楊釗，任夢*，黃威，袁青

（1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430013；2.長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實驗室，湖北 武漢 430014；3.交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心，湖北 武漢 430014；4.中交公路長大橋建設(shè)國家工程研究中心有限公司，湖北 武漢 430014）

隧道掌子面失穩(wěn)塌方是暗挖隧道建造過程中常見的風(fēng)險事故之一。導(dǎo)致隧道產(chǎn)生塌方風(fēng)險的原因是多方面的，現(xiàn)有研究主要?dú)w因于地質(zhì)條件不良、勘察設(shè)計不合理和施工組織不當(dāng)?shù)确矫鎇1-2]，如，王法雨[1]結(jié)合玉廟隧道塌方事故，簡要分析了事故發(fā)生的地質(zhì)原因為圍巖裂隙發(fā)育伴隨地表水滲透，導(dǎo)致圍巖自穩(wěn)能力差。姜杰[3]認(rèn)為塌方段圍巖存在軟弱破碎帶且垂直節(jié)理發(fā)育，泥巖遇水軟化等因素是范嘉琳1 號隧道塌方的地質(zhì)原因。張曉今[4]等從地質(zhì)圍巖等級低、爆破施工振動速度控制不當(dāng)、注漿加固不足、監(jiān)控量測頻率不滿足要求等方面分析了隧道塌方原因，并據(jù)此提出了相應(yīng)的處置措施。

目前，針對隧道塌方的研究主要集中于綜合因素分析，而對其背后的力學(xué)機(jī)理分析較少。本文結(jié)合理論與有限元數(shù)值模擬方法，通過考慮非飽和土體滲流和非飽和土體強(qiáng)度，對開挖面塌方風(fēng)險進(jìn)行詳細(xì)機(jī)理分析，并提出針對性處置措施。

1 工程概況

哈爾濱市軌道交通3 號線松江生態(tài)園站—進(jìn)鄉(xiāng)街站區(qū)間起點(diǎn)里程DK15+192.011，終點(diǎn)里程DK16+141.915，區(qū)間覆土11～21 m。

本區(qū)間為單線單洞馬蹄形隧道，全線均采用礦山法施工，采用臺階法留有核心土開挖施工。隧道上覆土主要為可塑狀態(tài)的粉質(zhì)黏土層，層內(nèi)夾硬塑、軟塑狀粉質(zhì)黏土。開挖區(qū)域粉質(zhì)黏土分布主要為硬塑和可塑性粉質(zhì)黏土層，隧道施工影響范圍存在軟—流塑粉質(zhì)黏土，其具有含水量高、孔隙比大、強(qiáng)度低、滲透性大的特點(diǎn)，隧道開挖時易產(chǎn)生流變現(xiàn)象，導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差。

該區(qū)間隧道底板埋置深度約16.0～25.9 m，該場地孔隙潛水穩(wěn)定水位埋深約39.1～44.5 m，埋藏較深，對區(qū)間隧道開挖基本不會構(gòu)成不良影響。區(qū)域結(jié)構(gòu)影響范圍內(nèi)存在多處市政給排水管線，且一部分為城區(qū)老舊管線，存在年久失修，破損漏水的風(fēng)險，因此，隧道開挖主要受地表水下滲、管道漏水等影響。

2 塌方險情概況

隧道進(jìn)口施工階段，掌子面核心土密實度好，含水率低，未發(fā)現(xiàn)滲水情況。進(jìn)洞2.25 m（DK15+794.49）后，正線上方和掌子面處出現(xiàn)滲水情況，土質(zhì)含水率較高，拱頂不斷滴水，上臺階左側(cè)掌子面存在少量流水，核心土難以成型，經(jīng)常性發(fā)生土體坍塌事件。

左線施工至DK15+796.49 處時拱頂掌子面處有少量塌土，為防止險情進(jìn)一步擴(kuò)大，在完成格柵安裝后臨時封閉掌子面，在封閉掌子面處開挖探孔取土，探測前方土質(zhì)含水情況，距離掌子面0.5～1.5 m 處含水率在25.8%，1.5～2.5 m 處含水率在21.7%，2.5～3.0 m 處含水率在15%，趨近于正常。施工至DK15+799 附近時，已完成的上臺階第14 榀、第15 榀初支塌方，40 min 后塌土開始減小，大約1 h 后開始穩(wěn)定，塌方情況見圖1。

圖1 隧道塌方示意圖Fig.1 Diagram of tunnel collapse

3 塌方機(jī)理分析

3.1 開挖面含水率增加的原因分析

在隧道開挖初始階段，掌子面含水率低，土體密實，自穩(wěn)性好。考慮到工程區(qū)域存在多處老舊市政管線，開挖過程中已發(fā)現(xiàn)多處地表水管漏水，漏水管線周圍土體已呈明顯軟塑和流塑狀態(tài)。隧道上覆土主要為粉質(zhì)黏土，由于黏土中黏滯水膜的影響和黏土吸水膨脹的特性，其滲透系數(shù)一般極低[5]，地表滲流在粉質(zhì)黏土中的影響范圍有限。然而，隨著隧道開挖產(chǎn)生臨空面，隧道上覆土受到擾動而產(chǎn)生松散和裂隙，提供了滲流通道。

同時，研究結(jié)果顯示，非飽和土的滲透特性不同于飽和土，其滲透系數(shù)隨含水率的增加呈現(xiàn)非線性增長的趨勢，且當(dāng)含水率大于某一閾值，滲透系數(shù)的增長趨勢顯著增加[6]。根據(jù)李永樂等[6]針對粉質(zhì)黏土非飽和條件下的滲透系數(shù)的測試，粉質(zhì)黏土的這一含水率閾值大致在15%～20%之間，在非飽和狀態(tài)下，當(dāng)體積含水率小于閾值時，粉質(zhì)黏土實際處于不透水狀態(tài)；當(dāng)體積含水率超過閾值時，含水率的微小變化，即可導(dǎo)致非飽和滲透系數(shù)發(fā)生數(shù)量級的改變。

綜上，認(rèn)為地表管線滲漏對隧道掌子面含水率產(chǎn)生顯著影響的原因有兩方面：一方面是開挖導(dǎo)致土體松散開裂，提供滲流路徑；另一方面是土體含水率增加到一定程度，其滲透系數(shù)會顯著增大，從而促進(jìn)滲流的作用。

3.2 滲流對非飽和土體強(qiáng)度的影響

非飽和土體強(qiáng)度與其含水率緊密相關(guān)[7]，根據(jù)Fredlund 等[8]在1978 年提出的非飽和土體抗剪強(qiáng)度經(jīng)典理論公式：

式中：c′為有效黏聚力；σf為剪切面上的法向總應(yīng)力；ua為剪切面上的孔隙氣壓力；uw為剪切面上的孔隙水壓力；（σf-ua）f為剪切面上的凈法向應(yīng)力狀態(tài)；（ua-uw）f為剪切面上的基質(zhì)吸力；φ′為與凈法向應(yīng)變量（σf-ua）f相關(guān)的內(nèi)摩擦角；φb為抗剪強(qiáng)度隨基質(zhì)吸力（ua-uw）f而增加的速率。

非飽和土的抗剪強(qiáng)度與凈法向應(yīng)力和基質(zhì)吸力兩個變量有關(guān)，tanφ′表示凈法向應(yīng)力引起的土體強(qiáng)度變化速率，而tanφb表示基質(zhì)吸力引起的土體強(qiáng)度變化速率。含水率的增加會導(dǎo)致基質(zhì)吸力（ua-uw）f的降低，從而導(dǎo)致土體強(qiáng)度的降低。

因此，土體含水率增加的顯著后果是土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角持續(xù)衰減，強(qiáng)度不斷弱化，導(dǎo)致成拱能力降低，掌子面自穩(wěn)性變差。隨著水流不斷的滲入，開挖面上覆土的變形增加，且隨著滲漏時間的增加，土體產(chǎn)生顯著的隨滲漏區(qū)域變化而變形的特征。

3.3 地表滲漏條件下隧道開挖有限元分析

基于上述非飽和土體的滲透和強(qiáng)度理論，在有限元分析中設(shè)置土層的土水特征函數(shù)和與基質(zhì)吸力有關(guān)的滲透性函數(shù)，深入分析滲流對隧道變形和受力的影響。

3.3.1 有限元模型及參數(shù)選取

建立二維有限元模型，尺寸為長40 m×寬40 m。土體采用摩爾庫倫本構(gòu)模型，土層參數(shù)通過地勘資料選取，土層參數(shù)如表1 所示。同時引入土體的非飽和特性，通過土水特征函數(shù)和滲透率函數(shù)定義土體的非飽和性質(zhì)。土水特征曲線通常是經(jīng)過試驗測試得到，在這方面，大量學(xué)者針對不同性質(zhì)的土體開展了試驗研究[9-10]，獲得了土水特征曲線。引用林鴻州等[13]得到的粉質(zhì)黏土土水特征試驗數(shù)據(jù)，定義土體負(fù)孔隙水壓力與含水率的關(guān)系曲線。

表1 土層參數(shù)Table 1 The soil parameters

3.3.2 模擬結(jié)果分析

分別考慮正常開挖工況和開挖完成后地表發(fā)生滲漏工況。

在正常開挖工況下，隧道拱頂沉降量為0.55 mm，隧道收斂變形為18.66 mm，鋼拱架最大彎矩為300 kN·m。若隧道開挖后地表發(fā)生滲漏，隨著地表滲漏點(diǎn)的不斷滲流，已開挖隧道上方土體含水率不斷增加，逐漸由不飽和狀態(tài)發(fā)展為最終的飽和狀態(tài)（滲漏8 h），在此過程中，隧道變形及拱架受力情況隨滲漏時間的變化情況如圖2 所示，隨著滲漏的不斷進(jìn)行，隧道拱頂沉降由初始0.55 mm 逐漸發(fā)展為17.87 mm（滲漏10 h 后），隧道收斂變形由初始18.66 mm 逐漸增大至21.94 mm（滲漏10 h 后），同時，鋼拱架最大彎矩也增加至346 kN·m（滲漏10 h 后）。土體含水率隨滲流時間的變化趨勢如圖3 所示。

圖2 地表滲漏對已開挖隧道變形和受力的影響Fig.2 The influence of surface seepage on deformation and force of excavated tunnel

圖3 土體含水率隨滲流時間的變化趨勢Fig.3 Soil water content versus seepage time

以上計算結(jié)果充分說明了地表滲漏引起開挖面上方土體非飽和狀態(tài)發(fā)生變化，根據(jù)非飽和土強(qiáng)度特性，滲漏引起的土體含水率的增加會導(dǎo)致基質(zhì)吸力的降低，從而導(dǎo)致土體強(qiáng)度的降低。因此，隨著水流不斷的滲入，已開挖隧道的變形必然增加，隧道結(jié)構(gòu)受力情況惡化，從而導(dǎo)致已開挖隧道圍巖塑性區(qū)隨著滲漏過程不斷發(fā)展，受滲流影響，拱頂上方土層塑性區(qū)迅速發(fā)展，極易導(dǎo)致拱頂塌方的發(fā)生。

4 塌方處理措施

管線滲漏導(dǎo)致土體強(qiáng)度降低、自穩(wěn)性弱是此次事故的主要原因，其處置措施主要分為：堆載反壓控制塌方發(fā)展、注漿加固改善土體飽水軟化情況、優(yōu)化開挖進(jìn)尺和施工方式。

4.1 堆載反壓

如圖4 所示，由于核心土失去穩(wěn)定性導(dǎo)致3榀格柵腳板懸空，受上方壓力，受力薄弱點(diǎn)產(chǎn)生環(huán)向裂縫。首先將塌土產(chǎn)生的初支背后的空穴用噴射混凝土填補(bǔ)，向土體方向打鋼筋穩(wěn)固，然后掛網(wǎng)片、噴射混凝土填充，將塌土產(chǎn)生的空穴填補(bǔ)起來。然后簡單清理塌落土體，避免擾動核心土，施作臨時仰拱，將拱腳懸空的格柵支撐起來，阻止進(jìn)一步的沉降。最后用土方回填的辦法支撐塌落的核心土，將下臺階整體填充，并壓實回填土方，然后用沙袋填充懸空的拱腳附近，通過沙袋放坡支撐核心土。

圖4 圍巖注漿加固和臨時仰拱施作Fig.4 Surrounding rock grouting reinforcement and temporary invert construction

4.2 上覆土注漿加固

如圖5 所示，在塌方位置由地面打直徑400 mm 孔至拱頂，灌混凝土填充拱頂空洞，在塌方段正線正上方20 m 范圍地面處進(jìn)行深孔雙液漿注漿，成梅花形布置，間距2 m，塌方段附近覆土厚度為15.8 m，注漿管深度為13.5 m。

圖5 注漿加固縱斷面示意Fig.5 Profile of the grouting reinforcement

4.3 掌子面前方注漿加固

沿拱墻徑向進(jìn)行水泥漿注漿，同時對初支背后圍巖可能存在的水囊進(jìn)行封堵，環(huán)向1 m 間距布置，長度3.5 m，注漿壓力0.4～0.6 MPa，縱向間隔1 m。注漿順序為：左側(cè)側(cè)壁→右側(cè)側(cè)壁→拱頂，仰拱部位不進(jìn)行注漿。

4.4 優(yōu)化開挖進(jìn)尺和支護(hù)方式

施工過程中增加工字鋼臨時仰拱，上下臺階步距增加至6 m 以上。增大核心土預(yù)留高度，并預(yù)留臺階縱向坡度。增加上臺階鎖腳錨管數(shù)量，每邊打設(shè)3 根長度為3.5 m 的鎖腳錨桿，同時增加徑向小導(dǎo)管注漿錨管。

在塌方段加大支護(hù)參數(shù)，保障縱向連接鋼筋焊接牢固、網(wǎng)片搭接長度足夠。當(dāng)土體含水率較大時，施作初支時先初噴，之后再進(jìn)行鋼格柵施作和噴射混凝土。

將已經(jīng)塌落的格柵破除，塌方段格柵重新架立，3 榀格柵聯(lián)立，架立格柵無間距密排推進(jìn)，每次開挖進(jìn)尺控制在35 cm 內(nèi)，直至將發(fā)生沉降的格柵拆除、換拱。

5 處置效果

6 月21 日1 號洞正線內(nèi)滲水情況基本停止，初支拱頂開始趨近干燥狀態(tài)，同時土質(zhì)含水率已經(jīng)正常，打開封閉的掌子面開始進(jìn)行1 號洞正線上臺階施工，當(dāng)日完成第21 榀上臺階格柵施工進(jìn)尺0.25 m，6 月22 日完成上臺階2 榀格柵施工進(jìn)尺0.75 m，在開挖過程中可以在掌子面上清晰地觀察到注漿痕跡。同時，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示（圖6），隧道拱頂沉降及凈空收斂逐漸穩(wěn)定，說明各項處置措施效果明顯，隧道塌方情況得到有效控制。

圖6 拱頂沉降和凈空收斂監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.6 Monitoring data of crown subsidence and clearance converges

6 結(jié)語

通過對隧道塌方段塌方原因及塌方后處理措施進(jìn)行優(yōu)化分析，主要有以下結(jié)論：

1）哈爾濱市軌道交通3 號線松江生態(tài)園站—進(jìn)鄉(xiāng)街站區(qū)間隧道發(fā)生塌方的主要原因為地表滲漏引起的非飽和土體滲流，土體飽水軟化，強(qiáng)度降低。

2）當(dāng)發(fā)生水體泄露時，應(yīng)充分考慮土體的非飽和特性，非飽和土體的滲透特性、抗剪強(qiáng)度與含水率密切相關(guān)。當(dāng)土體中含水率增加時，土體的滲透系數(shù)增大，黏聚力和內(nèi)摩擦角降低，土體強(qiáng)度衰減，導(dǎo)致隧道變形和受力增加，從而易失穩(wěn)塌方。

3）由于開挖區(qū)域土體含水率過高引起的隧道失穩(wěn)塌方，其處置措施主要圍繞有效控制隧道塌方的發(fā)展、改善土體飽水軟化的情況、改良區(qū)間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定影響范圍內(nèi)的軟弱土層等方面開展，通過采取調(diào)整支護(hù)參數(shù)和洞內(nèi)外注漿加固的方法進(jìn)行處理，塌方情況得到有效控制，隧道正常開挖前進(jìn)。