塌方治理

塌方治理（共4篇）

塌方治理 篇1

济南至莱芜高速公路地处泰山和沂蒙山区, 由我公司负责施工监理的隧道工程是:有兰峪隧道、伙路隧道、蟠龙隧道、大龙堂隧道以及三泉峪隧道等五座, 它们均设计成单向三车道左右幅双洞型式。按照施工设计图提供的隧道内轮廓净面积达到106.6m2, 大于国际隧道协会对超大断面划分建议值100m2, 因此形成五座超大断面的公路隧道群体, 其单洞累计长度达10余公里, 这类隧道在施工程序中, 最主要的安全隐患来自开挖围岩时期的塌方。

加强对塌方的认识, 采取针对性的措施, 可以避免或防止塌方产生, 掌握塌方发生的规律性, 对不可避免的局部性小范围塌方进行预判和防范, 以及对塌方产生后, 如能正确及时地处理, 可以避免工程安全、质量的隐患或导致更大范围的塌方。

1 隧道围岩塌方的定义

隧道工程项目在施工工序中, 尤其是进行开挖围岩这道程序时, 如遇到顶部围岩下塌, 侧壁坍塌滑动等现象的发生, 甚至发生冒顶严重事故场面, 定义为塌方, 但有大小之区别。

围岩的下塌体数量较大者, 能堵塞坑道, 发生这类情况称为“大塌方”。如果数量较小者, 没有堵塞坑道现象发生或者再一次塌方的时间间隔较长者, 隧道外的人员尚能进入坑道, 称为“小塌方”。然而大小之分无严格界限。

无论是大塌方还是小塌方, 均危及隧道施工人员的生命安全, 轻者伤人, 重者将发生身亡事故, 并将破坏施工设备、机械, 延误进度, 影响工程质量。

2 塌方的成因

从客观上分析围岩塌方的成因是隧道地处不良的地质条件中而造成的。例如:隧道穿越断裂褶皱带或严重风化破碎带, 堆积层以及含水量丰富地区等, 这类是易造成塌方的地域。而主观上的成因是:设计、施工等方面的人为因素。

2.1 设计欠缺

设计单位在地质勘测时的不到位, 对围岩等级判断失准, 支护类型选取不当, 例如将五级围岩定为三级或四级进行支护, 造成设计方面的安全隐患。

2.2 施工方案欠妥

在破碎软弱围岩中进行隧道开挖程序时, 开挖的断面过大;光面预裂爆破控制程度较差, 导致严重地损坏围岩;开挖围岩后, 围岩的自稳时间较短, 又没有及时进行支护, 围岩变形失稳。以上几种施工方案均能造成围岩的塌方。

2.3 施工管理上的不当

施工承包商投入不足, 机具设备相对落后, 操作人员技术水平较低、经验少;没有进行地质超前预报, 判断前方围岩的变化;没有通过隧道施工监控量测, 对围岩进行准确地判断, 进行并提请设计变更, 尽早采取决策, 预防和避免塌方发生。

3 塌方的前兆、预判和预防

隧道围岩开挖工程中, 发生塌方带有一定的突发性或偶然性, 应该引起承包商的高度重视。然而在项目工程具体的实践和操作过程之中, 对塌方的预报和预判是具有许多施工实践经验和工程技术手段可循的。

经验告诉我们, 塌方发生之前, 顶部围岩裂缝处将出现岩粉, 或者洞内无故地尘土飞扬, 或不断有石块掉落, 或围岩裂缝逐渐加大, 或喷射混凝土突然开裂, 或原有裂缝开始增大, 这些预兆说明塌方可能即将发生。

另外, 如临时支撑或支护压坏或变形增加, 说明围岩压力提高, 有塌方的可能;如果围岩中突然出现水流或水流变急, 应引起高度重视;原有的流水由浊变清, 水流加大, 说明裂缝填充物已被水冲洗和人员, 合理地安排工序, 严把施工质量关, 就可以减少由施工因素而导致的塌方。

要重视地质超前预报工作, 在目前情况下, 应该采用TSP-203地质超前预报系统, 要求测试单位在超前预报测试报告中, 明确的填写围岩等级的结论, 以便校对施工图设计中的围岩等级。如有差异, 应作为变更设计的一种科学依据, 也是避免发生塌方的现代主要科学化手段之一, 可以及时地发现可能会发生塌方的地域桩号等, 尽早地采取措施进行预防处理。

4 围岩塌方的处理

由于塌方地域带有一定的偶然性、突发性, 发生塌方后, 首先是迅速营救人员, 并应加固没有发生塌方的地段, 避免塌方范围的扩展, 尽快地查明原因, 分析塌方的性质和间隙规律等情况。制定处理塌方的具体方案, 其原则是“小塌清、大塌穿、治塌先治水”。

4.1 治塌先治水

这是一条处理塌方的宝贵经验, 因为水的流动会加剧塌方的发展, 所以先要加强排水措施, 包括对地下水引离塌方段的处理。

4.2 大塌方处理

采用大塌方体穿过去的方法即称“大塌穿”, 穿越塌方体用“先护后挖”的施工程序, 可采用插板法进行施工。插板视塌方体的软硬可选用木板、钢纤、钢轨等材料, 在插板掩护之下, 清渣并及时架立牢固的支撑, 扩展时, 需在横向打入插板, 随扩随支。

穿越塌体应先上而下, 即先拱顶、上断面, 然后向下施展, 采用上下导坑法施工。如仅在上部塌方, 需加固下导坑支撑, 并在上部做好防止塌方扩大的支撑, 然后再由上导坑进行清渣穿越工序。

4.3 小塌方处理

遇到小塌方, 在塌方间隙抓紧处理, 一般应“先支后清”, 即先支护塌穴和塌方口, 此时临时支撑可以架在塌方体上, 边清边换立柱, 各工序要紧跟。如果塌穴离地面较高, 应采用多层排架进行支护, 顶层排架与塌穴缝要顶紧;有条件时, 应用喷射混凝土作为临时支架来处理塌方地段的围岩。

5 结束语

超大断面公路隧道施工时, 围岩的塌方是个系统工程, 需要设计、施工、监理、业主等各方共同努力, 才能彻底来解决隐患, 随着工程地质勘察手段的不断现代化、科学化, 首先应从设计围岩等级符合实际开挖出来围岩等级入手, 其次是精心施工和严格监理, 就能有效地预防或避免隧道施工过程中因自然和人为因素造成的塌方现象, 实现零塌方的目标, 并确保隧道施工的安全和质量, 为工程施工和运营制造良好的社会和经济效益。S

客运专线隧道塌方综合治理技术 篇2

某客运专线马鞍山隧道为双线中长隧道,全长2 065 m,起讫里程分别为DK68+081～DK70+146,隧道位于R=6 994.92 m的平曲线上,纵坡为5.3‰,隧道洞身穿越以花岗岩变质岩为主的剥蚀低丘陵地貌区,其中进口Ⅴ级围岩244 m,进口段约80 m覆盖层在5 m～20 m之间,地表相对平缓,坡度约为1∶10,从DK68+160开始,山体地表坡度突然陡峭,横断面坡度约为1∶1.5,拱肩山体覆盖厚度在18 m～20 m之间,且正好沿山脊边前行,存在较大的偏压。

隧道严格遵循“短进尺、弱爆破、强支护、早封闭、勤量测、紧衬砌”的施工原则,采用三台阶临时仰拱法开挖,衬砌紧跟,上台阶掘进至DK68+193,下台阶和仰拱封闭至DK68+173,中台阶支护至DK68+176,衬砌至DK68+153,从监控量测的数据发现围岩自开挖后一直保持变形,并且最近2 d内变形量在逐渐加大,为保证施工安全,立即停止掌子面掘进,加强支护,加密钢支撑,在准备喷浆时,发现异常掉块,并伴有声响,为此,立即撤退人员,几分钟后,塌方发生,洞内DK68+164拱顶初支被压跨,前方情况不明,塌方体坡脚在DK68+153,地表坑穴在DK68+160～DK68+175,顶面横向宽度21 m,纵向18 m,深度约5 m,坑穴底部横向16 m,纵向11 m,塌穴位于线路左侧,塌穴上方山坡出现了多条裂缝,最大缝宽达20 cm。

2 原因分析

1)连续几次台风,雨量大而持续时间长,洞顶围岩吸收了大量雨水,土体内摩擦力变小,围岩对初期支护的压力变大。

2)洞顶DK68+090～DK68+160段地表纵坡约1∶10,DK68+160～DK68+300段地表纵坡约1∶2,山体在DK68+160处有一个陡坎,从横断面看,地表坡率约1∶1.5,拱肩山体覆盖厚度在18 m～20 m之间,洞身沿山脊靠右侧前行,存在较大的偏压。

3 现场应急措施

在接到工点坍塌事故报告后,立即对地表塌穴进行覆盖彩条布,挖周边截水沟等防排水措施,并封闭洞内和上山道路,组织地表塌穴测量和地表裂缝观测和夯实处理工作。

4 塌方处理施工方案

4.1 洞外处理施工方案

1)塌穴坑壁处理。适当对塌穴坑壁刷土卸载,特别是塌穴正方坡面,以边坡不易垮塌,尽可能以保护植被为原则,刷下来的土方就地进行平整坑穴,而后对坑壁进行锚喷支护,锚杆长度3.5 m,间距1.2 m,呈梅花形布置,ϕ8钢筋网片20 cm×20 cm,喷C20混凝土厚度10 cm。

2)塌穴坑底处理。坑底人工整平,形成上高下低的坡面,并对表面人工打夯,而后铺设防水板,防水板搭接要注意方向性,根据坡度,上高下低,同时将防水板边角伸入坑壁原状土内夯实,防止雨水从坑壁滑动面渗入洞内,防水板上铺设一层厚20 cm的砂浆防护层。

3)塌穴四周截水沟。根据地表坡面情况,对地表水会流入塌穴的坑壁外5 m处挖一个简易截水沟,截水沟宽度40 cm,深度40 cm,水沟用喷射混凝土封闭,防止雨水从截水沟渗入下方土体。

4)山体裂缝。裂缝处挖掉50 cm后,人工灌水泥浆液,而后再把裂缝土方夯实形成一道约30 cm宽,30 cm高的土梗,土梗用水泥浆液浇筑一遍,以利于裂缝变形目测变化。

5)地表注浆加固坍塌体。为增大松散体的内摩擦力,有效加固坍塌体,地表施作ϕ108竖向注浆管,管底标高控制在拱顶正上方2 m,四周注浆管管底标高根据腔壁推算坡度,进入原状土1 m即可,注浆管间距按1.5 m控制,注浆孔采用地质钻成孔,而后埋设ϕ108钢管,管壁设注浆眼。

4.2 洞内初期支护的处理施工方案

目前DK86+158～DK86+164段初期支护受力较大,而且还有开裂,为此先对该段初期支护打设径向小导管压力注浆,小导管L=3.5 m@1.2 m,加固洞身环向土体。加固时间是在洞内松散体反压和加固后再进行。

4.3 洞内坍塌体处理施工方案

1)坍塌松散体注浆固结。考虑到此次坍塌体数量较多,拱顶压力大,洞内外也形成了较大的侧压力,而且洞内坍塌物均为松散粉质粘土,可压缩性大,同时考虑到后面采取的双侧壁工艺,需要对洞内松散体注浆固结,增强松散体的整体性,对松散体加固采用小导管注浆,水平向每1 m一层,立面上@1 m,长度L=5 m。注浆管搭设前,用弃土和土袋分别填筑出两个简易操作平台。

2)坡面喷混凝土封闭。人工整形平台后,注浆之前对坡面进行喷射C20混凝土5 cm封闭,共计180 m2约9 m3。

3)反压回填。注浆完毕后,为减小洞内的侧压力且目前洞内坍塌体坡度较陡,考虑到施工方便,洞内坡面设置两个操作平台,下平台高度4 m,加宽厚度5 m,用土填筑,上平台高度4 m,加宽厚度2 m,用土袋填筑,共计反压回填土方280 m3,土袋112 m3。

4)坍塌体拱部采用双层超前小导管注浆加固。a.在洞内塌穴边(DK68+164)后退4榀(DK68+161.6)处开始打设双排ϕ42×3.5双排小导管。b.为有效固结拱部松散体,确保拱部3 m范围形成一个拱壳,需要增设辅助注浆小导管,即拱部140°范围斜向上方外插脚60° 打设注浆小导管,间距@100 cm,长度L=5 m。c.为确保压浆质量,超前小导管打设完毕后,沿孔口喷射一层C25混凝土,厚度30 cm,每根小导管焊接安装注浆阀门,以确保孔口不漏气,形成压力注浆。d.加强坍塌体段初期支护拱架:考虑到坍塌段拱部压力较大,该段拱架间距调整为30 cm。e.小导管管口设加强圈,头部75 cm范围不设注浆眼,其余地段均设注浆眼,注浆眼呈梅花形布置,眼间距15 cm,眼直径6 mm。浆液均采用单液浆,水灰比按1∶0.6控制。f.开挖支护工艺:采用双侧壁导坑法开挖,临时支护和永久支护采用Ⅰ20钢架(间距中心至中心30 cm)和锚喷,喷混凝土厚度和强度须符合设计要求,为保证侧壁导坑掌子面的稳定,在掌子面进行水平小导管注浆加固土体,两侧侧壁导坑分上下台阶,台阶处设临时水平钢支撑(Ⅰ18工字钢),右侧超前左侧先行5 m施工,拱部开挖支护在双侧壁导坑通过坍塌体后施作,开挖时,对掌子面打设水平注浆小导管,稳定掌子面,同时留设核心土。

5 监控量测方案

1)洞内量测。由于采取双侧壁导坑法开挖,采用免棱镜法观测点位变化情况,主要观测拱顶下沉和边墙位移情况。

2)洞外量测。分别在DK68+150,DK68+160,DK68+170,DK68+180,DK68+190,DK68+200横断面设置量测点,观测地表下沉和水平位移情况。

6 结语

1)此方案的核心是拱部松散体的固结加固,小导管注浆决定了此方案的成败,为此,需要从小导管孔口密封等细节上对注浆量和注浆压力进行控制,确保注浆效果。2)提高钢架安装精度,确保钢架在一条轴线上。由于采用双侧壁导坑法开挖支护,钢架先边墙后拱部,为此,钢架安装过程中需要用经纬仪进行垂直度控制,用全站仪控制平面位置,确保同一榀钢架在同一条轴线上。3)切实及时进行监控量测工作,并做好监测记录。

参考文献

[1]阙庆招.船岭岽Ⅰ号隧道右线塌方处理及预防措施[J].山西建筑,2006,32(9):149-150.

塌方治理 篇3

重庆至长沙高速公路斑竹林隧道, 隧址属构造剥蚀浅切割低山区地貌 (由一系列脊状山、坪状山组成) , 山顶海拔最高处为935 m, 河谷海拔约555 m, 地形最大切割深度约380 m, 最大切割部位在进洞口段。左幅隧道进口段山坡坡向约206°, 自然坡度约35°;出口段山坡坡向约354°, 自然坡度约55°。右幅隧道进口段山坡坡向约141°, 自然坡度约45°;出口段山坡坡向约18°, 自然坡度约46°。按工程地质分区, 隧址位于断裂带破碎岩石亚区和平缓褶皱半坚硬岩石亚区。隧址山体位于泥质、砂质碎屑岩分布区, 组成山体的岩层为志留系中统罗惹坪群第二段 (S2lr2) , 岩层以页岩、砂质页岩、粉砂岩为主, 局部互层状发育, 较软岩居多, 其中粉砂岩、石英砂岩为硬岩 (单层厚度一般小于1.0 m) 。斑竹林隧道左线掌子面ZK35+191.8围岩属软质页岩, 岩石呈水平层状, 层间结合差, 含泥化夹层, 岩体软弱破碎, 裂隙发育, 有股状水流出, 路线前进方向从左向右有一竖向断层, 与路线夹角约15°, 围岩稳定性差, 埋深约130 m。

二、塌方形成过程及原因

1. 塌方形成过程。

斑竹林隧道左线ZK35+193.8~ZK35+191.8段, 原设计采用s4b复合式衬砌类型施工, 因地质因素 (围岩破碎) 影响变更为s4a复合衬砌类型, 并增加超前锚杆;当掌子面开挖到ZK35+191.8时, 拱部出现坍塌、掉块, 路线前进方向左侧拱部坍塌较大, 高2 m, 有股状水从坍腔流出, 不时有石块从拱顶坠落, 为保证施工安全, 施工单位立即停止施工;停工2 d后掌子面ZK35+191.8拱顶再次出次大面积坍塌, 坍体将掌子面封闭, 坍方量为300~400 m3, 坍塌体主要由切割整齐大小不等的块石组成, 估计坍方纵向长5 m, 高7~8 m。斑竹林隧道软弱围岩段坍塌情况如图1所示。

2. 塌方形成原因。

隧道周边围岩属软质页岩, 地质构造影响严重, 节理发育, 岩石被切割严重, 形成了主要由块石堆积而成的围岩, 块石间少有填充物, 黏结力小, 在未扰动的情况下处于平衡状态, 开挖后形成新的临空面, 应力重新分布, 一旦有一颗块石失稳就有可能形成多米诺效应, 进而产生大规模坍塌。隧道周边围岩均为块石堆积, 围岩的自稳能力差 (拱效应无法形成) , 隧道埋深在130 m的情况下无法承受其施加的巨大压力。地下水丰富, 通过裂隙进入岩体, 在地下水的软化、浸泡、冲蚀、溶解下加剧了岩体失稳, 加速了层间移动。

三、塌方处理方案

对坍塌体围岩注浆, 以改善围岩的物理力学性能, 形成较为紧密的承压拱, 进而提高围岩的自稳能力。由于前方掌子面坍塌, 导致已施作好的格栅拱架下沉、变形, 应对相邻初期支护段进行紧急加固处理, 以防止塌方的进一步扩大。

1. 塌方影响段加固。加固措施如下。

(1) 设置临时钢支撑护拱。ZK35+191.8~ZK35+201.8段设置临时18工字钢拱架, 纵向间距1 m, 工字钢拱架间用Φ22 mm纵向连接筋相连, 环向间距2 m。工字钢拱架的径向固定采用Φ22mm径向药卷锚杆 (长3.0 m) , 纵、环向间距1 m×3 m, 梅花型布置, 尾部焊在工字钢拱架上。每榀工字钢拱架拱脚设Φ22 mm锁脚锚杆 (长3.5 m) 4根。

(2) 径向小导管注浆加固。ZK35+191.8~ZK35+201.8段拱部120° (圆心) 范围内采取径向小导管注水泥-水玻璃双液浆加固, 小导管 (外径42 mm、壁厚3.5 mm) 为热轧无缝钢管, 长3.5 m, 纵、环向间距1.0 m×1.2 m, 梅花形布置。小导管前端呈椎状, 尾部焊上Φ6mm加筋箍, 管壁四周钻8 mm压浆孔, 但尾部1 m段不设压浆孔。

2. 塌方段处理。处理措施如下。

(1) 因该坍塌体松散无法成孔, 故采用T60自进式锚杆先期注浆, 同时为Φ42 mm小导管成孔创造条件, 以便对坍塌体第二次补浆, 进一步加强对坍塌体的加固。围岩段塌方处理措施如图2所示。

(2) T60自进式锚杆长12 m (地质超前探孔塌方区纵向长度10 m) , 环向间距40 cm, 外倾角5°~10°, Ф42 mm小导管穿与T60自进式锚杆交叉布设, 长4.5 m, 外倾角10°~15°。

(3) ZK35+179.8~ZK35+171.8段采用Φ42 mm小导管作为超前支护, 长3.5 m, 环向间距0.4 m, 纵向间距2.0 m, 每环35根。

(4) 坍塌体开挖采用三台阶法施工, ZK35+191.8~ZK35+171.8段按s5e复合衬砌类型施工。

3. 双液注浆技术参数。

水泥浆水灰比为1∶1, 水泥浆水玻璃体积比为1∶0.5;水玻璃浓度为35波美度, 模数为2.4;小导管注浆压力为0.5~1.0 MPa;管棚及R51自钻式锚杆注浆压力为:初压0.5~1.0 MPa, 终压2.0 MPa;注浆参数应通过现场试验按实际情况确定, 注浆量根据实际情况作相应调整。

四、施工注意事项

1. 临时钢支撑支护18工字钢拱架与喷射砼之间的空隙用木楔塞紧, 加大临时支护的受力点。

2. 自进式锚杆施工前要按照方案要求准确定位, 钻进时要掌握好施工角度, 角度偏差过大会严重影响注浆质量。

3. 该变更设计中固结坍塌体最为关键, 应采用反复、多次注浆的办法保证注浆质量, 并根据实际情况调整注浆参数。

4. 开挖必须是在水泥-水玻璃浆液凝固并达到强度后进行。

5. 及时施作仰拱及二次衬砌。

五、监控量测及信息化管理

1. 加强软弱围岩段监测工作。

由于地下工程的复杂性和特殊性, 在隧道施工过程中一般需要根据隧洞内外地质调查、洞内观察、现场监控量测及岩土物理力学试验等施工反馈信息, 进一步分析围岩的物理力学参数, 进而确定和修改隧道施工方法和支护方式。斑竹林隧道支护结构应用新奥法原理, 采用复合衬砌, 施工过程中必须进行现场监控量测, 以便及时掌握围岩在开挖过程中的动态和支护结构的稳定状态, 提供有关隧道施工的信息资料, 通过对量测数据的分析和判断, 对围岩-支护体系的稳定状态进行监控和预测, 并据此制定相应的施工措施, 以确保洞室周边岩体的稳定以及支护结构的安全。

2. 软弱围岩段施工信息化管理。

地下工程施工是动态的, 可变因素多, 施工过程中围岩的物理力学性能是不断变化的, 施工方法和技术应根据实际情况确定。隧道施工决策要在施工阶段的地质技术、量测技术、施工质量控制技术的基础上进行, 施工中应根据监控量测数据和实际施工情况, 对围岩的力学状态、现有支护参数进行比较分析, 及时调整结构设计参数。

六、结论

1.隧道软弱段围岩破碎带物理力学性能稳定性差, 尤其是浅埋、偏压、高低应力、地下水丰富的软弱围岩段, 围岩掉块、变形问题突出, 塌方常有发生。

塌方治理 篇4

关键词：公路隧道,高寒隧道,数值模拟,处治措施

0前言

在隧道的建设中, 塌方是最常发生的事故之一, 塌方容易造成人员伤亡、延误工期、工程费用的增加以及施工单位信誉的降低等, 造成了巨大的经济损失以及社会影响[1,2]。因此, 对隧道塌方发生的原因以及塌方发生后的处治措施的研究是十分有意义的。

1 工程概况

该隧道所在区域属于高原高寒地区, 为三江源东部地区。线路翻越众多中高山及河流谷地地貌区, 一般海拔高程在4 000~4 800 m[3]。该隧道为单洞双向行驶隧道, 隧道长3 110 m, 另有防雪棚洞长60 m, 隧道总长3 170 m, 其中Ⅳ级围岩1 390 m, Ⅴ级围岩1 720 m, 2014年6月15日上午8时20分, 在完成台阶开挖出渣后准备立拱时, K26+659-K26+657下台阶左侧开始出现溜土现象且左侧中台阶K26+665初期支护出现开裂, 喷射混凝土掉块现象。8时55分左右K26+665-K26+659段左侧初支明显挤出, 9时5分左右K26+665-K26+657左侧初期支护全部垮塌, 并拉动拱部及右侧拱架垮塌, 垮塌后在左侧拱部边墙位置出现较大塌腔, 拱部初支垮塌, 拱部围岩又发生几次较大垮塌, 导致K26+657-K26+654拱部初期支护全部垮塌, 测算塌方体积约500 m3。

2 塌方处理方案和技术措施

总体塌方处理分四步进行, 第一步反压回填、塌腔回填及加固后方未破坏初支;第二步塌方段处理;第三步塌方段前方已破坏初支处理;第四步衬砌加强。

考虑到塌腔可能仍未稳定, 且坍塌段落较长, 塌方段后方未破坏的初支背部围岩情况不明, 为确保施工安全, 确定首先对塌腔进行回填, 坍塌段回填以尽可能将坍塌段封闭为宜, 后方未变形段回填高度以上台阶高度为准, 长度5 m, 后方适当放坡方便人员、机械操作;回填完成后从塌腔后5 m多里程开始对未破坏的初支进行加固处理;后方加固处理完成后, 对反压回填塌腔的上台阶反压渣体进行喷射混凝土封闭。加固前 (后) 材料支护参数见表1。

3 塌方处理方案计算分析

3.1 数值模型

选取该隧道右线典型塌方断面k26+656为研究对象, 在塌方发生时该断面距离掌子面距离约为28 m, 远大于2倍洞径的距离, 可认为其已不再受掌子面空间效应的影响了, 故将其简化成平面弹塑性问题, 对其进行二维平面数值模拟分析。用有限元软件对该断面进行数值计算, 分析塌方前围岩的应力、位移特征及支护结构的受力情况[4]。

3.2 边界条件及计算参数

根据该隧道工程地质勘察报告及隧道的断面设计尺寸, 再依据加固的措施及加固后监测到的数据建立二维数值分析模型:模型上部到地表按实际地形尺寸取值, 隧道拱顶埋深为107.32 m, 模型左右侧和下方边界都取距隧道边界约3倍洞径;模型左右边界设为X方向位移约束, 前后边界设为Y方向位移约束, 上边界自由。材料物理力学参数见表2。

3.3 模型计算及结果分析

该计算根据工程的实际开挖进行, 从而同时也可以模拟该隧道分步开挖以及分布支护的动态施工过程, 本隧道在塌方之前采用的是三台阶法施工, 开挖及支护顺序如下:一台阶开挖, 一台阶支护, 二台阶开挖, 二台阶支护, 三台阶开挖, 三台阶支护。由于此时模拟是加固以后的, 所以在模拟的时候所有的材料属性都是加固以后的。

对围岩进行应力场分析, 隧道开挖了以后, 初始应力发生了变化, 出现了应力重分布, 而且在加固支护完成之后达到了新的应力状态, 因此, 了解开挖过程中应力的变化规律对于选择合理的开挖方式、支护手段、支护强度参数等具有较大的意义, 同时, 还可以准确地判断出围岩的稳定性状态, 为设计、施工提供参考, 隧道开挖加固之后得到的应力状态如图2~3所示。

由应力云图可以看出, 隧道开挖之后在拱脚等地方虽然也出现了一定的应力松弛以及应力集中现象, 但是没有特别突出的应力集中现象, 此时的应力集中现象影响是可以忽略不计的。在开挖轮廓线的一倍洞径之外, 应力松弛以及应力集中现象越来越弱, 直至影响可以忽略不计。

由图4~6喷射混凝土内力可看出其受力特征:弯矩和剪力的最大值都发生在拱铰处;其中轴力是呈椭圆形分布的, 最大值发生在边墙上;弯矩和轴力图是对称的, 而剪力图是反对称的, 出现这种情况的原因是由于计算模型是对称的, 荷载是对称的, 施工方法也是对称的。拱铰处的应力集中明显好转, 衬砌更加可靠。加固前 (后) 内力圈计算结果见表3。

从《隧道设计规范》可以查出C25混凝土的抗压设计强度为15.5, 从喷射混凝土应力情况看, 压应力未超过C25混凝土的抗压设计强度, 其厚度是满足要求的。

由图6锚杆轴力可以看出, 锚杆的近端轴力大、远端轴力小, 而且拱顶的轴力比两侧的要大, 而且锚杆的轴力相对于隧道结构来说是对称的。钢材的抗拉设计值为235MPa, 满足了设计要求。锚杆的拉应力在加固前的基础上下降了200多MPa, 大大地降低了。说明加固是合理的。从围岩应力图可看出, 自重条件下呈水平分布, 施工中呈左右对称分布, 且拱顶位移呈漏斗状分布, 两侧趋于平行, 说明计算边界是满足的。可以得出围岩的稳定性大大提高了, 大大地降低了塌方的可能性。说明加固措施是合理的。

洞周收敛位移。由图7可看出, 洞周收敛位移比较小, 最大拱顶下沉仅为1.99 mm, 说明围岩所在施工中, 采用本次设计的初期支护措施后是稳定的。沉降量也是大大地降低了, 隧道更加稳定, 说明加固方案是合理的。

4 结论与建议

通过对此次塌方原因以及塌方后的处治效果进行优化分析, 得出主要以下几点认识。

1) 在高寒软岩隧道施工中, 围岩的自承能力比较差, 地下水渗透、支护不及时以及支护的强度、刚度不足、封闭成环不及时, 都可能诱发隧道塌方和大变形。因此, 超前注浆加固围岩, 始终坚持“稳坍体、管超前、小进尺、多循环、强支护、少扰动、快封闭、勤量测、速反馈”的原则, 加强初期支护、快速封闭成环, 并且要及时施作二次衬砌, 此工作具有极为重要的作用, 同时, 应该高度重视超前小导管注浆加固前方围岩的重要手段。

2) 在该隧道深埋塌方段, 通过采取调整支护参数和洞内注浆加固的方法进行处理, 经检验是切实可行的, 计算和实际施工表明, 隧道塌方段开挖时, 拱顶下沉及周边位移均保证在规范要求以内。[ID:003506]

参考文献

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