含沙泥巖隧道塌方機理及處理措施探析

【摘要】隧道塌方嚴重威脅到施工項目的建設以及人員生命財產安全，有必要對黃土隧道塌方問題進行研究，以便完善隧道開挖施工技術，為隧道塌方處理提供相應借鑒。文章從人為因素、地質原因以及外界環境因素三方面分析了含沙泥巖隧道塌方機理，并對比了幾種傳統的塌方處理措施。以某塌方隧道為例進行了隧道塌方處理的效果分析，結果表明：合理的處理措施能有效降低塌方事故損失，最大限度的保證施工人員的生命財產安全，降低了事故損失，取得了預期效果，使施工恢復正常。

【關鍵詞】含沙泥巖；隧道塌方；加固處理

引言

一直以來，我國鐵路建設存在著較大的地區性差異，東部沿海及中部平原得益于其自身優越的地理條件及我國經濟發展策略的支持，其鐵路網絡日趨完善。隨著我國經濟的不斷發展，國家適時調整宏觀戰略，鐵路網絡也不斷擴展。但問題也隨之涌現，平原地區地勢相對較為平緩，地質良好，特殊土存在較少，因此鐵路建設費用不高，技術問題也較容易得到解決。但西部山壑眾多，華北部分地區土質特殊，東北大部分地區則覆蓋有大面積凍土。其中尤以干旱地區黃土土質問題最為突出，這種土的土質疏松，內部空隙較大，混合有較多砂粒及黏土等，工程性質很不穩定，這給鐵路修建過程中的隧道開挖帶來了眾多難以解決的工程技術問題。我國已建隧道工程中，隧道塌方嚴重危害到鐵路及高速公路的施工建設及安全營運。因此，有必要對黃土隧道塌方問題進行研究，以便完善隧道開挖施工技術，提升鐵路及高速公路整體服務水平。

1、含沙泥巖隧道塌方機理分析

1.1含沙泥巖隧道塌方分類

含沙泥巖隸屬黃土范疇，由自然環境強烈風化而成，砂巖、泥巖互相交錯，節理裂隙較為發育，呈半巖半土狀，此種土內部膠結作用很差，較為松散，工程性質很不穩定。塌方依據成因主要分為施工塌方、雨水塌方，地震塌方等。依據表現形式還可分為突發性塌方、持續性塌方及規律性塌方等。其中，突發性塌方指伴隨隧道開挖作業而不期發生的坍塌。隧道開挖時影響圍巖穩定，持續性塌方則是隨著圍巖松動而發生的連續性塌方，在整個施工過程中可多次發生。隧道開挖使土層受到外界擾動，改變其天然應力平衡狀態，迫使其內部進行應力重新分布，圍巖應力也隨之進行重新分布以保持自身應力平衡，在這一應力改變過程中易發生規律性塌方。

1.2含沙泥巖塌方機理

隧道塌方是隧道施工過程中所面臨的首要突出問題，它不僅對施工人員的生命安全造成威脅，且會增加施工成本，延誤工期，為了更好的預防及快速高效的治理隧道塌方問題就必須明確具體工程實踐中隧道塌方的原因，對癥下藥，節約治理成本。隧道塌方原因種類繁多，大致可分為三大類，既人為因素、地質原因以及外界環境因素。

1.2.1人為因素

隧道開挖要求具備大量真實地質信息，通常由現場地質勘查而得，輔助已有地方資料，以便了解周邊地質歷史及條件，明確施工區地質構造，地下水分布以及周圍地物地貌情況。但無論是已有資料還是地質勘查工作都無法避免由人為造成的疏漏，施工方法與部分真實地質情況不相適應的情況時有發生，因錯估導致爆破藥量過多時，爆破振動力過于強大，破壞巖層自身平衡結構，會引起圍巖突然變形，最后導致塌方。

1.2.2外界環境因素

自然界中某些不期而至的力量對于建筑物來說無疑是一種負擔。強降雨不僅對隧道工程產生強烈沖擊力，且短期匯集的雨水來不及下滲，浸泡土層，顯著降低土層承載力。并侵蝕圍巖，縮短其自穩時間，使其失穩變形。

一些偶發性的地震可輕易破壞山體穩定結構，鑒于目前的地震監控水平，一旦突發地震，無法做出有效的應急措施。如果地震發生在隧道工程施工期間，各項結構物的強度及穩定性還未達標，則更容易引發隧道塌方。

1.2.3地質原因

因隧道塌方的本質為土層承載力不足以抵抗由人為因素或外界環境因素所致的土層滑移力的增加而致，所以地質因素在眾多隧道塌方原因中占有決定性地位。受道路選線的限制，有些隧道避免不了要通過工程性質不良的巖體區域，如帶有軟弱夾層的含沙巖體、含沙破碎帶及受地下水長期浸泡而松散脆弱的巖體。這些巖體因其節理裂隙發育，裂隙水含量豐富等原因而導致其自身穩定性不足，在施工過程中經不起強烈的施工擾動以及外界環境的變化，施工稍有不當之處即可引發隧道塌方。

2、含沙泥巖隧道塌方處理措施

2.1土模法

“土模法”充分利用塌方后的松散土體，將土石按不同比例塑造出所需形狀，且必須符合沉降值后的土體模型，并對其進行注漿，通常為混凝土澆筑，混凝土強度達標后，拆除土模。應用此種方法時，要求塌方后碴體高度基本達到隧道設計開挖時的洞頂標高。并確保隧道兩側圍巖可承受土模體的自重，可經受掉塊等動荷載。

處理時，首先結合鋼支撐與錨噴網共同支護形成保護網，控制塌方發展，避免出現更大的后續破壞。處理隧道塌方產生的碴體，使之盡量接近隧道開挖時的初始輪廓線，在形成的土模上均勻布設鋼筋籠，并進行注漿，通常泵送襯砌標號混凝土，鋼筋混凝土強度達標后重新開挖碴體。輔助以系統支護和超前支護，確保施工安全。如圖1所示：

圖1 土模法示意圖

2.2回填法

當隧道塌方后形成的碴體高度小于設計開挖時的洞頂標高時，不易使用土模法。隧道塌腔內不穩定，掉塊頻繁，施工危險系數高，這時可采用回填法對塌方進行處理。

“回填法”即采用與襯砌同標號的混凝土對塌腔進行回填處理，與土模法類似，處理時，首先結合鋼支撐與錨噴網共同支護形成保護網，控制塌方發展，混凝土回填時盡量保證回填密實，待混凝土強度達標后再進行開挖，輔以超前支護及系統支護，如圖2所示：

圖二回填法示意圖

2.3注漿法

隧道塌方后，周圍大范圍內的土體變得松散。注漿法可有效固結松動區，改善塌方土體物理力學性能，把松散土體重新凝結為整體，提高其抗剪強度，恢復其自穩能力后，即可重新進行隧道開挖。

2.4明挖法

明挖法對隧道工程本身及塌方后的嚴重情況有一定要求，適用于隧道埋深較淺的情況，同時要確保隧道塌方后地表沉降下陷程度較高，待隧道塌方穩定后，可改暗挖為明挖。明挖法方便操作，危險系數較低。

2.5支護法

當塌方范圍較小，塌腔體積不大，塌方情況不嚴重時，圍巖通常還具備較好的自穩能力，這時可通過快速支護法處理塌方。

3、實例分析

此新建鐵路聯絡線位于內蒙古中部及山西省北部，基本呈南—北走向，全長179.842km。此線路途經山壑眾多，地形起伏較大，地質較為復雜，含沙破碎帶較多，部分路段施工難度較大。此塌方隧道即位于此線路上，里程樁號為DK16+777～DK16+805，地質概況為砂巖夾泥巖，圍巖呈松散狀，零星分布塊石，原定圍巖級別為Ⅳ級。

3.1工程概況

隧道施工時，在進行中臺階DK16+800處左幅開挖時開始出現隧道塌方跡象，具體表現為，拱腳處出現滲水，上臺初始支護產生開裂，變形，隨后DK16+777～DK16+805段初始支護全部壓垮，形成塌方，塌方導致地表出現多道裂縫，裂縫局部寬約5～10cm，錯臺高約5～15cm；塌方影響地表沿線路方向長約34m，橫向寬約47m。塌體充滿整個隧道斷面，洞內塌方量約3400方，塌體坡至DK16+765。

3.2隧道塌方原因分析

從地質因素來看，由于隧道拱部上方為砂巖、泥巖互層，自穩能力很差，節理裂隙發育水平較高，強烈的施工擾動使節理裂隙進一步發展，降低了土層之間的粘結力，使其滑移力顯著增大。從外界環境因素來看，近期施工過程都伴隨著強降雨，致使地下水滲透，大大增加了圍巖中的含水量。隧道在地質及外界自然環境的雙重壓力下，不堪施工擾動，使圍巖慢慢失去了自穩能力，開始滲水、開裂變形，最終導致塌方。

3.3隧道塌方具體處理措施

3.3.1地表處理措施

施工時伴隨著強降雨，為減少雨水流入塌方段。待塌方穩定后，采用三七灰土對地表范圍內裂縫進行封閉。同時，為減小土體水壓力，在塌方體范圍內建立臨時排水系統，具體做法為在距影響范圍邊緣外3m設截水溝，做好地表水的引排，控制塌方范圍。

3.3.2洞內加固處理措施

為減少塌方對后方初期支護的影響，首先對后方初期支護進行沉降觀測，待監測數據穩定后。從DK16+777里程退回5榀拱架，在拱腳處打設φ200mm鋼管對口撐。對坍塌體采用厚度20cm C25噴射砼進行封閉，確保坍塌體穩定。

3.3.3塌方處理措施

第一，輔以超前支護，對DK16+777～+ 815段進行超前支護，采用φ108×6㎜大管棚+φ42×3.5㎜超前小導管，環向間距均為30cm。φ108管棚縱向分三環打設，每環有效長12m，外插角5～10°，縱向搭接長不小于3m，小導管外插角30°，單根小導管長5m，小導管及大管棚均設注漿孔。

第二，初期支護全環采用Ⅰ22a鋼架，間距0.5m；設置雙層φ8鋼筋網，尺寸20×20㎝；原設計上臺、中臺每處鎖腳錨管增加至4根，并進行注漿，斜下方打入角度不小于30°； C25噴射混凝土厚29cm。鋼架墻腳處設[28a墊槽鋼。

第三，邊墻采用φ42小導管進行徑向注漿加固巖體。二襯復合式襯砌拱墻襯砌厚60cm。上臺階開挖掌子面采用φ42小導管進行注漿加固。上臺階每循環開挖采用C25噴砼封閉掌子面厚10cm。

最后，施工中預留二次補強空間，根據監控量測，及時調整預留變形量。本段塌方處理段原則上采用三臺階臨時仰拱法施工，應有相應的支護措施并經過充分論證并后方可實施，以確保安全。

3.4施工中注意事項

（1）由于坍塌段為砂層，塌方后砂層松散，且局部有格柵鋼架，對管棚施工造成困難，所以必須選擇合適的管棚材料和施工機械。在進行超前支護時要選擇合理的管棚進尺長度，管棚注漿時要防止串孔現象，保證施工質量。

（2）在進行初期支護時要預留二次補強空間，適當增加預留拱頂沉降量和收斂量，根據監控量測，及時調整預留變形量。

（3）施工單位應高度重視坍塌段，必須保證鋼架的基礎必須堅固，避免出現鋼架底部懸空現象。對于拱架，必須要求背后沒有任何空洞，填補密實。及時將支護結構封閉成環，嚴格控制工序長度，確保施工安全。

（4）保證施工質量，確保使用的各種工程材料均達到相關質量標準，堅決杜絕檢驗不合格的工程材料。如果上一道工序檢測不合格，達不到質量要求時，堅決不允許下一道工序的實施。

（5）現場人員跟班作業，做好記錄，嚴格控制好每一道工序的施工質量，加強地表、洞內監控量測，并根據監控量測反饋信息及時調整施工措施。防止由于疏忽大意引發的意外傷亡事故，最大限度實現安全施工。

4、結語

本次事故處理最大限度的保證了施工人員的生命財產安全，降低了事故損失，取得了預期效果，使施工恢復正常。但隧道塌方事故不僅影響施工作業的順利進行，也威脅到施工人員的生命財產安全，預防及事故后的處理措施尤為重要。要根據具體情況，結合實踐經驗及理論知識采取及時、適當、正確的處理措施。通過以上對含沙泥巖的塌方機理分析和案例應用，合理的處理措施能有效降低塌方事故損失，把隧道結構各項變形量控制在允許范圍內，對保障施工人員生命安全，對避免二次事故發生有一定意義。

參考文獻

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