羊泉隧道塌方形成原因分析及治理

杨忠 聂席明

摘 要：文章重点介绍了青兰高速陕西境项目羊泉隧道塌方的过程及原因分析，阐述了塌方的治理和治理过程中出现的问题以及最终的解决方案，分析总结了富水黄土隧道设计应注意的问题及开挖施工的技术关键，以期供同行参考。

关键词：羊泉隧道塌方治理

1项目概况

1.1项目概况

青兰线陕西境项目羊泉隧道隧址位于陕西省富县羊泉镇羊东村南约1公里处，为曲线型特长隧道，分别于公路测设里程ZK121+360～ZK124+470、YK121+381～YK124+457段穿越山体，分为左、右线，左线最大埋深约139米，右线最大埋深约137米。

1.2地形地貌

隧道穿越区为黄土塬梁峁工程地质区的黄土塬工程地质亚区，山体近南北走向，地势总体南低北高，隧道与山脊近于直交，垂直隧道轴向两侧低，中部高而平缓。地面标高介于1044.52～1198.15m，相对高差约153.63m。

1.3隧道工程地质概况

隧址区分布的地层有第四系上更新统风积黄、中更新统风积黄土。新黄土，具自重湿陷性，其强度较低，但多位于隧道顶部，对隧道围岩稳定性影响轻微。无褶皱，无断裂。主要发育有两组构造节理，产状分别为167～181°∠80～87°，263～265°∠80～95°，线密度1～2条/m，均为剪节理，延伸较长，节理见有钙泥质充填。近地表岩体中风化裂隙较发育。

1.4设计概况

隧道建筑限界净宽-13.00米（0.75m检修道＋0.5m左侧侧向宽度＋2×3.75m行车道＋3.5m紧急停车带＋0.75m检修道），净空限界高度5.0米。衬砌断面内轮廓采用三心圆，紧急停车带长度为40m。

塌方段均按IV级设计围岩，超前支护为4米长φ25超前砂浆锚杆，间距40cm；支护形式为挂网锚喷支护，钢筋网为φ8型20X20；径向锚杆为间距100X100的3米长φ22砂浆锚杆；喷射砼为20号22cm厚；支护采用间距为75cm的I20；二衬为厚度45cm的25号素混凝土。

2塌方发生过程及原因分析

2.1右洞YK122+544~YK122+572塌方发生过程

2010年2月7日，该隧道掌子面开挖至YK122+572时，正值大雪天气和春节长假，为确保隧道安全，将仰拱开挖及闭合回填施工至YK122+544，保证仰拱回填和掌子面的距离不超过30米后隧道施工基本停滞。2月20日YK122+545处4榀拱架右侧拱脚处出现较大鼓出及错动变形；从2月20日至3月4日期间，逐步采取了临时仰拱配合钢拱架扇形支撑5道（分布于二衬端头向大桩号10米范围内），支撑方木垛二处（见照片）；3月4日凌晨4：00出现在二衬及支护的交界处右侧出现长约7米的塌方；塌方发生后采用反压核心土及环形开挖，双侧壁导坑开挖，但收效甚微；至4月29日出现塌顶及洞内涌泥，涌泥长度达30米长；这个阶段塌体内的破坏形式（后期的开挖探明）表现为支护严重下沉2米左右，右侧壁围岩支护错断并挤出近2米，抢险临时支护的钢拱架严重扭曲，方木垛因错动而推倒。

2.2塌方的原因分析

主要原因是覆盖塬面大雪消融后大量的水份渗入地下造成隧道开挖渗水量加大，另外因开挖进度仅仅达到75cm/天，造成掌子面及支护暴露段水文地质恶化加剧，施工过程的拱顶下沉增至6cm/天以上，累计沉降量达到70~90cm，拱脚也因水文地质恶化出现承载力不足而失稳。

3塌方的治理

塌方治理共分三个阶段，即大核心土环形开挖法；双侧壁导坑开挖法；全断面超前预注浆加固围岩法。

3.1大核心土环形开挖法

对塌落的虚方土体进行反压回填，人工形成长约13米，宽约10米，高约7米的超大核心土。并对核心土进行小导管注浆、挂网喷护等加固，以形成一个稳定的人工掌子面。然后以间距为30~40cm的I22人工向前开挖，历时15天后因渗水不能排出，三方面原因导致方案失败，其一，核心土泡软局部失稳；其二，向前开挖4榀且立好的钢拱架因拱脚泡软，拱脚承载力过低后造成拱顶变形过大；其三，洞顶塌方松散土体荷载过大造成拱脚大的下沉和拱顶变形。

3.2双侧壁导坑开挖法

为了解决拱脚排水及环形开挖易失稳问题，3月19日决定将方案调整为双侧壁导坑开挖法。首先将原来的核心土进一步加固，并对拱顶开口进行回填加固并小导管注浆及挂职网喷护。然后先进行左侧的导坑开挖，导抗尺寸按宽1米，高2.5米进行控制，每次开挖进尺为1榀，即30~40cm。至3月22日，在右边部导坑还未来得及开挖时，拱部软土涌出，方案失败。究其失败原因，主要包括：其一，拱顶塌方后形成渗水通路，渗水除沿已支护成型的洞壁下渗至拱脚处外，還有一部分水滞留开拱顶的松散土体中，长时间浸泡造成了拱顶土体泥化，使拱顶的的压力不断增大，但处理措施却不能很快穿过塌方体，所以穿过难度随着时间推移也在不断增加；其二，在黄土隧道出现塌方时，塌方处理时拱脚处治须采取异常的加固措施方可保证施工的钢拱架支护没有大的下沉。其三，单层I22钢支护不能承受来自拱顶的巨大压力，须采取双层钢拱架支护，尤其是在塌方处理时间长的情况下更应采取更强的支护。

4二种治理方案的效果分析及其它辅助技术措施

大核心土环形开挖法及双侧壁导坑开挖法效果分析。从实际处理塌方的效果分析，大核心土环形开挖法及双侧壁导坑开挖法可以通过塌方段，但这两种方法的风险较大，风险主要来自技术工作人员对水文地质情况的正确把握及治理时机的把握，如塌体出现泥化将使这两种方案失去有效性。另外施工工队的施工水平也起着至关重要的作用。羊泉隧道左洞进口及左洞出口也遇到类似的问题，其中左洞进口使用第一种方法取得了成功；左洞出口使用管拱配合侧壁导坑法也获得了成功。两种方案笔者认为关键之关键是要把握住二点：其一，准备及土体加固工作要“快字出头”，即“清泥要快，反压要快，掌子面围岩加固要快，开挖支护要快”，尽量做到在松散土体泥化前完成普通的加固注浆，利用塌方后形成的土块之间的孔隙注浆充填形成土体的支撑骨架，并迅速开挖通过；其二，开挖支护施工过程，一定要做到“拱脚蹬得住，拱顶顶得住”。

5结语

结合青兰高速陕西境项目羊泉隧道右洞进口塌方和治理过程以及治理过程及效果可得出以下重要结论：

5.1延安地区中更新统风积黄土（Q2eol）富水黄土隧道围岩等级判定所依据的含水量参数要在勘探的基础上增加4~6%，在塬体蓄水体积大且土体渗透系数高时时应取上限。

5.2延安地区中更新统风积黄土（Q2eol）在富水情况下，容易因开挖施工形成沿掌子面前进方向的连续井点效应并造成水文地质恶化。尤其当隧道开挖施工过慢（进度小于75cm/天）或停滞时水文地质恶化加剧，施工过程的拱顶下沉可增大至6cm/天以上，拱脚也会出现承载力不足而失稳的情况。所以要避免塌方出现，首先从进度安排上要保证一旦隧道开工就要连续不停地开挖施工，且每天开挖进度至少在1.5米以上（根据支护设计保证开挖达到2榀以上）。

5.3在拱顶累积沉降量大于45cm时，须从拱脚的强支撑上采取有效措施，而不能从增大预留沉降量来解决施工过程中的侵限问题。

5.4大核心土环形开挖法及双侧壁导坑开挖法处理塌方也是可行的方案，两种方案成功与否的风险主要来自技术工作人员和工队对水文地质情况的正确把握及治理时机的把握，成功的关键在快。

5.5全断面超前预注浆加固围岩法是一种安全可靠的方法，但此方案的缺点是耗时长，成本高。每个循环（30~40米）加固完成历时45天左右。