隧道塌方的原因及防治

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摘要：随着我国交通建设的快速发展，隧道数量不断增加，隧道施工遇到的不良地质问题越来越多。如何避免或减少隧道坍方的发生，以及在坍方发生后如何迅速有效地进行处理也越发引起关注。本文从不良地质、设计及施工等方面分析了隧道塌方的原因，从初期预防与后期治理两方面论述了处理隧道塌方的方案，并提出了具体的安全保证措施，可为类似工程提供参考。

关键词：隧道塌方成因分析防治

1、概述

隧道属于地下工程，地下工程的典型特点是地质条件存在不确定性。在施工过程中岩石既是施工中的开挖对象，同时又是支护对象，岩石在开挖后，原有的岩体结构和受力平衡被破坏，岩体在自重的用下，应力重新分布，构成新的受力平衡体系，极易发生塌方等地质灾害[1][2]。不仅给隧道施工带来巨大困难，且延误工期，耗费资金，并成为未来隧道出现病害的主要根源。因此准确掌握地质情况，充分了解围岩的性质和围岩的自稳能力，以采取合理有效的开挖方法和支护措施，在隧道施工中十分必要。

2、隧道塌方的原因分析

隧道塌方由多种因素共同诱发，为揭示塌方事故原因的规律性，采用数理统计的方法对已辨识出的风险因素作进一步分析[3]。根据风险因素辨识结果，按照风险来源首先将风险因素归结为自然因素、人为因素2大类，见图1。对其在事故中出现的频率进行统计。据统计表明，约96%的事故伴随有各种不良地质，67%的事故伴随有水的影响，78%的事故中含有人为因素的影响。另外有统计表明，与地质相关的风险因素中：围岩破碎软弱地层、结构面产状不利出现频率较高；与水相关的风险因素中：地下水发育、连续降雨降雪出现频率较高。

由上述统计结果可知，地质因素是塌方事故的主要内在因素，人为因素的影响是事故的重要诱发因素。

图1隧道塌方影响因素

2.1地质条件原因

由于地质条件的复杂多变，地下工程难免会通过褶皱构造、断层、节理裂隙发育地带产生塌方；由于围岩本身不稳定而导致结构松散，节理面有泥质物及岩屑充填；由于支护的不及时而暴露时间过长，会导致围岩风化严重；或因通过断层，突然遇到较高水压富水洞段，地下水向洞室内漏出，淘空了断层构造带中破碎岩体和充填物时，以及由于岩层产状不利或因岩爆等诸多地质原因而产生不同程度的塌方。

2.2设计因素

公路隧道工程设计方法当前主要有工程类比法、理论计算法及现场监控法等[4]，这些方法又以工程类比法运用得最为广泛。在设计过程中若对围岩判断不准或情况不明，从而设计的支护类型与实际要求不相适应，也是导致施工中产生松弛坍塌等异常现象的原因。而且，设计中的地质勘查周密详尽与否也是造成施工塌方事故产生的诱发甚至主导因素。

2.3施工因素

施工中的不规范施工也是导致塌方的重要因素之一。就我国目前现状来说，施工单位众多，公路隧道施工队伍的技术水平发展很不平衡，管理及施工水平参差不齐，加之一些建设环节的操作不规范，而且有的施工企业及人员对新奥法原理缺乏深入学习、认识、研究和应用，导致不规范施工现象较为普遍。如：新奥法之“岩承理论”要求洞室开挖后及时提供支护反力限制围岩的松弛和变形，也正是在此过程中实现围岩的自承和自稳[4][5]。反之，若在隧道开挖后不能及时地喷射混凝土予以封闭，围岩因有了新的临空面而应力重分布，使松弛范围逐步扩大，从而不仅加大了荷载，与新奥法理论的初衷相悖，而且极易产生塌方等工程事故。再如:按照施工规范的要求，超挖部分要用同标号混凝土或喷射混凝土回填密实，但有些施工单位只在表面用喷射混凝土喷射圆顺，超挖部分并没有回填密实，这使得初期支护与围岩之间产生了空洞，最终导致塌方。另外，对地质情况掌握不够，从而选择不合适的施工技术，如不恰当地急于进洞、爆破方法选择不当或者选择不合适的施工方法(如本应小断面开挖的，采用大断面开挖，或应先拱后墙法的，而采用先墙后拱法等)也会引起塌方。

2.4认识因素

不可否认的是，“不塌方，不赚钱”的观念目前还在一定范围内存在。有些施工单位及施工人员甚至期盼着塌方从而增加工程量或者设计变更以带来更大的施工利润。另一方面，“地质工作是设计人员的任务，而不是施工人员的事”这一传统观念致使减弱甚至忽略了施工过程中的地质勘测及预报工作，从而也加大了施工塌方事故产生的可能性。

3、隧道塌方的预防措施

3.1超前地质预报

隧道地质超前预报[6]的主要内容：1)提供开挖掌子面前方的围岩类别变化趋势；2)地质情况预报，预报掌子面前方可能出现的地质断层及岩石破碎带的地质情况；3)开挖段前方的水文资料和可能的涌水预报；4)溶洞尺寸及位置预报。

3.2掌握坍塌前的第一手资料

坍塌发生是有许多前兆的，如钻进速度与回水速度的大小、钻进感觉变化、岩石颜色的变化等。因此，掌子面工作的工人应将有关信息及时反馈给有关方面，迅速调整后序爆破作业的爆破参数，做到既保证有效进尺，又不破坏软弱围岩的应力平衡。

3.3完善施工组织设计、加强围岩变形观测

按照“早喷锚、强支护、快封闭”的原则完成施工组织设计，在不良地质地段施工时，应按照“先治水、短开挖、弱爆破、先护顶、早喷锚、强支护、早衬砌”的原则稳步前进，合理控制开挖速度，提高初期支护的刚度和承载力，提高围岩自支护能力。

3.4选择施工(开挖)方法

当掌子面围岩软弱破碎时，可依据软弱破碎程度和隧道跨度选择不同的施工(开挖)方法[7][8]，具体选择方法见表1。由于现场情况千变万化，这就需要有经验的技术人员对地质情况做出准确判断，从而选择经济合理的施工方法和支护参数。总体要坚持“超前探、小断面、短进尺、弱爆破、强支护、快闭合、勤量测、早衬砌”的施工原则。

表1 软弱围岩隧道常用开挖方法

开挖方法 横断面示意图 纵断面示意图 适应范围 备注

环形开挖 1)单线V级，VI级围岩，有渗水或股水；

2)双线IV级，V级有渗水

3)无水或老黄土 小导管超前预支护，左右马错开挖，以人工配合机械开挖为主，局部配合弱爆破作业，循环进尺80~100cm，分部台阶不得超过300cm，仰拱距下导10~15m，仰拱一天施工6~8m

双侧壁导坑法 1)单线V级，VI级围岩，地下水发育；

2)双线IV级，V级，地下水发育

3)无水新黄土或渗水老黄土

中隔壁法(CD法)

1)单双线V级，VI级围岩，浅埋或三级隧道；

2围岩破碎，地下水发育 大管棚超前预支护，人工配合机械开挖，严禁爆破开挖，循环进尺50~70cm，分部台阶不得超过300cm，仰拱距下导5~8m，仰拱一天施工2~3m

交叉中隔壁法(CRD 法) 1)双线、三线V级VI级围岩，浅埋隧道；

2)砂层、淤泥地下水极发育，围岩自稳能力极差

3.5、隧道高地应力坍塌的预防

由于隧道高地应力引起的坍塌具有极大的破坏性，在施工中应采取各种有效手段进行详细地质调查，尤其是对地质构造和隧道上方的调查，因为高地应力地段上方的破坏性远大于前方的破坏性，而且具有突发性。开挖对围岩扰动的影响程度是引发高地应力地段应力释放的导火索，开挖断面是应力释放的临空面，决定了应力释放引起的破坏规模，所以在施工中采取小断面、短进尺、弱爆破开挖是避免突发性地质灾害的有效手段[9][10]。高地应力板岩地段采取劈裂注浆加固围岩是一种有效的预防坍塌方法，通过对高地应力围岩注浆增加其稳定性的同时，在一定程度上释放了围岩应力。

4、隧道塌方的治理措施

4.1洞身塌方处治

(1)当塌方量较小时，对塌方相邻地段作强支护，以控制塌方的发展和蔓延；待相邻段稳定后，以短进尺清碴；清除危石后立即施喷混凝土；打锚杆或超前注浆管棚；挂钢筋网复喷混凝土至设计厚度；进行监控量测；循序渐进，往前施工；衬砌加强(钢拱加径向型钢支撑)；当塌方量很大或通顶时，除以上措施外，应对对塌体从地表(浅埋时)或隧道内沿开挖线以外打孔注浆或超前管棚注浆，胶结松散塌体；待稳固后，小段清碴；及时挂网、喷混凝土；安设钢支撑，并纵向连接，上下与锚杆、管棚焊接形成为初期支护的完整受力体；进行监控量测；循序渐进，往前施工。

(2)地表有沉陷时，应及时回填并夯实(或喷混凝土封闭)，可预埋注浆管，搭防雨棚，挖排水沟；对塌方相邻段作强支护，以控制塌方的发展和蔓延；塌方体处理，洞内塌体用钢轨或小钢管棚超前支护，立钢拱架，在排与排之间施焊钢筋连接，使之成为整体。塌碴处理，随挖随撑，超挖部分用同级混凝土回填；进行监控量测；循序渐进，往前施工；衬砌按钢筋混凝土结构进行特殊施工。

(3)当在膨胀带发生递增性很大的塌方时，会在未预计的区间发生各种不同尺寸的单个岩块坍落。当塌方空洞被塌方落的岩土覆盖的情况下，试图用灌浆和锚杆来稳定这类松散岩土很难获得成功。排除膨胀岩形成的塌方最好的办法，是逐步开挖和支护法，另开挖一旁通道来实现，如果该地区的地层材料固结性很低，在通道掘进进入该地区前，为了减少孔隙压力，必须在板上方高处钻一些长的排水孔。

4.2洞口塌方处治

隧道洞口段，若施工不当，往往会出现洞顶地表开裂、变形或下沉，有时发生坍塌通顶，统计表明[11]，洞口段塌方占隧道总塌方的80％。防止洞口段塌方，必须选择正确的施工方法和相应的工程措施，并正确估计工程地质因素的不良影响。“早进洞，晚出洞”是隧道的设计原则[12]，必须遵守，要采用弱爆破，减少爆破振动影响，地表要及时加固并防护，同时要加强地表和洞内位移测量。洞口塌方实际上是滑坡，其治理方法是：以某一种措施为主，辅以其它工程措施。当以明洞作为整治滑坡的主体工程时，还应针对滑坡产生的原因以及地形、地质条件和抗滑要求，辅以其它工程措施，如疏排地下水、减载或反压、设支挡建筑物等综合治理。

5、结论

(1) 塌方是隧道施工过程中出现的严重病害，塌方的原因也是多种多样，但归根到底地质因素是决定性的，因此预防隧道塌方的根本措施是加强工程地质及水文地质工作。包括运用先进的科技手段对围岩稳定性进行探测、预报、分析等工作，为设计提供依据及指导工程施工。

(2) 水是隧道施工中最难控制的因素之一。在隧道施工中，对水的作用切不可忽视，隔断地表水，控制地下水。应认清地下水是一个体系,随时随地都在变化,受地形、地貌、地质、气候等条件影响。凡要穿过冲沟、峡谷时,必须提前做好防排水和防止塌方的一切准备。只要发现岩体有潜水，就要抓紧对地表水进行引导疏排，尽可能将渗入地层的水源切断，或强化支护，以确保隧道顺利通过软弱地带。

(3) 为了预防塌方，人们在施工实践中总结了很多有效的方法。预防塌方措施和出现塌方处理方法均基于对围岩的充分认识和对塌方原因的正确分析，检验措施和方法的标准是：可靠、可行、节约。虽然隧道隧道坍方处理是一项艰难而复杂的作业，处理方法也很多，需根据塌方的规模、部位、具体情况而确定方案。

参考文献：

[1]孙富学.隧道工程塌方治理及工程实例[J].公路交通技术.2006.2.105-107

[2]冯卫星.况勇.隧道坍方案例分析[M ].成都:西南交通大学出版社,2001

[3]王燕.钻爆法施工隧道塌方风险分析.[J].沈阳建筑大学学报.2009.25(1)24-27

[4]潘学东.预防隧道塌方的技术措施.[J].山西建筑.2008.34(6)324-327

[5]刘贵应.隧道塌方的尖点灾变模型及应用[J].地质灾害与环境保护.2002(02)

[6]周春宏.深埋长隧洞地质超前预报技术[J].地质灾害与环境保护,2005,16.

[7]张继恒.软弱围岩隧道施工坍方处理技术[J]. 中国水运.2010.10(1)174-176

[8]邵永红,李丽民. 隧道塌方处理技术[J]. 公路与汽运.2009.4.238-240

[9]才.隧道工程[M].北京:人民交通出版社,1987

[10]傅志训.隧道病害处治研究[D].西南交通大学.成都.2006

[11]杨克栋,姚军. 关家台隧道塌方原因分析及处理方案[J]. 山西建筑.2009.39(23),349-350

[12]韩永友.浅埋隧道施工塌方的原因分析及对策[J]. 山西建筑.2009.35(2),322-324

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