西山隧道建設期塌方風險評估及整治方法

劉喜春

(山西省交通規(guī)劃勘察設計院，山西 太原 030012)

0 引 言

近年來，隧道工程發(fā)展極為迅速，隨之而來的是工程事故屢屢發(fā)生，國內(nèi)大部分在建或已建隧道均發(fā)生過不同程度的塌方。隧道塌方不僅給隧道施工帶來巨大的困難，而且嚴重威脅著工程設備和人員的安全。2007年7月，貴陽市小平壩河隧道工程發(fā)生大型塌方事故，3人當場死亡；2007年4月，太中銀吳堡段隧道在施工過程中發(fā)生塌方事故，導致4人死亡、1人受傷[1-4]。

隧道工程中塌方是最常見事故，不僅會造成重大經(jīng)濟損失，由此帶來的社會負面影響也不容忽視。因此，對隧道塌方進行預估并加以防范，對于隧道施工具有重要意義。

本文依托西山隧道分析隧道工程塌方風險，對設計風險控制措施加以評定，并提出相應補充措施，以期降低安全風險，實現(xiàn)隧道建設安全、經(jīng)濟、高效的管理目標。

1 西山隧道主洞塌方風險評估

1.1 隧道主洞塌方風險分析

西山隧道全長13 654 m，左右線均屬特長隧道，隧洞穿越圍巖分別有Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級不等，其中Ⅳ、Ⅴ級圍巖穩(wěn)定性較差，且由鉆探揭示，隧址區(qū)地下水有多種形式的補給、排泄、賦存條件，水文地質(zhì)條件復雜。Ⅴ級圍巖段多有斷層破碎帶穿越，由地勘資料可知，西山隧道穿越17條斷層破碎帶，地質(zhì)條件復雜，特別是在太原段洞口，斷層破碎帶非常密集，圍巖情況較差，易發(fā)生塌方事故。

此外地質(zhì)勘察工作(包括地質(zhì)勘查是否準確，開挖方法、開挖跨度是否合理等)以及施工因素(施工技術水平、施工管理水平)，都是引起塌方風險非常重要的因素[5-9]。

1.2 隧道主洞塌方風險評估及控制措施

1.2.1 隧道主洞塌方風險評估

西山隧道施工過程中塌方風險較高，隧道設計階段對塌方風險做了防控措施，特別是對于富水段防水襯砌的設計；同時開挖方式的選擇比較合理。施工過程中必須加強現(xiàn)場監(jiān)控測量，并根據(jù)監(jiān)控量測結果及時調(diào)整施工方案和設計支護參數(shù)。

西山隧道洞口及靠近洞口段地質(zhì)情況較差，特別是在太原段，斷層破碎帶非常密集，圍巖情況較差，比較容易發(fā)生塌方事故。在靠近洞口段以及斷層破碎帶影響范圍內(nèi)進行了相應的加強支護措施。

在施工工法設計方面，開挖過程中對圍巖和支護結構不斷進行應力調(diào)整，一次性開挖較長時，初期支護上承擔的荷載增大很多，對于結構的安全性非常不利，因此要嚴格控制施工進程[10-13]。初期支護施作完成后二襯緊跟，以及時分擔初期支護上的荷載。塌方風險概率見表1。

1.2.2 隧道主洞設計的塌方風險控制措施

針對西山隧道主洞的地質(zhì)情況，已經(jīng)提出了一些塌方控制措施。西山隧道除洞口段是結合地形、 地質(zhì)條件設置明洞或棚洞外，其余洞段均按新奧法原理結合工程類比法進行設計，采用復合式襯砌，即以錨桿、噴射混凝土、鋼拱架、格柵鋼架等形成初期支護，并輔以超前全黏結型錨桿、超前小導管或大管棚等輔助措施，模筑混凝土或鋼筋混凝土施作二次襯砌。在不良地質(zhì)和特殊地質(zhì)地段的開挖過程中，應采用短循環(huán)、弱爆破、強支撐，并采取必要的輔助施工技術措施，如超前錨桿、小導管預注漿、深孔預注漿等。計劃采用無軌運輸與有軌運輸相結合的運輸方案進行裝渣運輸。二次襯砌施作則采用混凝土運輸車輸送泵和襯砌模板臺車配套的機械施工方案。

表1 塌方風險概率等級

對于塌落柱段和斷層破碎帶段(塌落柱段主要分布于A1YK8+295～A1YK8+485和BYK8+295～BYK8+485段，斷層破碎帶富集區(qū)主要分布于西山隧道太原段)，設計施工時采用雙側(cè)壁導坑法施工，施工時注意短進尺、弱爆破，及時施作支護，盡早成環(huán)。若隧道底板下有不密實填充物時，清除后用C15片石混凝土回填。二次襯砌混凝土中須摻10%～15%的BR-3型防水劑，要求抗?jié)B標號達到S8，以提高二次襯砌的密實度，保障二次襯砌的自防水能力和結構耐久性。

在采空區(qū)治理并達到設計強度的80%后，進行隧道斜豎井施工，采用超前小導管和中空注漿錨桿進行補充注漿。預留變形量為10～13 cm，施工時可根據(jù)具體情況進行適當調(diào)整。采空區(qū)地段采用全封閉式襯砌，襯砌結構的支護參數(shù)根據(jù)地質(zhì)情況進行調(diào)整，向不含采空區(qū)段延伸10～20 m。二次襯砌混凝土中須摻10%～15%的BR-3型防水劑，要求二次襯砌的抗?jié)B標號達到S8。

在通過膨脹性圍巖地段時，設計采用先柔后剛、先讓后頂、分層支護的處理方法，增大預留變形量，采取圓形或接近圓形的斷面形式，采用帶仰拱的復合式襯砌[14-15]。當膨脹壓力引起大變形時，初期支護采取預留縱向變形縫的錨噴結構，加長錨桿長度以增固圍巖，二次襯砌采用鋼筋混凝土結構。合理掌握二襯施作的時機，通過現(xiàn)場試驗、量測確定合適的施作時間。

隧道可能存在承壓水，承壓水襯砌結構根據(jù)類似工程結構確定。排水與堵水相結合，采用超前管棚和小導管注漿支護，同時提高二次襯砌的強度與剛度，加深仰拱以提高襯砌結構的環(huán)向受力性能。

(1)襯砌輪廓。承壓水復合式襯砌內(nèi)輪廓有2種：一種與非承壓水型相同；另一種是將仰拱的深度加深50 cm，同時加厚了仰拱的厚度。

(2)承壓水復合式襯砌結構設計原則：初期支護的確定按與圍巖共同保證施工安全和控制地表的沉降量為原則，二次襯砌承擔全部后期圍巖壓力和水壓力，同時考慮經(jīng)濟合理性。

(3)防止防水混凝土產(chǎn)生裂縫：降低水化熱、分散應力、消除約束。

(4)輔助工法：注漿、設置防水層。

1.2.3 隧道主洞塌方風險控制措施評價與建議

西山隧道施工過程中塌方風險較高，建議采用針對性措施。在施工過程中，設計單位應及時根據(jù)超前預報結果和出現(xiàn)的異常情況變更設計，確保施工過程安全，制定塌方緊急預案。

本文針對塌方風險設計階段的控制措施，提出以下建議。

(1)在斷層破碎帶附近以及圍巖特性突變位置，施工工法的轉(zhuǎn)化應盡量保守。

(2)對于比較破碎的圍巖段，優(yōu)化施工方案(側(cè)壁導坑等)，加強超前支護。

(3)加強輔助施工措施，鎖腳錨桿等關鍵輔助施工要到位。

2 西山隧道斜豎井塌方風險評估

西山隧道斜豎井的布設主要根據(jù)隧道長度、施工期限、施工組織安排、地形、地質(zhì)、水文及環(huán)境影響等條件綜合考慮，結合營運通風、逃生防災、排水、棄渣等需求，并考慮增加隧道施工掌子面，從而有效控制工期。通過技術經(jīng)濟比較，選設豎井、斜井、平行導坑等輔助通道。輔助通道的斷面尺寸主要根據(jù)通風需要、管路布置、逃生救災、施工要求、地質(zhì)條件、支護類型、設備技術條件以及工作環(huán)境等因素確定[16]。

鑒于本隧道設計施工工期非常緊，綜合地形、地質(zhì)、便道以及通風設計等因素，確定了2個斜井位置、角度、坡度、長度、斜井出口與主線距離等，即2個斜井在施工階段均作為施工用井，提供施工工作面，加快施工進度，后期均作為通風井。根據(jù)分段情況及通風需要，通風系統(tǒng)又單獨設置2座豎井，因此通風井包括2座斜井和2座豎井，如圖1所示。

圖1 斜豎井布置

1號斜井井口對應隧道樁號為YK4+788，與主洞交叉的樁號為YK5+477，斜井長762 m，坡度25°，斜井水平投影與路線夾角為5.9°。

2號斜井井口對應隧道樁號為ZK9+768.7，與主洞交叉樁號為ZK10+079，斜井長412 m，坡度25°，斜井水平投影與路線夾角為36.32°。

1號豎井位于ZK5+940左45 m處，豎井深345 m。

2號豎井位于YK10+300左35 m(ZK10+300右20 m)處，豎井深168 m。

2.1 斜豎井塌方的風險分析

1號豎井圍巖為石炭系上統(tǒng)山西組(C3s)、太原組(C3t)、中統(tǒng)本溪組(C2b)泥巖夾砂巖、石灰?guī)r、煤層、鐵鋁巖層；奧陶系中統(tǒng)峰峰組(O2f)、上馬家溝組(O2s)泥灰?guī)r、石灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、角礫狀灰?guī)r、白云質(zhì)泥灰?guī)r，圍巖級別為Ⅲ～Ⅴ級。8.1 m、108.5 m深處有2層采空區(qū)，深部采空冒落帶厚度達18 m，圍巖穩(wěn)定性差。井口圍巖為石炭系上統(tǒng)山西組(C3s)泥巖夾砂巖，巖體破碎，穩(wěn)定性差。深度為94.77～102.44 m段，鉆探遇到采空區(qū)冒落帶，與初勘8號孔(YK6+020處)所遇深度97～115 m的采空區(qū)冒落帶屬同一層位，采空范圍較大，影響厚度也較大，且上下砂巖、石灰?guī)r中多處噴涌地下水，對豎井施工影響較大，有較大塌方風險。

2號豎井圍巖為奧陶系中統(tǒng)峰峰組(O2f)、上馬家溝組(O2s)泥灰?guī)r、石灰?guī)r夾白云質(zhì)灰?guī)r、角礫狀灰?guī)r、角礫狀白云質(zhì)泥灰?guī)r，圍巖級別Ⅲ～Ⅴ級。井口圍巖為第四系中更新統(tǒng)峙峪組(Q3s)礫卵石、砂土層，穩(wěn)定性差。隧址區(qū)內(nèi)巖溶極為發(fā)育，如果施工過程中采取措施不當，將會發(fā)生塌方等嚴重后果。整個豎井穿越底層泥灰?guī)r層厚很大，泥灰?guī)r遇水具有膨脹性、崩解性，屬軟巖或極軟巖，穩(wěn)定性很差。

2號斜井洞體圍巖為石炭系上統(tǒng)太原組(C3t)、中統(tǒng)本溪組(C2b)泥巖夾砂巖、石灰?guī)r、煤層、鐵鋁巖層；奧陶系中統(tǒng)峰峰組(O2f)、上馬家溝組(O2s)泥灰?guī)r、石灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r夾石膏礦薄層、角礫狀灰?guī)r、白云質(zhì)泥灰?guī)r，圍巖級別Ⅲ～Ⅴ級。井口圍巖為石炭系中統(tǒng)本溪組(C2b)、上統(tǒng)太原組(C3t)泥巖夾砂巖、石灰?guī)r、鐵鋁巖層，圍巖穩(wěn)定性差。

斜豎井穿越石膏礦、采空區(qū)和煤礦采空區(qū)，施工時圍巖穩(wěn)定性受影響較大，而采空區(qū)的水也易通過斷層破碎帶滲入而影響到主體工程的穩(wěn)定。

2.2 斜豎井塌方風險評估及控制措施

2.2.1 斜豎井塌方風險評估

1號豎井塌方致險因子發(fā)生概率見表2，經(jīng)過計算可得塌方事故發(fā)生的概率為0.022 2，查閱《公路隧道安全風險評估指南》得到1號豎井塌方事故發(fā)生的概率等級為3級。

表2 1號豎井塌方致險因子發(fā)生概率

2號豎井塌方致險因子發(fā)生概率見表3，經(jīng)過計算可得塌方事故發(fā)生的概率為0.017 6，查閱《公路隧道安全風險評估指南》得到2號豎井塌方事故發(fā)生的概率等級為3級。

表3 2號豎井塌方致險因子發(fā)生概率

1號斜井塌方致險因子發(fā)生概率見表4，經(jīng)過計算可得塌方事故發(fā)生的概率為0.026 7，查閱《公路隧道安全風險評估指南》得到1號斜井塌方事故發(fā)生的概率等級為3級。

表4 1號斜井塌方致險因子發(fā)生概率

2號斜井塌方致險因子發(fā)生概率見表5，經(jīng)過計算可得塌方事故發(fā)生的概率為0.017 6，查閱《公路隧道安全風險評估指南》得到2號斜井塌方事故發(fā)生的概率等級為3級。

表5 2號斜井塌方致險因子發(fā)生概率

根據(jù)斜豎井的水文地質(zhì)條件，并結合施工設計圖給出的方案及措施，綜合評定斜豎井施工圖設計塌方風險等級，見表6。

表6 斜豎井施工圖設計塌方風險等級

2.2.2 斜豎井設計的塌方風險控制措施

(1)采用動態(tài)施工、地質(zhì)超前預報、邊勘測邊施工的方法，以便及時修正設計方案。斷層破碎帶塌方的判定和警報主要包括斷層破碎帶塌方影響因素的正確分析、斷層破碎帶圍巖級別的準確鑒定和塌方即將發(fā)生的前兆。

(2)采用超前小導管和中空注漿錨桿進行補充注漿。施工時可根據(jù)具體情況適當調(diào)整預留變形量。采空區(qū)采用全封閉式瓦斯段襯砌，襯砌結構支護參數(shù)根據(jù)地質(zhì)情況進行調(diào)整，向不含采空區(qū)段延伸10～20 m。二次襯砌混凝土中須摻10%～15%的BR-3型防水劑，加強二次襯砌的自防能力和結構的耐久性。明洞段采用復合土工布及黏土隔水層防水。施工縫、伸縮縫、沉降縫處均加設橡膠止水帶或橡膠止水條。

(3)嚴格控制施工程序，減少巖體擾動，減少塌方，對于超挖空洞、塌方地段需回填密實。

2.2.3 斜豎井塌方風險控制建議

西山隧道斜豎井施工過程中塌方風險較高，建議采取針對性措施。施工過程中，在已有設計的基礎上，要注意以下事項。

(1)應及時根據(jù)超前預報結果和出現(xiàn)的異常情況變更設計，確保施工過程安全，制定塌方緊急預案。

(2)加強超前地質(zhì)預報，準確把握前方圍巖的情況。

(3)加強對已施工襯砌的質(zhì)量檢測工作，確保施工質(zhì)量，防止?jié)B漏水。

(4)對洞內(nèi)結構進行收斂變形和應力監(jiān)測，控制可能出現(xiàn)的有害變形，及時采取措施進行控制。

(5)對于比較破碎的圍巖段優(yōu)化施工方案，加強超前支護。

3 結 語

本文結合西山隧道地勘資料、初步設計及施工圖等設計資料，對西山隧道設計階段的塌方風險進行了分析、評估并提出控制建議。

(1)在斷層破碎帶附近以及圍巖特性突變位置，施工工法的轉(zhuǎn)化應盡量保守。

(2)對于比較破碎的圍巖段，優(yōu)化施工方案(側(cè)壁導坑等)，加強超前支護。

(3)在設計階段，應加強輔助施工措施，鎖腳錨桿等關鍵輔助施工工法要到位。

(4)加強超前地質(zhì)預報，及時根據(jù)超前預報結果和出現(xiàn)的異常情況變更設計，確保施工過程安全，并制定塌方緊急預案。

(5)加強對已施工襯砌的質(zhì)量檢測工作，確保施工質(zhì)量，防止出現(xiàn)滲漏水現(xiàn)象。

(6)對洞內(nèi)結構進行收斂變形和應力監(jiān)測，控制可能出現(xiàn)的有害變形，及時采取措施進行控制。