徐金峰，王皓正，2，周应新,，刘志义，谢雄耀

(1.同济大学地下建筑与工程系，上海 200092； 2.浙江省交通运输科学研究院，浙江 杭州 310023；3.云南楚姚高速公路建设指挥部，云南 楚雄 675000)

0 引言

红层岩体是一种有强软化性、崩解性、强度低的特殊岩体，当隧道在其中穿越时，对围岩变形特征及施工安全产生决定性的影响[1-3]。以往在红层岩体地区中修建的地下结构，在施工和运营期发生过多次灾害。都江堰石垭隧洞运营10余年后，出现拱顶挤压、混凝土掉块、底板严重变形等灾害[4-5]。兰渝铁路的同寨隧道，施工过程中掌子面出现滑塌[6]。广大铁路站前二标隧道，出现了风化剥落、顺层滑塌、塌方、冒顶等灾害。由于红层岩体的强软化性，隧道在其中穿越时，不可避免会遇到破碎带等不良地质情况。近年来，相关领域涌现出不少探究隧道破碎带的变形特征以及锚杆对破碎带加固机理的文章。其中对变形特征的分析主要集中在累计变形量、变形速率随开挖时间的变化[7-9]以及距掌子面的相对距离对变形的影响[10-13]等方面，但均为隧道全断面穿越破碎带的情况，无针对隧道横截面局部穿越破碎带这一特殊情况的分析，且现有研究中的变形测点均集中于拱顶，对断面内不同位置沉降差异的研究较少。在锚杆加固机理的分析方面，李磊等[14]通过对锚杆轴力的测量，认为锚杆对破碎带围岩加固作用非常明显；王新雨[15]利用有限元计算，对比在完整岩体中不同锚杆长度(1.9，2.5，3.0m)和布置方式的支护效果，得出长短交错布置锚杆对围岩的位移控制最理想以及短密与长疏锚杆作用效果接近的结论。郭小红等[16]引入了锚杆费效比的概念，推荐在软弱围岩中采用长疏锚杆进行加固；徐林生等[17]、刘高等[18]、谢俊峰等[19]建议在隧道穿越破碎带时采用4～8m等超长锚杆进行加固。已有研究对长锚杆的加固机理及效果分析较少，利用锚杆进行局部破碎带加固也鲜有学者研究。

因此，本文首先将对陈家冲隧道在K9+915断面红层岩体遇水弱化后的局部破碎带产生塌方的原因以及变形特征进行分析，随后对不同长度锚杆(3.5，4.5，6m)及其组合的加固效果和作用机理进行研究，为局部破碎带塌方机理探究和锚杆加固方案的设计提供参考。

1 工程概况

1.1 红层岩体特性

红层岩体在我国西部地区广泛分布，滇中区域内尤为集中。在天然状态下，力学性质通常良好，但在遇水后，其强吸水作用会导致晶胞间距增大，胶结作用减弱引起劣化，宏观表现为膨胀、软化甚至崩解，由于其复杂的工程力学性质，对隧道设计、施工的安全性影响极大。因此，红层地区修建的隧道，如果围岩遭遇地下水导致崩解产生破碎带后，未给予预防措施时常会引发不良后果。

1.2 工程概况及塌方险情分析

陈家冲隧道坐落于云南省楚雄境内，位于垅状起伏低山丘陵地貌区，受自然箐沟影响存在偏压情况。隧道穿越段多为层状中风化、强风化泥岩和泥质粉砂岩，为典型滇中红层地区，穿越中段存在遇水弱化破碎带。

陈家冲隧道为采用无中导洞工艺施工的连拱隧道，右幅率先开挖，随后再开挖左幅。隧道为马蹄形断面，高11m、宽14m，最大埋深54m，采用三台阶法开挖，其中上台阶高3.3m，中台阶高4.4m，下台阶高3.3m，各台阶间距为15m。

2018年12月22日，陈家冲隧道先行洞开挖至K9+915断面中台阶时，右侧突然出现大规模坍塌引发初期支护沉降变形。该断面地形的复杂性表现在地形偏压以及右上侧存在遇水弱化的局部破碎带。由于塌方前浅埋侧即右拱肩沉降已大于深埋侧左拱肩沉降，经过现场调研分析，初步推断塌方是该断面右上侧围岩遭遇地下水后软化形成破碎带，而施工现场未给予充分关注，喷锚支护未及时施作，导致破碎带变形进一步发展从而引起隧道塌方。

2 破碎带塌方原因分析

为探究陈家冲隧道K9+915断面塌方的产生原因，探究存在局部破碎带时隧道的变形机理，利用有限元软件PLAXIS 进行模拟分析。

2.1 计算模型

2.1.1模型边界

模型左右边界距离隧道边缘3倍以上洞径，水平方向共120m；上边界取至地表，最大埋深42m，最小埋深28.6m；下边界距离隧道底部50m(大于3倍以上洞径)，如图1所示。其中上边界为自由面、不施加约束，对左右边界施加水平方向约束，对下边界施加水平和竖直方向约束。

图1 模型示意

2.1.2模型参数

依据地勘资料，地表存在厚度为3m的强风化泥岩，其余部分为中风化泥岩，破碎带范围选用强风化泥岩进行模拟，具体材料参数如表 1，2所示。采用V级围岩的设计参数，围岩与衬砌均采用实体单元进行模拟；为实现注浆锚杆的全长胶结作用，采用土工格栅单元进行模拟；结合地勘资料以及塌方后破碎带处有地下水流出的现象，分析破碎带产生原因为该区域红层岩体遭遇地下水，局部发生崩解软化所致，参考红层软岩浸泡风干实验岩性力学指标劣化规律[1]，对破碎带岩体弹性模量、黏聚力、内摩擦角等参数进行折减。

表1 模型材料参数

表2 锚杆材料参数

2.1.3破碎带模拟

经现场实地查勘，发现破碎带主要位于隧道前进方向右上拱肩处，取上台阶与隧道右侧交界处为参照点，将其上方5.7m，左侧5m、下方2.5m，右侧5m为K9+915断面的局部破碎带，如图2所示。

图2 拱肩破碎带模拟(阴影区域为破碎带范围)

2.2 计算结果验证

当存在破碎带时，上台阶施作后拱顶、右拱肩沉降值分别为161.4，137.2mm，与实测值162，138mm基本一致，验证了计算的正确性，如图3所示。由于中台阶施作时，现场发生大规模塌方，围岩由连续体变为破碎体，无法进行有效模拟，因此中台阶施作后的沉降数据与实际监测值差异较大。

图3 沉降值实测与计算对比

2.3 破碎带变形特征

在浅埋隧道中，同一断面的沉降通常大于水平收敛[12]，因此在位移场分析中主要针对沉降的变形特征进行研究，取拱顶和左右拱肩3个测点的沉降数据进行分析，如表 3所示。

表3 有无破碎带沉降数据对比

通过对比可见，无论破碎带存在与否，上台阶施作是对原围岩的第1次扰动，故引起的应力重分布最大，导致上台阶施作引起的沉降最大，占累计沉降的50%以上；中台阶施作的应力重分布是在上台阶的基础上进行调整，因此沉降相对较小；下台阶施作后由于形成了拱效应导致沉降会有少量反弹，如图4所示。

图4 有无破碎带沉降数据对比(K9+915断面)

当无破碎带时，在偏压作用下，拱顶沉降>偏压侧(左侧)沉降>非偏压侧(右侧)沉降；当存在破碎带时，虽然上台阶施作拱顶沉降最大，但右拱肩沉降已大于左拱肩沉降，与偏压方向相反。中台阶施作时，右拱肩沉降已开始大于拱顶沉降且大于左拱肩沉降，变形特征完全由破碎带主导。

2.4 塌方原因分析

通过对围岩总应力分布进行对比(见图5)，发现上台阶施作引起应力重分布最大，导致的沉降同样最大，破碎带内部分区域已进入塑性阶段，由于塑性区范围相对较小，在初期支护完成后限制了破碎带内塑性区的进一步发展，因此上台阶施作时仅出现较大位移，尚未出现塌方；当中台阶施作时，再次引起围岩应力重分布，由于破碎带内围岩强度相对较低，使破碎带内塑性区范围进一步扩大，如图5b所示，而且，中台阶开挖后，现场喷锚支护未及时施作，导致变形不断发展，从而引起塌方。因此，陈家冲隧道K9+915断面的塌方，是由存在遇水弱化的破碎带和喷锚支护施作不及时两个原因共同作用所导致的。

图5 总应力分布对比

3 锚杆加固作用研究

对于存在破碎带的隧道，施工过程中常采用增加锚杆长度、施作超前管棚、注浆等方式进行加固以控制变形。然而，已有研究对于不同长度锚杆在破碎带加固效果的分析非常有限。因此，在前述计算模型的基础上，修改局部破碎带内的锚杆长度，对比不同方案的加固效果，分析锚杆加固作用。

3.1 加固方案

为探究如何利用锚杆对局部破碎带进行有效加固，进一步研究锚杆的加固作用，在调研了工程中常用的锚杆长度后，将破碎带范围内锚杆长度分别改为3.5，4.5m和6m(分别称短锚杆、中锚杆、长锚杆)及其两两组合，共6种加固方案(见图6)进行分析。通过提取拱顶以及左右拱肩的沉降数据，对比无破碎带时沉降特征的差异，来评判锚杆的控制效果。其中长度为3.5m的锚杆多数处于破碎带内，4.5m的锚杆半数刚延伸至破碎带外，6m的锚杆基本全穿过破碎带并进入岩体一定范围。

图6 锚杆加固方案示意

3.2 加固效果对比与分析

如图7a所示，在各工况下，上台阶施作过程中，拱顶沉降最大，中锚杆与长锚杆组合加固和仅用长锚杆加固时，可在破碎带形成良好的加固效果，因此破碎带内的右拱肩沉降小于左拱肩沉降，变形特征由偏压主导，与无破碎带的情况一致；短长锚杆组合左右拱肩沉降较为接近，加固效果较长锚杆弱，故变形特征由偏压和破碎带共同决定；在剩余情况下，加固效果相对较差，导致右拱肩沉降均大于左拱肩沉降，变形特征由破碎带主导。由图7b,7c可见，中台阶施作后，在变形由破碎带主导的工况中，最大沉降点由拱顶转移至破碎带内的右拱肩；偏压和破碎带共同决定的短长锚杆组合工况，虽然沉降最大点仍为拱顶，但右拱肩已明显大于左拱肩；而良好加固效果的长锚杆和中长锚杆组合，最大仍出现在拱顶，增强效果仍在继续发挥作用。

图7 各加固方案累计沉降对比

4 不同长度锚杆加固机理讨论

提取未穿出破碎带的4.5m长锚杆和穿出破碎带的6m长锚杆的轴力，归一化后对进行对比，如图8所示。由图8可见，4.5m长锚杆的轴力在破碎带内沿长度方向均匀递减，与围岩融为一体发挥增强作用；而6m长锚杆在破碎带内轴力无明显变化，但在穿出破碎带后骤减，可见此处锚杆所受摩阻力突增以约束锚杆位移，使锚杆产生悬吊作用。

图8 锚杆受力对比

通过加固效果的对比分析，可见无论是累计沉降还是单步沉降，中长组合与长锚杆进行加固，在变形特征上均保持与无破碎带时的一致性，说明利用这两种锚杆加固方案可实现对破碎带的有效加固。而短长锚杆组合时，在上台阶开挖与无破碎带的变形特征基本一致，但是中台阶开挖后，又发生了较大的差异，可见短长锚杆组合虽然对破碎带有一定的加固效果，但是由于短锚杆长度不足导致加固效果有限，因此在中台阶开挖引起较大的应力重分布时，又产生了较大变形。

对局部破碎带进行加固时，短、中锚杆发挥增强效应，对局部破碎带内的围岩进行加固从而使隧道周边围岩能够成环，提高其自承载能力，达到控制变形的目的。短、中锚杆长度的差异导致其加固范围不同，从而影响加固后承载环的刚度，影响加固效果，因此中台阶开挖时，短长锚杆组合发生较大变形，而中长锚杆组合仍有较好的变形控制能力。

长锚杆在发挥增强效应的同时还可发挥悬吊作用，将破碎带内围岩进行加固后，将其悬吊至完整的围岩内形成一体，进一步增强加固效果。因此长锚杆及其与中锚杆的组合均对沉降有较好的控制作用。长锚杆与短锚杆组合的情况，因短锚杆加固效果有限，因此仅在围岩应力重分布较小时有较好的沉降控制效果，但是当围岩应力重分布较大时，沉降控制效果有所下降。

仅用中锚杆加固时拱顶及拱肩沉降远大于中锚杆与长锚杆组合时的沉降数据，甚至还远大于短锚杆与长锚杆组合时的沉降数据，可见对局部破碎带进行加固时，仅依靠锚杆的增强效应对位移的控制效果非常有限，只有在长锚杆发挥悬吊效应后，才能对破碎带内的沉降进行有效控制。

陈家冲隧道K9+915断面的塌方段，最终采用管棚与穿过破碎带的系统锚杆交叉组合的加固方式，顺利通过了塌方段和后续新出现的破碎带区域，从而进一步证明了分析的合理性。

5 结语

针对陈家冲隧道在红层地区穿越遇水弱化破碎带塌方的案例，探究了该隧道塌方的产生原因以及在红层地区存在局部破碎带时隧道的变形特征，并利用不同长度的锚杆及其组合对局部破碎带进行加固，对比分析出锚杆在局部破碎带内的加固机理。主要结论如下。

1)隧道穿越破碎带时，由于破碎带围岩强度较低，应力重分布常会在其中产生较大塑性区，从而导致塌方，因此需要及时进行喷锚支护，限制塑性区进一步发展，控制变形。

2)对于存在偏压的隧道，当浅埋侧存在小范围局部破碎带时，变形特征常由局部破碎带而非偏压主导：破碎带内沉降最大，破碎带外沉降随着与破碎带距离增加而减小。

3)未穿出破碎带和刚穿出破碎带的锚杆，主要发挥增强效应，穿出破碎带并进入完整围岩一定长度的锚杆，可同时发挥悬吊作用和增强作用，仅依靠锚杆的增强效应对沉降的控制有限，需结合悬吊作用后，才能更加有效地控制围岩变形。

4)利用刚穿出破碎带的锚杆与穿出破碎带并进入完整围岩一定长度的锚杆组合，可获得与全部采用后者加固相近的效果，显著降低加固成本。