大斷面隧道塌方處置對策探究

摘要：隨著我國交通、能源和水利等基礎設施建設的快速發展，隧道工程的建設規模不斷擴大，遇到了各種各樣的復雜地層，給隧道建設者帶來了很大的挑戰。本文通過深入調研，總結隧道塌方的過程，分析隧道塌方的影響因素，提出針對性的處置對策。

關鍵詞：大斷面 隧道工程 塌方 處置對策

隧道開挖面如果處在土石復合地層，施工難度大，在修建過程中出現了多次塌方事故，分析結果表明：復雜地層、圍巖軟弱、地下水是塌方發生的主要促進因素。

一、大斷面土石復合地層的含義

大斷面土石復合地層是指受由于地球構造的控制，構造運動十分強烈，以間歇性垂直升降運動為主，形成多級階地，各級階地臺面高差十分顯著。隧道洞身穿越地層主要為第四系上更新統風沖擊黃土、圓礫土及白堊系泥巖夾砂巖，鉆孔未揭示到地下水。

二、塌方成因分析

通過對隧道洞段的地層構造、水文條件以及施工過程的深入調查和分析，得出深埋大斷面隧道土石復合地層隧道塌方頻發的主要原因：

1、隧道地層巖性特點

通過地質勘察、超前地質預報和現場掌子面調查，塌方段的掌子面上臺階及隧道拱部位置為風化的泥巖，成層狀結構，厚度約1-8cm，局部分化嚴重，呈土塊狀，穩定性差，遇水軟化：拱部上方存在紅粘土和泥巖、紅粘土和黃土的巖性接觸帶，不同土巖的物理參數和力學性質差異較大，巖性接觸面的粘聚強度低。其中黃土-紅粘土分界面，紅粘土土體孔隙比雖然大，但土中孔隙十分細小且為多數為水填充，所以紅粘土的透水系數極低，幾乎不能透水，具有阻水作用;通過黃土節理下滲的地表水流在黃土一紅粘土分界面匯集，形成局部的黃土飽和區，導致黃土強度大幅下降甚至喪失，產生較大的集中荷載和附加壓力。

拱部層狀的泥巖巖層，受層狀各向異性力學特性的影響，最大地應力垂直于層狀的方向，開挖后巖體力學平衡受到破壞，受拱部地層巖體力學性質的影響，在拱部自重和附加壓力的作用下，臨空面法向應力大于約束力，巖體層間節理發生破壞，層面的法向應力持續作用下，巖體發生向內鼓起破壞，拱部出現掉塊、塌方的現象。由于部分泥巖風化嚴重，遇水軟化，加速了巖體破壞過程的發生。

2、地下水的影響

泥巖與紅粘土在地下水的作用下，與巖體孔隙、裂隙相關的物理參數及微結構相應發生改變，導致巖體及其結構面軟化。如泥巖粘土礦物含量高，粘土礦物具有比表面大、親水性強、離子交換容量大等特性，粘粒含量高，巖體遇水后強度大幅降低[19]。軟弱夾層結構面發育，在水的作用下產生泥化、軟化，形成泥化軟化夾層，使夾層強度降低。

隧道地下水主要存在于第四系黃土孔隙、裂隙，二疊系砂巖夾泥巖風化裂隙及砂巖孔，在土石的分界面地下水易富集。隧道開挖擾動和地下水作用下，拱部圍巖巖體軟化、巖體結構性破壞，導致圍巖自承能力不足發生失穩破壞。另外，黃土一紅粘土的分界面地下水易富集，隧道開挖打破了地下水和巖體的力學平衡，在附加荷載和水壓力作用下，軟弱的臨空面先發生破壞，成為地下水徑流和排泄通道，在動水壓力和靜水壓力共同作用下，圍巖性質進一步惡化，圍巖壓力增大，導致隧道塌方。

施工中采用三臺階法施工，臺階拱腳底部的穩定對支護結構承載力至關重要，洞身巖體為砂巖夾泥巖，局部破碎，層間結合面軟弱，地下水使巖體強度弱化，導致基底承載力降低，無法承擔圍巖和支護結構的載荷，表現為初期支護的開裂破壞和大變形，進一步發展為塌方。

3、勘察和支護設計的影響

對地質和水文的準確勘察認識，是隧道支護設計的合理的保證。通過鉆孔勘察和超前預報對地質情況詳細的調查，及時對欠準確圍巖等級進行變更設計，對地質和水文條件復雜的區段采用“超前管棚+小導管注漿”處理的綜合施工方案，保證圍巖的穩定，順利通過復雜不利的地質條件。

三、塌方處置對策探究

1、反壓回填石渣，修建超前管棚施工平臺。

2、在掌子面拱部140°范圍內（涵蓋兩次塌腔范圍內）施工超前管棚，采用φ89管棚，環向間距30cm，管棚長度20m，外插角6°，管棚之間采用4.5m長φ42超前小導管注漿加固松散圍巖，外插角10°～15°，注1：1水泥漿。

3、塌方體至--DK74+439段圍巖開挖采用三臺階臨時仰拱法施工，臨時仰拱采用I18鋼架，間距1榀/0.5m;加強初期支護和二襯的施工參數，對坍塌段后方初期支護的增設監測點、提高量測頻率。

4、塌方段拱頂預埋鋼管，拱頂上方3m采用C20混凝土回填，上方塌腔采用高壓風吹爐渣回填密實。

四、現場監測分析

為了正確判斷塌方區加固處理后的圍巖情況，對塌方加固段進行監控量測，在塌方處理斷面DK74+457布置圍巖壓力和變形監測點，監測初支一圍巖壓力，初支拱頂下沉和洞壁收斂量。

1、圍巖壓力的量測采用正弦式土壓力盒，在立鋼拱架后埋設，與圍巖平整緊密接觸;采用全站儀測量變形量，在初支上布置3個測點。

2、兩個斷面圍巖0-5天變形值占穩定值80%以上，圍巖的拱頂下沉和收斂速度很快，10天左右完成了拱頂下沉和洞壁收斂變形，圍巖趨于穩定，且下沉值和收斂值整體較小，穩定值分布在20mm-46mm。

通過分析可以看出，采用“管棚+小導管注漿”處置方案通過隧道塌方段后，拱部風險部位的圍巖壓力和變形較小，圍巖趨于穩定狀態，說明塌方的處置方案是有效的。

五、結論

大斷面隧道施工中遇到土石復合地層，由于地層復雜、圍巖軟弱、地下水豐富導致塌方頻發，本文深入分析了塌方的發生的重要影響因素，并通過數值模擬和現場監控對塌方處置的效果進行評價，主要取得結論如下：

1、塌方是多種因素協同作用的結果，內因主要是復雜的地層、軟弱圍巖、地下水的因素，直接誘導因素是施工勘查的欠準確，在準確勘查的基礎上，選擇合理的支護控制影響隧道塌方的因素、以保證圍巖的穩定。

2、上臺階掌子面拱部的失穩破壞，主要是土石復合的地層中，上覆黃土層遇水形成局部的飽和區，導致黃土強度大幅下降甚至喪失，產生較大的集中荷載和附加壓力;掌子面拱部復合地層、圍巖軟弱的影響，不足以承載拱部的荷載，以致圍巖破壞。

3、“超前管棚+小導管注漿”處置塌方段拱頂下沉和水平收斂，有效的控制了圍巖壓力和變形，降低了施工風險。

4掌子面超前加固使拱頂累計下沉值大幅度下降，加固段開挖后隧洞的塑性區減小，施工中注重隧道掌子面的超前加固。

參考文獻：

[1]扈世民，張頂立，王夢恕.大斷面黃土隧道開挖引起的圍巖力學響應[J].中國鐵道科學，2011， 32（5）

[2]張成平，韓凱航，張頂立，等.城市軟弱圍巖隧道塌方特征及演化規律試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2014， 33（12）

作者簡介：沈文軍（1974-），女，遼寧朝陽人，漢族，工程碩士，講師，研究方向：從事土木工程及工程造價等相關研究。