高速公路隧道塌方機(jī)理及預(yù)防和處治技術(shù)

李新偉 王曉飛

隧道屬于地下工程，地質(zhì)狀況復(fù)雜多變，施工控制難度較大。而且在隧道施工的整個過程中，一旦發(fā)生災(zāi)害性事故，輕則延誤工期、增加投資，重則人員傷亡;同時處治不當(dāng)會遺留質(zhì)量隱患，給維修養(yǎng)護(hù)工作造成極大的困難。施工中較常出現(xiàn)的事故有塌方、大變形、巖爆等，還有突泥突水、瓦斯爆炸、有害氣體逸出等。本文從塌方產(chǎn)生的機(jī)理入手，就其預(yù)防、處治技術(shù)進(jìn)行探討，供工程技術(shù)人員參考。

1 塌方機(jī)理

隧道或地下洞室在施工過程中發(fā)生的塌方形式是多種多樣的，為簡單、直觀，可將所有塌方形式劃分為三大類:1)洞口塌方。由于洞口一般為堆積層或風(fēng)化嚴(yán)重、破碎的巖體，其自穩(wěn)能力以及整體穩(wěn)定性均較差，同時又處在淺埋地段，如果進(jìn)洞前采取的技術(shù)措施未能達(dá)到要求，進(jìn)洞后，必然引起上端圍巖應(yīng)力重分布，在重力作用下出現(xiàn)下沉或開裂變形，當(dāng)這些變形發(fā)展到一定程度時，平衡被打破，導(dǎo)致大面積的整體失穩(wěn)，進(jìn)而發(fā)生整體坍塌，這就是洞口塌方。2)洞內(nèi)石質(zhì)類塌方。隧道或洞室開挖后，使其周邊的巖石處于懸空狀態(tài)，同時發(fā)生下沉或收斂變形，以釋放其內(nèi)部應(yīng)力，由于巖石體中存在層理和節(jié)理(有時還有軟弱夾層)，使周邊的部分巖塊在重力作用下，具有下落和擠出的趨勢，如果此時未采取相應(yīng)的支護(hù)措施或所采取的支護(hù)措施達(dá)不到控制其變形發(fā)展的要求時，必然會出現(xiàn)“掉塊”現(xiàn)象，當(dāng)這種“掉塊”的數(shù)量達(dá)到一定數(shù)值時，就是塌方。這類塌方一般沿結(jié)構(gòu)面形成塌腔的形狀極不規(guī)則。3)洞內(nèi)土質(zhì)類塌方。土質(zhì)類隧道或洞室開挖后，由于圍巖的C，φ值較低，周邊一定范圍內(nèi)很快發(fā)生松弛變形，隨著這些變形的逐漸擴(kuò)展，圍巖的整體強(qiáng)度降低，同時土壓增加，進(jìn)而引發(fā)局部的塑性破壞，在圍巖(土質(zhì)體)內(nèi)部出現(xiàn)空洞導(dǎo)致局部發(fā)生坍塌，局部(淺埋時在地表)出現(xiàn)下沉，塑性區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大，土壓力劇增最終導(dǎo)致整體失穩(wěn)，大面積坍塌，這就是塌方。這類塌方表現(xiàn)為:塌體為松散的砂、土(或碎石)混合體，數(shù)量較大，塌腔形狀較為規(guī)則，一般為圓弧形或拱形。

2 預(yù)防措施

塌方的原因有很多種，有地質(zhì)上突發(fā)的因素，也有人們認(rèn)識上的因素，但歸根結(jié)底，地質(zhì)因素是決定性的，因此加強(qiáng)施工地質(zhì)工作是避免和防止塌方事故發(fā)生的根本手段，必須牢固樹立“地質(zhì)工作既是設(shè)計人員的任務(wù)，更是施工人員的重要責(zé)任”理念，把施工地質(zhì)工作提高到應(yīng)有的高度加以重視，樹立塌方是可以預(yù)測、控制的觀點(diǎn)，增強(qiáng)不良地質(zhì)條件下的施工應(yīng)變能力和處理能力。

2.1 工程地質(zhì)

1)充分理解圖紙，并與現(xiàn)場的實(shí)際地質(zhì)情況對照，弄清設(shè)計意圖。2)加強(qiáng)對地質(zhì)的超前預(yù)報，主要措施有超前鉆孔、地質(zhì)雷達(dá)、波速測試以及宏觀的工程類比法等。3)在軟弱圍巖地段，必須采取正確的開挖及支護(hù)方法，如短臺階法、分部開挖法等，并確保初期支護(hù)質(zhì)量、加強(qiáng)初期支護(hù)、監(jiān)控量測、二次襯砌緊跟等。4)在隧道開挖過程中，突然遇到了較大的涌水、流砂、溶洞、斷層及破碎帶時，必須及時改變施工方法，增大支護(hù)參數(shù)，以及其他必要的技術(shù)處理手段，才能達(dá)到防塌的目的。

2.2 施工技術(shù)

1)隧道開挖。盡量減少對圍巖的擾動，應(yīng)盡可能地采用全斷面的光面爆破技術(shù);對于地質(zhì)條件較差者，可采用半斷面，同時采用弱爆破技術(shù);對于大斷面和特大斷面，應(yīng)采用分步開挖法進(jìn)行。2)初期支護(hù)。必須確保初期支護(hù)的參數(shù)和質(zhì)量達(dá)到設(shè)計要求。特殊情況下，還可以采用預(yù)應(yīng)力錨桿、膨脹型錨桿、邁式錨桿，噴射混凝土可采用鋼纖維噴射混凝土、碳纖維噴射混凝土等技術(shù)手段。3)超前支護(hù)。當(dāng)圍巖的自穩(wěn)能力較差時，為了預(yù)防塌方，必須采用超前支護(hù)，其主要的內(nèi)容有:超前錨桿、小導(dǎo)管注漿、管棚、全斷面預(yù)注漿、深孔注漿、帷幕注漿以及在洞口淺埋段采用的地表注漿等。4)二次襯砌。二次襯砌不得嚴(yán)重滯后初期支護(hù)，軟弱圍巖地段應(yīng)緊跟開挖，Ⅲ，Ⅳ級圍巖需根據(jù)量測結(jié)果確定最佳施作時間。5)監(jiān)控量測。量測工作在隧道的防塌工作中起著重要的作用，它是新奧法的三大核心之一。圍巖的失穩(wěn)破壞總有一定的先兆，通過將量測結(jié)果與設(shè)計給出的判斷標(biāo)準(zhǔn)(也稱為管理值)比較，即可得出圍巖，包括初期支護(hù)是否穩(wěn)定的結(jié)論。但是必須指出的是:量測結(jié)果超過標(biāo)準(zhǔn)值時，隧道并非一定發(fā)生塌方;相反，量測結(jié)果沒有超過標(biāo)準(zhǔn)值時，隧道也并非一定安全穩(wěn)定。

3 處治技術(shù)

3.1 處治的原則

塌方處理方案應(yīng)遵循以下四個原則:安全，塌方的處理必須安全可靠，做到萬無一失;快速，處理時間要最短;保質(zhì)，即保證工程質(zhì)量，不留任何隱患;節(jié)約，即整個處理費(fèi)用最低。

3.2 處治要點(diǎn)

塌方處理應(yīng)結(jié)合地質(zhì)、地貌，及時組織，應(yīng)抓住三個要點(diǎn):地表處理，做好防排水工作、防止塌方的擴(kuò)大;洞內(nèi)塌體注漿固結(jié)，形成整體受力殼;塌方段的開挖及支護(hù)。

3.3 處治措施

1)塌方量較小時的處治方法。對塌方相鄰段作強(qiáng)支護(hù)，以控制塌方的發(fā)展和蔓延;相鄰段穩(wěn)定后，以短進(jìn)尺清渣;清除危石后立即噴混凝土;打錨桿或超前注漿管棚;掛鋼筋網(wǎng)，復(fù)噴混凝土達(dá)設(shè)計厚度(15 cm～20 cm);進(jìn)行監(jiān)控量測;循序前進(jìn)，往前施工;襯砌加強(qiáng)(鋼拱加徑向型鋼支撐)。2)塌方量很大或通頂時的處治方法。對塌方相鄰段作強(qiáng)支護(hù)，以控制塌方的發(fā)展和蔓延;對塌體從地表(淺埋時)或隧道內(nèi)沿開挖線以外打孔注漿或超前管棚注漿，膠結(jié)松散塌體;待穩(wěn)固后，小段清渣;及時掛網(wǎng)、噴混凝土;安設(shè)鋼支撐并縱向連接，上下與錨桿、管棚焊接形成一初期支護(hù)的完整受力體;進(jìn)行監(jiān)控量測;循序前進(jìn)，往前施工;襯砌加強(qiáng)(護(hù)拱腹部留空)。3)地表沉陷的處治方法。地表處理，地表及時回填并夯實(shí)(或噴混凝土封閉)，可預(yù)埋注漿管，搭防雨棚(或植草皮)，挖排水溝;對塌方相鄰段作強(qiáng)支護(hù)，以控制塌方的發(fā)展和蔓延;塌方體處理，洞內(nèi)塌體用鋼軌或小鋼管超前支護(hù);塌方段打縱向鋼軌、豎向鋼軌，并用橫向鋼管支撐焊接為一整體，然后壓漿;塌渣處理，隨挖隨撐;超挖部分用同級混凝土回填(或用漿砌片石回填);進(jìn)行監(jiān)控量測;循序前進(jìn)，往前施工;襯砌按鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行特殊設(shè)計。4)洞內(nèi)有大涌水的塌方處治方法。由主洞迂回進(jìn)入涌水區(qū)，向塌方體四周注入藥液并排水;構(gòu)筑擋墻;排水鉆孔兼作空洞調(diào)查;向塌方空洞充填泥漿、水玻璃;向塌體部位周圍山體注入水玻璃加固;鉆孔檢查，確認(rèn)加固效果;拆除擋墻;清除隧道內(nèi)的土砂及塌方體;恢復(fù)掘進(jìn)。

4 結(jié)語

地下工程面臨地質(zhì)情況不斷變化，各種突發(fā)情況多的現(xiàn)狀，隧道施工尤其如此。塌方是隧道施工過程中出現(xiàn)的嚴(yán)重災(zāi)害，因此在施工過程中，應(yīng)極力避免和防止。本文通過分析隧道塌方的機(jī)理，提出了其預(yù)防措施及處治技術(shù)，希望能對隧道施工有所幫助。

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