隧道防坍塌技術(shù)措施分析

劉建佳 LIU Jian-jia

（中國(guó)鐵建十二局集團(tuán)有限公司，太原 030000）

（China Railway 12th Bureau Group Co.，Ltd.，Taiyuan 030000，China）

隧道防坍塌技術(shù)措施分析

劉建佳 LIU Jian-jia

（中國(guó)鐵建十二局集團(tuán)有限公司，太原 030000）

（China Railway 12th Bureau Group Co.，Ltd.，Taiyuan 030000，China）

坍塌是隧道施工過(guò)程中的第一要害，在隧道安全事故中占到半數(shù)以上。隨著隧道工程技術(shù)和管理的不斷發(fā)展，事故次數(shù)和傷亡人數(shù)呈下降趨勢(shì)。引起隧道坍塌的主要因素包括自然、工程、人為等因素。針對(duì)性地采取預(yù)防技術(shù)和控制措施，可廣泛應(yīng)用于隧道施工防坍塌。

隧道；坍塌；防止；措施

1 工程概況

新建鐵路長(zhǎng)沙至昆明客運(yùn)專(zhuān)線玉屏至昆明段TJ-3標(biāo)段，全長(zhǎng)35.6km，投資約33個(gè)億，是包括路、橋、隧、軌道專(zhuān)業(yè)在內(nèi)的綜合性工程。其中隧道10座/14.6km，按時(shí)速350km/h雙線設(shè)計(jì),橫斷面積約150m2，Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖比例高，穿越多處斷層，巖溶發(fā)育，隧道坍塌風(fēng)險(xiǎn)極高。分析坍塌因素，加強(qiáng)綜合管理，避免了隧道坍塌事故的發(fā)生。

2 坍塌的危害

查閱以往隧道施工事故的統(tǒng)計(jì)和分析資料，坍塌、物體打擊、透水、冒頂片幫等事故類(lèi)型占事故總數(shù)的主要部分，其中坍塌是施工過(guò)程的第一要害[1]，占列隧道施工事故的半數(shù)以上。隧道坍塌所致死亡人數(shù)也是占到40%左右。

坍塌的形式主要有：①掌子面坍方。如2007年石太客專(zhuān)南莊隧道出口的上導(dǎo)坑坍塌，同年太中銀鐵路吳堡隧道3#斜井掌子面左側(cè)拱腳塌方。②軟弱圍巖變形坍塌、初支強(qiáng)度不足引起的塌方。這種坍塌占多數(shù)，原因也復(fù)雜多樣，多數(shù)表現(xiàn)為掌子面后方坍塌，如2007年武廣客專(zhuān)高嶺隧道進(jìn)口掌子面后方30m處坍塌、會(huì)寧鐵路亭子山2號(hào)隧道換拱時(shí)發(fā)生局部塌方等。③隧道洞口邊仰坡塌方。如2006年武漢安康鐵路增建二線襄胡段王家溝隧道明洞洞口上部邊坡坍塌。④另外，由于局部斷層、巖溶引起的坍塌也屢見(jiàn)不鮮。

3 隧道坍塌因素分析

3.1 自然因素 隧道施工中局部地質(zhì)構(gòu)造變化，斷裂帶、斷層破碎帶、軟弱夾層等不良地質(zhì)條件和變化；巖土中水的變化，季節(jié)性雨水的滲入，水沿巖體軟弱面流動(dòng)，破壞巖體組織，造成巖體失穩(wěn)而發(fā)生坍塌；淺埋、偏壓、頂部重載道路等，也是誘發(fā)隧道坍塌的重要因素。

3.2 工程因素 隧道施工開(kāi)挖引起地質(zhì)、水文變化，使巖體應(yīng)力、變形重新分配和平衡，支護(hù)不足時(shí)極易坍塌。

3.3 人為因素 對(duì)不良地質(zhì)的判斷不足，巖石類(lèi)型雖易判斷，但斷層節(jié)理發(fā)育情況卻千差萬(wàn)別，存在巖層破碎、順層、溶洞等多種不利因素，致使設(shè)計(jì)措施不力；施工組織問(wèn)題，包括不合理施工方法，施工預(yù)防措施不當(dāng)，支護(hù)不及時(shí)，施工中的偷工減料，地表水處理不當(dāng)，開(kāi)挖進(jìn)尺和安全步距過(guò)大等不利因素。

4 隧道坍塌預(yù)防措施

按照風(fēng)險(xiǎn)管理流程，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)事件、因素進(jìn)行判識(shí)，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)程度做出判定，選擇合理的應(yīng)對(duì)策略，制定預(yù)防措施，把具體措施落實(shí)到現(xiàn)場(chǎng)操作和崗位，做好風(fēng)險(xiǎn)的動(dòng)態(tài)監(jiān)控。

4.1 技術(shù)措施

4.1.1 掌子面防坍塌 掌子面外凸作用引起了隧道掌子面失穩(wěn)，將后方初支剪切破壞，造成隧道坍塌。超前管棚、小導(dǎo)管對(duì)前方土體的約束，起到了很好的作用，但要注意根據(jù)巖土的內(nèi)摩擦角、分層情況，確定超前支護(hù)的合理長(zhǎng)度和角度；預(yù)留核心土也能起到減小臨空面和反壓穩(wěn)定的作用。

4.1.2 軟弱隧道防坍塌 軟弱圍巖隧道施工中堅(jiān)持“管超前，嚴(yán)注漿，短開(kāi)挖，強(qiáng)支護(hù)，快封閉，勤量測(cè)”的施工原則，對(duì)土質(zhì)隧道大變形進(jìn)行研究和有效控制。可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況采用不同的加固形式或組合。

①雙層拱架。在淺埋軟弱圍巖地段，尤其是水體下滲、軟化土體的環(huán)境下，常有支護(hù)強(qiáng)度不足、拱架變形明顯，此時(shí)可采用雙層拱架的加強(qiáng)方案。根據(jù)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，初支、拱架變形細(xì)微，整體下沉的情況不適合采用。

②托梁管樁結(jié)構(gòu)。臺(tái)階法施工時(shí)上臺(tái)階為簡(jiǎn)支梁受力體系，為提高承載力，對(duì)原設(shè)計(jì)的分開(kāi)式槽鋼支墊提出優(yōu)化措施，改用托梁設(shè)計(jì)。有時(shí)為提高承載力、減小變形，在鋼托梁上增加管樁設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖1。初支、拱架變形細(xì)微，整體下沉的情況適合采用。

③鋼管樁預(yù)加固[2]。在隧道下伏硬巖時(shí)，還可以采用鋼管樁預(yù)加固的形式，來(lái)提高承載力、減小變形，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。在地表采用鋼管樁加固時(shí)，對(duì)邊樁位置加強(qiáng)測(cè)量控制，打設(shè)深度按持力層深度控制。當(dāng)隧道開(kāi)挖至中臺(tái)階或下臺(tái)階時(shí)，可以利用鋼管樁作為承壓管樁，有效減小隧道開(kāi)挖的下沉和變形。

④大拱腳方案。軟弱圍巖隧道大拱腳方案，在現(xiàn)場(chǎng)施工中各有利弊。有利的是增大了接觸面、明顯提高了承載力；不利的是增加了外挖尺寸，增加了開(kāi)挖跨度，這在三臺(tái)階施工中的上臺(tái)階位置尤為嚴(yán)重。

圖1 拱架間托梁+管樁基礎(chǔ)

圖2 鋼管樁預(yù)加固

⑤中臺(tái)階臨時(shí)仰拱和橫撐。臨時(shí)仰拱和橫撐的設(shè)置更有利于受力穩(wěn)定，可結(jié)合沉降變形情況靈活運(yùn)用。仰拱和橫撐的設(shè)置會(huì)對(duì)后續(xù)施工造成一定的影響，一般不予采用，只是在變形偏大、上述措施仍不能控制，或緊急情況下采用。

需要提醒的是，臨時(shí)仰拱、橫撐在拆除時(shí)要注意支護(hù)二次應(yīng)力釋放，可能會(huì)產(chǎn)生位移突變，造成失穩(wěn)?？沙踔Х忾]成環(huán)緊跟，加強(qiáng)系統(tǒng)錨桿（管）后再予以拆除。

⑥下臺(tái)階托腳鋼架。隧道下沉、坍塌的另一個(gè)重要原因是不能及時(shí)封閉成環(huán)，拱腳承載力不足，可優(yōu)化仰拱范圍的鋼架單元分割，先施工邊墻拱腳的部分鋼架，加設(shè)鎖腳錨管，提高承載力，減少在仰拱開(kāi)挖施工中的變形。下臺(tái)階托腳鋼架的優(yōu)化形式見(jiàn)圖3。

圖3 鋼架分割優(yōu)化

4.1.3 不良地質(zhì)段防坍 常見(jiàn)不良地質(zhì)現(xiàn)象主要有巖溶、巖堆、斷層破碎帶、危巖落石、順層偏壓等等。

巖溶及巖溶水地區(qū)，隧道開(kāi)挖可能會(huì)遇到大型巖溶管道及溶洞，在揭露充填性巖溶時(shí)容易發(fā)生突水突泥等現(xiàn)象，相繼引發(fā)坍塌，需要采用順坡設(shè)計(jì)，發(fā)生的突水順縱坡排出。斷層破碎帶極易發(fā)生不均勻下沉和坍塌，設(shè)計(jì)措施要加強(qiáng)。由于設(shè)計(jì)地勘的精確度不足，均需在施工階段采用常規(guī)地質(zhì)法+綜合超前物探+水平超前鉆孔的方法進(jìn)行超前綜合預(yù)報(bào)，再根據(jù)具體情況確定加強(qiáng)措施。隧道洞口一般較陡，巖性常見(jiàn)地質(zhì)互層，節(jié)理裂隙發(fā)育，掉落后在坡腳形成巖堆，且常見(jiàn)零星的危巖落石，對(duì)隧道影響較大，采用清除、鑲補(bǔ)、支擋及主動(dòng)網(wǎng)防護(hù)等綜合治理措施處理。順層偏壓段施工，要進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，必要時(shí)側(cè)向支擋或填土堆壓平衡，合理隧道開(kāi)挖方法和順序，嚴(yán)格按方案施工，避免引起坍塌。

4.1.4 洞口段防坍 隧道洞口應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行“早進(jìn)晚出”的原則。加強(qiáng)洞口段超前支護(hù)和邊仰坡防護(hù)設(shè)計(jì)[3]，埋深較淺的隧道洞口段可采用明洞或半明半暗法進(jìn)洞。隧道洞口邊仰坡工程應(yīng)自上而下逐級(jí)開(kāi)挖支護(hù)，及時(shí)完成洞口仰坡加固、防護(hù)及防排水工程。隧道洞口完成超前支護(hù)后，方可開(kāi)始正洞的施工。洞口段應(yīng)及時(shí)形成封閉結(jié)構(gòu)，嚴(yán)禁采用長(zhǎng)臺(tái)階施工。

4.2 組織措施 隧道施工要加強(qiáng)施工組織，從工序時(shí)間上控制變形，達(dá)到穩(wěn)定的目的。

4.2.1 施工方法 隧道施工要嚴(yán)格施工方法的管理，嚴(yán)禁私自變更，以致現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生坍塌隱患。

4.2.2 開(kāi)挖進(jìn)尺 開(kāi)挖過(guò)程中根據(jù)掌子面圍巖的級(jí)別、分層和破碎程度，確定開(kāi)挖進(jìn)尺。嚴(yán)禁放大開(kāi)挖進(jìn)尺，嚴(yán)禁掏底開(kāi)挖。

軟弱圍巖隧道Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ級(jí)地段采用臺(tái)階法施工時(shí)，應(yīng)符合以下規(guī)定：①上臺(tái)階每循環(huán)開(kāi)挖支護(hù)進(jìn)尺Ⅴ、Ⅵ級(jí)圍巖不應(yīng)大于1榀鋼架距離，Ⅳ圍巖不得大于2榀鋼架距離。②邊墻每循環(huán)開(kāi)挖支護(hù)進(jìn)尺不得大于2榀。

4.2.3 安全步距 掌握軟弱圍巖地段沉降隨時(shí)間由慢變快，硬質(zhì)圍巖爆破后的應(yīng)力釋放和變形由快變慢的機(jī)理；強(qiáng)調(diào)初支和封閉成環(huán)的及時(shí)性，以及二襯施工的配套和緊跟。嚴(yán)格按照《關(guān)于進(jìn)一步明確軟弱圍巖及不良地質(zhì)鐵路隧道設(shè)計(jì)施工有關(guān)技術(shù)規(guī)定的通知》（鐵建設(shè)[2010]120號(hào)）文件規(guī)定，Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ級(jí)圍巖封閉位置距離掌子面不得大于35m。仰拱開(kāi)挖前必須完成鋼架鎖腳，每開(kāi)挖進(jìn)尺不得大于3m。

注重閉環(huán)的時(shí)效性，軟弱圍巖及不良地質(zhì)隧道二襯應(yīng)及時(shí)施做，二次襯砌距掌子面的距離，Ⅳ級(jí)圍巖不得大于90m，Ⅴ、Ⅵ級(jí)圍巖不得大于70m。

4.3 管理制度

4.3.1 超前預(yù)報(bào)制度 目前常用的預(yù)報(bào)方法主要有TSP203、地質(zhì)雷達(dá)、高分辨直流電法、紅外探水、超前鉆探、加深炮孔等多種手段。針對(duì)地質(zhì)復(fù)雜多變，多種不良地質(zhì)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，動(dòng)態(tài)調(diào)整超前預(yù)報(bào)方法，加密勘探斷面，巖變我變，及時(shí)補(bǔ)強(qiáng)，修正參數(shù)，保障安全。巖溶及富水?dāng)鄬铀淼?，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)應(yīng)采用以水平鉆探為主的綜合方法。軟弱圍巖及不良地質(zhì)隧道應(yīng)進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)設(shè)計(jì)，及時(shí)收集和分析預(yù)報(bào)材料，完善設(shè)計(jì)方案并指導(dǎo)施工。

4.3.2 監(jiān)控量測(cè)制度 監(jiān)控量測(cè)是隧道施工的“眼睛”，對(duì)于施工安全的重要性毋庸置疑，尤其是大變形段。完善監(jiān)測(cè)體系，對(duì)于指導(dǎo)施工以及設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化，防止隧道施工坍塌，甚至在位移突變、異常情況下指導(dǎo)人員緊急撤離都非常關(guān)鍵。必須嚴(yán)格按精度、頻率和時(shí)間要求開(kāi)展監(jiān)控量測(cè)工作。

當(dāng)隧道初支出現(xiàn)斜向裂縫，說(shuō)明支護(hù)參數(shù)偏弱或圍巖變差，需加強(qiáng)支護(hù)措施；當(dāng)出現(xiàn)拱頂?shù)魤K，收斂突變時(shí)要視具體情況，果斷撤出施工人員和設(shè)備，或收斂穩(wěn)定后采取加固措施。把監(jiān)控量測(cè)納入工序，加強(qiáng)數(shù)據(jù)的真實(shí)性管理，建立異常數(shù)據(jù)報(bào)告制度。

4.3.3 干部帶班制度 隧道施工架子隊(duì)要建立干部、安全員跟班制度，進(jìn)行過(guò)程的安全監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)異常，及時(shí)處理和報(bào)告。

4.3.4 風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警制度 超前預(yù)報(bào)、監(jiān)控量測(cè)納入工序管理，建立專(zhuān)項(xiàng)臺(tái)賬進(jìn)行監(jiān)控；及時(shí)互通信息，以便建設(shè)四方的共同分析和確認(rèn)；風(fēng)險(xiǎn)段落前50米時(shí)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，風(fēng)險(xiǎn)段落前30米時(shí)編制專(zhuān)項(xiàng)方案設(shè)計(jì)，保證在通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)段落時(shí)啟用專(zhuān)項(xiàng)方案。

[1]劉輝，張智超，王林娟.2004-2008年我國(guó)隧道施工事故統(tǒng)計(jì)分析[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2010（1）：96-100.

[2]雷軍.淺埋偏壓、軟弱圍巖雙線隧道大變形施工控制技術(shù)[J].國(guó)防交通工程與技術(shù)，2013（3）：42.

[3]禮明.淺談隧道防坍塌控制技術(shù)[J].北方交通，2012（9）：117.

Analysis on Tunnel Anti-collapse Technology Measures

The collapse is the first vital in tunnel construction process,accounts for more than half of security incidents in the tunnel.With the continuous development of tunnel construction technology and management,the number of accidents and casualties present declinedtrend.The main factors that caused the tunnel collapse includenatural,project and human factors.Targeted to take preventive and control measures technology can be widely used in tunnel anti-collapse.

tunnel；collapse；prevention；measures

劉建佳（1968-），男，湖南寧鄉(xiāng)人，高工，滬昆客專(zhuān)云南段TJ3標(biāo)項(xiàng)目經(jīng)理部項(xiàng)目經(jīng)理，研究方向?yàn)榈叵鹿こ獭?/p>

U45

A

1006-4311（2014）11-0093-03