某隧道DK87+443處塌方原因分析及治理

周 海 李 翔 孫元春

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

隧道塌方是指圍巖失穩而造成的突發性坍塌、堆塌、崩塌等破壞性地質災害，是最為常見、比較典型的一種事故［1］。塌方常發生于斷層破碎帶、膨脹巖(土)、第四系松散巖層、不整合接觸面、侵入巖接觸帶及巖體結構面不利組合地段［2］。導致隧道塌方的原因很多，可以概括為兩大類:一類是自然因素，即地質狀態、受力狀態、地下水變化等;另一類是人為因素，即不適當的設計，或不適當的施工作業方法等。這兩大類影響因素，又可以細分為地質因素、設計因素、施工因素和認識因素四個方面［3］。巖體的非均質性以及施工的影響引起的應力分布和傳遞很復雜，使得破壞模式多樣、破壞程度不一［4］。汪成兵［5］統計分析了大量隧道塌方工程實例，指出地質條件、隧道埋深、隧道斷面形式及大小、地下(表)水、爆破擾動、施工措施不當是隧道塌方的主要影響因素。孫元春［6］對塌方與圍巖變形時空效應之間關系進行了統計分析。鄭玉欣［7］通過調查分析，將塌方歸納為五種形態，共包括16種不同類型，并提出隧道塌方的相應處治方法。侯軍紅［8］對太中銀鐵路崗城隧道突泥塌方處理技術方案進行了比選研究。

根據某隧道DK87+443處塌方段圍巖的工程地質條件，綜合分析了塌方發生的原因，并提出了相應的治理對策。

1 工程概況

某鐵路隧道地處丘陵區，海拔高程971～1 068 m，相對高差97 m。隧道起訖里程為DK84+350～DK89+150，全長4 800 m，最大埋深約96 m，為單線隧道。

2 場地工程地質條件

從大地構造位置上分析，隧道位于華力西晚期褶皺帶北部三級構造單元，主要由華力西構造層和燕山第二和第三構造亞層組成，褶皺構造僅發育于華力西構造層中，呈北東向展布的燕山第二和第三構造亞層疊加在華力西構造層之上，構造線主要呈北東和北北東方向，北東向最為明顯。

表1 隧址區主要地層巖性

隧道橫穿某背斜的北翼，該背斜為軸向北東東或近東西向的短軸復式褶皺，軸向約北東東80°，軸長出露約5 km，兩翼較簡單，巖層呈單斜產出，地層傾角30°～65°。隧道大部地層伏于第四系松散地層之下，隧道兩端均被后期地層侏羅系及白堊系不整合所覆蓋。

3 塌方形成過程及原因分析

3.1 DK87+443處塌方形成過程

該隧道2號斜井承擔正洞DK87+443附近洞頂覆蓋層厚度約為40 m，洞身巖質主要為火山角礫巖，呈強風化狀，并富含基巖裂隙水及構造水。圍巖設計為Ⅳ級，初期支護采用局部架立格柵拱架支護。

2011年7月13日17時，工作面開挖至DK87+443，發現拱頂不斷出現掉塊，并伴隨大量滲水出現。現場負責人立即將所有施工人員撤離施工現場，安排專人進行觀察，直至21時掉塊基本停止，此時拱頂塌方高度約2 m，寬度約5 m，縱向長度約3 m。施工人員立即對圍巖表面進行噴射混凝土封閉，并對該處進行架立鋼架施工。施工剛開始不久，拱頂再次出現掉塊，導致施工無法正常進行。

7月14日上午，拱頂仍舊不斷掉塊，開挖臺車上已經留有大量塌方巖塊，而且伴有滲水現象。經現場觀察確認，塌方只出現在拱頂部位，拱頂坍塌高度約為4 m，寬度約5 m，縱向長度約3 m。

7月15日20時左右，塌方連續進行20 min左右，此時開挖臺車上部已經堆滿掉落巖體，并且石塊還從臺車兩邊擠出，臺車腹部也有塌落巖體擠出，所幸臺車沒有完全被掩埋，邊墻及工作面圍巖仍處于穩定狀態，24時，拱頂再次出現連續塌方，導致大量掉塊擠出。

16日早晨，掉落石塊已經將臺車頂部完全塌滿，臺車腹部也已經塌滿。經現場觀察判斷，拱頂仍舊有掉塊，并且有滲水現象，但掉落頻率和掉落塊體體積有所減小。直至17日，現場觀察及觀測結果表明，圍巖變形已無太明顯的變化，拱頂坍塌已經基本處于穩定。根據塌方體判斷，邊墻及工作面圍巖處于穩定狀態，拱頂塌方體擴大成平均高度為6～7 m、寬度約為7～8 m、縱向長度約為6 m的空腔。此時，2號斜井小里程工作面里程DK87+443，仰拱里程DK12+473，二襯里程DK12+491，仰拱距工作面距離30 m，二襯距工作面48 m。

3.2 塌方原因分析

隧道塌方原因可以分為兩種:一種是圍巖變形過大引起的塌方，對于某些破碎松散巖體，圍巖自身強度低，承載能力小，開挖后沒有受到足夠支護抗力時，在自身重力作用下發生位移不穩定增長而最終大致垮塌［9-10］;另一種是不利結構面失穩而引起的塌方，因結構面相互交切而產生不利于巖體穩定的組合，形成危巖體，在開挖擾動或地下水等因素誘發下，滑動剪切力大于抗滑力而導致塊石沿滑動面滑落［11］。

從該隧道DK87+443處塌方形成過程來看，此次塌方主要是由圍巖自身承載能力很弱，開挖后沒有受到足夠支護抗力所致。巖體質量方面，實際揭露情況表明，DK12+460－DK12+405段圍巖以強風化－弱風化火山角礫巖為主，圍巖中主要發育3組節理，產狀分別為 93°∠36°、121°∠32°和 248°∠46°，節理間距20～45 mm，延伸性中等，臺階狀和波紋狀，以微張和張開型為主。該段隧道圍巖松散破碎，巖體單軸抗壓強度5～15 MPa，洞身開挖無支護易坍塌，且富含基巖裂隙水，圍巖自穩能力較差，應為Ⅴ級圍巖。此外，由于該段圍巖節理裂隙發育，且夾雜凝灰巖，并且伴有滲水出現，水對巖體承載力弱化作用明顯，導致圍巖強度降低。

支護方面:該段是按Ⅳ級圍巖設計、施工，所以初期支護僅采用局部架立格柵拱架支護，沒有采取超前小導管支護措施。這樣的支護強度顯然難以滿足控制工作面附近圍巖變差引起的圍巖穩定性要求。

4 塌方治理措施

針對本次塌方形成的原因，結合現場圍巖條件，制定了如下治理原則:即塌方段采用預留核心土法施工，拱部采用雙層超前注漿小導管固結松散體，初期支護及二次襯砌均采用加強措施，并在施工時根據實際情況及時調整方案。圖1為DK87+443段塌方處理示意。

圖1 DK87+443段塌方處理示意

4.1 超前支護

隧道開挖前，首先噴射10 cm厚C25混凝土，以封閉塌方體，然后在拱部打設雙層φ42超前小導管，小導管長4 m，環向間距3根/m，雙層小導管打設角度分別為45°和15°，縱向每50 cm設一環，小導管端部與鋼架焊接，如圖2所示。

4.2 初期支護

塌方段拱部設雙層鋼架，邊墻設單層鋼架。內外層均采用I20型鋼，鋼架間距0.3 m/榀，外側鋼架兩側底部縱向設I20槽鋼托板，每層鋼架噴射C25混凝土(厚度為25 cm)，連接筋采用φ22鋼筋，環向間距80 cm。每節鋼架端頭設4根4 m長注漿小導管鎖死，開挖進尺每環0.3 m，施做順序為現已施做完成的DK12+445里程處向工作面方向施做。加強排水作業，在拱部噴射混凝土，內環向設置φ80盲管，間距按2 m設置，將滲水由初支兩側邊墻排出，對塌方處附近已支護完的初期支護應加設橫撐，確保圍巖穩定。

圖2 超前小導管設計示意

4.3 襯砌加強

塌方段采用鋼筋混凝土襯砌，襯砌鋼筋按照Ⅴ級加強配筋，襯砌厚度按Ⅳ級加強施做。工作面大里程DK12+455～DK87+443段支護及襯砌厚度按Ⅳ級加強施做，襯砌鋼筋按Ⅴ級加強配筋施做。工作面小里程DK87+443～DK12+431段支護及襯砌厚度也按Ⅳ級加強施做，襯砌鋼筋按Ⅴ級加強配筋，襯砌加強根據現場實際塌方里程再做延伸。

4.4 空洞回填處理

在塌方段施做初期支護時設置φ100 mm鋼管，縱向間距2 m，環向間距2 m，梅花狀布置。鋼管長6 m，待該段襯砌達到設計強度后，采用泵送砂漿回填拱部空洞，其余空間采用吹砂回填。

4.5 監控量測

為確保塌方段施工安全，在施做過程中，加強該段監控量測，增加觀測頻率(3～5次/d)，隨時掌握圍巖變化情況。必要時架設臨時支撐，并且派專人進行觀察，嚴防安全事故發生。對已施工完畢的支護段，加強監控量測，加密監控量測點位布設及數據采集次數，確保施工人員在安全的狀況下進行施工作業。

在對該隧道DK87+443處塌方形成原因分析的基礎上，采取上述一系列針對性的治理措施后，順利通過了塌方段。完成后的隧道襯砌變形觀測結果顯示，原塌方段永久襯砌未發現任何異常，表明所采取的治理措施有效。

5 結論

(1)從某隧道DK87+443處塌方形成過程來看，此次塌方主要是由圍巖自身承載能力很弱，開挖后沒有受到足夠支護抗力導致。塌方段圍巖以強風化－弱風化火山角礫巖為主，巖體松散破碎，且富含基巖裂隙水，圍巖自穩能力較差，應為V級圍巖。由于設計、施工均未及時變更，初期支護僅采用局部架立格柵拱架支護，且無超前小導管預支護措施，這樣的支護強度顯然難以滿足控制工作面附近圍巖穩定性的要求，最終導致了本次塌方事故的發生。

(2)塌方治理措施必須結合塌方發生原因及現場實際條件制定。圍巖的支護設計應留有一定的變形量，允許圍巖適度變形，使得圍巖應力適量釋放［12］。此次塌方發生的主要原因是對圍巖質量認識不清，支護強度不足。治理過程中，首先將圍巖根據實際情況調整為V級，并在治理措施中采用了預留核心土法施工，拱部采用雙層超前注漿小導管固結松散體，初期支護及二次襯砌均適當加強，有效保證了塌方段圍巖的穩定性。

(3)地下水對圍巖的弱化作用不可忽視，特別是當巖體中含有大量軟弱夾層時。本段圍巖富含基巖裂隙水，其中夾雜的凝灰巖遇水又極易軟化。這兩方面因素導致隧道開挖后，伴隨著滲水現象的出現，圍巖承載力大幅降低。針對這一問題，在治理措施中，通過小導管注漿堵水和盲管排水等措施，加強了對地下水的控制，以減小其對圍巖的不利的影響。

［1］ 關寶樹．隧道工程施工要點集［M］．北京:人民交通出版社，2003

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［8］ 侯軍紅．太中銀鐵路崗城隧道突泥塌方處理［J］．鐵道工程學報，2009，133(10):74-78

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