隧道塌方冒頂結構計算與特殊設計

林禮華

（福建省交通規劃設計院有限公司，福州 350004）

0 引言

1999 年建成通車的原后祠隧道位于龍巖市適中鎮上鄭村與后祠村之間，屬雙洞兩車道分離式隧道，新建后祠隧道為在原址上的改擴建工程。 隧道采用的改擴建方案受路線控制，上行線（漳州往龍巖方向）為原后祠隧道右洞兩車道擴建為四車道，下行線（龍巖往漳州方向）為左洞利用，并在其外側新建三車道隧道，如圖1 所示：

新建后祠隧道凈空14.0×5.0m （寬×高）， 最大跨度17.0m； 起訖樁號為ZK130+473～ZK132+015， 長1542m。2014 年12 月5 日，新建后祠隧道在施工時發生坍塌，坍塌樁號為ZK131+876.2（二襯施作至樁號ZK131+881.5），距出口洞門約140m，距掌子面約150m，塌體延伸至地表形成冒頂。

圖1 后祠隧道混合關系圖

1 工程背景

1.1 地質概況

隧道區屬構造-剝蝕低山地貌，地形起伏較大，山坡較陡。 左洞出口端自然山坡坡度20～30°，圍巖以坡殘積土-強風化花崗巖為主。坡體主要為坡殘積土，強風化巖，且厚度較大，橫向坡度較陡，存在偏壓，水量較貧乏。塌方段地質縱斷面見圖2。

圖2 新建后祠隧道左洞出口段地質縱斷面圖

1.2 塌方情況

本次塌方段圍巖為Ⅴ級， 隧道埋深41m， 屬深埋隧道。 塌方使拱頂地表形成一個17.8m×15.4m 的近似方形陷穴，坍塌中心位于隧中左側5m。塌方時，隧道已開挖至ZK131+711， 坍塌口樁號ZK131+876.2～ZK131+879.5，二襯已施作至樁號ZK131+882.435， 臺車位于ZK131+884.935（見圖3）。

圖3 隧道塌坑橫斷面

有關隧道塌方的研究主要集中在圍巖穩定性、 失穩預測以及塌方機理等方面，研究手段以數值模擬為主，對塌方后隧道襯砌結構的變更設計， 特別是深埋隧道塌方冒頂后結構受力與設計方面的研究較少， 大部分根據工程類比，結合地層-結構法做定性分析，或者應用全土柱理論，進行偏保守的設計[1]。本文應用結構-荷載法的基本原理，結合太沙基理論[2-3]，對大跨深埋隧道塌方冒頂后的圍巖壓力提出新的計算模式， 在采用規范公式計算得出的圍巖壓力的基礎上， 通過考慮坍塌冒頂對圍巖力學參數的降低及坍塌體對襯砌結構產生的附加荷載， 來綜合考慮隧道塌方冒頂后的圍巖壓力，計算結果更為科學，對類似工程也具有較好的借鑒意義。

2 事故原因分析及治理措施

2.1 事故原因分析

由于地下工程及地質復雜性， 隧道工程的設計與施工主要是工程類比法結合數值模擬進行定性分析和少量的定量分析， 決定了隧道的設計必須在施工過程中結合實際地質情況以及監控量測數據及時調整， 以實現動態設計。實際施工中，圍巖變化頻繁，超前地質預報精度低，監控量測不重視甚至編造數據， 致使淺埋隧道容易發生坍塌事故，冒頂也屢見不鮮，而對于深埋隧道或埋深較大的隧道，坍塌冒頂情況并不多見[4]。從工程技術角度分析，本次塌方冒頂的主要原因如下：

（1） 原設計為雙側壁導坑法施工， 實際為上下臺階法，且支護不到位，圍巖擾動較大，自穩能力降低；

（2）二襯至掌子面距離過大，達150m，初支承受圍巖壓力時間過長，且初支強度較低，未達到設計要求；

（3）違規進行換拱作業，進一步削弱土體自穩能力，加大了初支受力。隧道坍塌冒頂之前出現過小塌方，未引起足夠重視，且施工監控量測不到位，最終導致由局部塌方發展為坍塌冒頂。

除上述主要原因外， 以下原因也是本隧道塌方冒頂的影響因素：

（1）新建后祠隧道雖屬深埋地段，但埋深僅41m，且坍塌段屬偏壓地段，隧道開挖引起應力重分布，低處易產生側移。

（2）本隧道地下水總體比較貧乏，但受季節性降雨影響較大，圍巖經雨水的長時間浸潤會發生軟化，導致力學指標降低，產生滑動面，造成圍巖由局部失穩發展到整體失穩，最終導致坍塌冒頂。

綜合以上分析，并結合其它類似事故，可知深埋隧道發生塌方冒頂的原因大多與塌方所在位置地形起伏大、二襯未及時跟進、初支受力時間過長、遭遇強降雨使雨水長時間滲透等有關。此外，施工單位未按設計及相關施工規范施工， 對于三車道等大跨隧道采用上下臺階法甚至全斷面法開挖，對圍巖擾動較大，遇到圍巖突變，極易造成塌方事故，應引起足夠重視。

2.2 事故綜合治理措施

對于此類隧道事故治理，首先應保證施工期間人員安全，待安全通過坍塌段時，再對坍塌段前后影響范圍的襯砌結構做全面的檢測，結合檢測結果，進行變更方案設計?？偟脑瓌t概括為“一撐二固三換”，主要措施如下（見圖5）：

（1）塌坑四周設置臨時截水溝，防止地表水流入塌坑造成再次塌方。

（2）用沙包反壓回填塌方體坡腳，并在塌方體表面噴射早強砼、施作注漿小導管，將塌方體封閉、固結。

圖4 臨時支撐設計圖

（3）施作大管棚并輔以超前小導管注漿加固，大管棚根部應有效支撐在臨時鋼拱架上 （管棚至少打入基巖3m）；

（4）塌方段嚴格按照雙側壁導坑法施工，堅持短進尺、快支護、早成環，減少開挖對周邊圍巖的損傷，充分發揮其自承能力。 采用雙層初期支護，具體參數見表1（K-2）。

圖5 臨時支撐設計剖面圖

（5）待坍塌影響范圍內二襯達到強度后，對地表塌坑回填至原地面，并設不小于5%排水坡，施作膠泥防滲層并進行綠化。

3 施工方案數值模擬分析

由于塌方引起隧道周邊圍巖擾動， 受力模式已發生改變，為保證施工安全及后期運營要求，通過方案比選及數值計算，確定最終方案為：拆除已施工的仰拱，采用ZDK-2 結構形式。

根據設計文件，后祠隧道支護參數見表1。 基于截面換算原理，得出截面換算后的支護材料和圍巖參數，見表2、表3：

表1 支護設計參數表

表2 圍巖物理力學參數

表3 ZDK-2 支護結構力學參數表

基于荷載結構法原理，采用MIDAS GTS 有限元分析軟件進行數值分析，利用梁單元模擬襯砌結構，圍巖對襯砌結構的作用通過彈性連接（只受壓）單元實現。 圍巖壓力包括基本荷載（根據《公路隧道設計細則》（JTG/T D70-2010）8.2.2 ～8.2.4 深埋單洞隧道V 級圍巖壓力經驗公式計算）及塌方引起的附加荷載（按太沙基理論簡化計算）。隧道頂坍塌冒頂形成寬約9m 的塌方體視為散粒體，采用K. 太沙基法近似計算塌方體土柱對隧道產生的附加荷載，K 值取為1.25，不考慮散粒體粘聚力，圍巖內摩擦角為25°，塌方體高度為31m，簡化計算圖示如圖6，計算所得附加荷載與按《公路隧道設計細則》計算所得基本荷載疊加，得圍巖最終壓力（見圖7），有限元模型見圖8。

圖6 塌方體附加荷載簡化計算圖（單位m）

圖7 圍巖最終壓力圖（單位m）

圖8 有限元模型

采用綜合安全系數法，根據《混凝土結構設計規范》（GB50010-2010）對每個單元進行驗算。 驗算施工階段強度時， 安全系數采用表 《公路隧道設計規范》（JTG D70-2004）9.2.4-2，且應大于1.53；驗算二次襯砌時，應滿足安全系數大于2.0 的要求。 計算結果見表4，內力圖見圖9～圖16。

表4 襯砌結構安全系數計算結果

圖9 Z5（加強）初支軸力圖

圖10 Z5（加強）初支彎矩圖

圖11 Z5（加強）二襯軸力圖

圖12 Z5（加強）二襯彎矩圖

圖13 ZDK-2 初支軸力圖

圖14 ZDK-2 初支彎矩圖

圖15 ZDK-2 二襯軸力圖

圖16 ZDK-2 二襯彎矩圖

綜上所述， 方案采用拆除已施工的仰拱及采用ZDK-2 復合式襯砌結構，并按雙側壁法施工，滿足施工安全及后期運營要求。

4 結論

本文對新建后祠隧道左洞進口段塌方冒頂原因進行分析并提出事故處理措施， 采用太沙基理論并結合相關規范提出冒頂后隧道圍巖壓力計算模型， 指導襯砌變更設計，主要結論有：

(1)深埋隧道發生塌方冒頂的主要影響因素有：塌方所在位置地形起伏大、二襯未及時跟進、初支受力時間過長、遭遇強降雨、雨水長時間滲透等情況，施工時應引起足夠重視。

(2)對于此類隧道事故治理，總的原則為“一撐二固三換”，首先應保證施工期間人員安全，再對塌方體進行加固處理，待安全通過塌方影響段路后，再進行全面檢測，根據檢測結果指導襯砌變更設計。

(3)提出了塌方冒頂隧道圍巖壓力計算模型，可指導襯砌結構配筋設計，供相關工程人員參考。