隧道塌方災害發(fā)生原因及處治措施的研究

張喜紅

摘要：隧道在實際建設當中，塌方可以說是經(jīng)常發(fā)生的安全事故類型。當該事故發(fā)生之后，不僅會對工程工期、質量產(chǎn)生影響，且可能因此導致嚴重生命財產(chǎn)損失問題的發(fā)生。在該種情況下，做好隧道塌方處治方式的研究則成為了一項非常重要的工作。在本文中，將就隧道塌方災害發(fā)生原因及處治措施進行一定的研究。

Abstract： In the actual construction of the tunnel， the landslide can be said to be the type of safety accident which often happens. When the accident occurs， it not only affects the project duration and quality， but also may leads to serious loss of life and property. In this case， the study of the treatment way of tunnel collapse has become a very important task. In this paper， the causes of tunnel collapse and the treatment measures are studied.

關鍵詞：隧道塌方災害；發(fā)生原因；處治措施

Key words： tunnel collapse disaster；causes of occurrence；treatment measures

中圖分類號：U457+.2 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）24-0088-03

0 引言

塌方是隧道開挖工程中經(jīng)常遇到的問題。它會對隧道結構構成致命性的危害，如果不及時治理，會拖延整個隧道工程的施工進度，甚至使施工單位蒙受經(jīng)濟損失。因此在隧道施工中，必須針對隧道塌方提前布置應急預案，加強防控，防止塌方發(fā)生，如果隧道塌方已經(jīng)發(fā)生，也要及時治理。本文基于公路隧道塌方的類型及成因的分析，結合工程實例提出一套正確的隧道塌方治理措施，并通過工程實踐驗證其可行性。

1 公路隧道塌方類型及成因分析

1.1 塌方類型

隧道塌方具有較多種表現(xiàn)形式，而根據(jù)不同角度，也可以對其進行較多的分類：

第一，塌方速度機制。根據(jù)塌方機制以及發(fā)生速度的差異，可以將其分為崩塌性以及蠕變性塌方。其中，蠕變性塌方經(jīng)常發(fā)生在硬塑斷層泥、砂卵石碎石坡積層等地質情況下，且在環(huán)境存在淺狀流水、滴水情況下，也將使巖體強度迅速降低而導致塌方問題的發(fā)生。崩塌型塌方則經(jīng)常發(fā)生在塊狀結構、厚層結構，且結構面具有較多粘土充填的地質情況下，該類型在發(fā)生時具有較為明顯的間歇特征，側壁以及頂拱坍塌面存在較為明顯的參差不齊情況。

第二，塌方體積高度。根據(jù)塌方發(fā)生的高度與體積，可以將其分為大、中、小三種塌方類型。其中，大塌方高度在6m以上，體積在60m3以上；中塌方高度在3-6m之間，塌方體積在30-60m3之間；小塌方高度在3m以下，塌方體積在30m3以下。

1.2 塌方原因

1.2.1 工程地質條件

作為典型地下工程，隧道在實際施工當中不可避免地會受到地質構造以及地質現(xiàn)象影響。而受到多種因素的制約，在之前勘察工作當中也可能存在不完善、不徹底情況，并因此加大了問題發(fā)生的可能性。其主要表現(xiàn)在：

第一，巖體結構類型。在隧道塌方問題當中，巖體結構對穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響是一項主要因素。在規(guī)模較大的塌方事故當中，其通常都是因圍巖自穩(wěn)定性較差、圍巖破碎引起的。當巖體越松散、破碎時，則將有更大的幾率發(fā)生塌方。

第二，圍巖強度。這是導致塌方問題發(fā)生的另一項因素。對于隧道圍巖來說，其自身即是一種承載結構，具體能力同強度具有著直接的關聯(lián)。當圍巖具有較高強度時，則發(fā)生變形破壞的幾率就越小，更容易進行支護處理。而當其具有較高的吸水率以及較低強度時，承載力以及穩(wěn)定性就更低。

第三，地下水影響。根據(jù)對大量隧道塌方案例的研究可以發(fā)現(xiàn)，在隧道塌方事故當中，水是問題發(fā)生的一項重點因素，其不僅將對圍巖的應力狀態(tài)產(chǎn)生影響，且將對圍巖強度產(chǎn)生影響。在結構面當中，通過孔隙水壓力的增加，則能夠對結構面上正應力進行降低，而在具有軟弱結構面圍巖當中，水也將在沖走填充物的情況下使夾層發(fā)生液化情況，并因此影響到結構面的抗剪穩(wěn)定性。

1.2.2 圍巖應力因素

圍巖應力的方向與大小也將對塌方產(chǎn)生影響，其主要影響因素有：第一，自重應力。自重應力即為上覆巖體的自重，在地下工程深度不斷加深的情況下，自重應力將隨之發(fā)生較大的變化，將以線性方式增加。而當上覆巖層為不同、多層巖石時，其自重應力則為不同應力的和。

第二，構造應力。在地質構造運行當中，巖體內部也將積蓄有一定的能量應力。在開挖隧道之后，巖體構造應力則將重新獲得分布，且在圍巖上會表現(xiàn)為一定的應力集中情況，并因此對圍巖的破壞速度加劇。

1.2.3 勘察設計因素

在隧道設計工作進行前，做好隧道地質情況的勘查可以說是一項重要的工作內容，也是需要重點把握的一項環(huán)節(jié)。如果沒有提前做好隧道地質勘察工作、沒有對區(qū)域地質構造以及地層做好把握，則會因不能對隧道實際工程地質情況進行真實反映的基礎上使設計支護類型出現(xiàn)同實際需求不符的情況，且在設計參數(shù)方面也存在不嚴密問題。該種問題的存在，則有很大幾率導致塌方等事故的發(fā)生。

1.3 隧道塌方的危害

①對施工人員的人身安全形成很大的威脅，給施工人員家庭帶來沉重的沖擊。

②延長了隧道的施工工期、增加了工程預算，并且極大程度地損壞了機械設備和降低了施工單位的施工質量。

③影響了施工單位的名譽，并且給社會形成了不良的影響。隧道塌方有高發(fā)性和高危性兩大特色，鑒于以上嚴重后果，所以有必要對塌方的緣由、機理進行深化的研討，在今后的施工過程中盡量采納有用的防護和管理辦法來削減隧道塌方帶來的損害。

2 隧道塌方的治理方法

2.1 設計階段和施工階段隧道塌方的治理方法

2.1.1 設計過程中塌方的防控

加強地質勘測是預防隧道塌方的有效方法。在設計階段，施工單位應該與設計、施工等專業(yè)的技術員組隊進行地質勘測。首先，設計選線必須符合工程要求。施工單位要加強施工控制，針對地質狀況比較復雜的施工段提前進行現(xiàn)場勘測，制定一套嚴謹?shù)募夹g方案和現(xiàn)場應急預案，備足所需材料和物資。開工后，要根據(jù)施工段的地質特點選擇最佳開挖方案，及時采納有用的支護，防止塌方的發(fā)生。合理的設計能有效防止塌方的發(fā)生。挑選設計，把握隧道的宏觀地質構造特征、地質地貌特色和較為具體的其它地質材料花圃，分析隧道區(qū)的斷層、富水帶、高應力散布狀況，合理進行隧道的線型設計，盡量防止經(jīng)過大斷層、富水和高應力集中段，既保證了施工時的安全，又能防止因地質條件欠好，過多的支護形成工程投入的增加，能極好防止塌方的發(fā)生。設計支護參數(shù)，因為地質圍巖的分類僅僅是一個定性的概念，不是定量的，同一類圍巖，其構造產(chǎn)狀不盡一樣，此刻支護參數(shù)的設計尤為重要，支護參數(shù)過大，增加工程的投入，支護參數(shù)過小，因此類圍巖自穩(wěn)性能較差，可能因支護強度不行，或需替換支撐形成地應力再一次重散布，而導致塌方。特別是在臨時支護方面，為削減工程投入，支護參數(shù)通常都較小，達不到規(guī)范標準需求。

2.1.2 施工過程中塌方的防控

因設計階段的地質勘測只能從宏觀上分析整個隧道的基本地質狀況，對可能呈現(xiàn)的大斷層、富水段和高應力段無法進行詳細勘測，形成部分地質資料缺乏，因而為保證隧道施工安全，加速隧道施工進度，在施工中，可采用信息化檢測設備加強隧道及其周圍范圍內的地質監(jiān)測，有必要時選用超前地質預報技術。對可能呈現(xiàn)的部分地段圍巖破碎導致的失穩(wěn)、塌方和可能遇到的斷層、涌水等都能及時預測。在提早獲得可能的不良地質的狀況下，施工單位有必要采取合理的開挖和支護方法，防止塌方的發(fā)生。

2.2 塌方的處理辦法

2.2.1 防止塌方設計擴展

當遇到塌方時除迅速解救施工人員外，還要及時加固未塌地段，以防止塌方設計擴展，并可為整理塌方而作預防。摸清塌方狀況，查找塌方原因、性質和塌方后圍巖現(xiàn)狀等地質情況。

2.2.2 小塌方的處理

小塌方是隧道施工中較常遇到的狀況。因為塌體涉及面不大，可直接調查塌穴形狀和摸清塌體的可能補給來源，因而通常使用崩塌間歇空地，及時對塌穴和塌方口進行支護，并在塌碴上架設臨時支撐，然后鏟除塌體，邊清邊轉換成正式的支護，緊跟后續(xù)工序，此謂小堵清。

2.2.3 大塌方的處理

因塌方體把塌頂阻塞，不但不能支護塌穴，并且通常連塌穴的形狀和間隙也無法查明，因而不允許清碴，很可能隨清隨塌，使塌方迅速擴展，而只能采用箍穿的辦法。所謂箍即是首要抓住塌方端部的支持加固和襯砌作業(yè)，防止塌方開展延伸；所謂穿即是用先護挖辦法在塌體內用小導管注漿穿過，再緊跟后續(xù)工序。

2.2.4 治塌先治水

水是隧道施工的大敵，它沖刷、軟化、溶解某些圍巖，使地質條件迅速惡化。特別是在斷層破碎帶、堆積層和風化嚴重地段，其損壞作用更為明顯。這些地段本來就容易發(fā)生塌方，而又恰好是地下水活動頻繁的地段，因而常使施工困難。很多工點的實際狀況也證明了這一點：通常塌方地段多數(shù)有水，水的活動助長了塌方的發(fā)展。因此，總結以往的經(jīng)歷即是治塌先治水。處理塌方時要加強防排水處理，防止地表水灌入塌方地段，并及時采取措施引出塌方地段的地下水。

3 隧道信息化監(jiān)控量測及其成果分析

3.1 工程概況

我國南部某隧道工程，隧道埋深204m，全長2353m。地質情況方面，該隧道處于山臺地以及深切谷地斜坡地貌區(qū)，穿越山脊下部區(qū)域。走向方面，同山脊具有接近垂直相交特點，除隧道進出口較陡，區(qū)域內坡度較緩，在15-30°范圍內，水土保持情況較差。

3.2 監(jiān)控量測成果

在該隧道中，其某段在施工當中曾經(jīng)發(fā)生過塌方事故。對此，我們就該區(qū)段的一個典型斷面進行研究，該區(qū)段多為泥巖，具有軟弱夾層，裂隙水豐富，存在巖體破碎情況。該斷面在開挖階段，在技術進行初期支護之后對其進行了為期25天的監(jiān)測。在監(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn)，在完成初期支護后，其變形情況逐漸增大，初噴混凝土表面位置發(fā)生較多處開裂情況，且具有掉塊、剝落問題的發(fā)生。之后，施工方對存在問題區(qū)域進行了常規(guī)加固措施的應用如鎖腳錨桿、導管注漿等，但所獲得效果并不十分明顯，無法對圍巖異常變形情況的進一步發(fā)展進行阻止。

斷面沉降方面，根據(jù)監(jiān)測結果發(fā)現(xiàn)，該斷面從初期支護完成、對監(jiān)測點布置后，累計變形值逐漸增大，整個過程當中不存在減小趨勢，其中，拱頂沉降收斂速度平均為20mm/d，周邊平均收斂速率在14mm/d左右，已經(jīng)超出了安全警戒值。從平均沉降速率以及收斂收率時程度曲線圖角度看來，在整個監(jiān)測周期范圍以內，變形速率始終保持持續(xù)增長趨勢，雖然施工方對該問題也進行了一定的加固措施應用，但并沒有獲得較好的效果，僅僅在徑向注漿以及初支仰拱成環(huán)方面存在較小下降，但從整體看來還是為上升趨勢。

該種情況的存在，即表明初期支護以及部分加固措施的應用難以對圍巖異常變形的進一步發(fā)展進行阻止，整體向著險情方向發(fā)展。而從沉降變形量、累計收斂以及對應擬合值時程曲線角度看來，其累計變形量為線性增長趨勢，并未發(fā)生轉折，也不存在穩(wěn)定或者減小趨勢。從監(jiān)測第一天開始，到25d之后，累計沉降變形量已經(jīng)達到771.85mm，累計收斂變形量為744.07mm，考慮到監(jiān)測誤差等因素的存在，實際累計變形量值可能更大，初期支護已經(jīng)存在侵入二次襯砌凈空問題，存在較為明顯的塌方前兆。而經(jīng)過進一步對施工現(xiàn)場的觀察發(fā)現(xiàn)，該斷面初期支護已經(jīng)出現(xiàn)了明顯的環(huán)向、縱向貫通裂縫，拱腰位置鋼拱架已經(jīng)彎曲折斷，在監(jiān)測最后一天，拱頂發(fā)生較大面積的混凝土掉塊情況，初期支護已經(jīng)受到破壞，塌方問題無法避免。

4 隧道塌方事故處治措施研究及效果評價

4.1 處理措施

4.1.1 未塌方段處理措施

在塌方問題發(fā)生之后，為了避免二次坍塌問題的發(fā)生，則需要在首次塌方之后做好初期支護的加固處理，以此在實現(xiàn)病害控制的基礎上避免塌方問題的進一步發(fā)生。使用的具體措施有：第一，在拱頂135°范圍內打徑向注漿小導管，以此實現(xiàn)其周邊巖體的加固。該導管長度300cm、？準42鋼管，使用注水泥漿；第二，進行加護拱施工處理，護拱方面，使用120b工字鋼處理，在仰拱混凝土上設置拱腳，將其埋在填充層當中，套拱縱向間距控制為50cm，換向間距控制為100cm；第三，對塔體后方?jīng)]有進行二次襯砌地段加筋做好仰拱回填、仰拱跟進以及混凝土襯砌施工處理，通過這部分方式的應用阻止巖體塑性區(qū)以及變形情況的進一步擴展。

4.1.2 塌方段處理措施

對于塌方段，使用以下方式進行處理：

第一，塌體穩(wěn)固。對隧道塌體堆渣表面進行C20混凝土材料的噴射，將厚度控制為30cm，保證對塌體外漏面進行全面的封閉處理。同時，在塌體水平方向打設Φ42小導管，單根長400cm，以200×200cm梅花形布置，并做好松散堆渣的注漿加固處理。

第二，超前注漿錨桿打設。做好超前注漿錨固加固處理，使用Φ75mm自進式錨桿，環(huán)向間距30cm，以定量注漿為注漿結束標準；

第四，塌體段開挖。當塌體穩(wěn)固后，在拱部打設Φ42超前注漿錨桿，縱向間距100cm、環(huán)向間距30cm，以水泥漿材料注入，將壓力控制在0.5-1MPa。塌體方面，使用上中下三臺階開挖方式處理，在做好工字鋼支撐后將縱向間距控制為50cm。在開挖過程中，先對上臺階進行施工，當其全部貫通后再對中臺階施工，并根據(jù)圍巖穩(wěn)定情況在開挖上臺階時做好臨時仰拱支撐的增設。中臺階方面，在推進時保證左右錯開距離在3cm以內，仰拱一次開挖長度在3m以內。

4.2 效果評價

在根據(jù)上述方式對塌方段進行處理后，監(jiān)測組對周邊收斂、圍巖壓力增長以及拱頂沉降等情況進行了全面的監(jiān)測。

為了能夠將量測信息及時實現(xiàn)對施工過程的反饋，以此對處理方案進行及時的調整、保障塌方處理的合理、安全進行。監(jiān)測組對量測斷面進行了加密布置，即每5m對一個量測斷面進行布置，并對測量頻率進行了加大。在對斷面圍巖壓力數(shù)據(jù)分析的基礎上對左右拱腰、左右曲墻以及拱頂圍巖時間與壓力關系進行研究。根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，在塌體開挖初期階段，收斂、沉降具有著較大的變形速率，但很快其就逐漸下降，變形速率在降低之后趨于穩(wěn)定，初始最大收斂速度為3.65mm/d。在繼續(xù)進行一個月監(jiān)測后，發(fā)現(xiàn)其收斂速率得到了大幅度的降低，在1mm/d以下，沉降速率為0.5mm/d，同隧道其余斷面位置的變形速率相比遠遠要小。從累計變形時程曲線可以發(fā)現(xiàn)，該圍巖變形情況已經(jīng)較為穩(wěn)定，收斂變形以及沉降變形量都處于規(guī)范允許變形量以內，整個施工處在較好的安全狀態(tài)之下。

5 結論

在上文中，我們對隧道塌方災害發(fā)生原因及處治措施進行了一定的研究。在實際隧道施工中，需要能夠充分把握隧道塌方問題的引發(fā)原因，在聯(lián)系工程實際的基礎上以針對性措施的應用做好預防處理，在保障工程安全穩(wěn)定開展的基礎上保障施工效果。

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