西山隧道建设期塌方风险评估及整治方法

刘喜春

(山西省交通规划勘察设计院，山西 太原 030012)

0 引 言

近年来，隧道工程发展极为迅速，随之而来的是工程事故屡屡发生，国内大部分在建或已建隧道均发生过不同程度的塌方。隧道塌方不仅给隧道施工带来巨大的困难，而且严重威胁着工程设备和人员的安全。2007年7月，贵阳市小平坝河隧道工程发生大型塌方事故，3人当场死亡；2007年4月，太中银吴堡段隧道在施工过程中发生塌方事故，导致4人死亡、1人受伤[1-4]。

隧道工程中塌方是最常见事故，不仅会造成重大经济损失，由此带来的社会负面影响也不容忽视。因此，对隧道塌方进行预估并加以防范，对于隧道施工具有重要意义。

本文依托西山隧道分析隧道工程塌方风险，对设计风险控制措施加以评定，并提出相应补充措施，以期降低安全风险，实现隧道建设安全、经济、高效的管理目标。

1 西山隧道主洞塌方风险评估

1.1 隧道主洞塌方风险分析

西山隧道全长13 654 m，左右线均属特长隧道，隧洞穿越围岩分别有Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级不等，其中Ⅳ、Ⅴ级围岩稳定性较差，且由钻探揭示，隧址区地下水有多种形式的补给、排泄、赋存条件，水文地质条件复杂。Ⅴ级围岩段多有断层破碎带穿越，由地勘资料可知，西山隧道穿越17条断层破碎带，地质条件复杂，特别是在太原段洞口，断层破碎带非常密集，围岩情况较差，易发生塌方事故。

此外地质勘察工作(包括地质勘查是否准确，开挖方法、开挖跨度是否合理等)以及施工因素(施工技术水平、施工管理水平)，都是引起塌方风险非常重要的因素[5-9]。

1.2 隧道主洞塌方风险评估及控制措施

1.2.1 隧道主洞塌方风险评估

西山隧道施工过程中塌方风险较高，隧道设计阶段对塌方风险做了防控措施，特别是对于富水段防水衬砌的设计；同时开挖方式的选择比较合理。施工过程中必须加强现场监控测量，并根据监控量测结果及时调整施工方案和设计支护参数。

西山隧道洞口及靠近洞口段地质情况较差，特别是在太原段，断层破碎带非常密集，围岩情况较差，比较容易发生塌方事故。在靠近洞口段以及断层破碎带影响范围内进行了相应的加强支护措施。

在施工工法设计方面，开挖过程中对围岩和支护结构不断进行应力调整，一次性开挖较长时，初期支护上承担的荷载增大很多，对于结构的安全性非常不利，因此要严格控制施工进程[10-13]。初期支护施作完成后二衬紧跟，以及时分担初期支护上的荷载。塌方风险概率见表1。

1.2.2 隧道主洞设计的塌方风险控制措施

针对西山隧道主洞的地质情况，已经提出了一些塌方控制措施。西山隧道除洞口段是结合地形、 地质条件设置明洞或棚洞外，其余洞段均按新奥法原理结合工程类比法进行设计，采用复合式衬砌，即以锚杆、喷射混凝土、钢拱架、格栅钢架等形成初期支护，并辅以超前全黏结型锚杆、超前小导管或大管棚等辅助措施，模筑混凝土或钢筋混凝土施作二次衬砌。在不良地质和特殊地质地段的开挖过程中，应采用短循环、弱爆破、强支撑，并采取必要的辅助施工技术措施，如超前锚杆、小导管预注浆、深孔预注浆等。计划采用无轨运输与有轨运输相结合的运输方案进行装渣运输。二次衬砌施作则采用混凝土运输车输送泵和衬砌模板台车配套的机械施工方案。

表1 塌方风险概率等级

对于塌落柱段和断层破碎带段(塌落柱段主要分布于A1YK8+295～A1YK8+485和BYK8+295～BYK8+485段，断层破碎带富集区主要分布于西山隧道太原段)，设计施工时采用双侧壁导坑法施工，施工时注意短进尺、弱爆破，及时施作支护，尽早成环。若隧道底板下有不密实填充物时，清除后用C15片石混凝土回填。二次衬砌混凝土中须掺10%～15%的BR-3型防水剂，要求抗渗标号达到S8，以提高二次衬砌的密实度，保障二次衬砌的自防水能力和结构耐久性。

在采空区治理并达到设计强度的80%后，进行隧道斜竖井施工，采用超前小导管和中空注浆锚杆进行补充注浆。预留变形量为10～13 cm，施工时可根据具体情况进行适当调整。采空区地段采用全封闭式衬砌，衬砌结构的支护参数根据地质情况进行调整，向不含采空区段延伸10～20 m。二次衬砌混凝土中须掺10%～15%的BR-3型防水剂，要求二次衬砌的抗渗标号达到S8。

在通过膨胀性围岩地段时，设计采用先柔后刚、先让后顶、分层支护的处理方法，增大预留变形量，采取圆形或接近圆形的断面形式，采用带仰拱的复合式衬砌[14-15]。当膨胀压力引起大变形时，初期支护采取预留纵向变形缝的锚喷结构，加长锚杆长度以增固围岩，二次衬砌采用钢筋混凝土结构。合理掌握二衬施作的时机，通过现场试验、量测确定合适的施作时间。

隧道可能存在承压水，承压水衬砌结构根据类似工程结构确定。排水与堵水相结合，采用超前管棚和小导管注浆支护，同时提高二次衬砌的强度与刚度，加深仰拱以提高衬砌结构的环向受力性能。

(1)衬砌轮廓。承压水复合式衬砌内轮廓有2种：一种与非承压水型相同；另一种是将仰拱的深度加深50 cm，同时加厚了仰拱的厚度。

(2)承压水复合式衬砌结构设计原则：初期支护的确定按与围岩共同保证施工安全和控制地表的沉降量为原则，二次衬砌承担全部后期围岩压力和水压力，同时考虑经济合理性。

(3)防止防水混凝土产生裂缝：降低水化热、分散应力、消除约束。

(4)辅助工法：注浆、设置防水层。

1.2.3 隧道主洞塌方风险控制措施评价与建议

西山隧道施工过程中塌方风险较高，建议采用针对性措施。在施工过程中，设计单位应及时根据超前预报结果和出现的异常情况变更设计，确保施工过程安全，制定塌方紧急预案。

本文针对塌方风险设计阶段的控制措施，提出以下建议。

(1)在断层破碎带附近以及围岩特性突变位置，施工工法的转化应尽量保守。

(2)对于比较破碎的围岩段，优化施工方案(侧壁导坑等)，加强超前支护。

(3)加强辅助施工措施，锁脚锚杆等关键辅助施工要到位。

2 西山隧道斜竖井塌方风险评估

西山隧道斜竖井的布设主要根据隧道长度、施工期限、施工组织安排、地形、地质、水文及环境影响等条件综合考虑，结合营运通风、逃生防灾、排水、弃渣等需求，并考虑增加隧道施工掌子面，从而有效控制工期。通过技术经济比较，选设竖井、斜井、平行导坑等辅助通道。辅助通道的断面尺寸主要根据通风需要、管路布置、逃生救灾、施工要求、地质条件、支护类型、设备技术条件以及工作环境等因素确定[16]。

鉴于本隧道设计施工工期非常紧，综合地形、地质、便道以及通风设计等因素，确定了2个斜井位置、角度、坡度、长度、斜井出口与主线距离等，即2个斜井在施工阶段均作为施工用井，提供施工工作面，加快施工进度，后期均作为通风井。根据分段情况及通风需要，通风系统又单独设置2座竖井，因此通风井包括2座斜井和2座竖井，如图1所示。

图1 斜竖井布置

1号斜井井口对应隧道桩号为YK4+788，与主洞交叉的桩号为YK5+477，斜井长762 m，坡度25°，斜井水平投影与路线夹角为5.9°。

2号斜井井口对应隧道桩号为ZK9+768.7，与主洞交叉桩号为ZK10+079，斜井长412 m，坡度25°，斜井水平投影与路线夹角为36.32°。

1号竖井位于ZK5+940左45 m处，竖井深345 m。

2号竖井位于YK10+300左35 m(ZK10+300右20 m)处，竖井深168 m。

2.1 斜竖井塌方的风险分析

1号竖井围岩为石炭系上统山西组(C3s)、太原组(C3t)、中统本溪组(C2b)泥岩夹砂岩、石灰岩、煤层、铁铝岩层；奥陶系中统峰峰组(O2f)、上马家沟组(O2s)泥灰岩、石灰岩、白云质灰岩、角砾状灰岩、白云质泥灰岩，围岩级别为Ⅲ～Ⅴ级。8.1 m、108.5 m深处有2层采空区，深部采空冒落带厚度达18 m，围岩稳定性差。井口围岩为石炭系上统山西组(C3s)泥岩夹砂岩，岩体破碎，稳定性差。深度为94.77～102.44 m段，钻探遇到采空区冒落带，与初勘8号孔(YK6+020处)所遇深度97～115 m的采空区冒落带属同一层位，采空范围较大，影响厚度也较大，且上下砂岩、石灰岩中多处喷涌地下水，对竖井施工影响较大，有较大塌方风险。

2号竖井围岩为奥陶系中统峰峰组(O2f)、上马家沟组(O2s)泥灰岩、石灰岩夹白云质灰岩、角砾状灰岩、角砾状白云质泥灰岩，围岩级别Ⅲ～Ⅴ级。井口围岩为第四系中更新统峙峪组(Q3s)砾卵石、砂土层，稳定性差。隧址区内岩溶极为发育，如果施工过程中采取措施不当，将会发生塌方等严重后果。整个竖井穿越底层泥灰岩层厚很大，泥灰岩遇水具有膨胀性、崩解性，属软岩或极软岩，稳定性很差。

2号斜井洞体围岩为石炭系上统太原组(C3t)、中统本溪组(C2b)泥岩夹砂岩、石灰岩、煤层、铁铝岩层；奥陶系中统峰峰组(O2f)、上马家沟组(O2s)泥灰岩、石灰岩、白云质灰岩夹石膏矿薄层、角砾状灰岩、白云质泥灰岩，围岩级别Ⅲ～Ⅴ级。井口围岩为石炭系中统本溪组(C2b)、上统太原组(C3t)泥岩夹砂岩、石灰岩、铁铝岩层，围岩稳定性差。

斜竖井穿越石膏矿、采空区和煤矿采空区，施工时围岩稳定性受影响较大，而采空区的水也易通过断层破碎带渗入而影响到主体工程的稳定。

2.2 斜竖井塌方风险评估及控制措施

2.2.1 斜竖井塌方风险评估

1号竖井塌方致险因子发生概率见表2，经过计算可得塌方事故发生的概率为0.022 2，查阅《公路隧道安全风险评估指南》得到1号竖井塌方事故发生的概率等级为3级。

表2 1号竖井塌方致险因子发生概率

2号竖井塌方致险因子发生概率见表3，经过计算可得塌方事故发生的概率为0.017 6，查阅《公路隧道安全风险评估指南》得到2号竖井塌方事故发生的概率等级为3级。

表3 2号竖井塌方致险因子发生概率

1号斜井塌方致险因子发生概率见表4，经过计算可得塌方事故发生的概率为0.026 7，查阅《公路隧道安全风险评估指南》得到1号斜井塌方事故发生的概率等级为3级。

表4 1号斜井塌方致险因子发生概率

2号斜井塌方致险因子发生概率见表5，经过计算可得塌方事故发生的概率为0.017 6，查阅《公路隧道安全风险评估指南》得到2号斜井塌方事故发生的概率等级为3级。

表5 2号斜井塌方致险因子发生概率

根据斜竖井的水文地质条件，并结合施工设计图给出的方案及措施，综合评定斜竖井施工图设计塌方风险等级，见表6。

表6 斜竖井施工图设计塌方风险等级

2.2.2 斜竖井设计的塌方风险控制措施

(1)采用动态施工、地质超前预报、边勘测边施工的方法，以便及时修正设计方案。断层破碎带塌方的判定和警报主要包括断层破碎带塌方影响因素的正确分析、断层破碎带围岩级别的准确鉴定和塌方即将发生的前兆。

(2)采用超前小导管和中空注浆锚杆进行补充注浆。施工时可根据具体情况适当调整预留变形量。采空区采用全封闭式瓦斯段衬砌，衬砌结构支护参数根据地质情况进行调整，向不含采空区段延伸10～20 m。二次衬砌混凝土中须掺10%～15%的BR-3型防水剂，加强二次衬砌的自防能力和结构的耐久性。明洞段采用复合土工布及黏土隔水层防水。施工缝、伸缩缝、沉降缝处均加设橡胶止水带或橡胶止水条。

(3)严格控制施工程序，减少岩体扰动，减少塌方，对于超挖空洞、塌方地段需回填密实。

2.2.3 斜竖井塌方风险控制建议

西山隧道斜竖井施工过程中塌方风险较高，建议采取针对性措施。施工过程中，在已有设计的基础上，要注意以下事项。

(1)应及时根据超前预报结果和出现的异常情况变更设计，确保施工过程安全，制定塌方紧急预案。

(2)加强超前地质预报，准确把握前方围岩的情况。

(3)加强对已施工衬砌的质量检测工作，确保施工质量，防止渗漏水。

(4)对洞内结构进行收敛变形和应力监测，控制可能出现的有害变形，及时采取措施进行控制。

(5)对于比较破碎的围岩段优化施工方案，加强超前支护。

3 结 语

本文结合西山隧道地勘资料、初步设计及施工图等设计资料，对西山隧道设计阶段的塌方风险进行了分析、评估并提出控制建议。

(1)在断层破碎带附近以及围岩特性突变位置，施工工法的转化应尽量保守。

(2)对于比较破碎的围岩段，优化施工方案(侧壁导坑等)，加强超前支护。

(3)在设计阶段，应加强辅助施工措施，锁脚锚杆等关键辅助施工工法要到位。

(4)加强超前地质预报，及时根据超前预报结果和出现的异常情况变更设计，确保施工过程安全，并制定塌方紧急预案。

(5)加强对已施工衬砌的质量检测工作，确保施工质量，防止出现渗漏水现象。

(6)对洞内结构进行收敛变形和应力监测，控制可能出现的有害变形，及时采取措施进行控制。