浅埋大断面隧道塌方机理分析与处治建议

姚远 刘玉梅

摘要：文章结合某浅埋大断面隧道冒顶塌方情况，分析了塌方体形态特征，指出地形地貌、地质构造、地层岩性、水文地质是隧道塌方的影响因素，并从力学角度阐述了塌方的机理，开展了塌方段围岩稳定性评价，提出了相应的处治建议，可为今后类似工程提供参考。

关键词：大断面隧道;塌方;机理分析;处治

This article analyzes the morphological characteristics of landslides in combination with the roof collapse of a shallowburied largesection tunnel，points out that topography，geological structure，stratum lithology and hydrogeology are the influencing factors of tunnel collapse，describes the mechanism of landslide from the mechanical point of view，conducts the stability evaluation of the surrounding rock at landslide section，and proposes the corresponding treatment suggestions，thus providing the reference for similar projects in the future.

Large section tunnel;Landslide;Mechanism analysis;Treatment

0 引言

塌方是隧道淺埋地段施工中常见的地质灾害，通常会造成工期延误，人身财产安全损失等，是隧道后期运营常见的安全隐患。因此，开展隧道塌方机理分析，为隧道塌方的处治提供理论依据，具有重要意义。本文依托某浅埋大断面隧道冒顶塌方的工程实际，深入分析冒顶塌方的影响因素及其力学机理，提出了针对性的处治建议，以期为今后类似工程提供借鉴和参考。

1 工程概况

某浅埋大断面隧道位于某盆地边缘的丘陵地貌区域，周围有较大地形起伏。隧道设计为分离式+小净距的形式，分为机动车隧道和非机动车隧道。右线机动车隧道起止桩号为YK2+340～YK2+820，长度为480 m，设计单向四车道，最大开挖跨度达21.545 m，最大开挖高度为15.05 m，最大拱顶埋深约75 m。上覆地层为第四系坡积相及坡残积成因的黏性土、碎石土，下伏古近系泥岩、粉砂岩及泥盆系硅质砂岩等。机动车隧道内轮廓详见图1。

2 隧道塌方情况及塌方体形态特征

2.1 隧道塌方情况

在隧道开挖过程中，YK2+413～YK2+504.5段曾多处发生中小型塌方，施工方曾对塌方产生的空洞进行了注浆处理，但不彻底。最近一次塌方发生过程为：首先拱顶监测点开始监测出较大幅度的变形，初期支护开裂、错位，拱顶开始掉渣;几分钟过后，隧道掌子面发生塌方，牵引着隧道小桩号范围发生坍塌，造成地表塌陷，塌方现场无人员伤亡。塌方导致了地表出现许多拉裂缝（裂缝宽20～60 cm，可见深度达40～80 cm）与两个塌陷坑，地表塌方面积约为1 500 m2。此次塌方事故造成了极大的经济损失，延误了施工进度，对隧道施工产生了很大的影响。

塌方时机动车隧道右线里程YK2+413～YK2+504.5共91.5 m左右导洞已贯通，进口端二次衬砌已施工至YK2+413，出口端施工至YK2+504.5。YK2+413～YK2+487段围岩级别为Ⅴ级，设计为浅埋隧道，衬砌类型为Ⅴ级C型;YK2+487～YK2+504.5段围岩级别为Ⅴ级，设计为深埋隧道，衬砌类型为Ⅴ级D型。两段均采用双侧壁导坑法施工，其隧道支护参数见表1。

2.2 塌方体形态特征

该隧道YK2+413～YK2+435段塌方冒顶后，地表形成面积约1 000 m2的椭圆形塌陷坑，四周多为陡坎，最深塌陷深度约为7.1 m，地表塌陷里程范围为YK2+425.6～YK2+465.8，隧道塌方体堆积里程为YK2+400～YK2+435，空间上呈斜圆柱状，塌陷后的地表自然坡角约22°。从岩性看，地表塌陷坑内的岩土体以角砾及角砾状黏性土为主，土体松散;而洞内塌方堆积体呈黄色、灰黄色，主要以角砾、碎石和黏性土为主，母岩成分主要为硅质砂岩。

该隧道YK2+470～YK2+504.5段塌方冒顶后，地表形成面积约500 m2的椭圆形塌陷坑，塌陷坑周围多为陡坎，塌陷深度最大约为6.8 m，地表塌陷里程范围为YK2+476～YK2+502，隧道塌方体堆积里程为YK2+470～YK2+516，空间上近似呈圆柱状，地表自然坡角约为30°。从岩性看，塌陷坑内的岩土体以角砾及角砾状黏性土为主，土体较松散;而洞内塌方堆积体呈灰色、灰黑色，以块石、碎石为主，母岩主要为硅化粉砂质泥岩。发生坍塌时，该处施工台车被挤压变形。

3 隧道塌方的影响因素及力学机理研究

3.1 隧道塌方的影响因素

（1）地形地貌

隧道右洞进口端处位于山脊向山谷的过渡段，东高西低，这使得进口端两侧的岩土层厚度不同，导致隧道衬砌所承受的压力不同，洞口受偏压影响较大。此外，隧道塌陷区埋深较浅，洞室围岩的松弛变形会影响至地表，这也是隧道出现塌方冒顶的不利因素。

（2）地质构造

塌方段位于向斜盆地南翼，受地层构造的影响，岩体节理裂隙发育，主要发育着产状为10/SW∠75和100/NE∠72的这两组节理，节理密度分别为5～12条/m和4～10条/m。节理裂隙的存在使得围岩完整性和稳定性变差，这是隧道拱顶塌方出现的重要原因。

（3）地层岩性

隧道穿越的地层岩性主要为全～强风化的硅质砂岩、夹硅化粉砂质泥岩，多呈薄层～中厚层状构造，力学强度低。掌子面及塌方体均见厚度不等的炭质泥岩或泥质夹层，为塌方、冒顶的产生提供了物质条件。

（4）水文地质条件

隧址区场地第四系覆盖层厚度较小，结构松散，地表水及降雨可沿孔隙下滲，补给基岩裂隙水。隧道塌方发生前数天内，隧址区有降雨，雨水在下渗过程中，使泥化夹层、岩体结构面发生了软化，大幅度降低了岩体结构面的抗剪强度，使得隧道围岩的强度降低。

（5）施工控制因素

该隧道经过塌方段时，未采用双侧壁导坑的开挖方式，衬砌支护参数不足，未重视隧道支护整体性能，爆破控制较差，对围岩扰动较大，使围岩的稳定性受到较大影响。

由此可见，该隧道塌方地质灾害主要是由内在因素与外在因素（施工因素）的共同影响下出现的。隧道塌方段围岩本身强度低，降雨与施工扰动使得岩体强度降低，从而引发隧道塌方灾害。

3.2 隧道塌方的力学机理研究

根据隧道塌方现象，下文从微观角度分析隧道塌方的力学机理。隧道未开挖时，隧道围岩应力处于相对平衡的状态，承载力较高。当隧道开挖后，围岩的初始应力状态开始变化，其相对应力平衡状态受到破坏，此时围岩处于二维应力状态条件下，承载力有显著的降低。

隧道塌方段围岩节理裂隙极发育，部分裂隙夹泥，岩体结合力差;加上隧址区降雨的渗入，使得围岩岩体强度降低，土体流动造成极大荷载，使作用在支护与衬砌上的外部压力增大。当衬砌强度不足以维持隧道稳定时，隧道围岩的变形会逐渐增大，从而引发洞内塌方事故。

隧道洞内发生塌方后，上部岩体失去约束和支撑，在重力的作用下不断向下塌落，形成了近似的土体塌落拱。随着时间的推移，隧道上方的地层压力会逐渐传递给土拱两侧的土体，使其能保持短暂的稳定状态;但由于如雨水下渗、地表被增加荷载等外部因素的影响，破坏了隧道上方土体部分的土拱效应，松动区域会逐渐扩展至地表，造成地表塌陷。

4 隧道塌方的预防与处治建议

本文结合前文分析的某浅埋大断面隧道塌方情况、影响因素与力学机理，并参考相关项目施工经验，对浅埋大断面隧道塌方预防与处治提出以下几点建议，相关经验可供相似工程参考与借鉴。

4.1 隧道塌方预防建议

（1）加强隧道超前地质预报，可先用物探的方式查探前方富水破碎带的大致位置及富水情况，然后再采用钻探方式准确验明，并针对地下水采取相应的控制措施。

（2）浅埋大断面隧道在围岩扰动后，稳定性变差，施工时建议采用对隧道围岩扰动较小的开挖方法，尽量采用机械或者人工开挖。

（3）隧道施工时应加强监控量测，及时根据监控量测结果相应调整衬砌与支护参数，在钢架内外缘交错布置钢架联系钢筋，可设置纵向支撑的联接槽钢，钢拱架宜加强锁脚设计，有效提高支护的整体性能;隧道径向采用小导管替代原系统锚杆，并采用梅花型的布置形式。

（4）水平岩层段开挖施工容易出现塌顶的现象，在设计中应适当增加初期支护强度，并考虑在无拱架段落设置防崩落支架，应针对水平岩层制定专业的爆破方案。

4.2 隧道塌方处治建议

若隧道出现塌方现象，应首先做好地表水的防排措施，避免雨水沿塌方堆积体下渗引起二次灾害;然后封闭隧道开挖面，采取地表注浆和洞内注浆预加固的方式，封堵地表裂隙，提高围岩整体强度;最后整平地表，进行绿化。具体应从以下几个方面进行处理：

（1）地表防排水处置

应顺应地形，在裂缝外围设置地表截水沟，将地表水截排至隧道外。采用灌浆封堵地表裂缝，修整地形以便平顺排水，然后回填黏性土隔水层，接着回填种植土，最后种树恢复绿化。

（2）地表注浆及超前注浆

地表注浆可有效填补地表裂缝，将松散土体粘结成强度较大的整体。地表注浆前应在隧道内利用砂袋进行反压，封闭开挖面;同时先在加固区域周边注入双液浆，双液浆凝结时间短，可有效防止后注入浆液向隧道内或周边扩散。注浆顺序为由外到内，使浆液与岩土体有效凝结成整体。开挖前应对掌子面塌方岩土体进行注浆加固，注浆顺序为由外到内，水泥浆与岩土体胶结成整体后才能进行开挖。

（3）施工开挖方法

隧道塌方发生后，虽然通过地表注浆及超前注浆等手段将松散岩体固结，但围岩稳定性依然较差，应采取少扰动的开挖方法，如单侧壁导坑法或双侧壁导坑法等，尽量采用机械或人工开挖。

（4）施工工序

首先对地表裂缝进行处理，然后进行地表注浆，待到注浆固结形成强度后进行洞内塌方处治。洞内塌方体施工开挖宜采用单侧掘进，配合少扰动的开挖方法，初期支护紧跟，及时封闭成环，必要时增设临时横、竖支撑，稳步向前，二次衬砌紧跟。

5 结语

本文以某浅埋大断面隧道冒顶塌方现象为研究背景，深入分析了隧道塌方的影响因素与力学机理，并结合相关项目工程实践，提出了相应的隧道塌方预防与处治建议。本文主要研究结论如下：

（1）隧道拱顶发生塌方后，上部岩体失去约束，在重力的作用下不断向下塌落，形成近似土体塌落拱。随着上方土体颗粒的松动塌落，松动区域会逐渐扩展至地表，造成地表土体的塌陷。

（2）隧址区地下水是引发隧道塌方现象的主要因素，应加强隧道超前地质预报，探明地下水情况，并做好防排水措施。

（3）隧道宜采用少扰动的施工工法，同时应加强初期支护和二次衬砌。

经过十个月有条不紊的施工，该隧道塌方处治施工完成并顺利贯通，期间未再出现过大变形或塌方的迹象。合理的措施能实现快速高效、安全可靠的隧道塌方处治施工，保证运营期间的安全有效，并为今后类似工程的处理提供参考。

参考文献：

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