山岭隧道塌方成因分析及治理

顾鑫杰,闫兴田

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,杭州 311122)

山岭隧道塌方成因分析及治理

顾鑫杰,闫兴田

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,杭州 311122)

基于“新奥法”的基本原理，结合地质条件分析，归纳出山岭隧道4种常见的塌方模型。根据施工过程中塌方的成因及形态，分为2类，即承载拱塌方、松散体塌方，给出了相应的处理原则。以某工程隧道塌方治理为案例，按“稳固后方、超前注浆、分步开挖、加强支护”的原则，顺利通过塌方段。关键词：隧道；新奥法；塌方模型；承载环塌方；松散体塌方

0 前 言

当前中国隧道在建里程占世界总里程比例超50%，建设规模大，安全、经济、快速的施工隧道工程是隧道建设者共同的目标。由于不利地质条件、施工工法等因素引起的隧道塌方不仅对工程工期和投资造成不利影响，甚至会威胁生命，防塌、治塌始终是隧道施工关键点。目前关于塌方治理，相关规范只涉及指导性条款；相关的文献中个案[1-6]分析居多，系统性的总结较少[7-8]。本文依托雅砻江卡拉、杨房沟水电站对外交通专用公路已建成的33座隧道工程，从设计原理、地质条件分析入手，结合现场施工实际情况，浅谈塌方成因及治理。

1 依托工程隧道设计简述

1.1 工程简介

专用公路全长约92.4 km，按Ⅲ级公路标准设计，设计时速30 km/h。全线设33座隧道，其中3座为特长隧道，隧道总长48.2 km(含特长隧道下行线为66.51 km)，占线路总长50%以上。隧道建筑限界分为4种：

(1) 场内隧道，9.5 m×5.0 m(限宽×限高)；

(2) 一般隧道，8.5 m×5.0 m；

(3) 特长隧道上行线，6.0 m×5.0 m；

(4) 特长隧道下行线，5.5 m×4.5 m。

1.2 隧道结构设计基本原理——新奥法

隧道光面爆破开挖后，开挖边界岩体发生松动，同时围岩应力重分布，其松动圈具在一定时间内有一定的自稳能力，及时对其进行支护封闭，可改变洞室的应力状态，使松动圈成为稳定承载拱，与初期柔性支护共同受力，直至新的平衡，这是隧道设计采用“新奥法”的基本原理。

图1 光面爆破图

初期支护采用柔性支护，与围岩共同受力、变形，充分发挥围岩的“自承”能力，二次衬砌为刚性支护，作为安全储备，对于Ⅳ、Ⅴ级围岩，增加超前支护改善围岩条件。

1.3 结构设计采用的基本受力理论

(1) 软弱松散体压力理论

图2 平衡拱围岩压力计算图

1907年俄国普罗托季亚科诺夫[9]根据工程实践经验将洞室围岩的山体看成散粒体，提出“普氏理论”，也即平衡拱理论。认为隧洞开挖后，洞顶有一部分岩石将因松动而坍落，坍落之后形成一个抛物线形的平衡拱，然后才能稳定。

(1)

式中：h为坍落拱高度，当岩石较好时，可用h/f；b1为平衡拱宽度的1/2；f为普氏系数，对于一般岩石，f值可按Rc/100计算或查普氏坚固系数表确定，Rc为岩石极限抗压强度；b为洞室开挖宽度的1/2。

该理论适用于松散体地层，在覆盖层厚度不足1/2洞径的风化破碎岩石中也可采用，在实践中已取得良好的效果。而对于深埋完整岩石段，则过于保守浪费。

(2) 深埋隧道围岩压力理论

Ⅰ～Ⅳ级围岩中的深埋隧道，围岩压力主要为形变压力，其值可按释放荷载计算(地层-结构模型)。“新奥法”认为，围岩本身为支护结构体的一部分。初期支护与围岩密贴，及时封闭是关键，参数一般按经验法确定。

松散压力与变形压力的对比见图3。

图3 松散压力与变形压力图

(3) 松动圈支护理论

围岩松动圈是隧道开挖后客观存在、普遍存在的支护对象为松动破裂发展中的岩石碎胀变形或碎胀力，支护的作用一方面是维护破裂的岩石在原位不跨落，另一方面是限制围岩松动圈形成过程中的有害变形。

1.4 衬砌结构形式选择

综合考虑安全、经济因素，专用公路衬砌结构形式采用复合式衬砌及单层衬砌，其特点及运用范围见表1。

2 山岭隧道塌方基本模型及成因分析

2.1 塌方模型

当隧道“围岩-结构”体系的平衡被打破，即发生塌方。实际围岩碎胀力或碎胀变形、松散压力与围岩结构面产状、埋深条件、卸荷程度等密切相关，本文结合地质条件及隧道塌方后的形态，概括4种常见塌方模型，见表2。

表1 山岭隧道衬砌结构形式表

表2 塌方模型表

塌方的共同特征为掌子面失稳或初期支护、以及其与围岩共同承载体系的失稳。

2.2 塌方因素识别

引起隧道塌方的主因有3种：① 不良地质；② 施工方法与支护不当；③ 设计缺陷。

图9 缓倾角节理切割层理(正面) 图

图10 节理切割层理(侧面)图

图11 二次塌方渣体填满隧道图

图12 塌方空腔见断层泥及破碎岩体图

不良地质主要包括断层破碎带、突水、涌泥、溶洞、不利结构面切割等；施工方法与支护不当主要包括超挖空腔、支护结构薄弱、工法不当、二衬滞后等；设计缺陷主要为隧道线形、线位不合理等。

结合施工现状，对塌方因素的识别与分析见表3。

表3 塌方因素识别与分析表

3 塌方分类及治理

3.1 塌方分类

根据塌方后围岩自稳能力不同，将山岭隧道塌方归纳为2类：承载环塌方、松散体塌方，见表4。

表4 塌方的分类及特征表

3.2 塌方治理基本原则

塌方治理的目标为：围岩-结构体系平衡的重建。

常用的塌方治理方法见表5。

表5 塌方治理方法表

4 某隧道工程山岭段塌方治理案例

4.1 塌方概况

某隧道工程，某日早晨5:40左右，开挖至K2+130 m时掌子面右侧1/3面出现塌方，至上午9:30，掌子面再次发生大面积滑塌，导致紧邻掌子面的2榀拱架压塌，约4-5榀拱架出现严重变形，已完成的初期支护面开裂，裂缝长约3 m，宽约4 cm，塌方体方量约250 m3，现场情况,见图13。次日晚上20:30左右，完成背拱加固工字钢9榀，在打设锁脚锚杆过程中，围岩再次出现塌方，塌方导致作业台车压塌，二次塌方体方量超过200 m3，见图14。

图13 初始进洞衬砌及地形图

4.2 地形地质条件

掌子面塌方段围岩岩性为中风化粉砂岩夹泥岩，受构造带影响，裂隙发育岩体破碎，充填为方解石岩脉，强度低、裂隙面光滑、摩擦力小；本段地表为山体沟谷地段，埋深约35 m，存在地表径流。

图14 洞口段20 m初期支护施工期塌方图

4.3 治理方案

塌方主要因为软弱结构面不利组合导致的承载环塌方，考虑到该段埋深浅、裂隙发育、夹泥岩、薄层状结构，因此采用固结法处理。

(1) 稳固后方、避免塌方范围扩大

K2+150 m～K2+135 m段增设I20a临时支撑@80 cm，密贴既有初期支护，工字钢间采用C22螺纹钢纵向连接筋连接，@50 cm，加强塌方口部段既有衬砌。

对塌方堆碴体采用C25喷射混凝土封闭固结，喷混凝土厚度8 cm，稳定掌子面。

K2+135 m～K2+140 m段拱顶120°范围打设径向注浆小导管补偿注浆，固结厚度为拱顶上方2 m。注浆小导管采用Ø42×4无缝钢管，L=450 cm@1.0×0.8 m，水泥浆水灰比1∶1。

(2) 超前注浆+泵送混凝土回填

塌方体固结达到一定强度，采用双层超前小导管注浆后，回填C35泵送混凝土，拱顶上方厚度不小于80 cm。取代塌方围岩形成新的“承载拱”。

(3) 分步通过，加强支护

待混凝土回填完成3 d后，采用预留核心土三台阶开挖支护工法。开挖方式采用机械开挖，每循环进尺控制在0.5 m，往小里程方向加强支护：采用I22a型钢拱架@50 cm，喷射混凝土厚30 cm。

经参建各方共同努力，顺利通过塌方段。

5 结 语

(1) 山岭隧道设计按新奥法原理为基础，注重围岩与结构共同受力。Ⅰ～Ⅳ级围岩洞室稳定性主要受结构面控制，Ⅳ、Ⅴ级围岩洞室稳定性主要由松散压力与结构抗力控制。根据破坏机理分析，归纳出2种塌方类形：承载拱塌方和松散体塌方。承载拱塌方与松散体塌方的本质区别在于塌方后空腔体前者仍然具有一定时间内的自稳能力。塌方发生后，应第一时间调查分析地质、水文情况，因地制宜，综合处理。

(2) 承载拱塌方后，空腔体具有短时间内的自稳能力，应把握“快速封闭”的原则，在保证施工安全的前提下，尽可能采取措施封闭塌腔，发挥围岩的自承能力，再及时采用“先护拱、后回填”的措施快速通过。回填应保证一定的厚度，一般取60～100 cm，使得衬砌结构具有较大刚度，同时，缩减空腔体积，提高其自稳能力。混凝土回填不宜过厚，防止施工期间自重压力过大破坏护拱，回填后，向空腔内吹砂，作为缓冲层。

(3) 松散体塌方的处理类似浅埋暗挖法，塌方的处理要坚持“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”的原则，塌方处理前须加固后方、步步为营、不留后患，防止塌方的范围的扩大。

(4) 从塌方产生的原因来看，存在很多非地质因素，因此塌方是可以预防的，不但要从技术的角度出发，而且要从科学管理和合理体制上做到规范施工。

[1] 邹金杰,顾鑫杰,章立峰,胡贤国.浅埋暗挖原理在西部某隧道冒顶塌方治理中的应用[J].现代隧道技术,2016,53(02):202-206.

[2] 郭艳伟,孙琼峰.护拱法处理隧道塌方技术应用[J].现代隧道技术,2008,45(04):48-50.

[3] 何学顺.楠木沟隧道进口塌方处理技术[J].西北水电,2006(03):39-41.

[4] 赵弋舟,高徐军,折娟.复杂层状岩层隧道塌方原因分析及其治理[J].西北水电,2010(03):50-53.

[5] 陈建军,冯卫星,王昭礼.靠椅山隧道坍方段支护结构检算[J].石家庄铁道学院学报,2001，14(01):45-48.

[6] 冯卫星,杨丙龙,杨宽,代维达.大华岭隧道塌方处理方案研究[J].国防交通工程与技术,2008(02):11-14.

[7] 孙志峰,谭世友,押鹏举,张宏伟.隧道塌方的影响因素与治理方法[J].建材技术与应用,2006,3(03):67-68.

[8] 冯卫星,况勇,陈建军.隧道坍方案例分析[M].成都：西南交通大学出版社,2002.

[9] 王梦恕.中国隧道及地下工程修建技术[M].北京：人民交通出版社,2010.

[10] 张俊儒.隧道单层衬砌作用机理及设计方法研究[D].成都：西南交通大学,2007.

Cause Analysis and Treatment of Collapse in Mountain Tunnel

GU Xinjie, YAN Xingtian

(Huadong Engineering Corporation Limited, Hangzhou 311122, China)

Based on the principle of New Austrian Tunneling Method and in combination with analysis on the geological conditions, four models of collapse often occurring in mountain tunnel are concluded. According to causes and types of collapses during construction, collapses are classified two types: bearing arch collapse and loose mass collapse. Accordingly, corresponding treatment principles are proposed. With case of the collapse treatment in one tunnel, the principles of reinforcing the tunneled section, grouting in advance, excavating in step and strengthening support are followed so that the collapse sections are passed over.Key words: tunnel; New Austrian Tunneling Method; collapse model; bearing ring collapse; loose mass collapse

1006—2610(2016)06—0017—05

2016-09-13

顾鑫杰(1984- )，男，浙江省海宁市人，工程师，从事隧道及地下工程设计工作.

U458

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.06.005