隧道塌方原因分析与处理

向兵曾晓青
摘要：文章对隧道塌方的原因进行简要的概述，并提出塌方所采取的预防和处理措施。然后结合某隧道塌方的工程实例运用该理论，其实践结果表明采取该应对措施的有效性和实用性。
关键字：隧道塌方支护变形
中图分类号： U458 文献标识码：A 文章编号：
The analysis of Causes and Disposal Plan about tunnel collapse
Xiang Bing，Zeng Xiao-qing
Abstract: It makes a brief overview about the reasons of the tunnel collapse and makes prevention and treatment measures when the tunnel collapse breaks. Then applying the theory to practice project， the results show that the applying of measures have effectiveness and practicality.
Keyword：Tunnel collapse Support Deformation
0 引言
随着国民经济的不断发展，铁路建设也呈现增长的趋势，在山岭地区修建的铁路隧道也越来越多。尽管隧道施工工艺在不断提高改进，可也无法应对隧道施工难度不断加大的趋势，在隧道施工中，经常会出现塌方现象，造成多起重大安全事故，隧道的塌方不仅影响工程进度和施工期间及使用期间的安全，更直接影响到隧道的投资费用，如何减少隧道塌方和遇到塌方能及时采取相应的处理措施，避免造成重特大安全事故将损失控制到最小程度是施工和设计人员共同关心的问题。
1 隧道发生塌方的原因
隧道开挖时，因土压等作用和地层出现临空面后的应力调整，在软弱围岩内产生裂缝或破坏，或者是由于围岩内已有的层理和节理等松弛、剥离，使岩石和泥砂等发生大量塌落。塌方过程大致为：开挖-围岩塑性变形-支护过大变形-支护局部破坏-支护与围岩破坏失稳-塌方。隧道开挖时、开挖后、施工支护后，甚至在衬砌之后，都可能发生隧道塌方。发生塌方的主要原因有如下几点：
1.1地质因素
(1)不良地质的影响。地壳在构造运动的作用下，薄层岩体形成小褶曲，错动发育地段，隧道施工从此处通过，常发生塌方；隧道穿过断层及其破碎带，一经开挖，潜在应力释放，承压快，围岩失稳而塌方。
(2)地形地貌的影响。隧道穿过浅埋或隧道进出口附近，围岩自稳能力差或受偏压影响，开挖中引起坍塌。隧道通过各种堆积体时，由于结构松散，颗粒间无胶结或胶结差，开挖后引起塌方。
(3)地下水的影响。地下水的软化、浸泡、冲蚀、溶解等作用，加剧岩体的失稳和塌方。
1.2设计理论和施工方法不当
(1)地质勘察不准，设计时对围岩认识不足，设计的初期支护强度和刚度不够。
(2)施工方法选择不当或工序间安排不合理，各工序拉得较长，一但暴露时间过久，引起围岩松动、风化、招致塌方的发生。喷锚不及时或喷射混凝土质量、厚度不符合要求，锚杆没有达到设计要求的数量及间距；锚杆的拉拔力不满足设计要求；采用钢支撑时，支撑架设质量欠佳，支撑与围岩不密贴，两者间的空隙填塞不密实或联接不牢固，不能满足围岩压力所需要求；爆破作业不当，用药量过多。
(3)监测信息得不到重视，量测结果不准确，因此，变形未能及时得到有效的控制。
2 隧道塌方前的征兆
大部分掌子面出现塌方前都有一些前兆，作为隧道施工人员了解和掌握塌方前兆很有必要，一般前兆是：( 1)量测信息所反应的变形速度或数值超过充许值。( 2)已喷射的混凝土产生纵横向的裂纹或龟裂。( 3)在坑项或坑壁发现不断掉土块，小石块或构件支撑间隙不断漏出砂、石屑。( 4)岩层层理、节理缝或裂隙变大、张开。( 5)支撑梁、柱变形或折断，楔子压偏、压劈，填塞木弯曲折断，扒钉受力变形、木支撑发出破裂声等。( 6)掌子面出水点频繁变换位置或突然涌水，涌水由清变浊、流量增大.
3 隧道塌方的预防和处理技术措施
3.1 塌方隧道预防措施
(1)修建长大隧道，尤其是在裂隙发育和地质条件复杂的地区，必须加强施工地质超前预报，以保证安全和工程有效进度。(2)对于断层及软弱围岩等引起的塌方段，应及时封闭掌子面，稳固坍塌体，防止塌腔进一步扩大。(3)对塌方的处理应选择合理的技术方案，先稳固后方，然后稳中求进。(4)处理塌方时应加强隧道内的监测，确保施工安全。
3.2 塌方处理技术措施
(1)地下水是塌方产生和扩大的主因，必须加强地下水的疏导、引排，防止地下水浸泡拱脚，喷混凝土前做好导管预埋将水引出，如果支护后混凝土表面有渗水，表面潮湿，应开凿一些泄水孔将水排出，保证结构安全。(2)加强对塌方地段的监控量测工作，用数据证明支护的可靠性，并根据量测数据合理确定预留沉降量，保证隧道断面结构尺寸满足要求。(3)对松散软弱地层开挖时，尽量采用人工开挖，如遇孤石，确实需要爆破时，采用小药量解体，开挖进尺仍然要控制在一榀拱范围，防止大爆破影响开挖面稳定，或造成二次坍塌。(4)通过塌方体尽量加强支护手段采用暗挖方法，对已形成的可见塌腔，必须待其稳定后再做处理，首先采用喷混凝土封闭塌腔表面，塌腔内照明必须充足，塌腔表面支护完成后，先完成正洞断面钢拱架形成一个棚架，再根据需要和可能支撑塌腔，需要制作特殊的拱架用于塌腔内支撑，即拱上拱支撑结构，要求支撑牢固可靠，最后浇灌1m厚混凝土形成护拱。伸入暗挖部分后，必须加强注浆效果，防止漏空现象，稳步前进。(5)洞渣是有效的支撑体，在塌方后不要轻易清除，充分利用塌体作为工作平台，随上台阶逐步推进后及时跟进中下台阶和仰拱，这样有利于结构稳定和安全。(6)塌方地段的二次衬砌必须作加强处理，采用钢筋混凝土结构，初砌厚度达到设计以上，不宜侵占初砌断面。
4 隧道塌方的处理方法实例
4.1 工程概况
金石冲隧道进口DK39+398～+403段表层为残坡积粉质粘土，褐黄色，硬塑，含少量粗角砾，砾径3～50cm，含量约15～20%，厚约0.5～2m，下伏基岩为泥盆系(D2t)砂岩、砂质页岩，紫红色、黄灰色，强风化层厚5m左右，以下为弱风化层，薄层状，节理裂隙较发育。物探解译DK39+370～+390为次生断层。丘坡地表水、地下水弱发育，地下水类型为基岩裂隙水，受大气降水补给。围岩级别为Ⅴ级，衬砌类型为Ⅴa型，180格栅钢架，Ⅰ型超前小导管，施工方法为短台阶法。
4.2 坍塌状况
金石冲隧道进口开挖上台阶DK39+398～+403段，爆破出碴后，掌子面找顶排险时出现坍塌，塌方纵向长4m，环向宽度约4m，高约4m，呈倒漏斗状，塌方量约100方。开挖时掌子面上台阶距拱顶高约6m，一次性开挖进尺5 m。坍方腔内有裂隙水和小股状水流出，方量约1～2m³/h，从塌坍的情况及掌子面开挖揭示情况分析：本段地质为红色板岩，DK39+398掌子面处在一明显断层带，产状大致垂直，节理裂隙发育，岩层破碎，结构地层中裂隙水发育。
4.3 隧道坍塌原因分析
隧道坍方的原因是由多种因素综合作用造成的，事故发生后经过建设、设计、施工、监理及相关专家实地勘察，最终确定造成隧道塌方的原因为:
(1)地质勘察不准，设计时对围岩认识不足，DK39+398掌子面处在一明显断层带，施工单位没有针对性地采取必要的超前加固措施和改变开挖方法，这是引起塌方的主要原因。
(2)工序间安排不合理，各工序拉得较长，暴露时间过久，爆破后没有及时初喷，引起围岩松动、招致塌方的发生。
(3)爆破作业不当，用药量过多。
(4)没有严格按工序来施工，掌子面进尺过长，有设计的1m改为5m，导致出现安全隐患。
4.4 处理措施选择
为确保施工进度的进展，工程质量的安全，各单位经过多方面的研究分析决定采取如下措施：
（1）采用隧道弃碴对DK39+396～+403段进行回填，DK39+398～+403塌方段回填至开挖外轮廓线以上50cm，DK39+396～+398段回填至与初期支护密贴。预埋坍方空腔回填用的钢管。
（2）采用泵用C20混凝土对坍腔进行回填，回填高度为2.0m。坍塌段尽快施作二衬，铺设防水板前压注M10水泥砂浆填充满剩余空腔。
（3）DK39+398～+405段按Ⅴc型衬砌施工。初期支护拱墙及仰拱设置HW175型钢钢架，钢架间距0.6m，采用Ⅲ型小导管超前预支护。施工方法采用CRD法。该段适当加大预留变形量。
（4）DK39+398～+403段土工布与防水板间设置一道排水板，加强排水。
（5）DK39+398～+405段应短开挖，初期支护应早成环，及时施作二衬。
（6）加强该段及相邻地段监控量测，确保施工安全。
（7）在对坍腔回填C20混凝土的同时，加快施作DK39+396小里程地段的初期支护成环、仰拱及仰拱填充，在距DK39+398最近段施作一板二衬后，再进行坍体开挖。
通过采用这种施工处理方法，有效的控制了围岩体的继续坍塌现象，并且利用现场的简单设备完成此次坍塌的治理工作，有效的节约了资金和较好的控制了工程质量和消灭了安全隐患。
5 结语
导致坍方的原因虽然是多样的，但除了自然因素外，工程和人为的原因仍占有相当比重，如果在施工管理和技术上认真地改善，就会使坍方事故得到有效控制。因此需在施工前考虑各种因素，采取必要的预防措施。严格规范施工，采取“短进尺、弱爆破、强支护、早衬砌、勤量测”的施工方法，制定出切实可行的施工方案和安全防护措施。塌方一旦出现应马上处理，分析情况，找到原因后应对未塌方段进行加固处理，防止继续发展。。

参考文献
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