淺析水工隧洞塌方原因及預(yù)防措施

聶海斌

摘要：根據(jù)新奧法支護結(jié)構(gòu)設(shè)計原理對隧洞塌方原因進行了分析，介紹了塌方前的征兆，并針對水工隧洞塌方的原因、預(yù)防措施進行了簡要論述，對隧洞施工具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：隧洞；塌方；原因；征兆；預(yù)防

新奧法是我國當(dāng)前隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工的重要方法，錨噴支

護的應(yīng)用為大面積開挖施工創(chuàng)造了有利條件，隧洞施工進度大大加快，但已錨噴支護的隧洞發(fā)生塌方的事故仍經(jīng)常發(fā)生，輕者造成經(jīng)濟損失，重者人員喪失生命。下面對隧洞塌方原因、征兆、預(yù)防措施進行了論述。

1 新奧法支護結(jié)構(gòu)設(shè)計原理

應(yīng)用巖體力學(xué)的理論，通過對圍巖變形的量測、監(jiān)控，采用新型的支護結(jié)構(gòu)，利用圍巖自承能力指導(dǎo)隧洞設(shè)計和施工的方法。其特點是在開挖面附近及時施作密貼于圍巖的薄層柔性噴射混凝土和錨桿支護，以便控制圍巖的變形和應(yīng)力釋放，從而在支護和圍巖的共同變形過程中，調(diào)整圍巖應(yīng)力重分布而達到新的平衡，以求最大限度地保持圍巖的固有強度和利用其自承能力。因此，它是一個具體應(yīng)用巖體動態(tài)性質(zhì)的完整力學(xué)方法，其目的在于促使圍巖能夠形成圓環(huán)狀承載結(jié)構(gòu)，故一般應(yīng)及時修筑仰拱，使斷面閉合成圓環(huán)。適用于各種不同的地質(zhì)條件，在軟弱圍巖中更為有效。新奧法的原理雖然可用于各種類型的支護，但是，最為適用的是噴錨支護。噴混凝土、錨桿、量測被認(rèn)為是新奧法的三大要素。

2 隧洞塌方的原因

2.1 地質(zhì)原因

隧洞通過斷層破碎帶、各種松散堆積體、巖層軟硬相間或有軟弱夾層的巖體、受地下水長期浸泡沖蝕溶解作用的巖體、膨潤土地層、淺埋段、流砂層、嚴(yán)重偏壓段時，在開挖后極易發(fā)生坍塌。

2.2 施工方案和措施不當(dāng)

忽略了圍巖的變形規(guī)律，設(shè)計方案、施工方法和措施不當(dāng)引

發(fā)圍巖突然變形，導(dǎo)致塌方。如：（1）沒有對穩(wěn)定性差的巖層采取及時支護，巖石暴露時間較長，整個巖石的承受壓力加大。（2）爆破參數(shù)不合理，采取過多炸藥引起強烈震動。（3）支撐結(jié)構(gòu)不合理，支撐構(gòu)件強度不夠，支撐部件的位置不恰當(dāng)。（4）采取不恰當(dāng)?shù)耐９ご胧?，未做好排水及圍巖保護工作，使圍巖強度大大降低。

2.3 工序失衡

當(dāng)開挖距離小于D（D為開挖寬度）時，圍巖兩端由于受到二次襯砌混凝土和開挖掌子面支撐的約束作用，連續(xù)變形很小，主要是爆破后受振動影響的突然變形，施工中，施工人員盲目加快掘進進度，仰拱、二次襯砌滯后，造成工序嚴(yán)重失衡，當(dāng)二次襯砌和開挖掌子面距離大于2D～3D時，“空間效應(yīng)”的影響完全消失，初期支護抗力小于滑移力，圍巖急劇變形，來不及施工二襯，極易導(dǎo)致塌方。

2.4 施工過程中質(zhì)量不合格

在施工過程中，如發(fā)生超挖嚴(yán)重而進行回填、噴混凝土強度厚度達不到設(shè)計要求、鋼支撐未完全由噴射混凝土包圍密實或鋼支撐與圍巖之間存在空隙及鋼支撐未置于穩(wěn)定堅固的基礎(chǔ)上等質(zhì)量問題，造成支護抗力達不到設(shè)計要求或圍巖未粘結(jié)緊密使無彎矩結(jié)構(gòu)產(chǎn)生彎矩，導(dǎo)致塌方。

2.5 監(jiān)控量測不到位

現(xiàn)階段隧洞的開挖都以新奧法理論為指導(dǎo)，在實際施工中，未按規(guī)定進行量測并對成果進行分析或信息反饋不及時，導(dǎo)致決策失誤、措施不力，造成塌方。

3 塌方征兆

3.1 掌子面巖層塌方征兆

開挖后頂部圍巖掉塊不停；掌子面出水點頻繁變換位置或突

然涌水，涌水由清變濁、流量增大；掌子面正面坍塌并向內(nèi)發(fā)展；

巖層裂隙明顯增大或?qū)娱g填充物被水沖掉，水量增大；松散地層

不停掉渣；巖石出現(xiàn)巖粉或掌子面附近無故塵土飛揚；流砂地段

間隔涌流變成連續(xù)涌流，噴射混凝土被流砂沖破。

3.2 支護結(jié)構(gòu)塌方征兆 .

噴射混凝土大面積開裂、脫離甚至塌落，縫間有砂土不斷流出；錨桿墊板松脫；鋼支撐扭曲變形，邊墻支撐中間鼓出，連接點明顯變形；鋼支撐、鋼筋網(wǎng)格間噴射混凝土剝離、開裂，鋼筋扭曲變形；初支結(jié)構(gòu)發(fā)出較大響聲；連接板錯位、連接螺栓被剪斷，支撐間砂土或巖塊被擠出。

3.3 洞口地段和淺埋地段地表塌方征兆

洞口地段地面持續(xù)開裂，且裂口數(shù)量逐漸增加，裂口增大、加

深；地面陡巖發(fā)生崩塌現(xiàn)象；地面明顯下沉，掌子面過后，其上地

面仍繼續(xù)下沉，累計值超過容許值。

3.4 監(jiān)控量測到的變形值顯示塌方征兆

變形值長期不變小且變形速率仍較大；變形監(jiān)控量測曲線明顯已收斂，但又出現(xiàn)變形值突然增大，位移或變形速率的驟然增加往往是圍巖破壞、襯砌開裂的前兆；圍巖變形量、位移速率、初期支護應(yīng)力值超過容許值。

4 防塌措施

4.1 設(shè)計措施

隧洞工程地質(zhì)具有特殊性、復(fù)雜性、不確定性等特征，在設(shè)計階段，要根據(jù)地質(zhì)情況，制定符合實際、能指導(dǎo)施工的設(shè)計方案，設(shè)計參數(shù)要滿足強度要求。

4.2 超前地質(zhì)預(yù)報

對不良地質(zhì)，通過超前地質(zhì)預(yù)報進一步掌握地質(zhì)情況，調(diào)整

支護參數(shù)和施工方法，采取防塌措施。

4.3 早噴錨、強支護，快速封閉成環(huán)

在不良地質(zhì)地段施工時，應(yīng)按照先治水、短進尺、弱爆破、先

護頂、早噴錨、強支護、早襯砌的原則穩(wěn)步前進，合理控制開挖速

度，提高初支的剛度和承載力。

4.4 控制“空間效應(yīng)”，嚴(yán)防工序失衡

循環(huán)開挖進尺要短，關(guān)鍵工序間距要控制，控制仰拱和開挖面距離、二次襯砌和開挖面距離，已開挖段應(yīng)快速封閉成環(huán)，嚴(yán)防工序失衡。

4.5 通過監(jiān)控量測指導(dǎo)施工

根據(jù)量測結(jié)果，判斷支護體系及圍巖的受力與變形情況，調(diào)整支護參數(shù)、施工方法；當(dāng)發(fā)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)有不正常變化或突變時必須停止作業(yè)，制定處理措施后再繼續(xù)施工。

4.6 處理地表、地下水

進洞前應(yīng)先做好洞口工程，穩(wěn)定好洞口的邊坡，做好天溝等排水設(shè)施，確保地表水不致危及隧洞的施工安全；采用降、堵、泄等方法處理地下水，提高圍巖自穩(wěn)能力，提高噴射混凝土質(zhì)量，防止流砂、突水、突泥；及時排水避免巖層長期浸泡。

4.7 減小爆破震動影響

在爆破時，要用淺眼、密眼，并嚴(yán)格控制裝藥量，用微差毫秒爆破或采用導(dǎo)洞超前、預(yù)留光爆層等措施減少爆破對圍巖自穩(wěn)能力的破壞。

4.8 地層加固和改良

對松散、無膠結(jié)、低強度巖層及開挖后有可能發(fā)生流砂、突水、突泥的巖層，根據(jù)不同情況采用超前管棚、超前注漿小導(dǎo)管等方法預(yù)加固地層和改良地層，提高圍巖自穩(wěn)能力。

4.9 加強管理、保證施工質(zhì)量

提高施工人員素質(zhì)，嚴(yán)格按設(shè)計、規(guī)范和防塌措施施工，加強

管理、保證施工質(zhì)量。

4.10 加固措施

對應(yīng)力和應(yīng)變超限的初期支護和其他坍塌預(yù)兆應(yīng)及時采取措施，根據(jù)不同情況，采用嵌鋼架、加網(wǎng)噴、加錨、壁后注漿、提前模筑混凝土等方法加固，必要時先進行臨時支撐、頂柱、扇形支撐、方木垛支撐，然后再采取加固措施。

4.11 制定防塌應(yīng)急預(yù)案

儲備應(yīng)急設(shè)備、物資，尤其對不良地質(zhì)隧洞應(yīng)提前準(zhǔn)備，以防不測。對有可能塌方地段，地質(zhì)情況不清楚、有塌方預(yù)兆，加固措施未制定并實施，不能冒進。

5 結(jié)語

隧洞坍塌會對施工人員生命、財產(chǎn)造成不可估量的損失，一定要在未進入易塌方地段前預(yù)防。在設(shè)計階段，要根據(jù)工程地質(zhì)及水文地質(zhì)情況制定合理的支護參數(shù)和施工方法；施工階段，特別在軟弱圍巖、含水地段開挖施工中，應(yīng)嚴(yán)格遵循“短進尺，弱爆破，緊支護，勤量測”的指導(dǎo)方針，并嚴(yán)格施工管理確保工程質(zhì)量。施工過程中還要根據(jù)坍塌征兆、監(jiān)測成果采取必要的措施防止發(fā)生坍塌或及時停止施工、撤離人員、物資設(shè)備以減少損失；并通過不斷總結(jié)、創(chuàng)新，開發(fā)出更有效、更經(jīng)濟、更先進的防塌技術(shù)、設(shè)備、器材，徹底杜絕隧洞施工坍塌現(xiàn)象。

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