隧道塌方原因分析及预防

隧道塌方原因分析及预防
摘要:根据新奥法支护结构设计原理对隧道塌方原因进行了分析,介绍了塌方前的征兆,并针对隧道塌方的原因,对防塌的措施进行了简要论述,对隧道施工具有一定的借鉴意义。

关键词:隧道,塌方,原因,征兆,预防
新奥法是我国当前隧道结构设计和施工的重要方法,锚喷支护的应用为隧道大面积开挖施工创造了有利条件,隧道施工进度大大加快,但已锚喷支护的隧道发生塌方的事故仍经常发生,轻者给企业造成经济损失,重者施工人员丧失生命。

下面对隧道塌方原因、征兆、预防措施进行了论述。

1.新奥法支护结构设计原理
隧道围岩形成塑性滑移楔体,造成支护结构的剪力破坏;支护结构与围岩粘结紧密,两者共同工作,形成无弯矩结构;由锚杆、钢支撑、喷混凝土等所提供的支护抗力,应与塑性滑移楔体的滑移体相平衡。

2.隧道塌方的原因
2.1 地质原因
隧道通过断层破碎带、各种松散堆积体、岩层软硬相间或有软弱夹层的岩体、受地下水长期浸泡冲蚀溶解作用的岩体、膨润土地层、浅埋段、流砂层、严重偏压段时,在开挖后极易发生坍塌。

2.2 施工方案和措施不当
忽略了围岩的变形规律,设计方案、施工方法和措施不当引发围岩突然变形,导致塌方。

如设计施工方案或施工方法与地质条件不相适应,地质条件发生变化,没有及时改变施工方法;爆破装药量太大,爆破振动扰动岩层;施工支护不及时,地层暴露过久,引起围岩松动、风化等。

2.3 工序失衡
当开挖距离小于D(D为隧道开挖宽度)时,围岩两端由于受到二次衬砌混凝土和开挖掌子面支撑的约束作用,连续变形很小,主要是爆破后受振动影响的突然变形,而且在这个距离范围内,由于衬砌和开挖面支承的“空间效应”的影响,即使初期支护抗力不足抵抗围岩滑移力,亦不至于失稳。

但施工中,施工人员盲目加快掘进进度,仰拱、二次衬砌滞后,造成工序严重失衡,当二次衬砌和开挖掌子面距离大于2D~3D时,“空间效应”的影响完全消失,初期支护抗力小于滑移力,围岩急剧变形,来不及施工二衬,极易导致塌方。

2.4 施工过程中质量不合格
支护结构与围岩须粘结紧密、共同工作,锚喷支护结构才能成为无弯矩结构,围岩在施工锚喷支护后不断收敛而最终趋于稳定的前提是支护抗力不小于滑移力。

在施工过程中,如发生超挖严重而进行回填、锚杆长度不足、锚杆砂浆不饱满或强度尤其早期强度不足、喷混凝土强度厚度达不到设计
要求、钢支撑未完全由喷射混凝土包围密实或钢支撑与围岩之间存在空隙及钢支撑未置于稳定坚固的基础上等质量问题,造成支护抗力达不到设计要求或围岩未粘结紧密使无弯矩结构产生弯矩,导致塌方。

2.5 监控量测不到位
现阶段隧道的开挖都以新奥法理论为指导,在实际施工中,未按规定进行量测并对成果进行分析或信息反馈不及时,导致决策失误、措施不力,造成塌方。

3.塌方征兆
3.1 掌子面岩层塌方征兆
开挖后顶部围岩掉块不停;掌子面出水点频繁变换位置或突然涌水,涌水由清变浊、流量增大;掌子面正面坍塌并向内发展;岩层裂隙明显增大或层间填充物被水冲掉,水量增大;松散地层不停掉渣;岩石出现岩粉或掌子面附近无故尘土飞扬;流砂地段间隔涌流变成连续涌流,喷射混凝土被流砂冲破。

3.2 支护结构塌方征兆
喷射混凝土大面积开裂、脱离甚至塌落,缝间有砂土不断流出;锚杆垫板松脱;钢支撑扭曲变形,边墙支撑中间鼓出,连接点明显变形;钢支撑、钢筋网格间喷射混凝土剥离、开裂,钢筋扭曲变形;初支结构发出较大响声;连接板错位、连接螺栓被剪断,支撑间砂土或岩块被挤出。

3.3 洞口地段和浅埋地段地表塌方征兆
洞口地段地面持续开裂,且裂口数量逐渐增加,裂口增大、加深;地面陡岩发生崩塌现象;地面明显下沉,掌子面过后,其上地面仍继续下沉,累计值超过容许值。

3.4 监控量测到的变形值显示塌方征兆
变形值长期不变小且变形速率仍较大;变形监控量测曲线明显已收敛,但又出现变形值突然增大,位移或变形速率的骤然增加往往是围岩破坏、衬砌开裂的前兆;围岩变形量、位移速率、初期支护应力值超过容许值(容许值根据地质情况、隧洞埋深、断面尺寸、地下水等情况确定)。

4.防塌措施
4.1 超前地质预报
对不良地质,通过超前地质预报进一步掌握地质情况,调整支护参数和施工方法,采取防塌措施。

4.2 早喷锚、强支护,快速封闭成环
在不良地质地段施工时,应按照先治水、短开挖、弱爆破、先护顶、早喷锚、强支护、早衬砌的原则稳步前进,合理控制开挖速度,提高初支的刚度和承载力。

4.3 控制“空间效应”,严防工序失衡
循环开挖进尺要短,关键工序间距要控制,控制仰拱和开挖面距离、二次衬砌和开挖面距离,已开
挖段应快速封闭成环,严防工序失衡。

4.4 通过监控量测指导施工
根据量测结果,判断支护体系及围岩的受力与变形情况,调整支护参数、施工方法;采用监控量测成果检测防塌措施的效果,指导超前地质预报、设计、施工,实现施工信息化。

当发现测量数据有不正常变化或突变、洞内或地表位移值大于允许位移值、洞内或地面出现裂缝以及喷层出现异常裂缝时,必须停止作业,制定处理措施后再继续施工。

4.5 处理地表、地下水
进洞前应先做好洞口工程,稳定好洞口的边坡和仰坡,做好天沟、边沟等排水设施,确保地表水不致危及隧道的施工安全;采用降、堵、泄等方法处理地下水,提高围岩自稳能力,提高喷射混凝土质量,防止流砂、突水、突泥;及时排水避免岩层长期浸泡。

4.6 减小爆破震动影响
在爆破时,要用浅眼、密眼,并严格控制装药量,用微差毫秒爆破或采用导洞超前、预留光爆层等措施减少爆破对围岩自稳能力的破坏。

4.7 地层加固和改良
对松散、无胶结、低强度岩层及开挖后有可能发生流砂、突水、突泥的岩层,根据不同情况采用超前大管棚、超前小导管注浆、水平旋喷桩、地表注浆、水平冻结等方法预加固地层和改良地层,提高围岩自稳能力。

4.8 加强管理、保证施工质量
提高施工人员素质,严格按设计、规范和防塌措施施工,加强管理、保证施工质量。

4.9 加固措施
对应力和应变超限的初期支护和其他坍塌预兆应及时采取措施,根据不同情况,采用嵌钢架、加网喷、加锚、壁后注浆、提前模筑混凝土等方法加固,必要时先进行临时支撑、顶柱、扇形支撑、方木垛支撑,然后再采取加固措施。

4.10 制定防塌应急预案
储备应急设备、物资,尤其对不良地质隧道应提前准备,以防不测。

对有可能塌方地段,地质情况不清楚、有塌方预兆,加固措施未制定并实施,不能冒进。

5.结语
隧道坍塌会对施工人员生命、企业财产、信誉造成不可估量的损失,一定要在未进入易塌方地段前预防,不能等到了塌方临界状态才去预防,更不能等发生坍塌后再想办法处理。

在施工阶段,特别在软弱围岩、含水地段开挖施工中,应严格遵循“短进尺,弱爆破,紧支护,勤量测”的指导方针,并严格施工管理确保工程质量。

施工过程中还要根据隧道坍塌征兆、监测成果采取必要的措施防止发生坍
塌或及时停止施工、撤离人员、物资设备以减少损失;并通过不断总结、创新,开发出更有效、更经济、更先进的防塌技术、设备、器材,彻底杜绝隧道施工坍塌现象。

参考文献:
[1]王梦恕.地下工程浅埋暗挖技术通论[M].合肥:安徽教育出版社,2004.
[2]胡高社,张紫昭,张军.某引水隧洞冒顶塌方的治理案例分。