山嶺隧道塌方成因分析及治理

顧鑫杰,閆興田

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司,杭州 311122)

山嶺隧道塌方成因分析及治理

顧鑫杰,閆興田

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司,杭州 311122)

基于“新奧法”的基本原理，結合地質條件分析，歸納出山嶺隧道4種常見的塌方模型。根據施工過程中塌方的成因及形態，分為2類，即承載拱塌方、松散體塌方，給出了相應的處理原則。以某工程隧道塌方治理為案例，按“穩固后方、超前注漿、分步開挖、加強支護”的原則，順利通過塌方段。關鍵詞：隧道；新奧法；塌方模型；承載環塌方；松散體塌方

0 前 言

當前中國隧道在建里程占世界總里程比例超50%，建設規模大，安全、經濟、快速的施工隧道工程是隧道建設者共同的目標。由于不利地質條件、施工工法等因素引起的隧道塌方不僅對工程工期和投資造成不利影響，甚至會威脅生命，防塌、治塌始終是隧道施工關鍵點。目前關于塌方治理，相關規范只涉及指導性條款；相關的文獻中個案[1-6]分析居多，系統性的總結較少[7-8]。本文依托雅礱江卡拉、楊房溝水電站對外交通專用公路已建成的33座隧道工程，從設計原理、地質條件分析入手，結合現場施工實際情況，淺談塌方成因及治理。

1 依托工程隧道設計簡述

1.1 工程簡介

專用公路全長約92.4 km，按Ⅲ級公路標準設計，設計時速30 km/h。全線設33座隧道，其中3座為特長隧道，隧道總長48.2 km(含特長隧道下行線為66.51 km)，占線路總長50%以上。隧道建筑限界分為4種：

(1) 場內隧道，9.5 m×5.0 m(限寬×限高)；

(2) 一般隧道，8.5 m×5.0 m；

(3) 特長隧道上行線，6.0 m×5.0 m；

(4) 特長隧道下行線，5.5 m×4.5 m。

1.2 隧道結構設計基本原理——新奧法

隧道光面爆破開挖后，開挖邊界巖體發生松動，同時圍巖應力重分布，其松動圈具在一定時間內有一定的自穩能力，及時對其進行支護封閉，可改變洞室的應力狀態，使松動圈成為穩定承載拱，與初期柔性支護共同受力，直至新的平衡，這是隧道設計采用“新奧法”的基本原理。

圖1 光面爆破圖

初期支護采用柔性支護，與圍巖共同受力、變形，充分發揮圍巖的“自承”能力，二次襯砌為剛性支護，作為安全儲備，對于Ⅳ、Ⅴ級圍巖，增加超前支護改善圍巖條件。

1.3 結構設計采用的基本受力理論

(1) 軟弱松散體壓力理論

圖2 平衡拱圍巖壓力計算圖

1907年俄國普羅托季亞科諾夫[9]根據工程實踐經驗將洞室圍巖的山體看成散粒體，提出“普氏理論”，也即平衡拱理論。認為隧洞開挖后，洞頂有一部分巖石將因松動而坍落，坍落之后形成一個拋物線形的平衡拱，然后才能穩定。

(1)

式中：h為坍落拱高度，當巖石較好時，可用h/f；b1為平衡拱寬度的1/2；f為普氏系數，對于一般巖石，f值可按Rc/100計算或查普氏堅固系數表確定，Rc為巖石極限抗壓強度；b為洞室開挖寬度的1/2。

該理論適用于松散體地層，在覆蓋層厚度不足1/2洞徑的風化破碎巖石中也可采用，在實踐中已取得良好的效果。而對于深埋完整巖石段，則過于保守浪費。

(2) 深埋隧道圍巖壓力理論

Ⅰ～Ⅳ級圍巖中的深埋隧道，圍巖壓力主要為形變壓力，其值可按釋放荷載計算(地層-結構模型)?！靶聤W法”認為，圍巖本身為支護結構體的一部分。初期支護與圍巖密貼，及時封閉是關鍵，參數一般按經驗法確定。

松散壓力與變形壓力的對比見圖3。

圖3 松散壓力與變形壓力圖

(3) 松動圈支護理論

圍巖松動圈是隧道開挖后客觀存在、普遍存在的支護對象為松動破裂發展中的巖石碎脹變形或碎脹力，支護的作用一方面是維護破裂的巖石在原位不跨落，另一方面是限制圍巖松動圈形成過程中的有害變形。

1.4 襯砌結構形式選擇

綜合考慮安全、經濟因素，專用公路襯砌結構形式采用復合式襯砌及單層襯砌，其特點及運用范圍見表1。

2 山嶺隧道塌方基本模型及成因分析

2.1 塌方模型

當隧道“圍巖-結構”體系的平衡被打破，即發生塌方。實際圍巖碎脹力或碎脹變形、松散壓力與圍巖結構面產狀、埋深條件、卸荷程度等密切相關，本文結合地質條件及隧道塌方后的形態，概括4種常見塌方模型，見表2。

表1 山嶺隧道襯砌結構形式表

表2 塌方模型表

塌方的共同特征為掌子面失穩或初期支護、以及其與圍巖共同承載體系的失穩。

2.2 塌方因素識別

引起隧道塌方的主因有3種：① 不良地質；② 施工方法與支護不當；③ 設計缺陷。

圖9 緩傾角節理切割層理(正面) 圖

圖10 節理切割層理(側面)圖

圖11 二次塌方渣體填滿隧道圖

圖12 塌方空腔見斷層泥及破碎巖體圖

不良地質主要包括斷層破碎帶、突水、涌泥、溶洞、不利結構面切割等；施工方法與支護不當主要包括超挖空腔、支護結構薄弱、工法不當、二襯滯后等；設計缺陷主要為隧道線形、線位不合理等。

結合施工現狀，對塌方因素的識別與分析見表3。

表3 塌方因素識別與分析表

3 塌方分類及治理

3.1 塌方分類

根據塌方后圍巖自穩能力不同，將山嶺隧道塌方歸納為2類：承載環塌方、松散體塌方，見表4。

表4 塌方的分類及特征表

3.2 塌方治理基本原則

塌方治理的目標為：圍巖-結構體系平衡的重建。

常用的塌方治理方法見表5。

表5 塌方治理方法表

4 某隧道工程山嶺段塌方治理案例

4.1 塌方概況

某隧道工程，某日早晨5:40左右，開挖至K2+130 m時掌子面右側1/3面出現塌方，至上午9:30，掌子面再次發生大面積滑塌，導致緊鄰掌子面的2榀拱架壓塌，約4-5榀拱架出現嚴重變形，已完成的初期支護面開裂，裂縫長約3 m，寬約4 cm，塌方體方量約250 m3，現場情況,見圖13。次日晚上20:30左右，完成背拱加固工字鋼9榀，在打設鎖腳錨桿過程中，圍巖再次出現塌方，塌方導致作業臺車壓塌，二次塌方體方量超過200 m3，見圖14。

圖13 初始進洞襯砌及地形圖

4.2 地形地質條件

掌子面塌方段圍巖巖性為中風化粉砂巖夾泥巖，受構造帶影響，裂隙發育巖體破碎，充填為方解石巖脈，強度低、裂隙面光滑、摩擦力??；本段地表為山體溝谷地段，埋深約35 m，存在地表徑流。

圖14 洞口段20 m初期支護施工期塌方圖

4.3 治理方案

塌方主要因為軟弱結構面不利組合導致的承載環塌方，考慮到該段埋深淺、裂隙發育、夾泥巖、薄層狀結構，因此采用固結法處理。

(1) 穩固后方、避免塌方范圍擴大

K2+150 m～K2+135 m段增設I20a臨時支撐@80 cm，密貼既有初期支護，工字鋼間采用C22螺紋鋼縱向連接筋連接，@50 cm，加強塌方口部段既有襯砌。

對塌方堆碴體采用C25噴射混凝土封閉固結，噴混凝土厚度8 cm，穩定掌子面。

K2+135 m～K2+140 m段拱頂120°范圍打設徑向注漿小導管補償注漿，固結厚度為拱頂上方2 m。注漿小導管采用?42×4無縫鋼管，L=450 cm@1.0×0.8 m，水泥漿水灰比1∶1。

(2) 超前注漿+泵送混凝土回填

塌方體固結達到一定強度，采用雙層超前小導管注漿后，回填C35泵送混凝土，拱頂上方厚度不小于80 cm。取代塌方圍巖形成新的“承載拱”。

(3) 分步通過，加強支護

待混凝土回填完成3 d后，采用預留核心土三臺階開挖支護工法。開挖方式采用機械開挖，每循環進尺控制在0.5 m，往小里程方向加強支護：采用I22a型鋼拱架@50 cm，噴射混凝土厚30 cm。

經參建各方共同努力，順利通過塌方段。

5 結 語

(1) 山嶺隧道設計按新奧法原理為基礎，注重圍巖與結構共同受力。Ⅰ～Ⅳ級圍巖洞室穩定性主要受結構面控制，Ⅳ、Ⅴ級圍巖洞室穩定性主要由松散壓力與結構抗力控制。根據破壞機理分析，歸納出2種塌方類形：承載拱塌方和松散體塌方。承載拱塌方與松散體塌方的本質區別在于塌方后空腔體前者仍然具有一定時間內的自穩能力。塌方發生后，應第一時間調查分析地質、水文情況，因地制宜，綜合處理。

(2) 承載拱塌方后，空腔體具有短時間內的自穩能力，應把握“快速封閉”的原則，在保證施工安全的前提下，盡可能采取措施封閉塌腔，發揮圍巖的自承能力，再及時采用“先護拱、后回填”的措施快速通過?；靥顟ＷC一定的厚度，一般取60～100 cm，使得襯砌結構具有較大剛度，同時，縮減空腔體積，提高其自穩能力?；炷粱靥畈灰诉^厚，防止施工期間自重壓力過大破壞護拱，回填后，向空腔內吹砂，作為緩沖層。

(3) 松散體塌方的處理類似淺埋暗挖法，塌方的處理要堅持“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤量測”的原則，塌方處理前須加固后方、步步為營、不留后患，防止塌方的范圍的擴大。

(4) 從塌方產生的原因來看，存在很多非地質因素，因此塌方是可以預防的，不但要從技術的角度出發，而且要從科學管理和合理體制上做到規范施工。

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Cause Analysis and Treatment of Collapse in Mountain Tunnel

GU Xinjie, YAN Xingtian

(Huadong Engineering Corporation Limited, Hangzhou 311122, China)

Based on the principle of New Austrian Tunneling Method and in combination with analysis on the geological conditions, four models of collapse often occurring in mountain tunnel are concluded. According to causes and types of collapses during construction, collapses are classified two types: bearing arch collapse and loose mass collapse. Accordingly, corresponding treatment principles are proposed. With case of the collapse treatment in one tunnel, the principles of reinforcing the tunneled section, grouting in advance, excavating in step and strengthening support are followed so that the collapse sections are passed over.Key words: tunnel; New Austrian Tunneling Method; collapse model; bearing ring collapse; loose mass collapse

1006—2610(2016)06—0017—05

2016-09-13

顧鑫杰(1984- )，男，浙江省海寧市人，工程師，從事隧道及地下工程設計工作.

U458

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.06.005