淺談隧道塌方冒頂原因及處理方案研究

摘 要：本文基于筆者多年從事隧道工程施工的相關工作經驗，以筆者參與的某隧道工程項目為研究背景，針對施工工程中出現的一次坍塌冒頂事故，給出了詳細的塌方情況分析和原因分析，并在此基礎上，提出了具體的實施方案，全文是筆者長期工作實踐基礎上的理論升華，相信對從事相關工作的同行有著重要的參考價值和借鑒意義。

關鍵詞：隧道 塌方冒頂 處理方案 工藝總結

中圖分類號：U457 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）04（c）-0057-02

云南省廣硯高速公路是國道主干線（GZ75）衡陽～南寧～昆明公路滇鏡中的一段，是交通部發展戰略規劃中“五縱七橫”國道主干線公路系統中重點改造路段，也是云南省高等級公路網規劃“三縱三橫”、“九大通道”的重要組成部分，線路設計全長73.92 km。第3合同段位于珠街鎮，其中有一隧道，為雙幅單向通行，雙車道，隧道凈寬10.25 m，單幅長1227 m。

1 工程地質概況

隧道段地貌屬構造剝蝕中-低丘陵地貌單元，地形起伏較大，地面標高相對高差270 m。地形坡度一般為25°～60°，山體頂部渾圓，山脊大部呈狹長、陡峭和狹長平緩狀。根據目前已開挖出露的巖層，該隧道段巖層以弱風化石灰巖為主，局部地段含有綠泥鈉長片巖和石英巖。勘察與設計結果表明，圍巖大都為Ⅱ～Ⅳ級。除出口段右線洞口附近巖層為強風化的黑色碳質灰巖和塌方段為黃泥夾層與勘查設計情況不甚相符之外，其它地段巖層均與勘查設計相吻合。

2 塌方情況

該隧道某段原設計為Ⅲ級圍巖。初期支護為：3 m長藥卷錨桿，環向間距1 m、縱向間距1.2 m的格柵拱架，22 cm厚網噴混凝土。施工方式為全斷面開挖，S3b復合式襯砌。原設計斷面見圖1。

在爆破開挖后掌子面處發現黃泥層并有滲水，拱頂靠右不時有少量塌落物，巖層為水平走向。中午黃泥層繼續塌落，塌落速度加快，并有較大的滲水。在洞右方形成小型塌洞（Ⅰ），塌洞面積約1 m2左右（圖2）。

在完成兩榀格柵拱架的架設后，在架設第三榀格柵拱架時，發現后面已完成的初期支護混凝土出現裂紋，同時出現塌落物（軟黃泥和石塊，自掌子面超前小鋼管間塌落），并且隨著塌落物不斷地增加裂紋也逐步增大。晚上開挖面開始出現大面積塌方，掌子面上方形成大的空洞（Ⅱ），如圖2所示，落下的黃泥碎石土和石塊。整個開挖面被塌方體覆蓋，塌方體涌至YK166+352斷面，塌腔高度約為5 m，塌腔縱向約為15 m。

3 塌方原因分析

根據現場地質情況以及塌方段對應地表調查和分析，造成本次塌方的原因有以下幾點。

（1）從地質縱斷面圖來看，塌方段地表正位于兩山峰之間的埡口處。而且隧道在此處埋深較淺，大約為30 m，地形陡峭。埡口處有一斷層（F3）經過，位于埡口處的巖層受水平地應力作用擠壓嚴重，致使巖石破碎，巖體內部節理裂隙被兩側地表沖積土所充填。同時，塌方發生時正值雨季，地表水豐富且沿埡口地勢較低的破碎巖縫、節理裂隙中滲流。因此隧道洞內滲水較大，夾在巖石間的黃泥軟弱夾層及其它松散巖體受滲水作用迅速軟化，巖體抗剪強度大大降低，巖石間的摩擦力不能支撐上部巖體重量從而導致隧道拱頂圍巖發生重力坍塌。（2）據現場調查及按照《公路隧道設計規范》計算，隧道塌方段實際圍巖出露級別為Ⅴ級，與原設計的III～IV級圍巖級別不相符。原全斷面開挖方式已無法保證掌子面的臨時穩定，已采用的初期支護方案也無法保證結構和施工安全。（3）對地質變化及塌方預兆未予足夠重視，致使險情擴大。首先，在掌子面出現黃泥夾層時，應引起重視，加強初期支護；其次，在局部塌方時應及時密實回填塌腔；最后，在右洞發生塌方后，左洞施工應引起警惕，不應重復右洞塌方過程。

4 施工方案

為了防止塌方的進一步擴大，保證施工進度，根據隧道塌方現場實際情況，將隧道分為穩定段、塌方段和后繼段三個區段，針對不同區段分別采取不同的處理措施。

4.1 穩定段處理方案

穩定段是指隧道左、右洞內初期支護已按照原設計施作完畢、塌方后尚未發生變形破壞、而二次襯砌短時間內無法跟上的區段，該段處理的原則是“加強監測，二次襯砌快跟”。

（1）采用跳躍法施作二次襯砌，根據現場情況，以最快速度施作離塌方體最近的二次襯砌，以保證初期支護施工完成區段的最終穩定和安全。（2）由于現場襯砌臺車、掛布臺車空間的要求及原施工工序的影響，仍有30 m左右長度范圍的二次襯砌無法及時施作，對于該段以加強初期支護的監控量測為主，同時做好應急支撐方案的準備，一旦該段出現大變形情況將立即采取應急處理措施。（3）靠近塌方體5～10 m的穩定初期支護段，處于塌方體影響范圍內，短期內二次襯砌無法緊跟。為保證初期支護強度和后期施工安全，采取如下措施：在原噴混凝土內層增加間距為60 cm的18型工字鋼拱架，待鋼拱架安裝完畢后采用小導管對圍巖進行系統注漿加固。導管采用4.5 m長42注漿鋼花管，按1.2 m×1.2 m梅花型布置。

4.2 塌方段處理方案

4.2.1 方案比選

（1）采用大管棚注漿加固。（2）采用小管棚注漿加固。

通過現場驗證，考慮到施工的工藝，安全及快速，并且考慮節約成本。通過比選采用第二方法施工。

4.2.2 方案確定

經設計、業主、監理、施工方四主協商采用如下處理措施。

（1）對塌方體進行回填反壓，保證塌體穩定和后期施工的安全。（2）對塌方體表面采用12 cm厚貧混凝土封閉，并完善掌子面處的排水系統，防止地下水在掌子面處的匯集，保持該段干燥，避免由于積水浸泡導致該段圍巖強度進一步降低。（3）采用環向間距40 cm、長度為12 m的超前小管棚貫穿坍塌體，以2°仰角打入拱部圍巖，對塌方體進行注漿加固。小管棚材料采用外徑83 mm、壁厚5 mm的熱軋無縫鋼管，注漿材料采用水灰比為1∶1的普通水泥漿液，同時外摻速凝劑。注漿機型號為FBY 50/70，注漿壓力為0.5～1.5 MPa。管棚孔內采用M30水泥砂漿充填。待超前小管棚施工完后再對塌腔采用貧混凝土進行泵送回填。（4）采用雙側壁導洞法對坍塌體進行開挖以減少開挖斷面面積。（5）在二次襯砌澆注之前，對剩余塌腔通過高壓注漿回填密實。（6）塌方段采用S2c復合式襯砌進行支護。

通過現場實際操作，發現該方法在施工過程中對坍塌體擾動小，沒有造成二次坍塌，初支后監控量測變形小，圍巖穩定。

4.3 后繼段處理方案

該段處理方案分兩種情況，根據不同情況采取不同方案。

（1）當塌方段治理完畢后，如果開挖掌子面處圍巖恢復到原來較好狀態，則繼續按原設計進行施工。（2）當塌方段治理完畢后，開挖掌子面處圍巖狀態仍未變化，則以每30 m為一個單元，采用加強初期支護和二次襯砌進行設計和施工。

5 施工體會與建議

通過坍方處理，筆者體會到。

坍方處理必須要找到發生坍方的原因。處理坍方必須安全、快速、施工難度小的情況下進行施工。隧道淺埋及沖溝地段在施工前一定要做好地質調查，做到有的放矢。對于淺理地段隧道一定要注意防排水，以免地下水滲透影響巖土層及構造的力學性質，危及安全。對于地質較差的淺層、較破碎的地段施工一定要有施工預案，防患于未然。

參考文獻

[1]徐茂輝，謝慧才.隧道混凝土密實度的雷達檢測方法[J].科技資訊，2005（4）.

[2]賈劉強，邱建，王志杰.隧道圍巖收斂量測的新方法[J].科技創新導報，2006（5）.

[3]何公社.基于位移反分析和安全預報要求的深基坑工程施工監測[J].安徽地質，2007（3）.

[4]孫狂飆，鄧文龍.隧道現場圍巖級別判定方法探討[J].建筑科學，2009（1）.

[5]榮傳新，蔡海兵.光纖傳感技術的應用與土木工程測試技術課程的教學改革[J].北京建筑工業學院學報：自然科學版，2008（5）.