隧道大變形處置技術思路探討

劉 靜

（四川南渝高速公路有限公司）

隧道大變形處置技術思路探討

劉 靜

（四川南渝高速公路有限公司）

隧道開挖出現大變形，及時處置防止于發生坍塌，但需合理的處置方法方可收到效果。本文以圍巖破碎、地下水豐富華鎣山隧道為例，分析在開挖過程中出現大變形處置的新思路：前期的超前地質預報，修正設計；后期加強監控量測，及時反饋施工，采取及時有效的處置措施。

隧道塌方 破碎帶圍巖 地下水 大變形 超前預報

1. 引言

“要致富、先修路”。隨著我國經濟的從東向西發展趨勢，加快西部經濟發展已經迫在眉睫，為滿足國家發展，西部的交通也加快建設，因此，山區公路出現大量公路隧道。由于山區地形地貌復雜，修建隧道出現各種不確定因素，其中隧道塌方是隧道施工中常見的災害之一，因此各國對其進行了廣泛研究。

塌方的研究主要集中在如何有效的預防塌方，其中一塊是實時跟蹤監測：一方面通過數據判斷支護結構的變化情況；另一方通過地質特征，預防塌方：陸文星等提出建立圍巖失穩判據[1]，鄭陳昊等研究圍巖實測變形數據曲線，建議不同類型圍巖塌方預警預測體系的標準[2]。找出塌方誘發因素，也能很好的防止圍巖的大變形，進而發生塌方。主要集中在：塊體理論、突變理論、灰色系統理論和其他非線性理論等研究預防塌方[3]。

等在塌方防治技術方面。19世紀70年代蘭州鐵道學院《隧道工程》一書中提出：小坍清,先支后清;大坍穿,先棚后穿;治坍先治水的塌方處治原則。王迎超等經過大量觀察總結出塌方放生的前兆，預防塌方需要包括三個方面：技術管理、組織管理和質量管理[3]。霍玉華等對管棚支護機理進行研究，其力學效應主要有梁拱效應、環槽效應和強化巖體三方面[4]。王桂平等研究了注漿加固圍巖后，隧道拱頂以上被加固密實,形成結實體,從而達到整體穩定的效果[5]。

進行破碎及富水區帶圍巖的開挖，尤其要注意圍巖的變化情況，而華鎣山隧道穿越復雜地質段，且圍巖完整性差，富含地下水，設計、施工等整個過程中某一環節出問題就會發生工程事故。研究該隧道穿越富水破碎帶，預防塌方等事故極有必要。

2. 項目概況及地質介紹

華鎣山隧道穿越華鎣山山脈，隧道平均長度為8159.5m。按80km/h雙向四車道的高速公路標準設計，兩洞身間距為28.9～37.3m。洞身主要穿過華鎣山背斜和大俠口斷裂，隧道內存在斷層破碎帶、軟弱圍巖、巖溶及巖溶水等不良地質和特殊地質。

右洞樁號為K107+620～+635段主要以泥灰巖、泥巖、角礫巖為主，節理裂隙發育，被石膏、方解石填充；裂隙水發育，局部存在股狀水，且圍巖的完整及自穩性差。該段設計為Ⅴ級圍巖，采用臺階法施工，局部采用預留核心土施工。掌子面退后一段距離，即樁號K107+556處出現上臺底板冒水，原因是該段隧道埋深超過200m，存在一定水壓，且隧道通過水循環帶。

3. 超前地質預報

隧道在K107+580～K107+620段開挖的上臺階圍巖為泥質灰巖、鹽溶角礫巖、泥灰巖，裂隙發育，有少量填充物，方解石脈填充，局部夾石膏，泥質灰巖弱風化。此外，該段底板都在掌子面開挖過5m范圍后，底板出現多處小涌水點。因此，為保證隧道施工順利，加強該段短距離的地質預報探測，采用地質雷達100MHZ天線對K107+604～K107+639進行預報，并在K107+619～K107+649該段取芯鉆孔。其雷達探測結果回波圖與鉆孔芯樣圖如下圖所示。其探測結果如下表所示。

圖1 雷達回波圖和鉆孔芯樣圖

表1 短距離超前預報探測結果

從初步設計的地質資料、超前地質預報結果和現有開挖段地質對比分析，該段超前地質預報結果能夠較好反應前方預報段圍巖的情況，并及時反饋給設計和施工，保證隧道安全施工。

4. 設計參數

設計根據前期的地質設計資料，結合超前地質預報結果，隧道在前期開挖段的圍巖情況、掌子面約束作用的減弱，施工爆破對隧道周邊的震動影響，修正了初步設計。該段圍巖按Ⅴ級設計，設計參數如下表所示：

表2 隧道初期支護參數

該段施工按照設計進行，開挖過程中并未出現明顯的異常情況，說明初期支護達到了良好的效果。隨著掌子面的推進，掌子面對該段的約束力減弱，該段監控斷面發生急劇變形，及時預警。

5、塌方預警及原因

監控量測主要目的是為了解圍巖的穩定性、支護結構承載力和安全性信息[6]。隨著隧道開挖的進行，監控開挖段出現大變形情況，及時反饋，避免大變形引起塌方，造成工程事故。

5.1 現場監控量測分析

根據隧道現場的監控量測規范和要求，該段按照間距10m一個斷面進行監測，其監控量測斷面設置在樁號為k107+630，距離掌子面10m處，在未埋設下一個斷面之前。其中監控量測數據為拱頂沉降、和周邊收斂。拱頂三個點采用水準儀進行測量，周邊收斂采用收斂鋼尺。監控量測布設圖和該斷面監測數據如圖所示：

圖2 監控量測測點布置和變形開裂圖

圖3 未加固前監控變形曲線和變形速率曲線

根據監測數據可知，拱頂下呈不收斂的趨勢，最大沉降值為-38.63mm，且初支表面出現縱向、環向裂縫，環向裂縫最大寬度為20mm，環向裂縫最大長度為5m，隧道圍巖在該段處于即將破壞的零界點。因此，根據監控分析數據該段預警，并建議采取掌子面停工，加固該段，待該段數據監控穩定后進行掌子面開挖。

5.2 大變形原因分析

隧道開挖在樁號為K107+630發生急劇變形的原因有以下幾點：

① 地質作用：該段地質較差，隧道圍巖完整性較差，地下水豐富，降低圍巖的自穩能力。該段埋深超過200m，處于石膏層影響帶，圍巖破碎，完整性及自穩性差，且受地下水影響嚴重，因此該段具備了發生塌方的地質誘因。②開挖段圍巖的受掌子面約束支撐作用。隨著前方開挖的推進，掌子面對后方已挖斷圍巖的支撐約束作用減弱，圍巖的約束減少變形加速。③現場施工因素。掌子面開挖速度過快，施工未按設計要求施工，鋼拱架的架立不垂直、系統錨桿施做不規范等，降低了初支效果；以及強爆破產生的震動，使圍巖松動，降低圍巖彼此間的咬合力。④設計因素。設計偏于薄弱，且未能及時根據超前地質預報及現場地質改變設計參數，使其滿足結構要求。

綜合以上因素，內部因素與外部因素的共同作用下，致使圍巖產生大變形，即將發生塌方事故。

6、處置措施討論

根據《公路隧道施工技術細則》中對塌方的處置措施：處置措施的盲目性和防止坍塌繼續擴大[6]，因此選擇合理的塌方處理措施，既保證隧道安全，又節約工程費用，加快隧道施工，下面是兩種措置方案的比較。

表3 處置方案比較

由于該段圍巖破碎，地下水發育，須及時控制圍巖變形，防止塌方的發生，且注漿效果難以保證，耗時、費用高，因此掌子面停止施工，優先選用采用臨時鋼支撐控制圍巖變形能達到一定效果，再根據監控量測結果采取下一步措施。

7、處置結果

通過對處置后的斷面監控數據可知：圍巖的拱頂、左右拱腰下沉數據逐漸趨于常數，圍巖的周邊收斂也趨于常數，圍巖的拱頂、左右拱腰沉降速率，以及周邊收斂速率，都逐漸減小到趨于0。說明采用增加臨時鋼拱架措施，有效控制圍巖變形，使圍巖變形收斂趨勢正常，最后支護穩定。說明選擇的臨時拱架的施工措施合理，且經濟時效。以下是處置后監控量測趨勢圖。

圖4 處置后圍巖變形量和變形速率

圖5 加固措施照片

8、結論

華鎣山隧道地質差，易發生大變形，侵入隧道設計凈空，或者不受控制的大變形引起隧道塌方等工程事故。為減小控制圍巖變形，經華鎣山隧道施工等情況總結一下幾點：

（1）隧道穿過段地質方面：隧道地質勘探過程中，地質信息盡量詳盡，使地勘資料能更為真實的反應隧道穿過的地質狀態；根據隧道開挖的地質情況，前期地勘資料，加強超前地質預報，并根據預報結果及時反饋設計。

（2）隧道施工過程：現場地質及超前預報，動態設計施工；控制人為因素，按照設計要求進行施工，做好超前支護；加強開挖段監控量測，及時反饋；根據監控數據出現大變形，選取高效的處置措施；加強后期的初支的質量檢查，防止初支背后空洞，并及時處置。

[1]鄭陳星.隧道塌方預警預測體系及治理措施研究. [D].上海:同濟大學,2008.

[2]陸文興,朱瑞賡,池秀文.頁巖中開挖洞室的塌方預報及判據閉[J].巖土力學,1993,14(l):83-90.

[3]王迎超.山嶺隧道塌方機制及防災方法[D].浙江大學,2010.4。

[4]王桂平.管棚注漿技術在公路隧道塌方治理中的應用[J].西部探礦工程,2005,(12):167—168.

[5]霍玉華.淺埋公路隧道施工塌方事故的預防與整治技術研究[J].中國安全科學學報,2005,5(7):84—100.

[6]《公路隧道施工技術細則》.JTG/T F60-2009，182

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1007-6344（2015）11-0280-02