隧道塌方段處置與結構計算

摘要：本文通過對隧道塌方成因和類型的分析闡述了隧道塌方的普遍性，并利用實際工程案例對其處置和結構計算進行了分析。說明塌方處置必須遵循因地制宜的原則，合理的方式準確的驗算才能保證其處置效果。

關鍵詞：隧道施工 隧道塌方 處置措施 方案驗算

1 造成塌方的基本原因

1.1 地質結構不穩定

地質結構是影響隧道穩定性的最基本因素，不利于隧道穩定的可以稱之為不良地質，其主要包括了風化變質的巖層、裂隙巖體、崩塌性巖層、斷層發育、溶洞層、滑坡體、膨脹性地質等等。當時隧道從這些不良地質層穿過的時候，因為施工對巖層的攪動，從而導致巖層失穩就容易引起塌方。

1.2 地下水引起塌方

地下水也是引起塌方的重要原因之一，因為地下水對巖層而言是一種降低摩擦力的介質，如果在巖層中存在泥質物質就更容易在水的作用下而導致塌方，其根本的作用就是降低了巖層的抗剪切強度。

1.3 地壓引起塌方

地壓有偏壓、塑性壓、滑坡和高地應力等，偏壓和滑坡通常會在隧道口出現，而塑性地壓則是引起隧道中出現擠出性破壞，高地應力區則是巖爆形成的直接原因。

1.4 設計不當而引發塌方

在設計和施工的過程中，因為對巖層情況的勘測限制而影響了設計和施工措施的合理性，因此在施工中因為不合理的設計和施工措施而引發對巖層的大幅度破壞，進而影響了圍巖的穩定而造成塌方。如：在軟弱、破碎地層的施工應采用短進尺、弱爆破、強支護的原則，同時也應在施工中進行動態化的巖層監控，即對巖層進行隨時的測量和監控，并反饋數據，如沒有做到就容易在施工中出現技術措施不當而引發塌方。

2 塌方的形態分析

2.1 小范圍塌方

此種塌方多出現在拱部，有時也在側壁出現，表現為大塊的巖體中因為其結構面被開挖切割后形成不同形狀且不穩定的結構體。隧道開挖后不穩定的結構體就會失穩，而導致滑移而塌方，此種塌方的規模較小，通常形成的塌方高度在0.5-2.5m之間，處理起來比較容易。

2.2 規則的拱形塌方

通常此種塌方發生在層狀巖層或者塊狀碎巖中，主要有兩種，一是在隧道跨度范圍內，集中在拱頂出現；一是連同側壁同時崩塌而擴大范圍的拱形塌方。此種塌方多出現在IV型以下的松軟地層中，對淺層隧道往往通頂；對深層隧道因為摩擦拱其高度多為4-20m，其規模較大。

2.3 不規則塌方

此種塌方的成因是因為存在特殊的地質構造，如溶洞。在此種存在缺陷的巖層中進行施工，因為對溶洞等構造的周圍或者本身產了干擾，就容易產生塌方。在施工的過程中應對溶洞或者陷穴等進行考察，并正確判斷其與隧道的關系，以此設計合理的處置措施，施工中必須利用各種輔助支護的措施對塌方進行預防。

3 實例分析塌方的處置與結構計算

3.1 工程概況

某隧道雙線全長3507m，施工的段是標段右側隧道長為1856m，左線隧道長度為1867m。左右兩線的凈距離為35m，隧道穿越的區從地貌上看山勢陡，山脊成梁型，地表植被覆蓋稠密，伴有沖溝發育，且切割的深度較大，隧道選址區域的主要標志是上層段石英片巖結構。同時穿過的區域內存在大量的地下水，且呈現泉水多出露點的高程變化大的特征，且流量較大，埋深在3.1-40.9m之間不等，主要是受到大氣降水的補給，因為巖層風化而產生裂隙而被巖屑和泥質物質填充，基巖的富水性很差，滲透效果差而成為泉水。

3.2 塌方情況

在施工階段，因為地質考察的情況與施工設計的差異，在施工初期支護的時候出現了塌方的事故，其塌方的高度為3m左右、寬度為11m左右，塌方的頂面基本為水平形態，坍塌的體積初步估計為180方左右。在監控階段持續出現了塌方情況，經過一段時間的穩定塌方最終的高度達到了17m坍塌的體積達到了近2000立方。

3.3 設計處置措施

為了保證施工的盡快回復和安全通行，經過方案的比較采決定采用工字鋼承重，澆筑混凝土填充上部空間的方式對其進行修復處理。因為隧道塌方的滿級較大，所需要的混凝土數量較大，其形成的混凝土體積和重量都將對工字鋼產生較大的靜力載荷，因此決定分為多次澆注。一次澆注將少量的混凝土澆注到位，經過計算其厚度為90cm為宜，混凝土的重量有工字鋼框架承擔，工字鋼彎成拱形并沿著隧道方向按照1m的間隔進行布置；二次澆注的混凝土是以工字鋼和一次澆注的混凝土為承重體，澆注的厚度經過計算為10m；三次澆注就可以將剩余的部分填充完全。

3.4 施工中對結構承重的計算

下面以一次澆注的實際計算過程為例，分析處置措施設計過程中的結構計算過程。

隧道的半徑忽略不規則塌方取其半徑為6m，即保留部分區域作為車輛通行的空間。沿隧道的取1m的長度進行計算分析。混凝土層的跨度中部設計厚度為0.9m，而邊沿的厚度為7.22m，這樣的設計是為了讓混凝土的整體應力為兩邊大而中間小，載荷的值可以呈現曲線變化。為了簡化計算在取值的時候取角度為60、120°為分界點，架設其載荷沿著圓形曲線成直線化分布，如下圖1：

經過計算得到混凝土的載荷集度為：

q0=0.9m×1.0m×2.3t/m3×9.8N/kg×1000kg/t=20.286kN/m

q1=5.473m×1.0m×2.3t/m3×9.8N/kg×1000kg/t=39.37kN/m

q2=7.22m×1.0m×2.3t/m3×9.8N/kg×1000kg/t=162.74kN/m

對于等截面的圓弧拱來說，對拱失較大、截面高度小的情況而言，可以對軸向力帶來的位移忽略，就可以獲得水平推力的公式如下：

x1=

此時因為此種拱形機構受到的外力是左右對稱的，因此兩邊的支座的反力也是相等的，方向則是豎直向上。因此根據前面的計算圖示，就可以計算出體系各個彎矩的情況。

①θ=0-60°公式如下：

M=Tr（1-cosθ）-r2#8226;（1-cosθ）2

②θ=60-90°公式如下：

M=Tr（1-cosθ）-r2#8226;（-cosθ）2-q1r2（-cosθ）-r2（-cosθ）

按照計算圖示中的半弧線，而將θ作為公式中的變量與彎矩（M0）中的自變量向統一，此時ds=rdθ，y=rsinθ，即公式為：

M0yds=2（Mrsinθrdθ+Mrsinθrdθ）

=r4

y2ds=2qr2（rsinθ）2rdθ

=r3（1-cos2θ）dθ=r3

進而得到水平推力：

x1==r

從前面的計算中可以看出，其最為危險的點位是90°、60°的位置。因此在計算是應重點分析。

當θ=90°時，取結構的右邊跨對跨中取力矩的出其彎距為：

Mmid=r2-r2

計算機的結果為50.25 kN#8226;m，而如果Σx=0，這時的跨中的軸向力為：

Nmid=r

其計算的結果為120.28 kN。此時利用工字鋼作為支架，其截面積的特征是H=32cm；Wx=726cm3；A=73.4cm2，此時按照圖示取計算半徑為r=6.16 m，計算最大的截面積應力的公式為：

σmax=+

而計算得出的結果是：最大應力為85.6×106Pa小于理論值210×106Pa，因此可以達到支護的目的。

4 結束語

基礎項目的拓展，使得隧道施工也在不同的巖層中展開。而地質結構和施工措施往往直接影響到隧道施工和使用的安全。塌方是隧道施工中不可避免的事故，其形式和誘因比較復雜，因此在處置的時候應根據實際情況來進行設計，并對其方案的合理性進行驗算，這樣才能保證隧道施工的安全。

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