清水隧道塌方治理效果的评价
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摘要：本文以兰渝铁路清水隧道塌方治理效果为研究对象，采用LTD2100探地雷达对塌方处的注浆效果进行检测，运用MIDAS-GTS模拟分析塌方治理后的稳定性，并与实时监控量测数据进行对比分析，对隧道塌方治理后的效果进行综合评价。结果表明治理效果良好，为后续施工提供了保障和依据，对今后隧道塌方治理效果的评价起到一定的借鉴作用。
关键词：隧道塌方；治理效果；评价
中图分类号： U45文献标识码： A
随着隧道及地下工程的迅速发展，隧道建设在道路建设中已占相当大比重，但在隧道建设过程中出现塌方事故则屡见不鲜。对于塌方如何治理是各工程单位比较关心的，治理后的效果评估则往往被忽略，因而存在治理后再次塌方的风险或是边治边塌、边塌边治的恶性循环，不仅增加成本，还给工程质量、安全带来隐患。因此对于治理后的效果评价应加以重视。
1 工程概况
清水隧道位于甘肃省陇南市武都区，隧道起讫里程为DK362+776~DK366+092，全长3316m，隧道平面位置图如图1所示。隧区地质条件较为复杂，主要为炭质千枚岩，岩体受构造影响，褶皱发育，薄片、薄层状岩层被节理切割成角砾状松散结构，岩体极破碎。在DK363+695处进行仰拱开挖时发生塌方，该处拱顶洞碴不断向下塌落，最后将洞内封闭，形成“关门”的危险情况，如图2所示。针对塌方，采取了洞渣回填与临时支撑、小导管注浆加固、管棚穿越塌腔、泵送2m厚C20混凝土和0.5m厚细砂层封堵塌腔、换除侵限拱架等治理措施。
图1 清水隧道平面位置图 图2 清水隧道DK363+695处塌方
2 塌方治理效果评价
2.1塌方注浆效果分析
在DK363+685~DK363+710段布置了一条长25m的拱顶纵向测线，并分别在DK363+695和DK363+700两个断面处各布置一条环向测线，环向测线长度5m（拱顶两边各2.5m）。测线的布置示意如图3所示。LTD2100探地雷达选择GC270 MHz屏蔽天线，设置好时窗、介电常数、探测方式等相关参数，进行数据采集，分析混凝土的厚度以及混凝土的密实性。
图3 拱顶纵向测线与环向测线布置示意图
DK363+710~DK363+685段拱顶雷达扫描的伪彩色图以及扫描厚度情况如图4、图5和图6所示。
图4 DK363+710~DK363+685段雷达扫描伪彩色图
图5 DK363+703.1~701.0段48~115cm范围内混凝土不密实
由图4可知，DK363+710~DK363+685段混凝土在1.3m深度范围内同相轴连续性较好，没有空洞时的弧形反映和不密实时的同相轴畸变不连续、杂乱无章并且反射波组强度较大的反映，注浆效果比较理想。只有在DK363+703.1~701.0段2.1m的长度范围、48~115cm的深度范围内的反射波组同相轴不连续并且反射波强度明显减弱，混凝土注浆稍不密实，如图5所示。在1.3~2.0m的深度范围内反射波同相轴的连续性比0~1.3m深度范围内反射波同相轴连续性稍差，这是由于混凝土在自身的重力作用下使得其越接近拱顶则越密实。
图6 DK363+710~685段雷达扫描厚度情况
由图6可知：混凝土的层厚范围值为1.86~2.25m，其中最大厚度2.25m，最小厚度1.86m，而1.90~2.10m这一范围占了整段层厚的85%以上，细砂层的层厚范围为0.50~0.80m，符合实际的设计方案要求。
可以看出塌腔处的混凝土比较密实，没有出现空洞和严重不密实的情况，而且注浆厚度达到要求，注浆效果整体上较好。
2.2塌方治理的数值模拟
运用Midas GTS数值模拟技术模拟塌方治理后的稳定性情况。首先进行模型分析，包括计算假定、模型范围、边界荷载，然后选择模型参数，进行模型的网格划分，建立完模型后进行模拟的运算，分析塌方处理后的塌方处水平收敛情况、拱顶沉降情况以及围岩应力情况。
水平方向（DX）位移云图、竖直方向（DZ）位移云图、水平方向（SXX’）应力云图以及竖直方向（SYY’）应力云图分别如图7~图10所示。
图7 水平方向（DX）位移云图图8 竖直方向（DZ）位移云图
图9 水平方向（SXX’）应力云图 图10 竖直方向（SZZ’）应力云图
由图7和图8可知：左右拱腰水平收敛值为4.588mm，左右边墙水平收敛14.161mm。由于仰拱未施作，底部没有与上部初支封闭成环，在岩土压力作用下底板向上隆起，对左右拱脚部位产生向外侧的挤压力，同时左右拱脚在锁脚锚杆的作用下，左右拱脚水平收敛值最小，为0.535mm；拱顶沉降值为5.81mm并趋于稳定，拱底部位由于仰拱未施作，没有与上部初支封闭成环，在岩土压力作用下向上隆起，位移为7.144mm。
由图9和图10可知：水平方向上的应力大部分均是处于受压状态，只有局部出现受拉情况。其中最大压应力出现在拱脚部位，为0.937MPa，拱肩部位压应力为0.889 MPa，拱腰部位压应力为0.623 MPa，边墙部位压力为0.153 MPa，仰拱部位压应力为0.059，拱顶局部处于受拉状态，最大拉应力值为0.05 MPa；塌腔部位的压应力范围是0.047~0.153 MPa；竖直方向上的应力全部处于受压状态。最大压应力出现在边墙部位和拱脚部位，最大值为 1.68 MPa，拱腰部位压应力为0.504 Pa，拱顶和仰拱的压应力为0.008 MPa。
可见对于塌方的处理措施达到了一定的效果，但是应该尽快施作仰拱，使初支封闭成环，增强均匀受力能力，并及时跟进二衬，增加隧道的安全储备。
2.3塌方实时监控量测
对围岩水平收敛情况、拱顶沉降变化情况进行严密监控量测，DK363+695断面拱顶沉降量与时间关系曲线图以及拱顶沉降速率与时间关系曲线图如图11和图12所示。DK363+695断面水平收敛量与时间关系曲线图以及水平收敛速率与时间关系曲线图如图13和图14所示。
图11 DK363+695断面拱顶沉降量与时间关系曲线
图12 DK363+695断面拱顶沉降速率与时间关系曲线
由图11和图12可知：拱顶累计沉降13.6mm，沉降速率为0.1mm/d。其中，前4天的沉降量和沉降速率增长较快，分别为5.6mm和2.2mm/d，第4天后沉降速率急剧减小，到第8天基本上趋于稳定，其后沉降速率呈波动变化，但速率都不大，在0~0.6 mm/d之间。
图13 DK363+695断面水平收敛量与时间关系曲线
图14 DK363+695水平收敛速率与时间关系曲线
由图13和图14可知：DK363+695断面水平收敛曲线与其拱顶沉降曲线走向一致，为“抛物线型”。第1天其收敛速率达到最大值8.47 mm/d，随后收敛速率呈现减小趋势，第5天后收敛趋于稳定，平均收敛速率2.25mm/d，累计收敛量13.9mm。
2.4数值模拟与监控量测结果对比分析
将数值模拟结果与监控量测结果进行对比分析，如表1所示。
表1 清水隧道塌方模拟数据与监测数据对比情况
边墙水平收敛（mm） 拱腰水平收敛（mm） 拱顶沉降
（mm）
数值模拟 14.161 4.588 5.81
实时监控量测 13.90 3.89 13.6
由表1可知：模拟结果比较理想，与实际监测数据比较接近。从水平收敛情况看，拱腰和边墙实测值分别为3.89mm与13.90mm，模拟值为4.588mm与14.161mm，较之稍大，因为模拟参数取值过程中侧压力系数取值是偏小的，计算结果是偏于保守和安全的；从拱顶沉降值来看，模拟的结果值较实际监测值偏小，可能的原因是塌腔上部的围岩到达稳定状态前可能会有部分松散体塌落至细砂层上，使得拱顶上部压力增大，导致模拟值略小于实测值。
总体上来看，模拟结果与实测结果接近，表明塌方治理效果良好。
3 结论
对清水隧道塌方治理效果的评价表明塌方治理效果比较理想。在今后的隧道塌方治理效果评价中可以借鉴LTD2100探地雷达检测注浆效果、MIDAS-GTS模拟分析与实时监控量测相结合的综合评价方法，为施工提供依据和指导。
参考文献
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[4] Midas GTS 用户手册北京迈达斯技术有限公司.LIDAS/GTS的岩土分析[M],2004