隧道施工中塌方的预防与处治措施浅析

2019-03-01

中国勘察设计 2019年2期

近年来，我国铁路和高速公路的建设规模日益增大，建设里程不断增加，随之隧道建设数量增多，而隧道建设不但需要面临复杂地形和地质环境，还存在地质断裂带、岩溶区域等情况，使隧道施工安全问题备受关注[1]。在实际施工中，隧道围岩不仅是开挖对象，同时也是支护对象。在开挖之前，围岩处在平衡中，随着开挖的推进，既有应力平衡会被打破，在自重、结构应力等共同作用下应力重新分布，并于隧道初期支护下试图重建新的平衡体系。而在这一过程中，如果平衡体系得以建立，那么隧道整体结构稳定，反之则会导致早期支护失去稳定性而出现塌方现象。因此，在隧道施工中必须进行针对性预防，在出现塌方后尽快制定有效的处治对策，以确保隧道的安全、顺利施工。

1.隧道施工塌方分型

从以往隧道施工塌方发生情况来看，表现方式不同，以溶洞塌方、破碎体塌方、断层塌方、泥石流塌方等最为常见。依照塌方规模通常分为小、中、大3类，如表1所示。

表1 基于规模的塌方分型

此外，依照隧道施工塌方发生机理主要分为：（1）危岩滑动塌方，主要发生在节理较为发育的坚硬岩层。由于岩层结构面相互交错而出现影响岩体稳定性构造，成为危岩体，在隧道开挖振动或者地下水等诱发下，岩体滑动剪切力显著高于抗滑动力而使得岩体沿着滑动面松脱，如图1所示。（2）松散岩体垮落塌方，一般发生在节理很发育—极发育松散岩层或者破碎岩层中，也发生于溶洞、采空等区段[2]。由于围岩强度较低，承载力小，在隧道开挖后未受足够支护力，加之受自重影响出现持续位移而垮落，如图2所示。（3）软岩蠕变塌方，通常发生在强度低、膨胀性高的页岩、片岩等岩层中，在出现塌方前一般有过渡期。在软岩应力超出临界水平后，形变骤然加快而致塌方，如图3所示。（4）硬质岩爆裂塌方，大多数发生在埋深300米以上，高应力、强度高脆性岩层中，在岩体积聚形变大到一定限度之后会在瞬间出现破坏而出现塌方，如图4所示。

2.隧道施工中塌方预防措施

在隧道施工中出现的塌方虽是突发的，但也是一个由量变到质变的进展过程，而在量变中通常会有一些先兆，可通过监测、观察、分析等把握塌方发生的时节点，进而进行有针对性的预防。例如，随访拱顶有岩块掉落、滴水明显增加且位置改变、滴水变浊再变清等。通常在隧道设计、施工阶段进行塌方预防。

2.1 隧道设计时预防

一是在选址勘察阶段，对隧道建造位置地质的科学勘察是预防塌方的重要措施。只有确定隧道围岩的性质和级别，在设计时才可以做到有据可依，进而制定科学、合理的隧道施工岩层支护方案，这样不但能预防塌方发生，避免施工资源浪费，同时可充分满足岩层支护强度要求，确保隧道结构稳定。

二是在具体设计阶段，一方面要科学、合理选择线路，特别是隧道洞口位置的选择，应尽可能地避开异常或者不良地质区段。在这些区段隧道施工塌方几率高，区段岩体工程性质直接决定着施工难度，因此，线路选择必须合理；另一方面，选取合适岩层支护参数，不但可以确保支护效果，同时还可避免资源浪费[3]。隧道岩层级别需做到基本无误，在施工中适时修正，对支护参数进行改进，以便对隧道进行动态化设计，有效预防塌方发生。

图1

图2

图3

图4

2.2 隧道施工时的预防

科学、安全、可靠的施工方法是预防隧道塌方的关键。在隧道施工期间一般从以下几方面进行塌方预防：（1）及时预报，根据隧道勘察和设计有关资料，对隧道掌子面前方的围岩情况进行及时有效预报，同时对资料进行复核，以便准确、动态地掌握围岩情况，避免出现塌方。（2）超前性支护，依照隧道施工现场围岩性质和级别，对易破碎、塌方风险大的区段进行超前支护处理，以强化围岩自我稳定力，预防出现塌方。现阶段主要采取深孔灌浆、全断面预灌浆、超前锚杆、管棚等超前性支护方法。（3）及时性支护，这直接决定了隧道的稳定性，初期支护能有效控制隧道发生形变，确保结构稳定。因此，在实际施工中需保证初期支护参数、质量符合设计标准。在特殊状况下，还可应用迈式锚杆、预应力锚杆、碳纤维喷射砼等。（4）优先开挖，为充分利用好隧道围岩自承力，减少施工产生的扰动，尽量采取扰动小，且便捷、迅速的施工方法。对易出现塌方区段，应主要控制形变，以免因施工不当导致塌方。（5）动态施工，就是在隧道施工中基于现场监测数据，并结合围岩实际情况，对施工方法、支护参数等进行适时调整，以实现动态性施工。围岩失稳是一个量变过程，进行监测可掌握隧道施工中围岩量变的量化值，并通过一定数学方法剖析初期支护变化趋势，同时和相应围岩级别可承受量表范围进行比较，确保在质变前进行针对性补救，避免塌方发生。

3.隧道施工中塌方的处治措施

虽然说隧道施工中的塌方是可预防的，但是因地下工程建设存在诸多不确定因素，不可避免地出现塌方。因此，为有效控制塌方发展，降低塌方危害，应根据塌方范围、大小、围岩级别等进行有效处治。

3.1 小塌方的处治

在隧道施工中出现的小塌方，通常纵向延伸长度、高度均较低，对整个结构稳定性影响比较小，所以在处治上相对简单，但是必须及时，以免塌方进展。具体而言，发生小塌方后先要在保证安全前提下，首先，对塌方处喷上混凝土，有效封闭塌方面，避免围岩因长时间暴露而发生大形变。其次，根据现场情况应用加锚杆、钢筋网等对塌方面进行加固。如塌方形变难以控制，则要加临时支护，例如，仰拱、套拱等，确保塌方段稳定。最后，在塌方区段基本稳定后，对塌落渣体进行有效清除，继续开挖，在初期支护稳定之后，将临时支护拆除。

3.2 中大塌方的处治

中大塌方纵向延伸相对较长，且高度较高，严重时会影响至地表，对隧道开挖初期支护稳定性影响很大，从而导致部分支护整体塌落。此类塌方的危害性比较大，在处治中必须确保人员、机械设备的安全。当前，针对隧道施工中的中大塌方有较多处治措施，因而需依照塌方发生机理、围岩情况、严重度及施工等情况，采取合适措施。

（1）套拱法。一般用于隧道施工塌方导致的初期支护上端出现的空洞区段，在应用套拱后，将砼泵送到塌方腔中，以免上方围岩进行塌方，确保隧道稳定性。具体按以下流程进行：一是对受塌方影响区段进行临时支护加固，再对塌方体全面清除，然后应用钢拱架支撑，每个钢拱架需配套4对锁脚钢管，同时沿着钢拱架布置系统锚杆。二是在钢拱架安置后于外侧加用钢筋网，并通过架立筋妥善固定，以构成套拱骨架筋，于拱顶预留出砼泵送管道，再自钢支撑底脚往上在钢筋网外侧分段放置片石，最后喷上早强砼成套拱。三是在套拱强度达标后，再分次往空腔泵注砼[4]。

（2）超前小导管灌浆法。该方法通常应用直径42mm热轧无缝钢管，在管体周围钻上直径8mm溢浆孔，按梅花状进行布置，但是尾部80cm内不需钻孔，如图5所示。可应用水泥浆或者化学浆，后者更具优势，可快速成凝固体，使围岩强度较快增大。此方法的加固原理需从两方面看，一是在隧道开挖中，由小导管构成的棚架和钢拱架相连后会一同受力，进而出现“梁效应”，发挥浆液通道、加固围岩、悬吊等与锚杆相似的作用。二是灌浆加固则通过浆液填塞渗透，使松散体固结，提升围岩凝聚力和内摩角、提升围岩承受剪切面的法向应力及增大围岩外表剪切滑动面。此外，灌浆能够有效填塞围岩裂隙，阻断地下水渗流到隧道内。

（3）超前钢管棚支护法。该方法适用于纵向长、围岩极为破碎且不具自稳性的塌方处治。钢管棚起点须设有护拱，以此充当施工导向墙。可应用结长3cm～6cm、直径80mm～108mm规格的热轧无缝钢管，环向间距30cm～50cm。在钢管壁周围设直径10mm～16mm灌浆孔，孔间距约15cm，梅花状设置，在尾端1m～1.5m不得钻孔。宜使用水泥浆灌注，对于灌浆扩散半径按照0.5m～0.6m算，灌浆初始压一般在0.5MPa～1.0MPa，终压2.0MPa。每个孔达到预定灌浆量或灌浆压达2.0MPa后，保持10min以上可停止灌浆。通过该方法能把隧道开挖中临空面传导的荷载有效地往掘进掌子面前后转移，达到防止围岩垂直向位移、避免开挖中隧道塌方等作用。其作用主要是“梁效应”与“围岩加固效应”。

（4）地表灌浆。在隧道施工中出现的塌方如较严重，甚至冒顶，单凭洞内处治难以确保塌方体稳定性，可能导致塌方扩大[5]。对此，在回填后还需对地表进行有效处治。最为常用、有效的方法就是地表灌浆，在隧道地表通过钻孔把浆液灌进软弱、破损的岩层中，进而构成新的强度高的围岩。依照灌浆范围分成两种：一是在开挖轮廓线内灌浆，可提升隧道整个开挖掌子面围岩自稳力，常用于对隧道全断面围岩有破损的塌方，如图6所示。二是于隧道拱顶上端灌浆，提高拱顶上端围岩自稳力，适用隧道拱顶塌方的处治，如图7所示。