不良地质隧道洞口段冒顶坍塌处理及预防措施

刘文元 靳海娟 吴远鹏

(1.黄河上游水电开发有限责任公司，青海 西宁 810000；2.渭南市瑞泉中学，陕西 渭南 714000； 3.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710065)

公路隧道施工过程中，由于受勘察手段的制约，要准确无误地搞清隧道岩性和围岩分类难度是很大的，隧道坍塌问题也成为困扰隧道工程施工的一大难题。其中一种事故为不良地质隧道洞口段冒顶坍塌，影响大，处理难度大、时间长，易在地表造成二次事故。分析类似事故的发生原因，总结处理及预防方法是很有必要的。

预防隧道坍塌事故发生，需要在隧道的地质勘探预报、监控测量、现场管理、安全监管等方面采用一系列的措施，对隧道工程中可能发生的相关问题都要引起高度的重视。

1 工程概况

某水电站为大渡河干流规划的第6个梯级电站，8号公路为石家沟料场块石料运输道路。8号路隧道入口位于德胜台地，出口位于石家沟料场下游，隧道设计起点 K0+681.335，终点 K2+406.28长度1 724.945 m。设计速度20 km/h,水电场内三级道路，设计荷载公路Ⅱ级，采用双向行车道宽度为8.0 m，道路限高4.5 m，隧道内轮廓断面为城门洞型式。

2020年7月11日，8-2号隧道施工开挖至掌子面桩号为K0+707.4 m，围岩类别为Ⅴ类，隧道埋深17.8 m时，发生塌方冒顶。首先掌子面出现掉块，而后拱顶腰部左侧和右侧开始大面积掉碴，拱顶开始掉碴(从已经施工完成的小导管之间掉落)，核心挡土也开始滑落，之后塌落导致拱顶和拱部小导管脱落，洞外洞顶开始塌陷，洞内彻底被塌方石渣掩埋。持续时间12 min。塌方在隧道顶部地表形成约10 m(隧道轴向)×8 m(横向)的坑洞。隧道洞内顶部垮塌长度沿轴向约3 m，垮塌堆积体约600 m，见图1，图2。

2 坍塌原因分析

1)不良地质影响。该段岩性为薄层状变质细砂岩和炭质千枚岩互层，岩体倾倒变形剧烈，岩体破碎，全风化岩体，围岩类别为Ⅴ类，表层堆积有崩坡积块碎石土，岩体属弱风化上带，稳定性差。

2)地下水影响。塌方发生时正值雨季，地表水丰富且沿破碎岩缝、节理裂隙中渗流。松散岩体受渗水作用迅速软化，岩体抗剪强度大大降低，岩石为全风化岩层，雨季含水量增大，不能支撑上部岩体重量从而导致隧道发生重力坍塌。

3)施工因素。因岩层十分破碎，自稳性差，开挖都是利用反铲短进尺，未进行任何爆破，因此不存在对围岩有较大的扰动。施工采用预留核心土开挖方法，核心土预留尺寸不够，轴向长度不足2 m，未起到稳定掌子面的作用，才会随着掌子面失稳一起坍塌。超前支护设计采用小导管注浆，经现场调查发现，垮塌体没有和水泥浆液形成胶结体，反映出施工注浆不严，技术参数控制不到位。

3 处理方案

方案内容主要为截水沟、管棚、钢拱架及喷护、混凝土衬砌、系统锚杆、素土回填等。方案施工工序如下：

1)截水沟。在距隧道顶部地表坑洞上部约5 m处设置一道临时截水沟，截水沟尺寸30 cm×30 cm，采用C20混凝土浇筑，壁厚15 cm。

2)对洞内垮塌堆积体表面进行C20混凝土喷混封闭，喷混厚20 cm。

3)管棚：根据塌方情况隧道桩号K0+706 m处顶部150°范围内布设管棚。a.超前大管棚采用φ108 mm×8 mm热轧无缝钢管，单根钢管长度为1.5 m～3 m，单根管棚12 m。b.钢管接头采用丝扣连接，丝扣螺纹段长度6.5 cm丝扣连接，相邻钢管接头错开1 m以上，隧道纵向同一截面内接头数不大于50%。c.钢花管上钻注浆孔，孔径12 mm，孔径距20 cm，呈梅花形布置，钢管尾部(孔底段)1.5 m不钻花孔作为止浆段。d.管距：环向间距35 cm。e.超前大管棚施工时，钻孔外偏角为10°，可根据实际情况作调整。f.注浆材料：水泥砂浆，水灰比为0.5∶1。全孔一次性注浆，注浆初压为0.5 MPa～1 MPa，终压为1.5 MPa。

4)注浆完毕24 h后进行堆渣清除及开挖作业，单循环进尺控制在50 cm～80 cm。

5)钢拱架：Ⅰ18工字钢布设间距调整为50 cm，取消管棚段φ42超前小导管(L=4.5 m)。钢拱架采用Ⅰ18工字钢，布设间距50 cm。在安装钢拱架前，对掌子面及拱顶素喷10 cm厚C20混凝土进行封闭处理，减少作业风险。

6)系统锚杆：K0+684.335～K0+725段围岩为Ⅴ级围岩，系统锚杆采用φ22@3 m×1.5 m，L=3 m及φ28@3 m×1.5 m，L=6 m砂浆锚杆。经调整系统锚杆由原砂浆锚杆调整为自进式锚杆，长度及锚杆直径不变。

7)混凝土衬砌：为了确保洞口段已施工洞身的稳定，要求及时实施洞口段二次衬砌混凝土，混凝土衬砌厚度30 cm，衬砌范围K0+681.335～K0+706共24.665 m。

8)素土回填：洞内掌子面稳定、进尺正常后，地表坑洞采用素土回填并人工稍作夯实，并高于原地面一定高度，防止汛期雨水渗入塌腔不利于稳定。

9)监控量测：在坑洞附近布置4个监测桩，对地表及10 kV电线杆进行沉降监测；在洞内每隔5 m一个断面分别在拱顶、两侧边墙布设3个监测点，监测拱顶位移及水平收敛情况。

4 预防措施

坍塌冒顶事故会对隧道工程建设造成巨大的影响，严重影响工期增加投资，因此在隧道施工当中必须认真做好坍塌冒顶事故的预防工作，结合施工中存在的问题，在施工过程中可以从以下几个方面做好预防工作:

1)设计方案应保证可靠性。路线方案的确定应该在充分的地质地形资料分析的基础上进行，在保证道路线型指标的前提下，选择合适的进洞点。初步设计阶段，应该对进洞点区域进行详细的现场调查，勘明地质岩性和隐患缺陷，调查隧道附近地表的构筑物及其受影响情况。8号路初拟方案现场定测后，隧道进口顶部有两个高压线杆，且边坡岩性为崩坡积碎石土完整性差，经调整，将隧道洞口位置向大渡河下游方向平移50 m，边坡基岩出露，避开高压线杆及不良地质，在设计的角度保证了方案实施的可行性。

2)做好洞顶地表的排水。地下水影响是隧道坍塌冒顶的一个重要因素，隧道施工过程中要注意地下水的控制。洞内设置完善的排水设施，有利于洞室围岩和初期支护的稳定，有利于洞室开挖和出渣，确保施工安全和运行安全。洞内主要通过预埋盲管，设置纵向排水沟，防水层等措施排水。同时，应完善地表的排水措施，避免地表积水和大量雨水沿洞顶地裂缝下渗，短时间内大量地下水的涌入，导致围岩松软，内摩擦角和抗剪切强度减小，易造成围岩失稳，进而坍塌或冒顶。洞顶地表主要通过截水沟进行排水，确保坡面的雨水能顺利排出。

3)控制各环节施工质量。新奥法施工过程中，严格控制施工工序、按照设计参数进行开挖支护施工是预防事故发生的关键。不良地质施工时需要实施超前支护措施，如超前锚杆、注浆小导管、大管棚等。注浆锚杆可以将松软岩体进行串联，钢管具有一定的刚度，一端搭在拱架上，一端打入岩体中，可以承受松软岩体的竖向自重应力，以上措施均可提高岩体的完整性和抗剪切能力。小导管和管棚可以向开挖掌子面前方岩体中注入水泥浆液，注浆的质量控制是超前支护的关键，水泥浆液将掌子面前方一定范围的松软岩体胶结成一个整体，洞室开挖时围岩稳定性增加，大大减小坍塌发生的几率。针对不同的岩体应设置不同的施工参数，浆液配比、注浆压力、注浆时间等均应严格控制。

根据地质情况选用合适的施工工艺，不良地质条件下公路隧道，一般采用台阶法、预留核心土法或中隔壁法进行施工。工法的参数应该严格按照规范要求来拟定：台阶法应使上下台阶的长度满足规范要求，预留核心土工法中核心土的尺寸及周边开挖顺序应符合要求。不良地质段单循环进尺一般为1.5 m～2 m。初期支护施工完成后，应待变形基本稳定后，及时施作二衬。8号路隧道冒顶事故调查发现，施工单位采用预留核心土工法施工，但核心土的尺寸较小，加之土体松软，核心土受到影响很容易坍塌，掌子面两侧开挖时，未对称均匀开挖，导致掌子面失稳，工法失效。

洞室开挖成型至二次衬砌完成前，应该加强成型洞室的监控量测。监测洞顶地表的沉降，洞内洞周的收敛、洞顶沉降等。密切关注监测数据的变化，用以指导后续隧道的施工，确保施工和运行安全。

5 结语

隧道施工过程中主要是要预防隧道坍塌和冒顶等事故的出现，根据地质资料，慎重设计路线方案，确定合适的隧道支护措施，对于软弱围岩路段，重点加强超前支护、注浆质量、开挖、衬砌施工等关键工序的施工质量，使施工质量管理体系化，防范于未然，减少隧道坍塌等质量事故的发生。