變形初支

圖4 塌方體

3 隧道斷面變形分析

根據(jù)圖5～圖7可知，斷面中只有隧道拱部發(fā)生了較大的變形，邊墻及仰拱未發(fā)生較大變形。

在K95+135斷面處，隧道拱頂、拱腰部位產(chǎn)生了面向隧道內(nèi)部的變形，而拱腳部位產(chǎn)生了較小的背離隧道內(nèi)部的變形。根據(jù)隧道斷面變形特點(diǎn)可知，隧道拱部由于受到了較大的荷載作用，使得隧道拱部被壓屈，拱腳兩側(cè)的圍巖受到拱腳較大的水平作用而產(chǎn)生了背離隧道的移動(dòng)；K95+150、K95+155斷面變形特點(diǎn)與K95+135斷面的變形形態(tài)是一致的，誘發(fā)的原因也是相同的。

在K95+140斷面處拱頂處產(chǎn)生了較大(0.18m)的背離隧道的移動(dòng)，而拱腰處的位移則是面向隧道的，拱腳處的位移也是背離隧道的，位移量較小。之所以會(huì)產(chǎn)生如此變形，是由于拱頂處荷載較小，或是拱頂出現(xiàn)了空洞，而拱腰附近圍巖對(duì)初支的作用較為強(qiáng)烈；K95+145斷面處的變形與K95+140斷面的變形類似，形成的原因類似。

與前兩種變形形態(tài)相比，K95+160斷面處則表現(xiàn)的明顯不同，隧道左側(cè)拱面向隧道產(chǎn)生移動(dòng)，而右側(cè)拱則是背離隧道移動(dòng)，除拱腳外，其他部位變形量較小。當(dāng)隧道左側(cè)承受了較大的荷載作用，而右邊圍巖地質(zhì)條件較好，能夠有效約束初支變形時(shí)，隧道斷面即會(huì)產(chǎn)生如此的變形。從圖8中可知，K95+160斷面右側(cè)圍巖較為完整，因此在換拱時(shí)，右側(cè)未出現(xiàn)塌方，而當(dāng)施工到拱頂時(shí)，發(fā)生了較大的塌方。K95+165～K95+195的斷面變形特點(diǎn)與K95+135相似，且變形程度逐漸減輕。

圖5 隧道斷面變形一

圖6 隧道斷面變形二

圖7 隧道斷面變形三

圖8 K95+160斷面換拱

4 大變形成因分析

4.1 地質(zhì)成因分析

根據(jù)《K95+150～K95+270地質(zhì)超前預(yù)報(bào)檢測報(bào)告》描述該段圍巖節(jié)理裂隙較發(fā)育，也較破碎，完整性較差，易發(fā)生局部坍塌。K95+160處塌腔揭示該段位于褶曲(背斜)核部，巖性為全～強(qiáng)風(fēng)化薄層絹云板巖，具有遇水軟化的特性，巖層傾角60～70°，局部扭曲，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體受張拉作用導(dǎo)致巖體破碎，呈碎石及角礫狀。

4.2 施工影響分析

隧道開挖后，拱部形成一條縱向排水通道，遠(yuǎn)處的地下水不斷匯聚于此，周邊圍巖在地下水的長期浸泡下，物理力學(xué)指標(biāo)急劇下降，初支支護(hù)荷載大幅增加。

2013年11月14日K95+148～K95+150段發(fā)生過塌方，使得K95+140～K95+145斷面拱頂上方附近出現(xiàn)空洞，改變了該段初支的受力模式，在地應(yīng)力作用下，拱部上方圍巖不斷發(fā)生坍塌，直到新穩(wěn)定的壓力拱出現(xiàn)為止，因此K95+140～K95+145斷面才會(huì)出現(xiàn)拱頂產(chǎn)生背離隧道的變形，而拱腰產(chǎn)生面向隧道的變形。由于K95+140～K95+145段圍巖產(chǎn)生了新的平衡狀態(tài)，導(dǎo)致K95+135斷面附近的圍巖也發(fā)生了應(yīng)力調(diào)整，拱部上方的巖體在圍巖應(yīng)力調(diào)整過程中發(fā)生坍塌，K95+135斷面初支由于受到了較大的松動(dòng)荷載，隧道拱部才會(huì)產(chǎn)生如圖1～圖4所示的變形。

在施工中由于對(duì)塌腔填充不夠密實(shí)，且坍塌的發(fā)生也使得K95+150前方的圍巖產(chǎn)生了較大的影響，圍巖產(chǎn)生了較大的松動(dòng)圈。當(dāng)不能有效約束隧道圍巖的位移時(shí)，圍巖松動(dòng)圈的大小受圍巖的地質(zhì)條件決定，正是由于塌腔的填充不密實(shí)導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)不能夠有效地約束圍巖的位移，圍巖的松動(dòng)圈比正常施工時(shí)要明顯增大，導(dǎo)致K95+150～K95+160斷面產(chǎn)生較大的變形，這點(diǎn)可以從K95+160處換拱時(shí)發(fā)生200m3的坍塌可以得到證實(shí)。

5 大變形模擬分析

5.1 模擬方法

隧道發(fā)生塌方后，圍巖中將產(chǎn)生塌腔，空腔壁周圍的巖體應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了改變，根據(jù)圍巖漸進(jìn)性破壞理論可知，在塌腔附近的巖體會(huì)首先在薄弱處發(fā)生破壞，并且逐漸往圍巖深處發(fā)展，破壞范圍將逐漸擴(kuò)大[3-7]。由于塌腔的存在，塌腔周圍的巖體在地應(yīng)力的作用下將向塌腔發(fā)生移動(dòng)，原來已經(jīng)穩(wěn)定了的巖層在巖體移動(dòng)作用下，重新變得不穩(wěn)定，圍巖將再次進(jìn)入應(yīng)力調(diào)整的過程中；圍巖中先前形成的穩(wěn)定壓力拱也遭到影響，重新進(jìn)入動(dòng)態(tài)發(fā)展的狀況；塌方附近的初支受圍巖應(yīng)力調(diào)整及壓力拱動(dòng)態(tài)發(fā)展的影響，內(nèi)力大小及變形收斂等隨之發(fā)生了變化。

無論是圍巖應(yīng)力發(fā)生調(diào)整，還是支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力變形發(fā)生變化，都是由于坍塌的發(fā)生使得圍巖中物質(zhì)發(fā)生了流失。圍巖物質(zhì)的流失導(dǎo)致圍巖之間的相互接觸作用受到破壞，當(dāng)圍巖巖體較為破碎時(shí)，圍巖間的接觸約束消除后，巖體發(fā)生松弛現(xiàn)象，圍巖中的應(yīng)力被釋放出來。

由于FLAC3D軟件采用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法求解，不能直接模擬塌方的發(fā)生，但塌方對(duì)圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響是由于圍巖巖體發(fā)生松弛引起的，因此，在采用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法模擬塌方對(duì)隧道及圍巖的影響的關(guān)鍵在于如何對(duì)模型施加松弛作用。圍巖的松弛作用使得松弛區(qū)域巖體的應(yīng)力被釋放了。巖體松散后，圍巖的壓縮性得到了提高。因此本文通過釋放圍巖的應(yīng)力與提高巖體的可壓縮性來模擬坍塌作用對(duì)圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響(圖9)。

(a) 松動(dòng)區(qū)位于拱腳附近

(b) 松動(dòng)區(qū)位于拱腰附近

(c) 松動(dòng)區(qū)位于拱頂附近

5.2 坍塌作用模擬及影響分析

圖10是隧道開挖穩(wěn)定后圍巖的主應(yīng)力矢量。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)線內(nèi)圍巖的主應(yīng)力比虛線與實(shí)線間圍巖的主應(yīng)力要小，這一區(qū)域通常被認(rèn)為是由于隧道開挖引起的松動(dòng)區(qū)，該區(qū)域的圍巖不能抵抗自重而作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上；虛線與實(shí)線間圍巖主應(yīng)力方向繞著隧道軸發(fā)生旋轉(zhuǎn)，并且主應(yīng)力明顯比周圍圍巖要高，而這一區(qū)域通常被認(rèn)為是壓力拱所在位置，它不僅能夠承受自身重量，而且還能夠有效約束虛線以外的圍巖，減小圍巖對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的荷載作用。圖10(b)～圖10(d)為圍巖受塌方影響出現(xiàn)松動(dòng)區(qū)后圍巖經(jīng)過應(yīng)力重分布后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的主應(yīng)力矢量圖，與圖10(a)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，虛線范圍與實(shí)線范圍擴(kuò)大了，這表明圍巖中的壓力拱位置發(fā)生了移動(dòng)，在壓力拱移動(dòng)的過程中，壓力拱對(duì)圍巖的約束作用會(huì)降低，導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)上承受的荷載增加；同時(shí)，拱頂?shù)乃蓜?dòng)區(qū)范圍也擴(kuò)大了，作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的松動(dòng)壓力也將增加，支護(hù)結(jié)構(gòu)上荷載的增加將導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形也進(jìn)一步增加。如圖11所示，當(dāng)荷載增大到一定量后，支護(hù)結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生破壞。

(a) 松動(dòng)區(qū)發(fā)生前

(b) 松動(dòng)區(qū)位于拱腳附近

(c) 松動(dòng)區(qū)位于拱腰附近

(d) 松動(dòng)區(qū)位于拱頂附近

(a) 松動(dòng)區(qū)位于拱腳附近

(b) 松動(dòng)區(qū)位于拱腰附近

(c) 松動(dòng)區(qū)位于拱頂附近

在模擬塌方引起的松動(dòng)區(qū)對(duì)圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響時(shí)，松動(dòng)區(qū)的單元體積基本是一致的，因此松動(dòng)巖體質(zhì)量也應(yīng)該是一致，根據(jù)前文分析可知松動(dòng)區(qū)越靠近拱頂，松動(dòng)荷載也越大，但對(duì)比分析支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形云圖可發(fā)現(xiàn)，支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的變形量卻存在明顯的差異，松動(dòng)區(qū)位于拱腳附近時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大變形量為9.22cm；而當(dāng)松動(dòng)區(qū)位于拱腰附近時(shí)，最大變形卻只有6.52cm，位于拱頂時(shí)，只剩下3.53cm，因此可知，塌方誘發(fā)的松動(dòng)區(qū)對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響與松動(dòng)區(qū)的位置有密切關(guān)系。

圖12為圍巖地應(yīng)力重新分布后產(chǎn)生的位移矢量圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)塌方導(dǎo)致拱腳附近圍巖產(chǎn)生松動(dòng)區(qū)后，隧道拱頂上方較大范圍內(nèi)的巖體產(chǎn)生了豎向移動(dòng)見圖12(a)。因此在圍巖穩(wěn)定后支護(hù)結(jié)構(gòu)承受了較大的變形壓力，引起的變形也較大；當(dāng)松動(dòng)區(qū)在拱腰附近出現(xiàn)時(shí)，盡管隧道上方圍巖產(chǎn)生移動(dòng)的范圍也較大，但是由于圍巖的移動(dòng)方向與隧道拱頂切線斜交，減弱了對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用，因此支護(hù)結(jié)構(gòu)承擔(dān)的形變壓力要比松動(dòng)區(qū)出現(xiàn)在拱腳時(shí)的要小，支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的變形也自然較?。划?dāng)松動(dòng)區(qū)位于拱頂附近時(shí)，圍巖在應(yīng)力重分布過程中形成的位移與前兩者存在明顯的不同：在拱頂上方實(shí)線以上部分，圍巖產(chǎn)生豎向移動(dòng)，而虛線內(nèi)的圍巖卻是產(chǎn)生水平向的移動(dòng)，因此，盡管當(dāng)松動(dòng)區(qū)出現(xiàn)在拱頂時(shí)，發(fā)生移動(dòng)的巖體范圍較大，但只有小部分圍巖的移動(dòng)能夠?qū)χёo(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生作用，因此支護(hù)結(jié)構(gòu)上承受的變形壓力很小，支護(hù)結(jié)構(gòu)由此產(chǎn)生的變形值也很小。

(a) 松動(dòng)區(qū)位于拱腳附近

(c) 松動(dòng)區(qū)位于拱頂附近

6 結(jié)論

本文結(jié)合隧道施工過程中出現(xiàn)的問題及隧道施工過程中揭示的地質(zhì)情況，分析了隧道大變形產(chǎn)生的原因，并根據(jù)大變形段各斷面的變形特征分析了導(dǎo)致各斷面變形的具體原因，得到了以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1) 隧道產(chǎn)生大變形的總體原因是由于塌方引起的圍巖松動(dòng)圈擴(kuò)大，從而導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)承受較大的松動(dòng)壓力與形變壓力，鋼拱架壓潰，混凝土開裂。

(2) 在施工過程中應(yīng)該注重對(duì)塌腔的處理，處理后要重點(diǎn)檢查塌腔是否填充密實(shí)；對(duì)于破碎圍巖而言，坍塌的影響范圍通常較大，應(yīng)該對(duì)坍塌影響范圍進(jìn)行調(diào)查，并進(jìn)行處理。

(3) 從現(xiàn)場實(shí)際處置效果可知，當(dāng)坍塌出現(xiàn)后僅僅通過注漿來加固圍巖無法達(dá)到穩(wěn)定圍巖的目的，還應(yīng)增加其他的措施。

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