钓鱼台隧道洞口崩塌成因分析与处治措施研究

张超 吴华 姜同虎

（1.安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽合肥 230088；2.公路交通节能环保技术交通运输行业研发中心，安徽合肥 230088）

0 引言

作为隧道施工中常见的病害之一，塌方发生的原因和机理较为复杂，一旦发生往往对工程建设造成重大损失。因此，准确分析研究隧道塌方成因，采取有效的预防和处理措施至关重要。

郑玉欣[1]分析了塌方的主要原因及机理，将塌方归纳成5 种形态，并提出隧道塌方处治方法。王立忠等[2]通过对桑州岭隧道锚杆加固的理论分析和开挖过程中山体稳定的监测分析，成功预报了掌子面塌方。霍玉华[3]、马涛[4]根据工程塌方处治实例，研究得出了管棚注浆法对处治浅埋隧道塌方效果显著。陈秋南等[5-6]通过对关口垭隧道塌方原因的分析，对比分析了小导管和长大管棚处理方案、小导管预注浆处理后塌方区的监测结果与数值模拟结果，得出了超前小导管预注浆方法处理塌方区效果良好的结论。汪成兵等[7]统计分析了隧道塌方的主要影响因素和几种常用隧道松动荷载计算方法的适用性，并运用PFC 程序模拟了隧道塌方的过程。李志厚等[8]通过对大风垭口隧道特大塌方事故采取地表与洞内处治相结合并加以洞内排水的综合处治措施，结合监测和评判结果，综合分析了该种方法的处治效果。卢义玉等[9]通过对锚喷支护和小导管注浆的机理、参数设计进行研究，得出了锚喷支护和小导管注浆方案能改善围岩的受力状态，起到加固围岩的作用。王华牢等[10]通过对卧龙岗隧道塌方风险等级的评估，制定了完善的风险控制措施。王迎超等[11]通过有限元模拟分析得出双侧壁导坑施工方案优于上弧形导坑施工方案。左清军等[12]通过对富水软岩隧道跨越断层段塌方机制的分析提出了相应的处治措施。高登[13]在上坪格隧道塌方机理的基础上提出了处治措施，并采用荷载-结构法对处治后塌方段的初期支护和二次衬砌强度进行了验算。侯艳娟等[14]通过对隧道塌方类型、特点及发生机理的统计分析，得出了隧道塌方是“隧道-围岩-环境”相互作用的结论。

本文以池祁高速钓鱼台隧道洞口崩塌为例，在分析崩塌成因的基础上提出了相应处治措施，通过现场监测数据分析验证了崩塌处治效果。研究成果可为类似隧道塌方的预防和处治提供参考。

1 工程概况

1.1 工程规模

钓鱼台隧道为池祁高速公路双向四车道隧道，起止桩号：左线ZK48+908-ZK49+330，长422 m，最大埋深约125.6 m；右线YK48+898-YK49+324，长426 m，最大埋深约116.8 m；左、右线净距13.6～15.7 m，为小净距隧道。左、右线纵坡均为-0.5%，左右线进、出洞门均采用端墙式。

1.2 工程地质条件

隧址区地形地貌为皖南中低山区，下伏碳酸盐岩主要为奥陶系、寒武系灰岩，覆盖层主要为碎石土，碎石土层厚2.2～2.5 m，中等风化角砾状灰岩呈隐晶质结构，层状构造，岩性较硬，节理裂隙发育-较发育，岩体较破碎，进出洞口围岩级别均为Ⅴ级，洞身围岩级别为Ⅳ级，地质纵断面如图1 所示。

图1 钓鱼台隧道地质纵断面图

项目区表层为第四系残坡积碎石土，下伏基岩寒武系上统西阳山组（ϵ3x）角砾状灰岩，进口仰坡坡面产状308°∠25°，岩层产状25°∠52°；出口仰坡坡面产状120°∠45°，岩层产状135°∠48°。

隧道进口位于穿越山咀的西北坡，自然坡度约30°～35°。出口位于穿越山咀的东南坡，出口山坡自然坡度约35°～45°，隧道进、出洞口埋深浅，偏压，稳定性差。

隧址区地下水水量受大气降水、地表水的影响，呈季节性变化，多年平均降雨量为1500～1700 mm，年内降雨集中在汛期5-9 月。隧址区地下水类型为碳酸盐岩裂隙岩溶水，受大气降水、地表水的影响，呈季节性变化。根据详勘资料，估算隧道单洞正常涌水量306.44 m3/d，最大涌水量451.83 m3/d。

1.3 隧道支护结构与施工工法

隧道设计时速80 km/h，单洞建筑限界净宽10.75 m，净高5 m。

钓鱼台隧道按新奥法原理设计，采用初期支护+二次衬砌联合支护形式，即由喷射混凝土、工字钢、锚杆、钢筋网组成的初期支护和模筑钢筋混凝土组成，钓鱼台隧道衬砌支护参数见表1。

表1 隧道支护参数表

为确保隧道洞口段施工安全，进、出洞口段设计均采用ϕ108×6 mm 超前大管棚支护，节理发育、岩体破碎地段采用ϕ42×4 mm 超前小导管支护。

隧道洞口段及Ⅴ级围岩段设计采用环形开挖预留核心土法施工，施工工序如图2 所示，具体工序为：1.超前支护；2.环形开挖上断面；3.施作上断面初期支护；4.开挖上断面核心土；5.开挖下断面；6.施作下断面初期支护；7.仰拱初期支护封闭；8.施作仰拱二次衬砌；9.仰拱回填；10.铺设环向排水管和防水板；11.整体模筑二次衬砌。

图2 隧道施工工序示意图

2 崩塌概况及原因分析

2.1 崩塌概况

钓鱼台隧道出口崩塌发生前，左、右线隧道均已贯通，左线初期支护已完成，右洞上台阶开挖及初期支护已经完成，正进行下台阶开挖及支护，出口右线套拱及管棚均已施作完成。根据监测资料显示，2020 年5 月17 日至20 日，隧道右线出口段洞内初期支护拱顶沉降变形和收敛位移较大，地表下沉速率增大，已处于缓慢变形阶段，施工单位暂停了下台阶掌子面开挖，对已开挖段及时进行了初期支护施工。5 月21 日中午11 时50 分左右，钓鱼台隧道右线出口上方山体突然发生楔形体崩塌（见图3、图4），崩塌体将右线YK49+317-YK49+324 段初期支护损坏（见图5），崩落楔形体及附生树木顺坡面滚落至国道G530 路面，致使交通中断，未造成人员伤亡。

图3 楔形体崩塌后洞口上方仰坡照片

图4 右洞出口楔形体崩塌照片

图5 右洞洞内初支变形照片

此次山体崩塌范围位于钓鱼台隧道右线出口套拱处起向上约46 m 处，根据现场调查和测量资料，楔形体崩塌面积约为1152 m2，现场清理出的土石方数量约4533 m3。崩塌造成钓鱼台隧道右线洞口套拱完全损坏，紧邻套拱4 榀主洞初支钢拱架发生严重变形，洞口下方的混凝土挡墙局部破损。

2.2 崩塌成因分析

根据崩塌现场情况和资料分析，崩塌的成因主要有以下几个方面：

（1）地质及地形因素

根据出洞口仰坡赤平投影分析（见图6），J1、J2与坡面呈大角度相交，对边坡稳定性影响不大；岩层产状、J3与坡面顺倾，但节理倾角大于坡角，对边坡稳定性影响不大；J1与J2、J3的交线、J2与J3的交线、岩层产状与J2、J3的交线均位于边坡内侧，对边坡稳定性影响不大；岩层产状与J1的交线位于边坡的外侧，易产生楔形体滑塌。出洞口左、右侧边坡及仰坡坡体总体稳定，但风化层厚度较大，稳定性较差，岩层风化界面为其最不利结构面。

图6 出洞口仰坡处赤平投影图

隧道出洞口处实际地形整体较陡，节理裂隙发育，洞口施工过程中，结构面切割的岩体在不利结构面组合、重力、水、施工扰动等因素影响下，导致局部形成楔形体崩塌。

（2）水文因素

水是诱发崩塌、滑塌等的外在主要因素。钓鱼台隧道出口施工期间正值江淮梅雨季节，降雨强度较大，根据气象资料显示，崩塌发生前曾有过两次较长时间降雨，累计降雨量180～300 mm，局部超过350 mm，最大小时雨强30～60 mm/h。崩塌体处覆盖层为碎石土，透水性强，降水下渗后顺风化裂隙、构造裂隙等汇集、运动，导致结构面抗剪强度下降，易于产生崩塌。

（3）施工因素

隧道出口原设计设置了洞顶截水沟（M10 浆砌片石），洞口施工前未及时施作洞顶截水沟，导致未被截流的大量降雨冲刷软弱结构面造成结构面抗剪强度下降。

隧道出口施工过程中未严格按照设计及规范要求控制开挖步距，下台阶开挖支护与上台阶开挖支护间隔时间较长，初支未及时封闭成环，未严格控制开挖进尺等因素都可能造成隧道洞口变形较大。

隧道出口桥隧相接，桥台距隧道洞口仅3.5 m，由于桥隧施工工序衔接不合理，受洞内爆破震动和桥台施工的影响，加剧了洞口段软弱结构面的松动。

监控量测数据未及时反馈，造成在变形初始阶段未能及时根据反馈信息采取有效措施控制洞口变形的发展。

放大天柱山世界地质公园的品牌效应，大力发展天柱山攀岩、漂流、骑行、徒步等野外体育游体验，同时推进东关游线整改和后山、龙潭河、虎头崖等景点景区的开发，对景区范围及核心容量进行扩充，深入开发特色乡村文化、乡风民俗等特色旅游资源，加快推进历史名人、古村落、弹腔、三祖禅宗文化等古皖文化和地域民俗文化资源的挖掘整理和创意开发，并建设薛家岗文化遗址公园、二乔公园、名人故居等文化旅游的特色景点。

3 工程处治措施

3.1 洞内背拱加固

为防止崩塌范围进一步扩大并确保崩塌处理施工安全，先对钓鱼台隧道出口右线洞内初期支护未变形段YK49+317-YK49+307 范围内采用I18 工字钢进行临时背拱加固，背拱工字钢与已完工初支混凝土面预留5 cm 的间隙，背拱工字钢间距60 cm，工字钢之间用ϕ22 纵向连接钢筋形成整体，以提高其整体稳定性，背拱与已完工初支混凝土之间铺设一层彩条布作为隔离层方便后期背拱拆除，背拱与初支混凝土之间可用木楔顶紧密贴，木楔环向间距1.0 m，背拱段设置临时仰拱及时封闭成环，洞内背拱加固现场施工照片见图7。

图7 洞内背拱加固照片

3.2 封闭、加固崩塌体

对右线YK49+317 处采用洞渣进行反压回填处理，回填体表面喷一层10 cm 厚的C25 早强混凝土封闭处理，并设置2 排泄水孔用于引排地下水，确保洞内初支的稳定。

3.3 崩塌体卸载

待洞内加固处理完成后，按照自上而下的顺序逐层清除洞口崩塌体，清理完成后的洞口仰坡坡面采用锚网喷进行防护，且每清理一层崩塌体施作一层锚网喷，其中喷射混凝土厚10 cm，ϕ22 早强砂浆锚杆长4.0 m，间距150 cm×150 cm，ϕ8 mm 钢筋网间距20 cm×20 cm，确保洞口稳定，提高楔形体崩塌面山体整体稳定性。

3.4 疏排地表水

在崩塌体以外稳定地段及时施作洞顶截水沟，拦截地表水，避免地表水流入崩塌体范围，防止二次崩塌的发生。

3.5 双层小导管支护

待洞口崩塌体清理完毕，洞口采用双层ϕ42×4 mm小导管进行加固处理，小导管长4.0 m，环距40 cm，注浆浆液采用水泥浆。小导管采用ϕ22 环向钢筋连接，两层小导管采用ϕ16 网筋连接，C20 喷射混凝土厚5 cm，作为止浆墙（见图8）。

图8 双层小导管支护设计图

3.6 崩塌段暗洞改成明洞

将右线洞口已崩塌受损段YK49+317-YK49+324 隧道暗洞改为明洞，明洞结构加厚至80 cm，明洞上方采用2.5 m 厚C15 混凝土进行回填加固，洞门型式维持端墙式不变，洞门挡墙采用现浇C20 钢筋混凝土，起到预防楔形体崩塌和缓冲作用，确保运营期间行车及人员安全。

3.7 洞内开挖及支护

3.8 洞口仰坡永久性防护

待出口明洞及洞门端墙施工完成后，对仰坡采用锚杆框架进行加固，作为洞口仰坡的永久性防护，框架肋间距2 m×2 m，节点锚杆直径ϕ28 mm、长度8 m。锚杆框架内采用植生袋或植草绿化，提升洞口整体美观效果。

4 崩塌处治效果分析

通过对崩塌处治前后的支护结构现场监测，收集变形和受力数据，并对监测结果进行分析，以检验处治措施的实际效果。主要监测项目有：地表沉降、拱顶下沉、周边收敛等。隧道出口地表沉降观测点布置见图9，隧道洞内拱顶下沉与周边收敛监测点布置见图10。

图9 钓鱼台隧道出口地表沉降观测点布置示意图

图10 拱顶下沉与周边位移监测点布置图

4.1 隧道出口地表沉降观测成果分析

钓鱼台隧道出口端洞口施工过程中，在YK49+316/ZK49+316 位置埋设了地表沉降观测断面，覆盖层厚度为4～11 m。2020 年4 月-5 月正值江淮梅雨季节，此时左洞作为先行洞已经贯通，右线出口施工期间遭遇连续降雨天气，同时右洞的地质条件较左洞差，因此，右洞上方各测点的沉降量相对较大，根据地表沉降曲线（见图11），地表沉降最大的范围位于右洞洞口上方，最大沉降量为17.6 mm，出口端右线洞口的地表沉降呈典型的漏斗状，地表沉降的形式与图3、图4 山体发生的楔形体崩塌较为吻合。

图11 地表沉降曲线

4.2 拱顶下沉量测成果分析

隧道右洞出口段施工过程中，在YK49+314、YK49+309、YK49+304、YK49+299、YK49+294、YK49+289 断面处设置了拱顶下沉观测点。2020 年4 月20 日至6 月7 日，各断面拱顶下沉量均持续增长，其中5 月10 日至6 月7 日期间拱顶下沉速率最大，6 月7 日至6 月20 日，各断面拱顶下沉量均有不同程度的减小，6 月21 日以后，拱顶下沉速率明显降低，拱顶下沉最大值出现在YK49+314 断面处，最大值为25.6 mm（见图12）。表明洞口山体崩塌与围岩变形有较大的相关性。施工过程中，随着围岩变形的增大，拱顶下沉量也逐步增大，5 月20 日崩塌发生后，拱顶下沉量达到最大，施工单位按照处治措施对洞口处治过程中，各断面拱顶下沉量均有不同程度的减小，崩塌处治结束后，围岩变形处于基本稳定状态，拱顶下沉速率也明显降低，拱顶下沉的趋势与洞口崩塌发生及处治的过程相吻合，说明崩塌处治效果显著。

图12 右洞拱顶下沉时程曲线

4.3 周边位移量测成果分析

图13、图14 为钓鱼台隧道右洞YK49+314、YK49+309、YK49+304、YK49+299、YK49+294、YK49+289 断面处周边位移时程曲线。由图可知，隧道右洞收敛位移值最大为16.6 mm，最大值出现在YK49+314 断面处，各断面收敛变形在4 月20 日至6 月7 日期间呈上扬趋势，6 月7 日至21 日各断面收敛变形均有不同程度的减小，然后收敛变形逐渐趋于稳定，说明随着崩塌体的卸载和洞内外加固处理，围岩体内应力发生重新分布，部分弹性变形逐渐消失，直至围岩收敛变形达到基本稳定状态，表明处治措施对于维持围岩的稳定起到了重要作用。

图13 上台阶收敛位移时程曲线

图14 下台阶收敛位移时程曲线

5 结论

（1）钓鱼台隧道洞口崩塌是地形、地质、降雨、施工措施不当等多种因素共同作用的结果，其中地形和地质条件是造成洞口崩塌的内因；降雨和施工措施不当等因素是诱发洞口崩塌的外因。

（2）基于崩塌成因分析和隧道洞口实际情况，提出了采用“临时支护+永久性防护”的综合处治方案，即采用洞内背拱加固、掌子面反压回填、崩塌体卸载、洞口双层小导管支护、接长明洞以及洞顶仰坡锚杆框架防护的方案。现场巡视及监测数据表明，崩塌处治措施实施后，隧道洞口围岩结构逐渐趋于稳定，隧道结构变形满足设计及规范要求。

（3）隧道洞口应尽量避免在雨季进行施工，无法避免时，应先施作洞顶截水沟疏排地表水，做好地表水及地下水的处治工作。洞口施工过程中应加强超前地质预报和监控量测工作，发生围岩较大变形应及时加强支护并做好预警工作，预防崩塌的发生。