隧道防坍塌技術措施分析

劉建佳 LIU Jian-jia

（中國鐵建十二局集團有限公司，太原 030000）

（China Railway 12th Bureau Group Co.，Ltd.，Taiyuan 030000，China）

隧道防坍塌技術措施分析

劉建佳 LIU Jian-jia

（中國鐵建十二局集團有限公司，太原 030000）

（China Railway 12th Bureau Group Co.，Ltd.，Taiyuan 030000，China）

坍塌是隧道施工過程中的第一要害，在隧道安全事故中占到半數以上。隨著隧道工程技術和管理的不斷發(fā)展，事故次數和傷亡人數呈下降趨勢。引起隧道坍塌的主要因素包括自然、工程、人為等因素。針對性地采取預防技術和控制措施，可廣泛應用于隧道施工防坍塌。

隧道；坍塌；防止；措施

1 工程概況

新建鐵路長沙至昆明客運專線玉屏至昆明段TJ-3標段，全長35.6km，投資約33個億，是包括路、橋、隧、軌道專業(yè)在內的綜合性工程。其中隧道10座/14.6km，按時速350km/h雙線設計,橫斷面積約150m2，Ⅳ、Ⅴ級圍巖比例高，穿越多處斷層，巖溶發(fā)育，隧道坍塌風險極高。分析坍塌因素，加強綜合管理，避免了隧道坍塌事故的發(fā)生。

2 坍塌的危害

查閱以往隧道施工事故的統(tǒng)計和分析資料，坍塌、物體打擊、透水、冒頂片幫等事故類型占事故總數的主要部分，其中坍塌是施工過程的第一要害[1]，占列隧道施工事故的半數以上。隧道坍塌所致死亡人數也是占到40%左右。

坍塌的形式主要有：①掌子面坍方。如2007年石太客專南莊隧道出口的上導坑坍塌，同年太中銀鐵路吳堡隧道3#斜井掌子面左側拱腳塌方。②軟弱圍巖變形坍塌、初支強度不足引起的塌方。這種坍塌占多數，原因也復雜多樣，多數表現為掌子面后方坍塌，如2007年武廣客專高嶺隧道進口掌子面后方30m處坍塌、會寧鐵路亭子山2號隧道換拱時發(fā)生局部塌方等。③隧道洞口邊仰坡塌方。如2006年武漢安康鐵路增建二線襄胡段王家溝隧道明洞洞口上部邊坡坍塌。④另外，由于局部斷層、巖溶引起的坍塌也屢見不鮮。

3 隧道坍塌因素分析

3.1 自然因素 隧道施工中局部地質構造變化，斷裂帶、斷層破碎帶、軟弱夾層等不良地質條件和變化；巖土中水的變化，季節(jié)性雨水的滲入，水沿巖體軟弱面流動，破壞巖體組織，造成巖體失穩(wěn)而發(fā)生坍塌；淺埋、偏壓、頂部重載道路等，也是誘發(fā)隧道坍塌的重要因素。

3.2 工程因素 隧道施工開挖引起地質、水文變化，使巖體應力、變形重新分配和平衡，支護不足時極易坍塌。

3.3 人為因素 對不良地質的判斷不足，巖石類型雖易判斷，但斷層節(jié)理發(fā)育情況卻千差萬別，存在巖層破碎、順層、溶洞等多種不利因素，致使設計措施不力；施工組織問題，包括不合理施工方法，施工預防措施不當，支護不及時，施工中的偷工減料，地表水處理不當，開挖進尺和安全步距過大等不利因素。

4 隧道坍塌預防措施

按照風險管理流程，對風險事件、因素進行判識，對風險程度做出判定，選擇合理的應對策略，制定預防措施，把具體措施落實到現場操作和崗位，做好風險的動態(tài)監(jiān)控。

4.1 技術措施

4.1.1 掌子面防坍塌 掌子面外凸作用引起了隧道掌子面失穩(wěn)，將后方初支剪切破壞，造成隧道坍塌。超前管棚、小導管對前方土體的約束，起到了很好的作用，但要注意根據巖土的內摩擦角、分層情況，確定超前支護的合理長度和角度；預留核心土也能起到減小臨空面和反壓穩(wěn)定的作用。

4.1.2 軟弱隧道防坍塌 軟弱圍巖隧道施工中堅持“管超前，嚴注漿，短開挖，強支護，快封閉，勤量測”的施工原則，對土質隧道大變形進行研究和有效控制?？梢愿鶕F場情況采用不同的加固形式或組合。

①雙層拱架。在淺埋軟弱圍巖地段，尤其是水體下滲、軟化土體的環(huán)境下，常有支護強度不足、拱架變形明顯，此時可采用雙層拱架的加強方案。根據監(jiān)控量測數據，初支、拱架變形細微，整體下沉的情況不適合采用。

②托梁管樁結構。臺階法施工時上臺階為簡支梁受力體系，為提高承載力，對原設計的分開式槽鋼支墊提出優(yōu)化措施，改用托梁設計。有時為提高承載力、減小變形，在鋼托梁上增加管樁設計，見圖1。初支、拱架變形細微，整體下沉的情況適合采用。

③鋼管樁預加固[2]。在隧道下伏硬巖時，還可以采用鋼管樁預加固的形式，來提高承載力、減小變形，結構見圖2。在地表采用鋼管樁加固時，對邊樁位置加強測量控制，打設深度按持力層深度控制。當隧道開挖至中臺階或下臺階時，可以利用鋼管樁作為承壓管樁，有效減小隧道開挖的下沉和變形。

④大拱腳方案。軟弱圍巖隧道大拱腳方案，在現場施工中各有利弊。有利的是增大了接觸面、明顯提高了承載力；不利的是增加了外挖尺寸，增加了開挖跨度，這在三臺階施工中的上臺階位置尤為嚴重。

圖1 拱架間托梁+管樁基礎

圖2 鋼管樁預加固

⑤中臺階臨時仰拱和橫撐。臨時仰拱和橫撐的設置更有利于受力穩(wěn)定，可結合沉降變形情況靈活運用。仰拱和橫撐的設置會對后續(xù)施工造成一定的影響，一般不予采用，只是在變形偏大、上述措施仍不能控制，或緊急情況下采用。

需要提醒的是，臨時仰拱、橫撐在拆除時要注意支護二次應力釋放，可能會產生位移突變，造成失穩(wěn)?？沙踔Х忾]成環(huán)緊跟，加強系統(tǒng)錨桿（管）后再予以拆除。

⑥下臺階托腳鋼架。隧道下沉、坍塌的另一個重要原因是不能及時封閉成環(huán)，拱腳承載力不足，可優(yōu)化仰拱范圍的鋼架單元分割，先施工邊墻拱腳的部分鋼架，加設鎖腳錨管，提高承載力，減少在仰拱開挖施工中的變形。下臺階托腳鋼架的優(yōu)化形式見圖3。

圖3 鋼架分割優(yōu)化

4.1.3 不良地質段防坍 常見不良地質現象主要有巖溶、巖堆、斷層破碎帶、危巖落石、順層偏壓等等。

巖溶及巖溶水地區(qū)，隧道開挖可能會遇到大型巖溶管道及溶洞，在揭露充填性巖溶時容易發(fā)生突水突泥等現象，相繼引發(fā)坍塌，需要采用順坡設計，發(fā)生的突水順縱坡排出。斷層破碎帶極易發(fā)生不均勻下沉和坍塌，設計措施要加強。由于設計地勘的精確度不足，均需在施工階段采用常規(guī)地質法+綜合超前物探+水平超前鉆孔的方法進行超前綜合預報，再根據具體情況確定加強措施。隧道洞口一般較陡，巖性常見地質互層，節(jié)理裂隙發(fā)育，掉落后在坡腳形成巖堆，且常見零星的危巖落石，對隧道影響較大，采用清除、鑲補、支擋及主動網防護等綜合治理措施處理。順層偏壓段施工，要進行設計計算，必要時側向支擋或填土堆壓平衡，合理隧道開挖方法和順序，嚴格按方案施工，避免引起坍塌。

4.1.4 洞口段防坍 隧道洞口應嚴格執(zhí)行“早進晚出”的原則。加強洞口段超前支護和邊仰坡防護設計[3]，埋深較淺的隧道洞口段可采用明洞或半明半暗法進洞。隧道洞口邊仰坡工程應自上而下逐級開挖支護，及時完成洞口仰坡加固、防護及防排水工程。隧道洞口完成超前支護后，方可開始正洞的施工。洞口段應及時形成封閉結構，嚴禁采用長臺階施工。

4.2 組織措施 隧道施工要加強施工組織，從工序時間上控制變形，達到穩(wěn)定的目的。

4.2.1 施工方法 隧道施工要嚴格施工方法的管理，嚴禁私自變更，以致現場產生坍塌隱患。

4.2.2 開挖進尺 開挖過程中根據掌子面圍巖的級別、分層和破碎程度，確定開挖進尺。嚴禁放大開挖進尺，嚴禁掏底開挖。

軟弱圍巖隧道Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ級地段采用臺階法施工時，應符合以下規(guī)定：①上臺階每循環(huán)開挖支護進尺Ⅴ、Ⅵ級圍巖不應大于1榀鋼架距離，Ⅳ圍巖不得大于2榀鋼架距離。②邊墻每循環(huán)開挖支護進尺不得大于2榀。

4.2.3 安全步距 掌握軟弱圍巖地段沉降隨時間由慢變快，硬質圍巖爆破后的應力釋放和變形由快變慢的機理；強調初支和封閉成環(huán)的及時性，以及二襯施工的配套和緊跟。嚴格按照《關于進一步明確軟弱圍巖及不良地質鐵路隧道設計施工有關技術規(guī)定的通知》（鐵建設[2010]120號）文件規(guī)定，Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ級圍巖封閉位置距離掌子面不得大于35m。仰拱開挖前必須完成鋼架鎖腳，每開挖進尺不得大于3m。

注重閉環(huán)的時效性，軟弱圍巖及不良地質隧道二襯應及時施做，二次襯砌距掌子面的距離，Ⅳ級圍巖不得大于90m，Ⅴ、Ⅵ級圍巖不得大于70m。

4.3 管理制度

4.3.1 超前預報制度 目前常用的預報方法主要有TSP203、地質雷達、高分辨直流電法、紅外探水、超前鉆探、加深炮孔等多種手段。針對地質復雜多變，多種不良地質的現場實際，動態(tài)調整超前預報方法，加密勘探斷面，巖變我變，及時補強，修正參數，保障安全。巖溶及富水斷層隧道，超前地質預報應采用以水平鉆探為主的綜合方法。軟弱圍巖及不良地質隧道應進行專項超前地質預報設計，及時收集和分析預報材料，完善設計方案并指導施工。

4.3.2 監(jiān)控量測制度 監(jiān)控量測是隧道施工的“眼睛”，對于施工安全的重要性毋庸置疑，尤其是大變形段。完善監(jiān)測體系，對于指導施工以及設計參數優(yōu)化，防止隧道施工坍塌，甚至在位移突變、異常情況下指導人員緊急撤離都非常關鍵。必須嚴格按精度、頻率和時間要求開展監(jiān)控量測工作。

當隧道初支出現斜向裂縫，說明支護參數偏弱或圍巖變差，需加強支護措施；當出現拱頂掉塊，收斂突變時要視具體情況，果斷撤出施工人員和設備，或收斂穩(wěn)定后采取加固措施。把監(jiān)控量測納入工序，加強數據的真實性管理，建立異常數據報告制度。

4.3.3 干部帶班制度 隧道施工架子隊要建立干部、安全員跟班制度，進行過程的安全監(jiān)控，發(fā)現異常，及時處理和報告。

4.3.4 風險預警制度 超前預報、監(jiān)控量測納入工序管理，建立專項臺賬進行監(jiān)控；及時互通信息，以便建設四方的共同分析和確認；風險段落前50米時進行風險預警，風險段落前30米時編制專項方案設計，保證在通過風險段落時啟用專項方案。

[1]劉輝，張智超，王林娟.2004-2008年我國隧道施工事故統(tǒng)計分析[J].中國安全科學學報，2010（1）：96-100.

[2]雷軍.淺埋偏壓、軟弱圍巖雙線隧道大變形施工控制技術[J].國防交通工程與技術，2013（3）：42.

[3]禮明.淺談隧道防坍塌控制技術[J].北方交通，2012（9）：117.

Analysis on Tunnel Anti-collapse Technology Measures

The collapse is the first vital in tunnel construction process,accounts for more than half of security incidents in the tunnel.With the continuous development of tunnel construction technology and management,the number of accidents and casualties present declinedtrend.The main factors that caused the tunnel collapse includenatural,project and human factors.Targeted to take preventive and control measures technology can be widely used in tunnel anti-collapse.

tunnel；collapse；prevention；measures

劉建佳（1968-），男，湖南寧鄉(xiāng)人，高工，滬昆客專云南段TJ3標項目經理部項目經理，研究方向為地下工程。

U45

A

1006-4311（2014）11-0093-03