宁文国

(中铁电气化局集团东南公司，江西南昌 330038)

0 引言

隧道是修筑在各种地质体中的稳定的洞室结构。修建于崇山峻岭之中的山岭隧道，由于地质条件复杂、构造活动强烈、不良地质灾害频发，具有投资大、施工周期长、工艺复杂、工法转换多、施工技术复杂、不可预见风险因素多等特点。同时，目前山岭隧道也正朝着大断面、扁平化趋势发展，导致突泥、涌水、坍塌等隧道灾害事故频发。

但是在上述隧道灾害中，坍塌、冒顶是隧道施工中最常见的灾害现象之一，根据2011年和2012年隧道发生的25起安全事故分析，隧道塌方事故最多，有16起;涌水突泥事故次之，有3起;另外洞内火灾和火工品爆炸事故各2起［1-4］。

隧道施工过程中的突发性坍塌常造成严重的安全事故。隧道坍塌事故已成为工期延误、生命财产损失等风险事故的主要原因。2008年7月25日，广深港铁路客运专线南沙区狮子洋隧道施工工地发生一起隧道塌方事故;2007年9月2日，合宁铁路亭子山2号隧道工程在顶部支护换拱作业时发生局部塌方;2012年7月29日凌晨，厦门海沧区在建厦漳公路(厦门段)雷公山隧道右洞在支护作业过程中发生塌方事故;2008年1月20日，郑西客运专线盘东隧道出口发生隧道塌方;海南环岛高速公路大茅隧道的塌方事故造成了特大人员伤亡事故，不但严重延误工期，同时也严重影响隧道衬砌、防水质量及运营安全［5，6］。因此，隧道施工中开展坍塌事故的分析，对施工安全、减少生命和经济损失都具有重要的意义。

本文以在建的杉溪隧道为例，介绍基于开挖空间效应的掌子面坍塌分析中的成功经验，可为今后类似工程的实施提供参考和借鉴。

1 概况

1.1 工程概况

杉溪隧道位于福建省西北部位，属剥蚀丘陵地貌单元，微地貌形态为呈近东西向的带状陡峻山岭与山间沟谷相间分布，山峦起伏，地势陡峭，支沟发育，多呈“V”字形，山坡坡度30°～50°，植被茂盛，高程290.0 m～346.5 m。杉溪隧道为左、右分离式隧道，长222 m，最大埋深52.9 m。

隧址区地处闽西北隆起带，闽东火山断拗带的次级构造单元松溪至建溪拗陷带，北东向及北北东向构造发育，并且历经多次构造运动及火山岩浆活动。本区内地表主要为第四系坡残积土覆盖，无基岩出露。隧道上覆岩土体由第四系坡残积层、全风化云母石英片岩组成。第四系坡残积层主要由松散的粘土组成，可塑～硬塑，结构松散;全风化片呈砂土状，硬塑～半坚硬。坡积层、全风化云母石英片岩均结构松散，易坍塌，洞口斜坡岩土体的稳定性极差。隧址区地处一呈近东西向分水岭部位，地表水和地下水都不发育。

1.2 施工概况

杉溪隧道为浅埋、分离式高速公路隧道，全长197 m，隧道围岩全部为Ⅴ级，施工中采用上下台阶法开挖，上台阶高度为6.4 m，超前下台阶10 m以上，其中洞口段的上台阶开挖时预留核心土，隧道每循环开挖进尺2.0 m。

其施工步骤为:

第一步:开挖上台阶——初支(喷混凝土+锚杆+钢拱架);

第二步:开挖下台阶——初支(喷混凝土+锚杆+钢拱架);

第三步:仰拱开挖;

第四步:施作防水板，整体浇筑二衬混凝土。

Ⅴ级围岩的支护参数如下:φ42超前小导管注浆支护，环向间距为40 cm，长5.2 m，10°角;初期支护为喷 C25混凝土，厚度为25 cm;Φ8钢筋网，间距20 cm×20 cm;拱部以及边墙设置φ22锚杆，长3.5 m，梅花形布置，间排距为0.8 m×0.8 m;Ⅰ18钢拱架支撑，纵向间距为80 cm;仰拱开挖后喷C25混凝土22 cm，4×φ22格栅支撑，纵向间距80 cm;二次衬砌现浇C25钢筋混凝土，厚度为45 cm。

鉴于隧道断面跨度比较大、围岩破碎稳定性差、地形复杂、结构受力不均匀，施工中多次发生坍塌事故。因此，在后期施工的过程中采取加强监控量测，确保工程在安全、可控的条件下有序进行。

2 开挖面支撑的空间效应

处于某一应力状态的未开挖岩体，均处于一定的应力平衡状态。在隧道开挖的过程中，将打破岩体内原有的应力平衡，隧道开挖过程中，开挖面的前方是尚未开挖的岩体，后方是已开挖段，开挖面附近的岩体发生应力重分布和变形，此时岩体的力学行为是个复杂的四维时空问题，此时岩体的变形状态决定着掌子面的稳定性。

对于弹塑性岩土体，其应力—应变关系是非线性的，当洞周的切向应力达到岩土体的屈服条件时，岩体便进入塑性状态，导致塑性区的出现，从而应力不断向围岩深部转移并同时发生变形，当这种变形超过了围岩本身所能承受的能力，则围岩就要发生破坏［8］。围岩的二次应力场实际上是三维的，因为隧道端部开挖面对围岩的应力释放和变形发展都有大的约束作用，使得沿隧道纵向各断面上的二次应力状态和变形都不相同，这种现象称之为开挖面支承的“空间效应”［7］。

纵向变形规律曲线(Longitudinal Deformation Profile，LDP)是指在无支护条件下，以曲线表示的沿掌子面前后隧洞围岩洞周某点的径向位移变化，如图1所示。借助于掌子面空间效应的现场监测，可以获得隧道开挖的纵向变形规律曲线。其中，水平轴表示分析断面与掌子面的距离(常采用相对距离x/r)。竖直轴表示距开挖面一定距离处的洞壁变形u(x)与距掌子面无限远处同一位置的洞壁变形u(在掌子面空间约束效应影响范围之外)之比(归一化位移)。

图1 纵向变形规律曲线图

3 现场监测

根据杉溪隧道的地质概况和开挖方式，隧道开展的主要监测工作为拱顶下沉和围岩收敛。

3.1 监测方案

在上台阶初期支护混凝土喷射完毕并固结后，按图1所示位置在拱顶处布设沉降监测点。测点的布设在避免爆破作业破坏的前提下，尽可能靠近工作面埋设，后视点应布设在距离观测点3倍洞径以外的稳定点处;测量时将钢尺挂在拱顶测点，读钢尺读数，同时读取后视点标尺读数;测量仪器采用莱卡高精度水准仪、平板测微器，最小读数0.01 mm，量测精度±0.06 mm。围岩收敛监测点的布设原则同拱顶沉降点，测点布设如图2所示。测点布设断面分别为ZK27+574，ZK27+585和ZK27+596。

图2 监测点埋设剖面图

3.2 监测结果及纵向变形规律

本文选择拱顶沉降量来研究隧道开挖过程中围岩的变形规律。3个监测断面处的拱顶沉降监测结果如图3所示。

图3 纵向变形规律曲线

根据以上3个断面拱顶沉降监测结果研究发现:3个断面监测围岩的变形趋势基本一致，都随着掌子面的接近而逐渐增大，远离而减小;当掌子面距离监测断面为1倍洞径时，监测断面处开始产生明显变形;当掌子面超前监测断面为2倍洞径时，监测断面处的沉降达到总变形量的80%以上;当掌子面距离监测断面超过4倍洞径时，监测断面的变形达到最大。由此可见，根据掌子面的空间效应分析可知，围岩的变形主要发生在掌子面前2倍洞径和掌子面后4倍洞径范围内。掌子面与监测断面重合时的归一化位移比分别为0.36，0.45和0.43。因此，在实际施工过程中，应特别注意掌子面刚开挖通过的隧洞洞段的变形，应及时进行喷锚支护和监测点布设工作，并及时开展监控量测。同样，将稳定围岩段的监控量测结果与刚开挖段围岩的监测结果相比较，根据掌子面的空间效应可以预测前方掌子面的稳定性。

3.3 掌子面坍塌的预警

隧道在掘进过程中发生大变形、坍塌等险情往往发生在毛洞开挖后到支护完成前这一时间段内，尤其在浅埋、破碎、松散的洞口地段。因此，利用监控量测对潜在的险情作出提前预警，对于隧道安全施工具有重要意义。本文通过对监控量测的拱顶下沉的研究分析，应用掌子面的空间效应理论成功预报杉溪隧道的掌子面坍塌事故的发生。

里程ZK27+562处于11月19日上台阶开挖，并施作初期支护，监测单位同步埋设监测点并开展监测工作，伴随隧道开挖掘进，监测断面ZK27+565处围岩变形持续增大，其监测结果如图4所示。

图4 拱顶沉降—监测时间曲线图

如图4所示拱顶沉降监测结果表明，11月19日上台阶开挖后围岩发生显著变形，之后随着上台阶逐渐远离和下台阶的逐渐靠近，围岩变形持续增大，但变形趋势较平缓，截止11月26日晚，拱顶累积沉降量发展到38.4 mm。11月28日下台阶开挖通过时，拱顶累积沉降量发展到77.6 mm，2 d的沉降速度为19.6 mm/d。围岩变形监测结果表明，下台阶开挖通过后围岩变形量和变形速度增大，有进一步恶化趋势。应用掌子面的空间效应分析，掌子面与监测断面重合时的归一化位移比达到0.55，要远大于稳定围岩的最大数据0.45。

鉴于围岩变形具有持续增大的趋势，11月29日凌晨发出掌子面坍塌预警，29日中午时，掌子面围岩发生坍塌事故，塌方量达到48 m3，同时地表形成一个约为7 m2大，3 m深的塌坑，如图5所示。

图5 掌子面和地面坍塌图

4 结语

对于浅埋、大断面、破碎岩体中采用新奥法施工的隧道，施工过程中的监控量测是其必不可少的重要环节。通过对监控量测数据的比对分析，不仅能预报开挖后围岩的稳定性，同时，通过拱顶沉降结果的分析和研究，采取将稳定围岩段的监控量测结果与刚开挖段围岩的监测结果相比较，根据掌子面的空间效应可以预测前方掌子面的稳定性。本研究分析方法可为类似隧道工程提供参考借鉴。

［1］ 戴 刚.新奥法隧道围岩施工监控量测技术［J］.铁道建筑，2006(7):31-32.

［2］ 申玉生，高 波.双连拱隧道施工偏压力学特性的监测与分析研究［J］.岩土力学，2006，27(1):1733-1739.

［3］ 陈柚州，何正文，巩 文.岩石隧道开挖面空间效应及其机理的研究［J］.工程科技，2009(4):203-207.

［4］ 王梦恕.对岩溶地区隧道施工水文地质超前预报的意见［J］.铁道勘查，2004(1):7-9.

［5］ 李术才，薛翊国，张庆松，等.高风险岩溶地区隧道施工地质灾害综合预报预警关键技术研究［J］.岩石力学与工程学报，2008，27(7):1297-1307.

［6］ 刘泉声，白山云，肖春喜.基于现场监控量测的龙潭隧道施工围岩稳定性研究［J］.岩石力学与工程学报，2007，26(10):1982-1990.

［7］ 刘志春，李文江，朱永全.淤泥质地层地铁隧道施工地表沉降预测及分析［J］.岩土力学，2005，26(10):1681-1684.

［8］ TB 10108-2002，铁路隧道喷锚构筑法技术规范［S］.