淺談隧道塌方冒頂原因及處理方案研究

摘 要：本文基于筆者多年從事隧道工程施工的相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)，以筆者參與的某隧道工程項(xiàng)目為研究背景，針對(duì)施工工程中出現(xiàn)的一次坍塌冒頂事故，給出了詳細(xì)的塌方情況分析和原因分析，并在此基礎(chǔ)上，提出了具體的實(shí)施方案，全文是筆者長(zhǎng)期工作實(shí)踐基礎(chǔ)上的理論升華，相信對(duì)從事相關(guān)工作的同行有著重要的參考價(jià)值和借鑒意義。

關(guān)鍵詞：隧道 塌方冒頂 處理方案 工藝總結(jié)

中圖分類(lèi)號(hào)：U457 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）04（c）-0057-02

云南省廣硯高速公路是國(guó)道主干線（GZ75）衡陽(yáng)～南寧～昆明公路滇鏡中的一段，是交通部發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃中“五縱七橫”國(guó)道主干線公路系統(tǒng)中重點(diǎn)改造路段，也是云南省高等級(jí)公路網(wǎng)規(guī)劃“三縱三橫”、“九大通道”的重要組成部分，線路設(shè)計(jì)全長(zhǎng)73.92 km。第3合同段位于珠街鎮(zhèn)，其中有一隧道，為雙幅單向通行，雙車(chē)道，隧道凈寬10.25 m，單幅長(zhǎng)1227 m。

1 工程地質(zhì)概況

隧道段地貌屬構(gòu)造剝蝕中-低丘陵地貌單元，地形起伏較大，地面標(biāo)高相對(duì)高差270 m。地形坡度一般為25°～60°，山體頂部渾圓，山脊大部呈狹長(zhǎng)、陡峭和狹長(zhǎng)平緩狀。根據(jù)目前已開(kāi)挖出露的巖層，該隧道段巖層以弱風(fēng)化石灰?guī)r為主，局部地段含有綠泥鈉長(zhǎng)片巖和石英巖?？辈炫c設(shè)計(jì)結(jié)果表明，圍巖大都為Ⅱ～Ⅳ級(jí)。除出口段右線洞口附近巖層為強(qiáng)風(fēng)化的黑色碳質(zhì)灰?guī)r和塌方段為黃泥夾層與勘查設(shè)計(jì)情況不甚相符之外，其它地段巖層均與勘查設(shè)計(jì)相吻合。

2 塌方情況

該隧道某段原設(shè)計(jì)為Ⅲ級(jí)圍巖。初期支護(hù)為：3 m長(zhǎng)藥卷錨桿，環(huán)向間距1 m、縱向間距1.2 m的格柵拱架，22 cm厚網(wǎng)噴混凝土。施工方式為全斷面開(kāi)挖，S3b復(fù)合式襯砌。原設(shè)計(jì)斷面見(jiàn)圖1。

在爆破開(kāi)挖后掌子面處發(fā)現(xiàn)黃泥層并有滲水，拱頂靠右不時(shí)有少量塌落物，巖層為水平走向。中午黃泥層繼續(xù)塌落，塌落速度加快，并有較大的滲水。在洞右方形成小型塌洞（Ⅰ），塌洞面積約1 m2左右（圖2）。

在完成兩榀格柵拱架的架設(shè)后，在架設(shè)第三榀格柵拱架時(shí)，發(fā)現(xiàn)后面已完成的初期支護(hù)混凝土出現(xiàn)裂紋，同時(shí)出現(xiàn)塌落物（軟黃泥和石塊，自掌子面超前小鋼管間塌落），并且隨著塌落物不斷地增加裂紋也逐步增大。晚上開(kāi)挖面開(kāi)始出現(xiàn)大面積塌方，掌子面上方形成大的空洞（Ⅱ），如圖2所示，落下的黃泥碎石土和石塊。整個(gè)開(kāi)挖面被塌方體覆蓋，塌方體涌至YK166+352斷面，塌腔高度約為5 m，塌腔縱向約為15 m。

3 塌方原因分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況以及塌方段對(duì)應(yīng)地表調(diào)查和分析，造成本次塌方的原因有以下幾點(diǎn)。

（1）從地質(zhì)縱斷面圖來(lái)看，塌方段地表正位于兩山峰之間的埡口處。而且隧道在此處埋深較淺，大約為30 m，地形陡峭。埡口處有一斷層（F3）經(jīng)過(guò)，位于埡口處的巖層受水平地應(yīng)力作用擠壓嚴(yán)重，致使巖石破碎，巖體內(nèi)部節(jié)理裂隙被兩側(cè)地表沖積土所充填。同時(shí)，塌方發(fā)生時(shí)正值雨季，地表水豐富且沿埡口地勢(shì)較低的破碎巖縫、節(jié)理裂隙中滲流。因此隧道洞內(nèi)滲水較大，夾在巖石間的黃泥軟弱夾層及其它松散巖體受滲水作用迅速軟化，巖體抗剪強(qiáng)度大大降低，巖石間的摩擦力不能支撐上部巖體重量從而導(dǎo)致隧道拱頂圍巖發(fā)生重力坍塌。（2）據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及按照《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算，隧道塌方段實(shí)際圍巖出露級(jí)別為Ⅴ級(jí)，與原設(shè)計(jì)的III～I(xiàn)V級(jí)圍巖級(jí)別不相符。原全斷面開(kāi)挖方式已無(wú)法保證掌子面的臨時(shí)穩(wěn)定，已采用的初期支護(hù)方案也無(wú)法保證結(jié)構(gòu)和施工安全。（3）對(duì)地質(zhì)變化及塌方預(yù)兆未予足夠重視，致使險(xiǎn)情擴(kuò)大。首先，在掌子面出現(xiàn)黃泥夾層時(shí)，應(yīng)引起重視，加強(qiáng)初期支護(hù)；其次，在局部塌方時(shí)應(yīng)及時(shí)密實(shí)回填塌腔；最后，在右洞發(fā)生塌方后，左洞施工應(yīng)引起警惕，不應(yīng)重復(fù)右洞塌方過(guò)程。

4 施工方案

為了防止塌方的進(jìn)一步擴(kuò)大，保證施工進(jìn)度，根據(jù)隧道塌方現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，將隧道分為穩(wěn)定段、塌方段和后繼段三個(gè)區(qū)段，針對(duì)不同區(qū)段分別采取不同的處理措施。

4.1 穩(wěn)定段處理方案

穩(wěn)定段是指隧道左、右洞內(nèi)初期支護(hù)已按照原設(shè)計(jì)施作完畢、塌方后尚未發(fā)生變形破壞、而二次襯砌短時(shí)間內(nèi)無(wú)法跟上的區(qū)段，該段處理的原則是“加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，二次襯砌快跟”。

（1）采用跳躍法施作二次襯砌，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，以最快速度施作離塌方體最近的二次襯砌，以保證初期支護(hù)施工完成區(qū)段的最終穩(wěn)定和安全。（2）由于現(xiàn)場(chǎng)襯砌臺(tái)車(chē)、掛布臺(tái)車(chē)空間的要求及原施工工序的影響，仍有30 m左右長(zhǎng)度范圍的二次襯砌無(wú)法及時(shí)施作，對(duì)于該段以加強(qiáng)初期支護(hù)的監(jiān)控量測(cè)為主，同時(shí)做好應(yīng)急支撐方案的準(zhǔn)備，一旦該段出現(xiàn)大變形情況將立即采取應(yīng)急處理措施。（3）靠近塌方體5～10 m的穩(wěn)定初期支護(hù)段，處于塌方體影響范圍內(nèi)，短期內(nèi)二次襯砌無(wú)法緊跟。為保證初期支護(hù)強(qiáng)度和后期施工安全，采取如下措施：在原噴混凝土內(nèi)層增加間距為60 cm的18型工字鋼拱架，待鋼拱架安裝完畢后采用小導(dǎo)管對(duì)圍巖進(jìn)行系統(tǒng)注漿加固。導(dǎo)管采用4.5 m長(zhǎng)42注漿鋼花管，按1.2 m×1.2 m梅花型布置。

4.2 塌方段處理方案

4.2.1 方案比選

（1）采用大管棚注漿加固。（2）采用小管棚注漿加固。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，考慮到施工的工藝，安全及快速，并且考慮節(jié)約成本。通過(guò)比選采用第二方法施工。

4.2.2 方案確定

經(jīng)設(shè)計(jì)、業(yè)主、監(jiān)理、施工方四主協(xié)商采用如下處理措施。

（1）對(duì)塌方體進(jìn)行回填反壓，保證塌體穩(wěn)定和后期施工的安全。（2）對(duì)塌方體表面采用12 cm厚貧混凝土封閉，并完善掌子面處的排水系統(tǒng)，防止地下水在掌子面處的匯集，保持該段干燥，避免由于積水浸泡導(dǎo)致該段圍巖強(qiáng)度進(jìn)一步降低。（3）采用環(huán)向間距40 cm、長(zhǎng)度為12 m的超前小管棚貫穿坍塌體，以2°仰角打入拱部圍巖，對(duì)塌方體進(jìn)行注漿加固。小管棚材料采用外徑83 mm、壁厚5 mm的熱軋無(wú)縫鋼管，注漿材料采用水灰比為1∶1的普通水泥漿液，同時(shí)外摻速凝劑。注漿機(jī)型號(hào)為FBY 50/70，注漿壓力為0.5～1.5 MPa。管棚孔內(nèi)采用M30水泥砂漿充填。待超前小管棚施工完后再對(duì)塌腔采用貧混凝土進(jìn)行泵送回填。（4）采用雙側(cè)壁導(dǎo)洞法對(duì)坍塌體進(jìn)行開(kāi)挖以減少開(kāi)挖斷面面積。（5）在二次襯砌澆注之前，對(duì)剩余塌腔通過(guò)高壓注漿回填密實(shí)。（6）塌方段采用S2c復(fù)合式襯砌進(jìn)行支護(hù)。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作，發(fā)現(xiàn)該方法在施工過(guò)程中對(duì)坍塌體擾動(dòng)小，沒(méi)有造成二次坍塌，初支后監(jiān)控量測(cè)變形小，圍巖穩(wěn)定。

4.3 后繼段處理方案

該段處理方案分兩種情況，根據(jù)不同情況采取不同方案。

（1）當(dāng)塌方段治理完畢后，如果開(kāi)挖掌子面處圍巖恢復(fù)到原來(lái)較好狀態(tài)，則繼續(xù)按原設(shè)計(jì)進(jìn)行施工。（2）當(dāng)塌方段治理完畢后，開(kāi)挖掌子面處圍巖狀態(tài)仍未變化，則以每30 m為一個(gè)單元，采用加強(qiáng)初期支護(hù)和二次襯砌進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工。

5 施工體會(huì)與建議

通過(guò)坍方處理，筆者體會(huì)到。

坍方處理必須要找到發(fā)生坍方的原因。處理坍方必須安全、快速、施工難度小的情況下進(jìn)行施工。隧道淺埋及沖溝地段在施工前一定要做好地質(zhì)調(diào)查，做到有的放矢。對(duì)于淺理地段隧道一定要注意防排水，以免地下水滲透影響巖土層及構(gòu)造的力學(xué)性質(zhì)，危及安全。對(duì)于地質(zhì)較差的淺層、較破碎的地段施工一定要有施工預(yù)案，防患于未然。

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