公路隧道塌方成因分析和处治措施研究

响，会破坏岩体内部的应力平衡，引起围岩内部应力的重 新分布，从而导致围岩变形或破坏。围岩变形破坏特点与 围岩本身特性直接相关。 2.1 软弱岩体破坏机理
软弱岩体的围岩级别低、强度小，可能充填富水泥沙， 常表现为塑性屈服或弹塑性屈服。如果围岩结构较均匀时， 隧道坍塌以拱形冒落为主；如果围岩结构不均匀，可能发 生局部塌方、侧鼓、底鼓等病害。
4 公路隧道塌方处治措施及处治效果评价 4.1 公路隧道塌方处治措施
为避免二次塌方造成人员伤亡和经济损失，确保塌方 事故不影响后续的施工进度，需要及时对隧道塌方进行处 治。隧道塌方处治原则如下：① 快速处理封闭，稳固既有 坍塌面；② 处理过程中安全可靠，做到万无一失；③ 避免 该洞段形成大破碎段，将来难以施工；④ 保证施工质量，
按 照 《工 程 岩 体 分 级 标 准》（GB 50218—2014） 的 规 定：可按塌方体积或塌腔高度把隧道塌方划分成小塌方、 中塌方、大塌方，如表 1 所示[5]。
2 公路隧道围岩塌方机理 隧道围岩失稳破坏主要有两种形式：一种是隧道开挖
出现临空面，岩体自重荷载下产生掉块现象；另一种是围 岩强度不足或支护结构设计不合理，引起隧道结构大面积 坍塌。这是由于初始应力状态的岩体受到隧道开挖活动影
参考文献： [1] 邵普，李鹏，刘念，等 . 隧道穿越上软下硬地层塌方
数值模拟分析与处治措施研究[J]. 公路交通科技（应 用技术版），2019，15（4）：232-234. [2] 邓皇根 . 大跨黄土隧道塌方原因分析及处治方案设计 [J]. 路基工程，2017（4）：243-246. [3] 李奉霖 . 王家寨 1 号隧道塌方成因分析与处理措施研 究[D]. 成都：成都理工大学，2017. [4] 邓华 . 公路隧道常见中小规模塌方处治及预防控制措 施[J]. 湖南交通科技，2017，43（1）：152-155. [5] 许国平 . 巴怀隧道特大塌方成因机制及处治措施探讨 [J]. 公 路 交 通 科 技 （ 应 用 技 术 版 ）， 2012， 8 （6）： 361-364.
岩体通常由结构面和岩石组成，故岩体性质由结构面 和岩石共同决定。公路隧道所处的地质条件较为复杂，隧 道开挖后往往很难呈现均质的岩体，而是分布着不同规模 和不同形态节理、软弱夹层等结构面，此时隧道岩体被分 割成若干岩块。由于结构面的力学强度相对岩块要小，则 隧道岩体安全性与结构面特性、空间位置及组合形式密切 相关，尤其是隧道的拱顶和拱腰处，经常会沿软弱结构面
隧道围岩破坏模拟采用 Druker-Prager 屈服模型，该模 型在模拟围岩变形特性时不仅计算参数容易测定，还可以 考虑围岩的抗拉强度，并弥补摩尔—库伦准则导数在节点 处不连续的问题。 3.3 降雨前后隧道拱顶位移变化规律
在隧道拱顶中心线及两侧每隔 0.5m 布置一个沉降监测 点，得出降雨前后各监测点的沉降最大值，如图 1 所示。
塌方断面的围岩变形规律和塌方成因，最后研究了塌方隧道在注浆加固处治后的拱顶下沉和周边收敛变化，研究成果可以为
类似的塌方隧道处治提供一定的理论指导。
关键词：公路隧道；塌方成因；工程实例；处治措施；FLAC 3D
中图分类号：U451
文献标识码：B
0 引言 公路隧道地质条件及断面受力复杂，如果设计施工不
当，可能造成隧道塌方事故，造成人员伤亡和经济损失， 影响施工进度。因此，选择经济合理的塌方隧道处治方案 已经成为工程技术人员需要解决的重要问题。
目前，国内外学者及工程技术人员针对公路隧道运营期 常见病害及防治技术展开了一系列研究，如邵普等[1]以广东仁 化五里亭隧道为研究对象，分析了穿越上软下硬地层的隧道在 出现塌方时的变形规律，并提出相应的处治方案，提高了施工 安全性，降低了隧道塌方处治成本；邓皇根[2]总结了公路隧道 中小型塌方的特点，分析了长管棚、超前锚杆、超前小导管在 隧道塌方处治中的施工要点和处治效果；李奉霖[3]依托王家寨 1 号隧道，基于隧道围岩破坏机理和现场监控量测数据，分析 了隧道塌方形成时的围岩变形，并利用 FLAC 3D 软件建立隧 道塌方断面计算模型，探讨了地质条件、支护工艺、施工方法 等对隧道坍塌事故的影响。因此，研究公路隧道塌方成因和处 治措施具有十分重要的工程意义。
隧道软弱围岩屈服变形基本是逐渐扩展的，如层状节 理围岩隧道的塌方是先由拱顶沿层理面滑移下沉产生竖向 裂隙，使得边墙应力释放，导致边墙岩体崩落。此时，围 岩压力会慢慢传递至隧道顶板，顶板应力增加。当顶板应 力值超过围岩强度，隧道结构发生塌方破坏。 2.2 碎裂岩体破坏机理
碎裂岩体破坏形式以崩塌与滑动为主，其破坏规模受 岩体碎裂程度、含泥量及岩块间的接触关系影响较大。如 果碎裂围岩中岩块间的接触是刚性接触，则岩体在变形期 间岩块会相互挤压，产生较大阻力，隧道发生大规模塌方 的可能性较小；反之，碎裂围岩含泥量较高，岩块间接触 以柔性接触为主，支护参数设计不合理，容易导致隧道围 岩大变形，直至坍塌。
4.2 隧道塌方处治效果评价 为更好地评价隧道在注浆后处治效果，在隧道拱顶中
心及拱腰分别设置监测点，得到了拱顶下沉和周边收敛的 累计值随时间的变化规律，见图 2。
由图 2可知：隧道塌方段在注浆处治后，拱顶变形和周边 收敛有了明显降低，此时拱顶累计位移为 26.2mm，周边收敛累
（a）拱顶下沉
图 2 隧道处治后围岩变形规律
3 基于 FLAC 3D 的公路隧道塌方成因分析 以 云 浮 罗 定 至 茂 名 信 宜 （粤 桂 界） 高 速 公 路 TJ14 标
（K111+620—K122+600） 的 茶 山 岭 隧 道 右 线 为 研 究 对 象 ， 利用有限差分软件 FLAC 3D 来分析强降雨前后隧道塌方断 面的围岩最大位移变化规律及塌方成因。 3.1 工程概况
隧道沿线地质条件复杂，导致塌方原因并不是固定不 变的。混合型塌方指的是有岩体和软弱结构面特性共同控 制的塌方。 1.2 塌方形态
公路隧道常见的塌方形态主要有局部塌方、拱形塌方、 异形塌方等。其中隧道局部塌方主要发生在Ⅲ级及Ⅲ级以 上的硬质块状岩体中，塌方规模较小，塌方高度大多在 1.0 ～2.5m， 塌 方 位 置 多 在 拱 顶 或 拱 腰 。 相 关 统 计 资 料 表 明 ， 在Ⅰ级围岩、Ⅱ级围岩、Ⅲ级围岩中，局部塌方比例分别 占总塌方的 75%、52%、36%；隧道拱形塌方主要出现在层 状岩体或Ⅴ级以下破碎岩体。如果隧道埋深较浅，拱形塌 方范围可能“通顶”， 如果隧道埋深大，塌方会存在压力拱 现象，塌方规模较大，塌方高度可达 8～20m；隧道异形塌 方的塌腔形态不规则，与溶洞、陷穴等特殊地质密切相关。 1.3 塌方规模
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不留安全后患。项目部在综合考虑施工技术、施工难度、 工程造价等因素的基础上，拟采用地表注浆加固的方法来 处理隧道塌方。隧道在注浆期间必须对掌子面附近围岩变 化情况加强观察，确保注浆安全性，具体可分为以下五个 施工步骤：塌方体固结→塌方影响段加固→顶部坍塌空洞 处理→坍塌段预加固 （径向注浆） →坍塌段开挖及支护。
5 结论 本文深入分析了公路隧道的塌方类型、塌方机理、基
本特点，并利用 FLAC 3D 软件来分析了公路塌方隧道围岩 的变形规律和处治效果，主要得到以下几个方面的结论：
（1） 公 路 隧 道 塌 方 划 分 方 法 常 采 用 按 控 制 要 素 分 类 （结构面控制塌方、岩体特性控制塌方、混合型塌方）、按 塌方形态分类 （局部塌方、拱形塌方、异形塌方）、按塌方 规模分类 （小塌方、中塌方、大塌方） 等；
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公路隧道塌方成因分析和处治措施研究
高浩雄
（广东冠粤路桥有限公司，广东 广州 511450）
摘要：首先从控制要素、塌方形态、塌方规模分析了隧道塌方分类方法和塌方机理；随后以云浮罗定至茂名信宜 （粤桂界）
高速公路 TJ14 标 （K111+620—K122+600） 茶山岭隧道右线为研究对象，利用有限差分软件 FLAC 3D 探讨了强降雨前后隧道
（b）周边收敛
计值为 40.5mm。随着监测时间的增加，拱顶沉降和周边收敛持 续增加，但增加速率逐渐变缓。当监测时间小于 40d，拱顶沉降 和周边收敛的变化速率加快 （近似线形）；当监测时间超过40d， 拱顶沉降和周边收敛变化幅度较小，此时隧道的拱顶下沉速率 小于 0.5mm/d，周边收敛速率小于 1.0mm/d，满足 《公路隧道设 计规范》（JTG D70—2—2014） 中关于允许变形速率的规定。说 明塌方隧道在经过地表注浆加固措施处治后，围岩强度和稳定 性得到了明显的提升，可以顺利进入下一步施工。
收稿日期：2021-01-16 作者简介：高浩雄 （1986—），男，广东省梅州市人，工程师，从事路桥施工管理工作。
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交通世界 TRANSPOWORLD
项目类型 塌方体积/m3 塌方高度/m
表 1 隧道按塌方规模分类
大塌方 ＜30 ＜3
中塌方 30～60
3～6
小塌方 ＞60 ＞6
备注
满足塌方体积 或塌方高度
计算结果表明：公路隧道拱顶中心线处的沉降变形最 大，降雨前拱顶最大沉降为 2.13cm，降雨后拱顶最大沉降为 4.09cm，沉降增加了 92%。同时，距离隧道中心线越远，拱 顶变形越小，减小速率基本呈线性变化，且断面两侧沉降相 差不大。主要原因在于：研究区域附近纵向方向存在约 70～ 80°地质破碎带夹层，构造面岩体松散发育，属于全风化土状 花岗岩，围岩易软化，稳定性极差。在连续强降雨天气影响 下，裂隙水渗出，围岩易软化，各项强度指标出现一定程度 的降低，沉降量增加，最终导致隧道塌方事故。
出现滑移坍塌。 1.1.2 岩体特性控制塌方
隧道岩体中的软弱结构面间距很大 （超出工程范围）， 此时可忽略结构面对隧道稳定性的影响，可认为隧道塌方 与否主要取决于岩石本身的强度。如果岩石本身强度较大， 如岩浆岩、砂石岩等，则隧道结构稳定性较好。如果岩石 中滑石、炭质、高岭石、伊利石等软化矿物含量多，则在 地下水或化学作用下，隧道结构稳定性会急剧降低。 1.1.3 混合型塌方
设为重力应力场，其左边界、右边界、下边界进行 x 方向、 y 方向、z 方向完全约束；上边界为自由边界，可发生竖向 压缩变形和水平位移。隧道围岩及衬砌参数按照相关设计 资料、岩土勘察报告、现场施工参数等确定。 3.2.2 网格划分
网格尺寸、网格数量对数值模拟结果和计算效率影响 较大。在综合考虑围岩应力变形精确度和计算机运行速度 前提下，将隧道断面区域的网格划分，向外逐渐稀疏。其 中隧道开挖采用空模型，隧道的衬砌和仰拱采用 shell 单元， 共划分出 38 242 单元，54 628 个节点。 3.2.3 围岩屈服准则
茶山岭隧道右线隧道起讫里程 YK114+376—YK115+086， 长 710m，最大埋深约 70.8m。茶山岭隧道 YK114+806 上方地表 为山间冲沟，覆盖层厚约 22.8m，地表和洞顶之间围岩为强风化 混合岩，洞身围岩为强—中风化混合岩，裂隙发育，围岩较破 碎，现场地质条件差并处于 F5 断裂破碎带影响范围内。在上台 阶施工至桩号 K114+806 时，掌子面爆破后，掌子面右上方局部 坍塌冒顶，持续有地下水流出，洞内塌方量约为 200m³，塌体 掩埋已支护洞身 3m，覆盖约 5 榀拱架，地表塌陷近似椭圆形， 长轴长度约 11m，短轴长约 9m，最大深度约 6.5m。 3.2 隧道数值计算模型建立 3.2.1 模型几何边界及参数
由相关研究结果可知，隧道塌方发生时掌子面的空间 效应影响范围约为 2 倍开挖洞径。为降低空间效应的影响， 计算断面选择距开挖面 20m 的 YK114+786 断面。利用 FLAC 3D 建立隧道模型时，将其视为平面应变问题来分析，Y 方 向长度取 1，隧道围岩范围 4 倍开挖洞径。模型初始应力场
图 1 降雨前后隧道拱顶位移变形
（2） 隧道开挖形成临空面，在自身重力作用下、围岩 强度不足、支护结构不合理等原因作 强降雨会显著提高隧道拱顶的沉降变形，增加幅 度会达到 92%，且距离隧道中心线越远，拱顶变形越小， 减小速率基本呈线性变化；
（4） 公路隧道塌方段在注浆处治后，围岩强度和稳定 性得到了明显的提升，拱顶变形和周边收敛有了明显的降 低，变形速率满足规范要求。
1 公路隧道塌方类型划分 目前针对公路隧道塌方种类划分方法较多，尚无统一
的行业标准。常见的隧道塌方划分方法有按控制要素分类、 塌方形态分类、按塌方规模分类等[4]。 1.1 控制要素
根据公路隧道安全性的控制要素不同，可将塌方类型划 分成结构面控制塌方、岩体特性控制塌方、混合型塌方三类。 1.1.1 结构面控制塌方