羊泉隧道塌方形成原因分析及治理

楊忠 聶席明

摘 要：文章重點(diǎn)介紹了青蘭高速陜西境項(xiàng)目羊泉隧道塌方的過程及原因分析，闡述了塌方的治理和治理過程中出現(xiàn)的問題以及最終的解決方案，分析總結(jié)了富水黃土隧道設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題及開挖施工的技術(shù)關(guān)鍵，以期供同行參考。

關(guān)鍵詞：羊泉隧道塌方治理

1項(xiàng)目概況

1.1項(xiàng)目概況

青蘭線陜西境項(xiàng)目羊泉隧道隧址位于陜西省富縣羊泉鎮(zhèn)羊東村南約1公里處，為曲線型特長隧道，分別于公路測(cè)設(shè)里程ZK121+360～ZK124+470、YK121+381～YK124+457段穿越山體，分為左、右線，左線最大埋深約139米，右線最大埋深約137米。

1.2地形地貌

隧道穿越區(qū)為黃土塬梁峁工程地質(zhì)區(qū)的黃土塬工程地質(zhì)亞區(qū)，山體近南北走向，地勢(shì)總體南低北高，隧道與山脊近于直交，垂直隧道軸向兩側(cè)低，中部高而平緩。地面標(biāo)高介于1044.52～1198.15m，相對(duì)高差約153.63m。

1.3隧道工程地質(zhì)概況

隧址區(qū)分布的地層有第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積黃、中更新統(tǒng)風(fēng)積黃土。新黃土，具自重濕陷性，其強(qiáng)度較低，但多位于隧道頂部，對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性影響輕微。無褶皺，無斷裂。主要發(fā)育有兩組構(gòu)造節(jié)理，產(chǎn)狀分別為167～181°∠80～87°，263～265°∠80～95°，線密度1～2條/m，均為剪節(jié)理，延伸較長，節(jié)理見有鈣泥質(zhì)充填。近地表巖體中風(fēng)化裂隙較發(fā)育。

1.4設(shè)計(jì)概況

隧道建筑限界凈寬-13.00米（0.75m檢修道＋0.5m左側(cè)側(cè)向?qū)挾龋?×3.75m行車道＋3.5m緊急停車帶＋0.75m檢修道），凈空限界高度5.0米。襯砌斷面內(nèi)輪廓采用三心圓，緊急停車帶長度為40m。

塌方段均按IV級(jí)設(shè)計(jì)圍巖，超前支護(hù)為4米長φ25超前砂漿錨桿，間距40cm；支護(hù)形式為掛網(wǎng)錨噴支護(hù)，鋼筋網(wǎng)為φ8型20X20；徑向錨桿為間距100X100的3米長φ22砂漿錨桿；噴射砼為20號(hào)22cm厚；支護(hù)采用間距為75cm的I20；二襯為厚度45cm的25號(hào)素混凝土。

2塌方發(fā)生過程及原因分析

2.1右洞YK122+544~YK122+572塌方發(fā)生過程

2010年2月7日，該隧道掌子面開挖至YK122+572時(shí)，正值大雪天氣和春節(jié)長假，為確保隧道安全，將仰拱開挖及閉合回填施工至YK122+544，保證仰拱回填和掌子面的距離不超過30米后隧道施工基本停滯。2月20日YK122+545處4榀拱架右側(cè)拱腳處出現(xiàn)較大鼓出及錯(cuò)動(dòng)變形；從2月20日至3月4日期間，逐步采取了臨時(shí)仰拱配合鋼拱架扇形支撐5道（分布于二襯端頭向大樁號(hào)10米范圍內(nèi)），支撐方木垛二處（見照片）；3月4日凌晨4：00出現(xiàn)在二襯及支護(hù)的交界處右側(cè)出現(xiàn)長約7米的塌方；塌方發(fā)生后采用反壓核心土及環(huán)形開挖，雙側(cè)壁導(dǎo)坑開挖，但收效甚微；至4月29日出現(xiàn)塌頂及洞內(nèi)涌泥，涌泥長度達(dá)30米長；這個(gè)階段塌體內(nèi)的破壞形式（后期的開挖探明）表現(xiàn)為支護(hù)嚴(yán)重下沉2米左右，右側(cè)壁圍巖支護(hù)錯(cuò)斷并擠出近2米，搶險(xiǎn)臨時(shí)支護(hù)的鋼拱架嚴(yán)重扭曲，方木垛因錯(cuò)動(dòng)而推倒。

2.2塌方的原因分析

主要原因是覆蓋塬面大雪消融后大量的水份滲入地下造成隧道開挖滲水量加大，另外因開挖進(jìn)度僅僅達(dá)到75cm/天，造成掌子面及支護(hù)暴露段水文地質(zhì)惡化加劇，施工過程的拱頂下沉增至6cm/天以上，累計(jì)沉降量達(dá)到70~90cm，拱腳也因水文地質(zhì)惡化出現(xiàn)承載力不足而失穩(wěn)。

3塌方的治理

塌方治理共分三個(gè)階段，即大核心土環(huán)形開挖法；雙側(cè)壁導(dǎo)坑開挖法；全斷面超前預(yù)注漿加固圍巖法。

3.1大核心土環(huán)形開挖法

對(duì)塌落的虛方土體進(jìn)行反壓回填，人工形成長約13米，寬約10米，高約7米的超大核心土。并對(duì)核心土進(jìn)行小導(dǎo)管注漿、掛網(wǎng)噴護(hù)等加固，以形成一個(gè)穩(wěn)定的人工掌子面。然后以間距為30~40cm的I22人工向前開挖，歷時(shí)15天后因滲水不能排出，三方面原因?qū)е路桨甘?，其一，核心土泡軟局部失穩(wěn)；其二，向前開挖4榀且立好的鋼拱架因拱腳泡軟，拱腳承載力過低后造成拱頂變形過大；其三，洞頂塌方松散土體荷載過大造成拱腳大的下沉和拱頂變形。

3.2雙側(cè)壁導(dǎo)坑開挖法

為了解決拱腳排水及環(huán)形開挖易失穩(wěn)問題，3月19日決定將方案調(diào)整為雙側(cè)壁導(dǎo)坑開挖法。首先將原來的核心土進(jìn)一步加固，并對(duì)拱頂開口進(jìn)行回填加固并小導(dǎo)管注漿及掛職網(wǎng)噴護(hù)。然后先進(jìn)行左側(cè)的導(dǎo)坑開挖，導(dǎo)抗尺寸按寬1米，高2.5米進(jìn)行控制，每次開挖進(jìn)尺為1榀，即30~40cm。至3月22日，在右邊部導(dǎo)坑還未來得及開挖時(shí)，拱部軟土涌出，方案失敗。究其失敗原因，主要包括：其一，拱頂塌方后形成滲水通路，滲水除沿已支護(hù)成型的洞壁下滲至拱腳處外，還有一部分水滯留開拱頂?shù)乃缮⑼馏w中，長時(shí)間浸泡造成了拱頂土體泥化，使拱頂?shù)牡膲毫Σ粩嘣龃螅幚泶胧﹨s不能很快穿過塌方體，所以穿過難度隨著時(shí)間推移也在不斷增加；其二，在黃土隧道出現(xiàn)塌方時(shí)，塌方處理時(shí)拱腳處治須采取異常的加固措施方可保證施工的鋼拱架支護(hù)沒有大的下沉。其三，單層I22鋼支護(hù)不能承受來自拱頂?shù)木薮髩毫?，須采取雙層鋼拱架支護(hù)，尤其是在塌方處理時(shí)間長的情況下更應(yīng)采取更強(qiáng)的支護(hù)。

4二種治理方案的效果分析及其它輔助技術(shù)措施

大核心土環(huán)形開挖法及雙側(cè)壁導(dǎo)坑開挖法效果分析。從實(shí)際處理塌方的效果分析，大核心土環(huán)形開挖法及雙側(cè)壁導(dǎo)坑開挖法可以通過塌方段，但這兩種方法的風(fēng)險(xiǎn)較大，風(fēng)險(xiǎn)主要來自技術(shù)工作人員對(duì)水文地質(zhì)情況的正確把握及治理時(shí)機(jī)的把握，如塌體出現(xiàn)泥化將使這兩種方案失去有效性。另外施工工隊(duì)的施工水平也起著至關(guān)重要的作用。羊泉隧道左洞進(jìn)口及左洞出口也遇到類似的問題，其中左洞進(jìn)口使用第一種方法取得了成功；左洞出口使用管拱配合側(cè)壁導(dǎo)坑法也獲得了成功。兩種方案筆者認(rèn)為關(guān)鍵之關(guān)鍵是要把握住二點(diǎn)：其一，準(zhǔn)備及土體加固工作要“快字出頭”，即“清泥要快，反壓要快，掌子面圍巖加固要快，開挖支護(hù)要快”，盡量做到在松散土體泥化前完成普通的加固注漿，利用塌方后形成的土塊之間的孔隙注漿充填形成土體的支撐骨架，并迅速開挖通過；其二，開挖支護(hù)施工過程，一定要做到“拱腳蹬得住，拱頂頂?shù)米　薄?/p>

5結(jié)語

結(jié)合青蘭高速陜西境項(xiàng)目羊泉隧道右洞進(jìn)口塌方和治理過程以及治理過程及效果可得出以下重要結(jié)論：

5.1延安地區(qū)中更新統(tǒng)風(fēng)積黃土（Q2eol）富水黃土隧道圍巖等級(jí)判定所依據(jù)的含水量參數(shù)要在勘探的基礎(chǔ)上增加4~6%，在塬體蓄水體積大且土體滲透系數(shù)高時(shí)時(shí)應(yīng)取上限。

5.2延安地區(qū)中更新統(tǒng)風(fēng)積黃土（Q2eol）在富水情況下，容易因開挖施工形成沿掌子面前進(jìn)方向的連續(xù)井點(diǎn)效應(yīng)并造成水文地質(zhì)惡化。尤其當(dāng)隧道開挖施工過慢（進(jìn)度小于75cm/天）或停滯時(shí)水文地質(zhì)惡化加劇，施工過程的拱頂下沉可增大至6cm/天以上，拱腳也會(huì)出現(xiàn)承載力不足而失穩(wěn)的情況。所以要避免塌方出現(xiàn)，首先從進(jìn)度安排上要保證一旦隧道開工就要連續(xù)不停地開挖施工，且每天開挖進(jìn)度至少在1.5米以上（根據(jù)支護(hù)設(shè)計(jì)保證開挖達(dá)到2榀以上）。

5.3在拱頂累積沉降量大于45cm時(shí)，須從拱腳的強(qiáng)支撐上采取有效措施，而不能從增大預(yù)留沉降量來解決施工過程中的侵限問題。

5.4大核心土環(huán)形開挖法及雙側(cè)壁導(dǎo)坑開挖法處理塌方也是可行的方案，兩種方案成功與否的風(fēng)險(xiǎn)主要來自技術(shù)工作人員和工隊(duì)對(duì)水文地質(zhì)情況的正確把握及治理時(shí)機(jī)的把握，成功的關(guān)鍵在快。

5.5全斷面超前預(yù)注漿加固圍巖法是一種安全可靠的方法，但此方案的缺點(diǎn)是耗時(shí)長，成本高。每個(gè)循環(huán)（30~40米）加固完成歷時(shí)45天左右。