隧道施工中塌方的預(yù)防與處治措施淺析

近年來(lái)，我國(guó)鐵路和高速公路的建設(shè)規(guī)模日益增大，建設(shè)里程不斷增加，隨之隧道建設(shè)數(shù)量增多，而隧道建設(shè)不但需要面臨復(fù)雜地形和地質(zhì)環(huán)境，還存在地質(zhì)斷裂帶、巖溶區(qū)域等情況，使隧道施工安全問(wèn)題備受關(guān)注[1]。在實(shí)際施工中，隧道圍巖不僅是開(kāi)挖對(duì)象，同時(shí)也是支護(hù)對(duì)象。在開(kāi)挖之前，圍巖處在平衡中，隨著開(kāi)挖的推進(jìn)，既有應(yīng)力平衡會(huì)被打破，在自重、結(jié)構(gòu)應(yīng)力等共同作用下應(yīng)力重新分布，并于隧道初期支護(hù)下試圖重建新的平衡體系。而在這一過(guò)程中，如果平衡體系得以建立，那么隧道整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，反之則會(huì)導(dǎo)致早期支護(hù)失去穩(wěn)定性而出現(xiàn)塌方現(xiàn)象。因此，在隧道施工中必須進(jìn)行針對(duì)性預(yù)防，在出現(xiàn)塌方后盡快制定有效的處治對(duì)策，以確保隧道的安全、順利施工。

1.隧道施工塌方分型

從以往隧道施工塌方發(fā)生情況來(lái)看，表現(xiàn)方式不同，以溶洞塌方、破碎體塌方、斷層塌方、泥石流塌方等最為常見(jiàn)。依照塌方規(guī)模通常分為小、中、大3類(lèi)，如表1所示。

表1 基于規(guī)模的塌方分型

此外，依照隧道施工塌方發(fā)生機(jī)理主要分為：（1）危巖滑動(dòng)塌方，主要發(fā)生在節(jié)理較為發(fā)育的堅(jiān)硬巖層。由于巖層結(jié)構(gòu)面相互交錯(cuò)而出現(xiàn)影響巖體穩(wěn)定性構(gòu)造，成為危巖體，在隧道開(kāi)挖振動(dòng)或者地下水等誘發(fā)下，巖體滑動(dòng)剪切力顯著高于抗滑動(dòng)力而使得巖體沿著滑動(dòng)面松脫，如圖1所示。（2）松散巖體垮落塌方，一般發(fā)生在節(jié)理很發(fā)育—極發(fā)育松散巖層或者破碎巖層中，也發(fā)生于溶洞、采空等區(qū)段[2]。由于圍巖強(qiáng)度較低，承載力小，在隧道開(kāi)挖后未受足夠支護(hù)力，加之受自重影響出現(xiàn)持續(xù)位移而垮落，如圖2所示。（3）軟巖蠕變塌方，通常發(fā)生在強(qiáng)度低、膨脹性高的頁(yè)巖、片巖等巖層中，在出現(xiàn)塌方前一般有過(guò)渡期。在軟巖應(yīng)力超出臨界水平后，形變驟然加快而致塌方，如圖3所示。（4）硬質(zhì)巖爆裂塌方，大多數(shù)發(fā)生在埋深300米以上，高應(yīng)力、強(qiáng)度高脆性巖層中，在巖體積聚形變大到一定限度之后會(huì)在瞬間出現(xiàn)破壞而出現(xiàn)塌方，如圖4所示。

2.隧道施工中塌方預(yù)防措施

在隧道施工中出現(xiàn)的塌方雖是突發(fā)的，但也是一個(gè)由量變到質(zhì)變的進(jìn)展過(guò)程，而在量變中通常會(huì)有一些先兆，可通過(guò)監(jiān)測(cè)、觀察、分析等把握塌方發(fā)生的時(shí)節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而進(jìn)行有針對(duì)性的預(yù)防。例如，隨訪拱頂有巖塊掉落、滴水明顯增加且位置改變、滴水變濁再變清等。通常在隧道設(shè)計(jì)、施工階段進(jìn)行塌方預(yù)防。

2.1 隧道設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)防

一是在選址勘察階段，對(duì)隧道建造位置地質(zhì)的科學(xué)勘察是預(yù)防塌方的重要措施。只有確定隧道圍巖的性質(zhì)和級(jí)別，在設(shè)計(jì)時(shí)才可以做到有據(jù)可依，進(jìn)而制定科學(xué)、合理的隧道施工巖層支護(hù)方案，這樣不但能預(yù)防塌方發(fā)生，避免施工資源浪費(fèi)，同時(shí)可充分滿(mǎn)足巖層支護(hù)強(qiáng)度要求，確保隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

二是在具體設(shè)計(jì)階段，一方面要科學(xué)、合理選擇線路，特別是隧道洞口位置的選擇，應(yīng)盡可能地避開(kāi)異?；蛘卟涣嫉刭|(zhì)區(qū)段。在這些區(qū)段隧道施工塌方幾率高，區(qū)段巖體工程性質(zhì)直接決定著施工難度，因此，線路選擇必須合理；另一方面，選取合適巖層支護(hù)參數(shù)，不但可以確保支護(hù)效果，同時(shí)還可避免資源浪費(fèi)[3]。隧道巖層級(jí)別需做到基本無(wú)誤，在施工中適時(shí)修正，對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，以便對(duì)隧道進(jìn)行動(dòng)態(tài)化設(shè)計(jì)，有效預(yù)防塌方發(fā)生。

圖1

圖2

圖3

圖4

2.2 隧道施工時(shí)的預(yù)防

科學(xué)、安全、可靠的施工方法是預(yù)防隧道塌方的關(guān)鍵。在隧道施工期間一般從以下幾方面進(jìn)行塌方預(yù)防：（1）及時(shí)預(yù)報(bào)，根據(jù)隧道勘察和設(shè)計(jì)有關(guān)資料，對(duì)隧道掌子面前方的圍巖情況進(jìn)行及時(shí)有效預(yù)報(bào)，同時(shí)對(duì)資料進(jìn)行復(fù)核，以便準(zhǔn)確、動(dòng)態(tài)地掌握圍巖情況，避免出現(xiàn)塌方。（2）超前性支護(hù)，依照隧道施工現(xiàn)場(chǎng)圍巖性質(zhì)和級(jí)別，對(duì)易破碎、塌方風(fēng)險(xiǎn)大的區(qū)段進(jìn)行超前支護(hù)處理，以強(qiáng)化圍巖自我穩(wěn)定力，預(yù)防出現(xiàn)塌方。現(xiàn)階段主要采取深孔灌漿、全斷面預(yù)灌漿、超前錨桿、管棚等超前性支護(hù)方法。（3）及時(shí)性支護(hù)，這直接決定了隧道的穩(wěn)定性，初期支護(hù)能有效控制隧道發(fā)生形變，確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。因此，在實(shí)際施工中需保證初期支護(hù)參數(shù)、質(zhì)量符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。在特殊狀況下，還可應(yīng)用邁式錨桿、預(yù)應(yīng)力錨桿、碳纖維噴射砼等。（4）優(yōu)先開(kāi)挖，為充分利用好隧道圍巖自承力，減少施工產(chǎn)生的擾動(dòng)，盡量采取擾動(dòng)小，且便捷、迅速的施工方法。對(duì)易出現(xiàn)塌方區(qū)段，應(yīng)主要控制形變，以免因施工不當(dāng)導(dǎo)致塌方。（5）動(dòng)態(tài)施工，就是在隧道施工中基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并結(jié)合圍巖實(shí)際情況，對(duì)施工方法、支護(hù)參數(shù)等進(jìn)行適時(shí)調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)性施工。圍巖失穩(wěn)是一個(gè)量變過(guò)程，進(jìn)行監(jiān)測(cè)可掌握隧道施工中圍巖量變的量化值，并通過(guò)一定數(shù)學(xué)方法剖析初期支護(hù)變化趨勢(shì)，同時(shí)和相應(yīng)圍巖級(jí)別可承受量表范圍進(jìn)行比較，確保在質(zhì)變前進(jìn)行針對(duì)性補(bǔ)救，避免塌方發(fā)生。

3.隧道施工中塌方的處治措施

雖然說(shuō)隧道施工中的塌方是可預(yù)防的，但是因地下工程建設(shè)存在諸多不確定因素，不可避免地出現(xiàn)塌方。因此，為有效控制塌方發(fā)展，降低塌方危害，應(yīng)根據(jù)塌方范圍、大小、圍巖級(jí)別等進(jìn)行有效處治。

3.1 小塌方的處治

在隧道施工中出現(xiàn)的小塌方，通?？v向延伸長(zhǎng)度、高度均較低，對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響比較小，所以在處治上相對(duì)簡(jiǎn)單，但是必須及時(shí)，以免塌方進(jìn)展。具體而言，發(fā)生小塌方后先要在保證安全前提下，首先，對(duì)塌方處噴上混凝土，有效封閉塌方面，避免圍巖因長(zhǎng)時(shí)間暴露而發(fā)生大形變。其次，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況應(yīng)用加錨桿、鋼筋網(wǎng)等對(duì)塌方面進(jìn)行加固。如塌方形變難以控制，則要加臨時(shí)支護(hù)，例如，仰拱、套拱等，確保塌方段穩(wěn)定。最后，在塌方區(qū)段基本穩(wěn)定后，對(duì)塌落渣體進(jìn)行有效清除，繼續(xù)開(kāi)挖，在初期支護(hù)穩(wěn)定之后，將臨時(shí)支護(hù)拆除。

3.2 中大塌方的處治

中大塌方縱向延伸相對(duì)較長(zhǎng)，且高度較高，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響至地表，對(duì)隧道開(kāi)挖初期支護(hù)穩(wěn)定性影響很大，從而導(dǎo)致部分支護(hù)整體塌落。此類(lèi)塌方的危害性比較大，在處治中必須確保人員、機(jī)械設(shè)備的安全。當(dāng)前，針對(duì)隧道施工中的中大塌方有較多處治措施，因而需依照塌方發(fā)生機(jī)理、圍巖情況、嚴(yán)重度及施工等情況，采取合適措施。

（1）套拱法。一般用于隧道施工塌方導(dǎo)致的初期支護(hù)上端出現(xiàn)的空洞區(qū)段，在應(yīng)用套拱后，將砼泵送到塌方腔中，以免上方圍巖進(jìn)行塌方，確保隧道穩(wěn)定性。具體按以下流程進(jìn)行：一是對(duì)受塌方影響區(qū)段進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)加固，再對(duì)塌方體全面清除，然后應(yīng)用鋼拱架支撐，每個(gè)鋼拱架需配套4對(duì)鎖腳鋼管，同時(shí)沿著鋼拱架布置系統(tǒng)錨桿。二是在鋼拱架安置后于外側(cè)加用鋼筋網(wǎng)，并通過(guò)架立筋妥善固定，以構(gòu)成套拱骨架筋，于拱頂預(yù)留出砼泵送管道，再自鋼支撐底腳往上在鋼筋網(wǎng)外側(cè)分段放置片石，最后噴上早強(qiáng)砼成套拱。三是在套拱強(qiáng)度達(dá)標(biāo)后，再分次往空腔泵注砼[4]。

（2）超前小導(dǎo)管灌漿法。該方法通常應(yīng)用直徑42mm熱軋無(wú)縫鋼管，在管體周?chē)@上直徑8mm溢漿孔，按梅花狀進(jìn)行布置，但是尾部80cm內(nèi)不需鉆孔，如圖5所示。可應(yīng)用水泥漿或者化學(xué)漿，后者更具優(yōu)勢(shì)，可快速成凝固體，使圍巖強(qiáng)度較快增大。此方法的加固原理需從兩方面看，一是在隧道開(kāi)挖中，由小導(dǎo)管構(gòu)成的棚架和鋼拱架相連后會(huì)一同受力，進(jìn)而出現(xiàn)“梁效應(yīng)”，發(fā)揮漿液通道、加固圍巖、懸吊等與錨桿相似的作用。二是灌漿加固則通過(guò)漿液填塞滲透，使松散體固結(jié)，提升圍巖凝聚力和內(nèi)摩角、提升圍巖承受剪切面的法向應(yīng)力及增大圍巖外表剪切滑動(dòng)面。此外，灌漿能夠有效填塞圍巖裂隙，阻斷地下水滲流到隧道內(nèi)。

（3）超前鋼管棚支護(hù)法。該方法適用于縱向長(zhǎng)、圍巖極為破碎且不具自穩(wěn)性的塌方處治。鋼管棚起點(diǎn)須設(shè)有護(hù)拱，以此充當(dāng)施工導(dǎo)向墻。可應(yīng)用結(jié)長(zhǎng)3cm～6cm、直徑80mm～108mm規(guī)格的熱軋無(wú)縫鋼管，環(huán)向間距30cm～50cm。在鋼管壁周?chē)O(shè)直徑10mm～16mm灌漿孔，孔間距約15cm，梅花狀設(shè)置，在尾端1m～1.5m不得鉆孔。宜使用水泥漿灌注，對(duì)于灌漿擴(kuò)散半徑按照0.5m～0.6m算，灌漿初始?jí)阂话阍?.5MPa～1.0MPa，終壓2.0MPa。每個(gè)孔達(dá)到預(yù)定灌漿量或灌漿壓達(dá)2.0MPa后，保持10min以上可停止灌漿。通過(guò)該方法能把隧道開(kāi)挖中臨空面?zhèn)鲗?dǎo)的荷載有效地往掘進(jìn)掌子面前后轉(zhuǎn)移，達(dá)到防止圍巖垂直向位移、避免開(kāi)挖中隧道塌方等作用。其作用主要是“梁效應(yīng)”與“圍巖加固效應(yīng)”。

（4）地表灌漿。在隧道施工中出現(xiàn)的塌方如較嚴(yán)重，甚至冒頂，單憑洞內(nèi)處治難以確保塌方體穩(wěn)定性，可能導(dǎo)致塌方擴(kuò)大[5]。對(duì)此，在回填后還需對(duì)地表進(jìn)行有效處治。最為常用、有效的方法就是地表灌漿，在隧道地表通過(guò)鉆孔把漿液灌進(jìn)軟弱、破損的巖層中，進(jìn)而構(gòu)成新的強(qiáng)度高的圍巖。依照灌漿范圍分成兩種：一是在開(kāi)挖輪廓線內(nèi)灌漿，可提升隧道整個(gè)開(kāi)挖掌子面圍巖自穩(wěn)力，常用于對(duì)隧道全斷面圍巖有破損的塌方，如圖6所示。二是于隧道拱頂上端灌漿，提高拱頂上端圍巖自穩(wěn)力，適用隧道拱頂塌方的處治，如圖7所示。

圖5

圖7

4.結(jié)語(yǔ)

總而言之，塌方是隧道施工中最為嚴(yán)重的安全問(wèn)題，應(yīng)系統(tǒng)明確塌方類(lèi)型，根據(jù)工程設(shè)計(jì)和施工情況制定塌方預(yù)防措施，減少隧道施工塌方的發(fā)生幾率。但在施工中存在諸多不確定因素，使塌方難以避免，因此，在出現(xiàn)塌方后需根據(jù)嚴(yán)重度制定切實(shí)可行的處治措施，盡量控制塌方進(jìn)展，減小損失，保證隧道施工安全性，提高施工質(zhì)量。