管道隧道坍塌原因分析與處理方案

潘月宇 閆慶華 廖紹華 孟凡鵬

(中石化石油工程設計有限公司，山東 東營 257000)

1 工程概況

隧道位于寧海縣洞口廟水庫西側，進洞口位于甬臺溫高速鐵路西側，距省道S214約1.8km。該隧道設計為單坡隧道形式，隧道長度為827.53m，坡度5.0%。根據地形地質條件和管線敷設要求，隧道洞口采用漿砌片石或混凝土墻封堵，上設通風口。洞口之上為坡向19°、坡角約30-40°的由殘積層及全風化安山巖組成的斜坡，斜坡上地表主要為竹林，受附近構造的影響，巖石節理、 裂隙較發育， 主節理裂隙為 73°∠62°、155°∠60°、300°∠23°，延伸長度 0.5-1.0m，裂隙面較平直、表面較粗糙，結合稍差，無充填或少量泥質充填，無滲水，可見張開度2-5mm。風化強烈，巖體破碎。

2 塌方基本情況

隧道開挖至K0+087m處時，由于此處位于Ⅵ、Ⅳ級圍巖分界點，且存有一條軟弱破碎帶，加之本處隧道覆蓋層只有20m，該段施工期間雨水較多，因此，圍巖開挖暴露后，即軟化發生掉塊。在出碴完成后，施工方及時采用噴砼對圍巖面進行封閉，但掉塊仍陸續發生，且范圍加大，噴砼也發生塌落。施工方緊急采用架設鋼管棚架法，但在施工時，由于掌子面出現滑塊，頂部持續發生掉塊，且伴有大塊掉落，不得不停止施工。當晚塌方石碴已填滿該處洞身，塌方長度4.1m、高度已達6m左右，塌體完全堵住洞身，該段初期支護全部破壞，把已架好的鋼拱架和搭設中的棚架砸塌。

圖1 洞口廟隧道塌方處

3 塌方原因分析

3.1 地質構造原因：隧道位于華南褶皺系Ⅰ2構造單元東北部，Ⅱ級構造單元屬浙東南褶皺帶（Ⅱ3），Ⅲ級構造單元屬麗水-寧波隆起（Ⅲ7），Ⅳ級構造單元屬新昌-定海斷隆（Ⅳ9）。隧址區附近主要分布的斷裂為梅林—薛岙斷裂帶，梅林—薛岙斷裂帶是溫州—鎮海—漳州深斷裂的組成部分。隧址區距離梅林—薛岙斷裂帶約5.0km，受其影響較小，地質構造主要受深圳—西店火山噴發亞帶火山構造放射狀斷裂的影響，區內主要構造線的展布方向與二者一致。隧道通過地段次級小斷裂稍發育。斷裂破碎帶F1位于洞口廟隧道ANH055號樁+295m附近。

受附近構造的影響，隧道進洞口段節理裂隙發育，巖體破碎，呈碎塊狀鑲嵌結構；主節理裂隙為 73°∠62°、155°∠60°、300°∠23°，延伸長度 0.5-1.0m，裂隙面較平直、表面較粗糙，結合稍差-差，無充填或少量泥質充填，無滲水，可見張開度2-5mm。風化強烈，巖體破碎。

3.2 地下（表）水原因：據現場人員調查，施工期連續降雨，地表水豐富，由于圍巖結構松散且埋深較淺，導致土層含水量增大，力學性能下降。在地下水的軟化、浸泡、沖蝕、溶解下加劇了圍巖失穩和塌落，軟弱滑動面在地下水的作用下，強度大為降低，因而發生滑塌。水在塌方中起到一個“催化”和“惡化”的作用。

3.3 施工方面原因：施工單位可能對雨季施工沒有提前采取措施或沒有引起足夠重視，同時未及時根據地質條件變化調整施工方案和支護參數，未采取更為有效的超前支護措施，開挖進尺過大，初期支護未及時跟進，從而造成臨空面過大也是造成塌方的重要原因。

4 原設計支護方式

4.1 塌方段圍巖分類

（1）區段 K0+66.1-K0+87.9：水平長度為 21.8m，隧道進洞口段，埋深淺，圍巖為全風化安山巖、粉質黏土混碎石，穩定性極差，圍巖級別為Ⅴ級。隧道滲水量大于125L/min.10m，圍巖經常滲水，地下水狀態為Ⅲ級，不考慮初始應力的影響，修正后的圍巖級別為Ⅵ級。

（2）區段 K0+87.9-K0+105.6：水平長度為 17.7m，隧道穿越強風化安山巖、英安巖層，埋深較淺，巖體較破碎，圍巖級別為Ⅲ級。隧道滲水量15.9L/min.10m，圍巖偶有滲水，地下水狀態為Ⅱ級，不考慮初始應力的影響，修正后的圍巖級別為Ⅳ級。

4.2 設計參數

設計中采用Ⅵ型支護斷面，并延長至K0+092.9處。

Ⅵ型支護斷面支護參數為：φ89超前管棚注漿支護，Φ22砂漿錨桿長 2.5m，間距 0.8m，梅花型布置。I12 工字鋼架間距 0.8m，φ6鋼筋網全斷面鋪貼，噴C25砼180mm。

二次襯砌為350mm厚C30模筑鋼筋混凝土。

設計在圖紙中明確要求施工單位在成洞困難地段應加設超前小導管或管棚支護；二次襯砌應在圍巖和錨噴支護變形基本穩定后及時進行。

5 塌方處理方案和方法

根據塌方的情況和隧道所通過的層位提出如下處理措施：

5.1 塌方后段的處理。為防止塌方進一步擴大，對成洞段造成影響，故對隧道K0+74.8～K0+084.8段拱部和邊墻采用鋼筋、噴砼進行加固。鋼筋采用Ф25@15×15cm，噴砼采用C25噴砼，厚8cm。

5.2 在塌方段頂部的處理。在地表K0+100附近設置截水溝一條，將雨水引致塌方區域外，長度現場確定，截水溝尺寸及斷面形式參照原設計文件排水溝圖，底寬改為1000mm。

5.3 塌空區段處理。在塌方處外面架設一榀拱架，再沿拱架拱部鉆設長5m管棚，環向間距15cm。管棚采用鎬頭機頂進。

管棚安裝完成后，先對隧道內塌方石碴采用C25噴砼進行封閉，再對管棚進行注漿。注漿完成后，開始逐段清理塌碴，并及時跟進鋼拱架、錨噴網支護。拱架采用I12鋼拱架，間距30cm。并在拱腳、墻腳部位各設一根Ф22L＝3m水泥砂漿鎖腳錨桿。錨噴網支護參數同隧道Ⅵ型斷面支護設計參數。

圖2 隧道坍塌處理示意圖

5.4 塌方過渡段處理。塌方段處理完成后，隧道繼續前進施工時，應按Ⅵ型設計斷面進行開挖，并加強支護至K0+098：超前支護采用超前小導管支護，初噴C25砼改為5cm厚鋼纖維混凝土；拱架支護間距調整為30cm，錨桿支護長度調整為4m，其他同Ⅵ型斷面設計圖。加強支護地段長度根據實際圍巖地質情況確定。塌方段及前后各10m范圍內采用超前小導管注漿支護方式加強支護。

5.5 監控測量。認真做好各項施工監測，根據對監測數據的分析和判斷，對圍巖及支護體系的穩定狀態進行判斷和預測，及時采取措施來確保圍巖和結構的穩定，以確保施工安全。

6 結論

6.1 隧道坍塌是最容易造成施工安全事故的主要原因，特別是對坍塌的處理更是危險作業。因此，只有方案正確、處理及時、方法恰當、組織嚴密、措施得力，才能使搶險得以順利完成。

6.2 前方封堵，后方加固，對塌方區形成合圍，是防止塌方惡化的有效方法。搶險的戰斗從何處打響，關系到搶險工程全局性的問題。根據實際情況，采取前方封堵，即噴射C20混凝土封堵掌子面及塌落面，穩住圍巖，防止空頂加大，并對下一步塌體注漿創造條件，保證注漿效果，同時還為下一步施工提供安全保障；后方加固，即對塌穴后方10m處未損壞的初期支護段架設型鋼拱架加固初支。這種前方封堵和后方加固處理方法，有效地防止塌方惡化，使塌方處理出現了良好的局面，這是處理隧道塌方的一條重要成功經驗。

6.3 塌方的處理必須遵循“短進尺、少擾動、強支護、快封閉、勤量測”的原則。對塌體一般不宜直接進行清理，盡量減少對圍巖的擾動，避免塌腔擴大。塌方的處理應一次到位、不留后患，加大超前支護和加強初期支護，必要時對二襯混凝土進行配筋和加厚，隧道輪廓外的塌腔宜盡量回填密實。從監控量測結果來看，本次隧道塌方的處理方案是可靠的。

[1]SY/T6853-2012，油氣輸送管道隧道設計規范[S].

[2]GB50423-2007,油氣輸送管道穿越設計規范[S].

[3]JTGD70-2004，公路隧道設計規范[S].