鄭明新，伍明文，胡國(guó)平，郭杰森，黃 鋼，楊繼凱

(1.華東交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330013；2.江西省巖土工程基礎(chǔ)設(shè)施安全與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330013)

構(gòu)造破碎帶圍巖一般是質(zhì)軟、結(jié)構(gòu)松散且破碎的圍巖，其工程特征主要表現(xiàn)為巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育、巖石強(qiáng)度低、對(duì)工程擾動(dòng)反應(yīng)敏感與變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。在構(gòu)造破碎帶地層中進(jìn)行隧道開挖及支護(hù)一旦控制不當(dāng)，掌子面易發(fā)生失穩(wěn)，易產(chǎn)生支護(hù)開裂、侵限現(xiàn)象，甚至引發(fā)掌子面局部或大范圍坍塌[1]，所以急需提出合適的加固支護(hù)方案以保證施工順利進(jìn)行。

為尋求有效的隧道掌子面加固方案，相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了大量的研究并取得了一系列成果。馬國(guó)民等[2]對(duì)軟弱圍巖變形特征提出了鎖腳錨管+護(hù)拱+仰拱底部鋼管樁組合的掌子面后方位移控制支護(hù)加固方案，極大提升了隧道掌子面的穩(wěn)定性。李喆[3]提出管棚預(yù)支護(hù)對(duì)隧道掌子面穩(wěn)定性的分析，得出管棚預(yù)加固能有效提升掌子面穩(wěn)定性。孫連勇等[4]對(duì)地鐵隧道穿越富水砂層中存在的涌砂等不穩(wěn)定性問(wèn)題所采取的深孔注漿加固措施，對(duì)隧道變形控制作用極佳。余德強(qiáng)等[5]探討淺埋隧道下穿高壓鐵塔時(shí)對(duì)隧道進(jìn)行注漿的施工方法，該方法大大降低了施工土體的下沉、塌陷等工程風(fēng)險(xiǎn)。余永強(qiáng)等[6]對(duì)隧道施作超前小導(dǎo)管注漿進(jìn)行預(yù)加固，得出其對(duì)控制隧道圍巖變形有較好的效果。

以往對(duì)隧道掌子面研究分析主要集中在軟弱圍巖下隧道掌子面的穩(wěn)定性、支護(hù)加固分析等方面[7-11]，其研究?jī)?nèi)容范圍較大，不能準(zhǔn)確地分析在不同特性的軟弱巖層下隧道掌子面的穩(wěn)定性變化、圍巖變形情況以及支護(hù)加固后隧道掌子面在開挖過(guò)程的穩(wěn)定性變化。盡管有許多學(xué)者和工程師對(duì)于這類問(wèn)題相繼進(jìn)行探究，但對(duì)地處構(gòu)造破碎帶地層中的隧道掌子面穩(wěn)定性研究較少。地處破碎帶的隧道掌子面主要由于巖體破碎、風(fēng)化程度強(qiáng)、節(jié)理裂隙發(fā)育、富含地下水以及支護(hù)不當(dāng)而導(dǎo)致掌子面局部或大范圍坍塌，故本文針對(duì)地處構(gòu)造破碎帶的隧道掌子面的穩(wěn)定性及加固效果進(jìn)行分析，通過(guò)掌子面擠出變形、拱頂沉降變形、掌子面塑性應(yīng)變以及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)分析構(gòu)造破碎帶隧道掌子面的穩(wěn)定性及加固效果。

1 工程概況及隧道掌子面變形分析

1.1 工程概況

一隧道工程位于福建漳州，為上下行分離式雙向六車道，隧道左線起訖里程為ZK0+860—ZK3+237，長(zhǎng) 2 377 m；右線起訖里程為YK0+890—YK3+235，長(zhǎng) 2 345 m。最大埋深為165 m，隧道主洞凈高為10.27 m，凈寬為15.27 m。該區(qū)域地下水較豐富，對(duì)隧道影響較大。以隧道出口右洞YK2+660—YK2+628段作為研究對(duì)象。

當(dāng)隧道開挖至構(gòu)造破碎帶時(shí)，建設(shè)方根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件，對(duì)設(shè)計(jì)和施工參數(shù)進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整，對(duì)初期支護(hù)予以加強(qiáng)。采用28 cm 厚C25噴射混凝土，型鋼為20b 工字鋼拱架，縱向間距70 cm；沿隧道周邊環(huán)向布置D25中空注漿錨桿，長(zhǎng)4.0 m，縱、環(huán)向間距100 cm×100 cm(環(huán))；φ42×3.5 mm，長(zhǎng)4 m，外插角10°～15°，縱向間距2 m的超前小導(dǎo)管。

為了確保施工進(jìn)度，YK2+660—YK2+628段采用上下臺(tái)階法進(jìn)行開挖。盡管加強(qiáng)了構(gòu)造破碎帶YK2+654—YK2+634段的支護(hù)和襯砌結(jié)構(gòu)參數(shù)，但施工中仍出現(xiàn)掌子面失穩(wěn)坍塌現(xiàn)象。

YK2+660—YK2+628段土體結(jié)構(gòu)松散，基巖主要以燕山早期入侵花崗巖為主，局部為火山巖。該段地層巖性自上而下為全風(fēng)化花崗巖、碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖及中部貫穿的構(gòu)造破碎帶(如圖1所示)。YK2+660—YK2+628段洞內(nèi)有明顯多股水流從洞頂流出，同時(shí)掌子面土體也發(fā)生大面積的坍塌，坍塌段地處構(gòu)造破碎帶。坍塌段處巖芯呈碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化與粉狀全風(fēng)化巖性為主。

圖1 隧道結(jié)構(gòu)示意(單位：m)

1.2 掌子面變形破壞特征

當(dāng)隧道掌子面初進(jìn)構(gòu)造破碎帶時(shí)，掌子面整體巖性發(fā)生劇烈變化，從柱狀中風(fēng)化漸變?yōu)樗閴K狀強(qiáng)風(fēng)化，掌子面局部有少量水滲出，同時(shí)出現(xiàn)巖體掉塊現(xiàn)象。施工單位繼續(xù)采用上下臺(tái)階法對(duì)構(gòu)造破碎帶進(jìn)行幾個(gè)循環(huán)開挖后，掌子面巖土體以及掌子面拱頂上方急劇下沉，最終發(fā)生了掌子面坍塌，里程為出口右洞YK2+645，范圍為整個(gè)隧道掌子面。

導(dǎo)致隧道發(fā)生坍塌的原因在于地處富水構(gòu)造破碎帶地區(qū)，巖性破碎，所以掌子面容易失穩(wěn)。此外，施工單位采用上下臺(tái)階法爆破開挖施工擾動(dòng)大，支護(hù)不到位也是導(dǎo)致掌子面發(fā)生坍塌的原因。

2 數(shù)值計(jì)算分析

鑒于該段巖性差，建設(shè)方擬采用先開挖上臺(tái)階通過(guò)破碎帶待其沉降穩(wěn)定后再開挖下臺(tái)階，所以采用MIDAS/GTS軟件模擬YK2+660—YK2+628段上臺(tái)階開挖通過(guò)破碎帶。隧道上臺(tái)階中風(fēng)化花崗巖(12 m)采用每3 m 一個(gè)開挖支護(hù)循環(huán)，共分4個(gè)開挖模擬步；構(gòu)造破碎帶(20 m)采用每2 m一個(gè)開挖支護(hù)循環(huán)，共分10個(gè)開挖模擬步；整個(gè)模擬開挖步共14個(gè)。

2.1 計(jì)算模型與參數(shù)的確定

隧道、圍巖采用 Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，圍巖及注漿體采用實(shí)體單元模擬，初期支護(hù)采用板單元模擬，錨桿與超前小導(dǎo)管采用植入式桁架模擬。模型計(jì)算范圍橫向?yàn)閤取32 m；y向取50 m;z向前側(cè)取50.1 m，后側(cè)取56.5 m。整個(gè)模型底部為全部約束，頂部為自由邊界，其余各面均施加法向約束。圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

模擬在原始加固方式下進(jìn)行隧道開挖，隧道掌子面位移見(jiàn)圖2?？芍?，當(dāng)開挖進(jìn)破碎帶時(shí)掌子面位移迅速增加，接近破碎帶中部時(shí)掌子面中下部位移不收斂，仿真結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)相吻合。結(jié)合數(shù)值仿真與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際發(fā)現(xiàn)掌子面上臺(tái)階下側(cè)x方向位移不收斂是導(dǎo)致掌子面失穩(wěn)的關(guān)鍵，所以后期掌子面支護(hù)加固區(qū)域主要集中在上臺(tái)階下側(cè)。

圖2 原始支護(hù)工況下隧道掌子面擠出位移

2.2 計(jì)算方案的選取

每個(gè)開挖循環(huán)加固措施分3種：①原始支護(hù)加固方式。②上臺(tái)階下半部分掌子面施作注漿加固，水泥漿(C20)水灰比為1∶1，注漿壓力為1～2 MPa。掌子面縱向注漿加固厚度為2 m或4 m。③上臺(tái)階下半部分掌子面表面施作C25混凝土噴射加固，加固厚度為0.05 m或0.10 m。

通過(guò)交叉對(duì)比,設(shè)計(jì)8種支護(hù)加固工況,見(jiàn)表2。每種工況均是在原始加固方式下再次對(duì)上臺(tái)階掌子面下側(cè)支護(hù)的過(guò)程。

表2 隧道加固工況

注：噴射混凝土0.05 m指對(duì)上臺(tái)階下側(cè)掌子面進(jìn)行噴射混凝土加固，噴射混凝土厚為0.05 m；注漿2 m指對(duì)上臺(tái)階下側(cè)掌子面土體縱向進(jìn)行注漿加固，加固厚度為2 m。其余等同。

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

1)掌子面擠出變形

隧道開挖方向參見(jiàn)圖1，開挖超過(guò)起始開挖斷面時(shí)為正。不同支護(hù)工況下每一個(gè)開挖步中掌子面最大的擠出位移見(jiàn)圖3。

圖3 掌子面最大擠出位移

由圖3可知，支護(hù)工況1—工況8掌子面擠出最大位移逐漸減小，掌子面上臺(tái)階下側(cè)噴射混凝土相比掌子面施作注漿支護(hù)加固效果更不佳，不利于后期開挖過(guò)程中隧道掌子面的穩(wěn)定性，可見(jiàn)注漿能明顯提升掌子面整體的穩(wěn)定性。不同支護(hù)工況下掌子面最大擠出位移，工況2比工況1降低了31.72%，工況3比工況2減少了48.4 mm，工況6比工況3降低了48.32%；說(shuō)明通過(guò)增加噴射混凝土或注漿土層厚度能提升支護(hù)效果，同時(shí)噴射混凝土加固效果明顯低于注漿支護(hù)。工況7比工況6降低了4.92%，工況8比工況6降低了5.02%。通過(guò)以上數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知，工況8是掌子面擠出位移最小的支護(hù)加固方法，其掌子面擠出位移與工況6、工況7相近，但仍從加固效果、經(jīng)濟(jì)、施工效益上考慮工況6加固方案最佳。對(duì)比不同支護(hù)工況與開挖階段下掌子面最大擠出位移均為掌子面距起始開挖斷面20 m(里程YK2+640)的位置。

圖4 YK2+640斷面測(cè)點(diǎn)7上不同位置處掌子面的擠出位移

YK2+640斷面測(cè)點(diǎn)7上不同位置處掌子面的擠出位移見(jiàn)圖4。可知，工況1—工況8掌子面擠出位移相繼減小，掌子面注漿支護(hù)效果優(yōu)于噴射混凝土加固。工況3比工況2掌子面最大擠出位移減小64.78%，其值為47.1 mm，極大提升掌子面的穩(wěn)定性；同理注漿加固厚度的大小也影響支護(hù)效果，工況6比工況3位移值減少22.65%，為5.8 mm，可見(jiàn)4 m注漿加固效果相比2 m加固效果更好；工況1，2掌子面最大擠出位置距拱底為3 m左右，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況一致，然而工況3—工況8可知，掌子面位移最大擠出位置由3 m變?yōu)? m 并且擠出位移比工況1,2更小，變形更穩(wěn)定。

綜上所述，鑒于工況6—工況8位移值相差不大，支護(hù)效果相近，考慮到施工方案可行性及加固成本，工況6最適合本次加固。

2)隧道拱頂沉降

構(gòu)造破碎帶拱頂沉降能很好反映隧道及其掌子面穩(wěn)定性變化情況,YK2+640斷面的拱頂(測(cè)點(diǎn)1)沉降變化曲線見(jiàn)圖5。

圖5 YK2+640斷面測(cè)點(diǎn)1沉降變化曲線

由圖5可知：①在隧道開挖未到達(dá)該位置時(shí)，YK2+640斷面拱頂就己經(jīng)開始發(fā)生沉降。支護(hù)工況1沉降最大達(dá)7.1 mm，工況8沉降最小為1.0 mm。隨著開挖的進(jìn)行，不同支護(hù)工況下的拱頂沉降持續(xù)增加同時(shí)沉降速率也不斷增大。②當(dāng)開挖至YK2+640斷面時(shí)，在不同支護(hù)工況下最大沉降為26.67 mm，最小為4.62 mm；當(dāng)開挖掌子面靠近研究斷面時(shí)，工況1,2增速最大，工況6，7，8增速最小，其余工況次之，可見(jiàn)對(duì)上臺(tái)階下側(cè)掌子面進(jìn)行注漿加固效果優(yōu)于噴射混凝土，能有效提升掌子面整體的穩(wěn)定性。當(dāng)開挖至YK2+640斷面時(shí)，工況3拱頂下沉9.89 mm,工況6下沉5.36 mm比工況3降低43.37%，可見(jiàn)掌子面注漿厚度4 m更優(yōu)于2 m 的加固效果。③當(dāng)開挖斷面超過(guò)YK2+640斷面時(shí)，在所有支護(hù)工況下的拱頂測(cè)點(diǎn)1沉降速率均逐漸變小，當(dāng)開挖面通過(guò)構(gòu)造破碎帶時(shí)沉降趨于穩(wěn)定。

3)掌子面塑性應(yīng)變

通過(guò)掌子面塑性應(yīng)變的大小、分布及貫通情況可判別在不同支護(hù)工況及不同開挖階段下掌子面的穩(wěn)定性變化情況。

掌子面最大塑性應(yīng)變變化曲線見(jiàn)圖6?？芍孩佼?dāng) 開挖斷面距起始面距離為6 m(構(gòu)造破碎帶與中風(fēng)化花崗巖交界處)時(shí)掌子面塑性應(yīng)變值發(fā)生突變，在同種工況下最大，可見(jiàn)剛進(jìn)破碎帶應(yīng)提前做好支護(hù)加固工作。②在開挖破碎帶土體時(shí)，掌子面最大塑性應(yīng)變值遞增，當(dāng)?shù)竭_(dá)YK2+640斷面時(shí)最大，隨后在靠近中風(fēng)化巖體時(shí)遞減逐漸趨于0，符合施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際狀況。③對(duì)掌子面注漿加固比對(duì)掌子面噴射混凝土更有利于掌子面的穩(wěn)定。在注漿加固支護(hù)工況下，YK2+640斷面掌子面塑性應(yīng)變值工況6比工況3降低11.9%，可見(jiàn)，對(duì)掌子面上臺(tái)階下側(cè)注漿加固厚度為4 m 加固效果優(yōu)于厚度為2 m；工況7比工況6減少8.29%，工況8比工況6降低8.84%，可知3種工況下值相差不明顯，綜合考慮工況6支護(hù)效果最佳。

圖6 掌子面最大塑性應(yīng)變變化曲線

3 隧道洞內(nèi)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

3.1 掌子面擠出變形分析

隧道開挖至YK2+645時(shí)掌子面發(fā)生坍塌，在坍塌土體運(yùn)出后隨即對(duì)該位置掌子面中軸線等距布設(shè)7個(gè)測(cè)點(diǎn)，參見(jiàn)圖1。采用高精度全站儀進(jìn)行測(cè)量，初測(cè)日期為2月7日。鑒于掌子面坍塌，停止了開挖，對(duì)掌子面施作了簡(jiǎn)單的噴射混凝土加固，2月10日掌子面采用工況6方式進(jìn)行注漿支護(hù)。

掌子面擠出變形監(jiān)測(cè)曲線見(jiàn)圖7?？芍?，測(cè)點(diǎn)1—測(cè)點(diǎn)7擠出變形分別為-1.99，-43.20，-80.40，-120.70，-132.00，-84.80，-9.19 mm，測(cè)點(diǎn)5擠出變形最大。8—10日，由于未對(duì)掌子面進(jìn)行加固，所以測(cè)點(diǎn)2至測(cè)點(diǎn)6掌子面擠出位移出現(xiàn)大幅度下降，變化速率增大，其中測(cè)點(diǎn)5擠出變形最大達(dá)105.6 mm，平均增速為35.2 mm/d；10日對(duì)掌子面加固后，每個(gè)測(cè)點(diǎn)沉降速率明顯降低，10—13日測(cè)點(diǎn)4擠出變形增幅最大，為18.4 mm，增速為4.6 mm/d，可見(jiàn)工況6極大地提高了掌子面整體的穩(wěn)定性，同時(shí)該支護(hù)工況可為今后同類工程提供很好的借鑒。

圖7 掌子面擠出變形監(jiān)測(cè)曲線

3.2 拱頂沉降監(jiān)測(cè)分析

為了更好地驗(yàn)證支護(hù)后隧道掌子面變形情況，選取YK2+660,YK2+650,YK2+645斷面的3個(gè)拱頂測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在2月7日以前，YK2+650與YK2+656斷面上臺(tái)階的初期支護(hù)已施作完成。不同監(jiān)測(cè)斷面的拱頂沉降曲線見(jiàn)圖8，其中2月7日的累計(jì)沉降視為0，以后每天的變形依次累加。

圖8 不同監(jiān)測(cè)斷面的拱頂沉降曲線

由圖8可知，測(cè)點(diǎn)越靠近掌子面，在相同時(shí)間段內(nèi)，拱頂沉降越大，拱頂沉降曲線的斜率越大，沉降速率越大；10日以前掌子面未施作支護(hù)加固措施，7—10日YK2+645斷面拱頂下沉16.5 mm比YK2+650斷面增加44.73%，同時(shí)比YK2+656斷面上升117.10%。10日對(duì)掌子面采用工況6支護(hù)后，YK2+645斷面10—13日拱頂下沉7.5 mm比7—10日減少54.54%(9.0 mm)，提升了掌子面整體的穩(wěn)定性，為后期順利開挖構(gòu)造破碎帶提供了借鑒。

4 結(jié)論

1)該工程在開挖上臺(tái)階施工時(shí)，盡管采取了超前小導(dǎo)管注漿加固等預(yù)防坍塌措施，但地處構(gòu)造破碎帶，掌子面地層軟弱、破碎，擠出位移過(guò)大及富含地下水，導(dǎo)致掌子面圍巖土體屈服，是誘發(fā)本工程掌子面失穩(wěn)的主要原因。

2)構(gòu)造破碎帶上臺(tái)階施工開挖時(shí)，中下部掌子面為最容易失穩(wěn)部位；隨著開挖距離的不斷增大，掌子面擠出位移、拱頂沉降及掌子面塑性應(yīng)變值逐漸增大，同時(shí)掌子面未加固時(shí)，掌子面上臺(tái)階中下部擠出位移最大，掌子面隨即進(jìn)入短期不穩(wěn)定狀態(tài)。為防止掌子面再次失穩(wěn)導(dǎo)致坍塌事故，須對(duì)掌子面上臺(tái)階中下部進(jìn)行加固；通過(guò)對(duì)掌子面在原始加固的基礎(chǔ)上再對(duì)上臺(tái)階下側(cè)縱向厚4 m的土體進(jìn)行注漿加固后，可提升破碎帶掌子面的整體穩(wěn)定性，降低了掌子面的擠出位移、拱頂沉降及掌子面的塑性應(yīng)變。

3)綜合考慮不同支護(hù)措施對(duì)構(gòu)造破碎帶掌子面整體穩(wěn)定性的影響、支護(hù)加固效果、施工作業(yè)需要及工程經(jīng)濟(jì)效益，本工程宜采用在原始支護(hù)基礎(chǔ)上，對(duì)上臺(tái)階掌子面下部進(jìn)行縱向注漿加固，加固厚度為4 m。該支護(hù)工況簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，合理可行，同時(shí)對(duì)構(gòu)造破碎帶隧道開挖支護(hù)可提供一定的參考。