浅谈隧道塌方冒顶原因及处理方案研究

摘 要：本文基于笔者多年从事隧道工程施工的相关工作经验，以笔者参与的某隧道工程项目为研究背景，针对施工工程中出现的一次坍塌冒顶事故，给出了详细的塌方情况分析和原因分析，并在此基础上，提出了具体的实施方案，全文是笔者长期工作实践基础上的理论升华，相信对从事相关工作的同行有着重要的参考价值和借鉴意义。

关键词：隧道 塌方冒顶 处理方案 工艺总结

中图分类号：U457 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）04（c）-0057-02

云南省广砚高速公路是国道主干线（GZ75）衡阳～南宁～昆明公路滇镜中的一段，是交通部发展战略规划中“五纵七横”国道主干线公路系统中重点改造路段，也是云南省高等级公路网规划“三纵三横”、“九大通道”的重要组成部分，线路设计全长73.92 km。第3合同段位于珠街镇，其中有一隧道，为双幅单向通行，双车道，隧道净宽10.25 m，单幅长1227 m。

1 工程地质概况

隧道段地貌属构造剥蚀中-低丘陵地貌单元，地形起伏较大，地面标高相对高差270 m。地形坡度一般为25°～60°，山体顶部浑圆，山脊大部呈狭长、陡峭和狭长平缓状。根据目前已开挖出露的岩层，该隧道段岩层以弱风化石灰岩为主，局部地段含有绿泥钠长片岩和石英岩。勘察与设计结果表明，围岩大都为Ⅱ～Ⅳ级。除出口段右线洞口附近岩层为强风化的黑色碳质灰岩和塌方段为黄泥夹层与勘查设计情况不甚相符之外，其它地段岩层均与勘查设计相吻合。

2 塌方情况

该隧道某段原设计为Ⅲ级围岩。初期支护为：3 m长药卷锚杆，环向间距1 m、纵向间距1.2 m的格栅拱架，22 cm厚网喷混凝土。施工方式为全断面开挖，S3b复合式衬砌。原设计断面见图1。

在爆破开挖后掌子面处发现黄泥层并有渗水，拱顶靠右不时有少量塌落物，岩层为水平走向。中午黄泥层继续塌落，塌落速度加快，并有较大的渗水。在洞右方形成小型塌洞（Ⅰ），塌洞面积约1 m2左右（图2）。

在完成两榀格栅拱架的架设后，在架设第三榀格栅拱架时，发现后面已完成的初期支护混凝土出现裂纹，同时出现塌落物（软黄泥和石块，自掌子面超前小钢管间塌落），并且随着塌落物不断地增加裂纹也逐步增大。晚上开挖面开始出现大面积塌方，掌子面上方形成大的空洞（Ⅱ），如图2所示，落下的黄泥碎石土和石块。整个开挖面被塌方体覆盖，塌方体涌至YK166+352断面，塌腔高度约为5 m，塌腔纵向约为15 m。

3 塌方原因分析

根据现场地质情况以及塌方段对应地表调查和分析，造成本次塌方的原因有以下几点。

（1）从地质纵断面图来看，塌方段地表正位于两山峰之间的垭口处。而且隧道在此处埋深较浅，大约为30 m，地形陡峭。垭口处有一断层（F3）经过，位于垭口处的岩层受水平地应力作用挤压严重，致使岩石破碎，岩体内部节理裂隙被两侧地表冲积土所充填。同时，塌方发生时正值雨季，地表水丰富且沿垭口地势较低的破碎岩缝、节理裂隙中渗流。因此隧道洞内渗水较大，夹在岩石间的黄泥软弱夹层及其它松散岩体受渗水作用迅速软化，岩体抗剪强度大大降低，岩石间的摩擦力不能支撑上部岩体重量从而导致隧道拱顶围岩发生重力坍塌。（2）据现场调查及按照《公路隧道设计规范》计算，隧道塌方段实际围岩出露级别为Ⅴ级，与原设计的III～IV级围岩级别不相符。原全断面开挖方式已无法保证掌子面的临时稳定，已采用的初期支护方案也无法保证结构和施工安全。（3）对地质变化及塌方预兆未予足够重视，致使险情扩大。首先，在掌子面出现黄泥夹层时，应引起重视，加强初期支护；其次，在局部塌方时应及时密实回填塌腔；最后，在右洞发生塌方后，左洞施工应引起警惕，不应重复右洞塌方过程。

4 施工方案

为了防止塌方的进一步扩大，保证施工进度，根据隧道塌方现场实际情况，将隧道分为稳定段、塌方段和后继段三个区段，针对不同区段分别采取不同的处理措施。

4.1 稳定段处理方案

稳定段是指隧道左、右洞内初期支护已按照原设计施作完毕、塌方后尚未发生变形破坏、而二次衬砌短时间内无法跟上的区段，该段处理的原则是“加强监测，二次衬砌快跟”。

（1）采用跳跃法施作二次衬砌，根据现场情况，以最快速度施作离塌方体最近的二次衬砌，以保证初期支护施工完成区段的最终稳定和安全。（2）由于现场衬砌台车、挂布台车空间的要求及原施工工序的影响，仍有30 m左右长度范围的二次衬砌无法及时施作，对于该段以加强初期支护的监控量测为主，同时做好应急支撑方案的准备，一旦该段出现大变形情况将立即采取应急处理措施。（3）靠近塌方体5～10 m的稳定初期支护段，处于塌方体影响范围内，短期内二次衬砌无法紧跟。为保证初期支护强度和后期施工安全，采取如下措施：在原喷混凝土内层增加间距为60 cm的18型工字钢拱架，待钢拱架安装完毕后采用小导管对围岩进行系统注浆加固。导管采用4.5 m长42注浆钢花管，按1.2 m×1.2 m梅花型布置。

4.2 塌方段处理方案

4.2.1 方案比选

（1）采用大管棚注浆加固。（2）采用小管棚注浆加固。

通过现场验证，考虑到施工的工艺，安全及快速，并且考虑节约成本。通过比选采用第二方法施工。

4.2.2 方案确定

经设计、业主、监理、施工方四主协商采用如下处理措施。

（1）对塌方体进行回填反压，保证塌体稳定和后期施工的安全。（2）对塌方体表面采用12 cm厚贫混凝土封闭，并完善掌子面处的排水系统，防止地下水在掌子面处的汇集，保持该段干燥，避免由于积水浸泡导致该段围岩强度进一步降低。（3）采用环向间距40 cm、长度为12 m的超前小管棚贯穿坍塌体，以2°仰角打入拱部围岩，对塌方体进行注浆加固。小管棚材料采用外径83 mm、壁厚5 mm的热轧无缝钢管，注浆材料采用水灰比为1∶1的普通水泥浆液，同时外掺速凝剂。注浆机型号为FBY 50/70，注浆压力为0.5～1.5 MPa。管棚孔内采用M30水泥砂浆充填。待超前小管棚施工完后再对塌腔采用贫混凝土进行泵送回填。（4）采用双侧壁导洞法对坍塌体进行开挖以减少开挖断面面积。（5）在二次衬砌浇注之前，对剩余塌腔通过高压注浆回填密实。（6）塌方段采用S2c复合式衬砌进行支护。

通过现场实际操作，发现该方法在施工过程中对坍塌体扰动小，没有造成二次坍塌，初支后监控量测变形小，围岩稳定。

4.3 后继段处理方案

该段处理方案分两种情况，根据不同情况采取不同方案。

（1）当塌方段治理完毕后，如果开挖掌子面处围岩恢复到原来较好状态，则继续按原设计进行施工。（2）当塌方段治理完毕后，开挖掌子面处围岩状态仍未变化，则以每30 m为一个单元，采用加强初期支护和二次衬砌进行设计和施工。

5 施工体会与建议

通过坍方处理，笔者体会到。

坍方处理必须要找到发生坍方的原因。处理坍方必须安全、快速、施工难度小的情况下进行施工。隧道浅埋及冲沟地段在施工前一定要做好地质调查，做到有的放矢。对于浅理地段隧道一定要注意防排水，以免地下水渗透影响岩土层及构造的力学性质，危及安全。对于地质较差的浅层、较破碎的地段施工一定要有施工预案，防患于未然。

参考文献

[1]徐茂辉，谢慧才.隧道混凝土密实度的雷达检测方法[J].科技资讯，2005（4）.

[2]贾刘强，邱建，王志杰.隧道围岩收敛量测的新方法[J].科技创新导报，2006（5）.

[3]何公社.基于位移反分析和安全预报要求的深基坑工程施工监测[J].安徽地质，2007（3）.

[4]孙狂飙，邓文龙.隧道现场围岩级别判定方法探讨[J].建筑科学，2009（1）.

[5]荣传新，蔡海兵.光纤传感技术的应用与土木工程测试技术课程的教学改革[J].北京建筑工业学院学报：自然科学版，2008（5）.