隧道防坍塌技术措施分析

刘建佳 LIU Jian-jia

（中国铁建十二局集团有限公司，太原 030000）

（China Railway 12th Bureau Group Co.，Ltd.，Taiyuan 030000，China）

隧道防坍塌技术措施分析

刘建佳 LIU Jian-jia

（中国铁建十二局集团有限公司，太原 030000）

（China Railway 12th Bureau Group Co.，Ltd.，Taiyuan 030000，China）

坍塌是隧道施工过程中的第一要害，在隧道安全事故中占到半数以上。随着隧道工程技术和管理的不断发展，事故次数和伤亡人数呈下降趋势。引起隧道坍塌的主要因素包括自然、工程、人为等因素。针对性地采取预防技术和控制措施，可广泛应用于隧道施工防坍塌。

隧道；坍塌；防止；措施

1 工程概况

新建铁路长沙至昆明客运专线玉屏至昆明段TJ-3标段，全长35.6km，投资约33个亿，是包括路、桥、隧、轨道专业在内的综合性工程。其中隧道10座/14.6km，按时速350km/h双线设计,横断面积约150m2，Ⅳ、Ⅴ级围岩比例高，穿越多处断层，岩溶发育，隧道坍塌风险极高。分析坍塌因素，加强综合管理，避免了隧道坍塌事故的发生。

2 坍塌的危害

查阅以往隧道施工事故的统计和分析资料，坍塌、物体打击、透水、冒顶片帮等事故类型占事故总数的主要部分，其中坍塌是施工过程的第一要害[1]，占列隧道施工事故的半数以上。隧道坍塌所致死亡人数也是占到40%左右。

坍塌的形式主要有：①掌子面坍方。如2007年石太客专南庄隧道出口的上导坑坍塌，同年太中银铁路吴堡隧道3#斜井掌子面左侧拱脚塌方。②软弱围岩变形坍塌、初支强度不足引起的塌方。这种坍塌占多数，原因也复杂多样，多数表现为掌子面后方坍塌，如2007年武广客专高岭隧道进口掌子面后方30m处坍塌、会宁铁路亭子山2号隧道换拱时发生局部塌方等。③隧道洞口边仰坡塌方。如2006年武汉安康铁路增建二线襄胡段王家沟隧道明洞洞口上部边坡坍塌。④另外，由于局部断层、岩溶引起的坍塌也屡见不鲜。

3 隧道坍塌因素分析

3.1 自然因素 隧道施工中局部地质构造变化，断裂带、断层破碎带、软弱夹层等不良地质条件和变化；岩土中水的变化，季节性雨水的渗入，水沿岩体软弱面流动，破坏岩体组织，造成岩体失稳而发生坍塌；浅埋、偏压、顶部重载道路等，也是诱发隧道坍塌的重要因素。

3.2 工程因素 隧道施工开挖引起地质、水文变化，使岩体应力、变形重新分配和平衡，支护不足时极易坍塌。

3.3 人为因素 对不良地质的判断不足，岩石类型虽易判断，但断层节理发育情况却千差万别，存在岩层破碎、顺层、溶洞等多种不利因素，致使设计措施不力；施工组织问题，包括不合理施工方法，施工预防措施不当，支护不及时，施工中的偷工减料，地表水处理不当，开挖进尺和安全步距过大等不利因素。

4 隧道坍塌预防措施

按照风险管理流程，对风险事件、因素进行判识，对风险程度做出判定，选择合理的应对策略，制定预防措施，把具体措施落实到现场操作和岗位，做好风险的动态监控。

4.1 技术措施

4.1.1 掌子面防坍塌 掌子面外凸作用引起了隧道掌子面失稳，将后方初支剪切破坏，造成隧道坍塌。超前管棚、小导管对前方土体的约束，起到了很好的作用，但要注意根据岩土的内摩擦角、分层情况，确定超前支护的合理长度和角度；预留核心土也能起到减小临空面和反压稳定的作用。

4.1.2 软弱隧道防坍塌 软弱围岩隧道施工中坚持“管超前，严注浆，短开挖，强支护，快封闭，勤量测”的施工原则，对土质隧道大变形进行研究和有效控制。可以根据现场情况采用不同的加固形式或组合。

①双层拱架。在浅埋软弱围岩地段，尤其是水体下渗、软化土体的环境下，常有支护强度不足、拱架变形明显，此时可采用双层拱架的加强方案。根据监控量测数据，初支、拱架变形细微，整体下沉的情况不适合采用。

②托梁管桩结构。台阶法施工时上台阶为简支梁受力体系，为提高承载力，对原设计的分开式槽钢支垫提出优化措施，改用托梁设计。有时为提高承载力、减小变形，在钢托梁上增加管桩设计，见图1。初支、拱架变形细微，整体下沉的情况适合采用。

③钢管桩预加固[2]。在隧道下伏硬岩时，还可以采用钢管桩预加固的形式，来提高承载力、减小变形，结构见图2。在地表采用钢管桩加固时，对边桩位置加强测量控制，打设深度按持力层深度控制。当隧道开挖至中台阶或下台阶时，可以利用钢管桩作为承压管桩，有效减小隧道开挖的下沉和变形。

④大拱脚方案。软弱围岩隧道大拱脚方案，在现场施工中各有利弊。有利的是增大了接触面、明显提高了承载力；不利的是增加了外挖尺寸，增加了开挖跨度，这在三台阶施工中的上台阶位置尤为严重。

图1 拱架间托梁+管桩基础

图2 钢管桩预加固

⑤中台阶临时仰拱和横撑。临时仰拱和横撑的设置更有利于受力稳定，可结合沉降变形情况灵活运用。仰拱和横撑的设置会对后续施工造成一定的影响，一般不予采用，只是在变形偏大、上述措施仍不能控制，或紧急情况下采用。

需要提醒的是，临时仰拱、横撑在拆除时要注意支护二次应力释放，可能会产生位移突变，造成失稳。可初支封闭成环紧跟，加强系统锚杆（管）后再予以拆除。

⑥下台阶托脚钢架。隧道下沉、坍塌的另一个重要原因是不能及时封闭成环，拱脚承载力不足，可优化仰拱范围的钢架单元分割，先施工边墙拱脚的部分钢架，加设锁脚锚管，提高承载力，减少在仰拱开挖施工中的变形。下台阶托脚钢架的优化形式见图3。

图3 钢架分割优化

4.1.3 不良地质段防坍 常见不良地质现象主要有岩溶、岩堆、断层破碎带、危岩落石、顺层偏压等等。

岩溶及岩溶水地区，隧道开挖可能会遇到大型岩溶管道及溶洞，在揭露充填性岩溶时容易发生突水突泥等现象，相继引发坍塌，需要采用顺坡设计，发生的突水顺纵坡排出。断层破碎带极易发生不均匀下沉和坍塌，设计措施要加强。由于设计地勘的精确度不足，均需在施工阶段采用常规地质法+综合超前物探+水平超前钻孔的方法进行超前综合预报，再根据具体情况确定加强措施。隧道洞口一般较陡，岩性常见地质互层，节理裂隙发育，掉落后在坡脚形成岩堆，且常见零星的危岩落石，对隧道影响较大，采用清除、镶补、支挡及主动网防护等综合治理措施处理。顺层偏压段施工，要进行设计计算，必要时侧向支挡或填土堆压平衡，合理隧道开挖方法和顺序，严格按方案施工，避免引起坍塌。

4.1.4 洞口段防坍 隧道洞口应严格执行“早进晚出”的原则。加强洞口段超前支护和边仰坡防护设计[3]，埋深较浅的隧道洞口段可采用明洞或半明半暗法进洞。隧道洞口边仰坡工程应自上而下逐级开挖支护，及时完成洞口仰坡加固、防护及防排水工程。隧道洞口完成超前支护后，方可开始正洞的施工。洞口段应及时形成封闭结构，严禁采用长台阶施工。

4.2 组织措施 隧道施工要加强施工组织，从工序时间上控制变形，达到稳定的目的。

4.2.1 施工方法 隧道施工要严格施工方法的管理，严禁私自变更，以致现场产生坍塌隐患。

4.2.2 开挖进尺 开挖过程中根据掌子面围岩的级别、分层和破碎程度，确定开挖进尺。严禁放大开挖进尺，严禁掏底开挖。

软弱围岩隧道Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ级地段采用台阶法施工时，应符合以下规定：①上台阶每循环开挖支护进尺Ⅴ、Ⅵ级围岩不应大于1榀钢架距离，Ⅳ围岩不得大于2榀钢架距离。②边墙每循环开挖支护进尺不得大于2榀。

4.2.3 安全步距 掌握软弱围岩地段沉降随时间由慢变快，硬质围岩爆破后的应力释放和变形由快变慢的机理；强调初支和封闭成环的及时性，以及二衬施工的配套和紧跟。严格按照《关于进一步明确软弱围岩及不良地质铁路隧道设计施工有关技术规定的通知》（铁建设[2010]120号）文件规定，Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ级围岩封闭位置距离掌子面不得大于35m。仰拱开挖前必须完成钢架锁脚，每开挖进尺不得大于3m。

注重闭环的时效性，软弱围岩及不良地质隧道二衬应及时施做，二次衬砌距掌子面的距离，Ⅳ级围岩不得大于90m，Ⅴ、Ⅵ级围岩不得大于70m。

4.3 管理制度

4.3.1 超前预报制度 目前常用的预报方法主要有TSP203、地质雷达、高分辨直流电法、红外探水、超前钻探、加深炮孔等多种手段。针对地质复杂多变，多种不良地质的现场实际，动态调整超前预报方法，加密勘探断面，岩变我变，及时补强，修正参数，保障安全。岩溶及富水断层隧道，超前地质预报应采用以水平钻探为主的综合方法。软弱围岩及不良地质隧道应进行专项超前地质预报设计，及时收集和分析预报材料，完善设计方案并指导施工。

4.3.2 监控量测制度 监控量测是隧道施工的“眼睛”，对于施工安全的重要性毋庸置疑，尤其是大变形段。完善监测体系，对于指导施工以及设计参数优化，防止隧道施工坍塌，甚至在位移突变、异常情况下指导人员紧急撤离都非常关键。必须严格按精度、频率和时间要求开展监控量测工作。

当隧道初支出现斜向裂缝，说明支护参数偏弱或围岩变差，需加强支护措施；当出现拱顶掉块，收敛突变时要视具体情况，果断撤出施工人员和设备，或收敛稳定后采取加固措施。把监控量测纳入工序，加强数据的真实性管理，建立异常数据报告制度。

4.3.3 干部带班制度 隧道施工架子队要建立干部、安全员跟班制度，进行过程的安全监控，发现异常，及时处理和报告。

4.3.4 风险预警制度 超前预报、监控量测纳入工序管理，建立专项台账进行监控；及时互通信息，以便建设四方的共同分析和确认；风险段落前50米时进行风险预警，风险段落前30米时编制专项方案设计，保证在通过风险段落时启用专项方案。

[1]刘辉，张智超，王林娟.2004-2008年我国隧道施工事故统计分析[J].中国安全科学学报，2010（1）：96-100.

[2]雷军.浅埋偏压、软弱围岩双线隧道大变形施工控制技术[J].国防交通工程与技术，2013（3）：42.

[3]礼明.浅谈隧道防坍塌控制技术[J].北方交通，2012（9）：117.

Analysis on Tunnel Anti-collapse Technology Measures

The collapse is the first vital in tunnel construction process,accounts for more than half of security incidents in the tunnel.With the continuous development of tunnel construction technology and management,the number of accidents and casualties present declinedtrend.The main factors that caused the tunnel collapse includenatural,project and human factors.Targeted to take preventive and control measures technology can be widely used in tunnel anti-collapse.

tunnel；collapse；prevention；measures

刘建佳（1968-），男，湖南宁乡人，高工，沪昆客专云南段TJ3标项目经理部项目经理，研究方向为地下工程。

U45

A

1006-4311（2014）11-0093-03