公路隧道泥质冒顶处置研究

韩光钦，田宏月，毛金龙

（1.贵州省公路工程集团有限公司，贵州 贵阳 550008，2.苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 210017）

公路隧道泥质冒顶处置研究

韩光钦1，田宏月1，毛金龙2

（1.贵州省公路工程集团有限公司，贵州 贵阳 550008，2.苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 210017）

随着我国山区高等级公路的发展和建设规模的不断扩大，山区公路隧道的建设也日益增多。隧道工程作为整个工程的控制性因素，由于冒顶引起的工期延误、经济损失甚至人员伤亡给工程带来不可估量的损失。文章结合贵州省盘兴高速公路某隧道冒顶事故，对其原因进行分析，采取相应的加固处理措施，并采用有限元分析程序对初期支护及二次衬砌进行结构验算，实测监控数据分析表明，该处理方案行之有效，可供类似工程施工参考。

公路隧道；冒顶；处理方案，监控量测

由于山区复杂的地质条件和山岭隧道洞口浅埋段较差的围岩情况，加之施工过程中的不可控因素，冒顶是隧道施工中常遇到的工程事故之一。为保证隧道施工安全和施工质量，避免处理不当发生二次坍塌，冒顶的处理往往工期较长，工程措施必然偏于保守且造价偏高。近年来，随着隧道施工技术的不断发展和施工新方法、新理念的提出，隧道冒顶处理技术也越来越成熟和趋于多样化［1］。然而，在冒顶事故的处理过程中，结合数值分析和后期数据采集对比的工程实例并不多见。本文依托贵州省盘兴高速公路某隧道冒顶事故，对其处理加固措施进行介绍。

1 工程概况

贵州省盘兴高速公路某隧道位于位于贵州省西南部高原中山地区，地势总体北高南低，属于挽近强烈隆升的云贵高原向广西丘陵盆地过渡的斜坡地带，地形起伏大，隧道穿越山脊高耸，属中山构造剥蚀地貌。本隧道设计为双线隧道，全长3 891 m，属于特长隧道，全隧道地质情况复杂，溶洞和节理裂隙非常发育。

隧道冒顶发生在隧道右洞进口段，该处为宽阔的灰岩溶蚀山间洼地，表层为坡洪积含碎石粉质粘土、含角砾粉质粘土覆盖，局部基岩出露。冒顶事故附近岩体较破碎～较完整，岩性主要为灰岩，表层坡洪积松散堆积体厚度较薄，陡坡地带基岩多裸露，经稳定性分析，自然状态下结构面对边、仰坡稳定有利，但隧道开挖形成较大临空面时，存在不利于岩体稳定的外倾结构面，对该位置稳定不利。

2 冒顶原因分析

隧道冒顶发生在隧道右洞进口埋深约39 m处，冒顶开始掌子面里程为K29+906，右洞施工至该位置时，掌子面左侧拱顶出现较大溶洞，溶洞内填充高含水量黏土等物质。掌子面开挖过程中，形成较大临空面，溶洞内大量填充物自溶腔落下，洞内大段落被填充，充填体后缘桩号为K29+898，前缘桩号为K29+890，坍方体由施工掌子面向小里程方向充填16 m。冒顶示意图见图1。

图1 隧道冒顶地质示意图

由于大量填充物自洞内塌落引起地表塌陷，形成漏斗状的坍坑，坍坑最大深度约7 m，直径约8 m。

（1）地质原因

冒顶事故段隧道围岩主要为灰岩，岩体节理裂隙发育，层间结合较差，岩体破碎，呈块（碎）石状镶嵌结构。隧道开挖后，形成临空面，软弱破碎围岩的洞内收缩甚至坍塌变形又都是向临空面发生的［2］，围岩在开挖后应力重分布的过程中承载地应力的主要是围岩体本身［3］，软弱围岩一旦发生坍塌，临空面将受到破坏。K29+906掌子面恰巧位于岩溶漏斗处，漏斗与隧道开挖界限贯通，流塑状填充物由于施工扰动在重力作用下向洞内涌出，是本次冒顶事故的重要诱因。

（2）埋深原因

据地面调查，进口段石芽、溶沟、溶蚀裂隙及落水洞强烈发育，局部可见溶洞发育及下降泉初露，裂隙经溶蚀作用加宽加大，并填充红色黏土。该段隧道埋深较浅，同时受到地表风化力影响，利于地表水的下渗。隧道开挖掌子面左侧拱顶溶洞填充黏土，由于地表水的下渗且水量较大以及施工扰动等原因导致溶洞填充物涌出，通过若干溶洞连接至地表，导致洞内坍塌及地表塌陷。

3 处理方案分析

本着由外至内、避免二次事故发生的处理原则，处理过程分为地表处理、坍方体后方初期支护处理及塌腔处理3个阶段。

3.1 地表处理

在洞内工作施做之前，将地表塌陷区域采用警戒线围住，防止人员靠近以免发生危险。并在地表沉降范围外5m施做截水沟，塌腔上方进行防水材料遮盖，以截排地表水，防止雨水冲刷下渗，进入坍坑，造成二次坍塌。待冒顶段二衬施工完毕后进行坍坑回填复耕。

3.2 坍体后方初期支护处理

为保证坍塌范围不再向已开挖方向延伸，对坍塌体后方10 m范围内的初期支护进行进一步加固。由于临近冒顶体侧的初期支护基本稳定，只需要做进一步加固措施。在初期支护钢架两侧增设锁脚锚管，并与拱架焊接牢固，注水泥单液浆对围岩进行注浆加固。

3.3 塌腔处理

塌腔处理过程中，要考虑以下三方面：第一，清除坍方体过程防止二次坍塌问题；第二，冒顶段开挖防护问题；第三，隧道后续开挖的安全问题。

针对防止二次坍塌方面，首先采用注浆小导管注浆的方式，将坍方土体固结。其次，对冒顶后段初期支护钢拱架布设锁脚锚管，每榀钢架按照8根布设。隧道拱顶120°范围内以小导管对围岩进行注浆加固。确定安全后，分段清除坍方体，每清除一段坍方体重复以上工作，直至清方结束。

针对冒顶段开挖防护方面，在清除坍方体至冒顶位置后，在拱顶120°范围内布设Φ76 mm超前长管棚，注水泥单液浆至前方岩体，将坍方体固结形成应力承载环，利于后续开挖支护，顺利通过冒顶段。同时，调整支护参数至最强，加密型钢钢架，并将其基础进行扩挖，施做混凝土垫块，形成稳定的大拱脚基座。锁脚锚杆调整为锁脚锚管，并注浆加固。

为确保后续开挖安全，清除坍方体段及后续围岩开挖均采用人工配合机械挖除洞内土石方，开挖工序采用上下台阶预留核心土法。

4 数值模拟

建模分析运用隧道与岩土工程专用有限元分析程序MIDAS-GTS完成。计算采用基于岩体力学的“地层-结构”法和施工方案进行隧道施工过程模拟，分析初期支护结构稳定性和围岩变形特性。采用基于结构力学的“荷载-结构”法，对分离式隧道中主洞复合式衬砌对应的隧道二次衬砌的结构安全性进行模拟分析。

4.1 计算参数

围岩的物理力学参数及支护结构的力学参数［4］见表1～表3，荷载及其系数见表4。

4.2 初期支护地层结构模型计算分析

本隧道V级围岩段拟采用预留核心土法施工，采用分步开挖与分步支护（锚喷）的动态模拟，具体模拟了隧道施工过程的沉降位移及初期支护各结构单元的受力。V级围岩隧道预留核心土法开挖支护模型见图2，初支结构验算结果见表5。

表1 “荷载-结构”模型计算物理力学参数值

表2 “荷载-结构”模型地层物理力学参数值

表3 “地层-结构”模型围岩物理力学参数值

表4 荷载综合系数表

图2 Ⅴ级围岩预留核心土法地层结构模型

表5 Ⅴ级围岩初支结构验算表

通过计算分析可知，按照预留核心土法开挖隧道引起的主洞Ⅴ级围岩竖向位移较小，初期支护施作后的拱顶沉降为2.15 mm，水平收敛为0.72 mm，满足施工安全监控量测要求。根据《公路隧道设计细则》（JTG/T D70—2010），钢结构抗压标准强度安全系数达到2.0，钢结构抗拉标准强度达到2.0，满足安全系数要求。

4.3 二次衬砌荷载结构模型计算分析

荷载结构模型中，分析计算的对象是隧道二次衬砌支护结构。建模时二次衬砌结构离散为有限个梁单元，并将弹性支撑以铰接的方式支撑在衬砌梁单元之间的节点上，弹性支撑采用弹簧单元，不承受弯矩，只承受轴力，弹性支撑沿衬砌轴线的法向设置。二次衬砌“荷载-结构”计算模型见图3、图4，二衬结构断面验算结果见表6。

图3 二次衬砌的围岩作荷载用模型

图4 二次衬砌的弹簧地层边界条件

表6 Ⅴ级围岩二衬结构断面验算表

根据《公路隧道设计细则》（JTG/T D70—2010），混凝土达到抗压标准强度安全系数2.0，混凝土达到抗拉标准强度2.4。经计算结构满足安全系数要求。

5 监控量测数据分析

K29+900断面初期支护参数采用初喷24 cm厚C25混凝土，拱墙部位打设Φ25 mm中空注浆锚杆，铺设Φ6.5 mm钢筋网并架设I18型工字钢，钢架间距75 cm。冒顶后初期支护参数在原设计基础上加密了工字钢架间距（50 cm），其余与原设计参数大体相同。冒顶前、后初期支护状态良好，拱顶沉降及周边收敛趋于稳定，其中拱顶沉降量累计值为26 mm，周边收敛量累计值为16 mm，说明初期支护参数设计是合理的，监控量测数据见图5。

图5 K29+900拱顶沉降和周边收敛-时间曲线

通过上述处理方案对冒顶段进行

处理，并对后续施做的K29+910断面初期支护进行监测，监控量测数据见图6。从监控量测数据中可以发现，经由本方案对该冒顶事故处理后，拱顶沉降及周边收敛值相对处理前更小，初期支护更早进入稳定状态，说明该冒顶处理方案是合理的。

图6 K29+910拱顶沉降和周边收敛-时间曲线

6 结论

（1）隧道冒顶处理应根据具体情况具体分析，针对不同原因导致的冒顶采取合理恰当的处置方案。

（2）在对隧道内坍方进行清方之前，为保证施工过程中隧道临空面不再坍塌，必须待冒顶情况稳定后方可进洞施工，且应对初期支护及坍方体进行加固，可采取锁脚锚管、初支外围岩注浆及坍方体注浆等方法加固。

（3）从现场施工情况来看，隧道初期支护施做后拱顶沉降及水平收敛均满足施工安全监控量测要求，施工过程中未发生再次坍塌及侵限情况，该冒顶处理方案是成功的，可供类似工程施工参考。

［1］匡树钧，涂洁.浅谈隧道塌方处理措施［J］.山西建筑，2011，37（6）：132-133.

［2］张秀良.临空面理论在兰渝铁路LYS-2标隧道中的应用［J］.兰州交通大学学报，2014（1）：19-22.

［3］朱汉华，杨建辉，尚岳全.隧道新奥法原理与发展［J］.隧道建设，2008，28（1）：11-14.

［4］JTG D70—2004公路隧道设计规范［S］.

Research on Treatment of Highway Tunnel Argillaceous Roof Collaspe

Han Guangqin1， Tian Hongyue1， Mao Jinlong2
（1. Guizhou Highway Engineering Group Co.， Ltd.， Guiyang 550008， China； 2. JSTI Group， Nanjing 210017， China）

With the development and continuous expansion of construction scale in high-grade mountain highway， the construction of mountain highway tunnel is increasing. Tunnel engineering is the controlling factor of the whole project， roft collaspe of tunnel will lead to construction delay， economic losses or even casualties. Combining with the tunnel roof callaspe accident of Panxing expressway in Guizhou province， it's causes are analyzed and corresponding reinforcement measures are used， the finite element program is used to check the structure of initial support and secondary lining. The actual monitoring data show that the treatment measurs are effective and could provide reference for similar incidents.

highway tunnel； roof collaspe； treatment measures； monitoring measurement

U458.3

B

1672-9889（2016）01-0076-03

韩光钦（1971-），男，河南孟津人，高级工程师，主要从事公路工程施工与管理工作。

2015-11-07）