1塌方原因分析

1塌方原因分析隧道开挖时，因土压等作用和地层出现临空面后的应力调整，在软弱围岩内产生裂缝或破坏，或者是由于围岩内已有的层理和节理等松弛、剥离使岩石和泥砂等发生大量塌落的现象，称之为塌方。

它是和剥落相类似的现象但塌落的规模比剥落大。

塌方过程大致为：开挖一围岩塑性变形一支护过大变形一支护局部破坏一支护与围岩破坏失稳一塌方。

隧道开挖时、开挖后、施工支护后甚至在衬砌之后，都可能发生隧道塌方。

1.1 不艮地质隧道穿过断层及其破碎带，或在薄层岩体的小曲褶、错动发育地段，一经开挖，潜在应力释放快、围岩失稳，小则引起围岩掉块、塌落，大则引起塌方。

当通过各种堆积体时，由于结构松散颗粒间无胶结或胶结差，开挖后多引起坍塌。

1.2地形、地貌因素1隧道穿越地层覆盖过薄地段；2隧道穿越地表水源如水塘、水库、沟槽、冲沟等地段；3隧道穿过地面建筑物，而且埋深浅如城市地铁隧道，城市过街隧道等；4影响隧道洞口安全与隧道洞身稳定的不良地质和特殊地层崩坍、错落、岩堆、滑坡、人为坑洞、泥石流、断层、流砂、膨胀岩、岩溶、岩爆等。

这些都是常常引发塌方的地质条件。

1．3地下水因素水是造成塌方的重要原因之一。

地下水的软化、浸泡、冲蚀、溶解等作用加剧岩体的失稳和塌落。

岩层软硬相问或有软弱夹层的岩体，在地下水的作用下，软弱面的强度大为降低，因而发生滑塌。

1．4采用施工方法和措施不当施工中经常存在：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；施工支护不及时；地层暴露过久，引起围岩松动、风化；忽略了围岩的变形规律，围岩的变形同时具有连续变形和突然变形的特征。

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砼和开挖掌子面支撑的约束作用，连续变形很小，主要是爆破后的受震动影响的突然变形，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围岩滑移力亦不致于失稳，当这个距离为1．5～3d时，“空间效应”的影响完全消失，初期支护抗力小于滑移力的问题即刻暴露出来，围岩急剧变形，极易引起塌方的发生。

1．5施工工艺及操作欠规范工程质量不合格施工过程中存在的工艺操作不符合施工技术规范要求，施工管理不到位，质量意识、安全意识不强也是造成塌方的另一个重要原因，常发生的施工质量问题有锚杆长度不足、锚杆砂浆不饱满或强度尤其早期强度不足、喷砼强度厚度达不到设计要求、钢支撑未完全由喷射砼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。

以上质量问题直接造成支护抗力未达到设计要求或围岩未粘结紧密使无弯矩结构产生1.6地质预报和监控量测地质预报和监控量测是施工的重要环节。

地质预报工作应在隧道开工后不间断进行。

在隧道施工中，监控量测必须按施工方案及规范要求进行，施工中往往因监控量测不到位，布点、控制等不准确或不符合要求，对施工起不到指导作用，造成边墙、拱顶塌方。

1.7管理隧道施工过程中，安全管理、施工监控等至关重要。

多数隧道施工往往因为操作人员安全意识不强、安全检查不到位、现场施工控制力度不强等等因素，造成施工安全事故。

1.8其他原因1)隧道设计方面的原因：地质调查不细，设计支护方法不适合围岩，支护设计强度、刚度不够。

2)施工方法、施工顺序和施工技术、工艺方面的因素：不适合围岩的施工方法与施工顺序、不恰当的施工技术与不良的操作都有可能引起隧道塌方。

2塌方处理方案一般的处理原则是先加固，防扩展，后处理的原则，要求处理塌方宁早勿迟宁强勿弱。

实践证实塌方发生后在一段时问内就会趋于稳定，形成自然拱，而然拱的高度、宽度与普氏平衡拱理论计算结果基本相符，以普氏平衡拱理论和“新奥法”原理为依据来指导塌方处理，经实践证明是行之有效的。

对一般塌方可直接进行塌体处理，而对塌体破碎松散、影响范围大的塌方一般分为初期处理与塌体处理两部分。

2．1 初期处理初期处理的目的是为了防止塌体的继续发展，一般分步采取如下措施：1封闭塌体，加固塌体后方。

普氏平衡拱理论在塌方处理中的重要性在于：表明在一定的地质条件下，塌方高度与开挖宽度成正比，即只要开挖宽度不变，就不会有新的坍塌，应用其塌方高度计算公式计算塌方高度的目的在于，初步判断目前塌方高度是否已达到对应目前宽度的理论计算值，进而判断塌方是否已趋于稳定。

由于围岩并不象普氏理论假设的那样为均质，所以，实际塌方轮廓也不是理想的抛物线形。

在定性做出塌方稳定的判断后，也不能排除个别小石块的松动吊落的可能。

因此，就有应用“新奥法”原理处理塌方的另一重要步骤：及时对塌穴作喷混凝土处理，此步骤的重要性不在于喷混凝土本身强对塌穴的支护作用，而在于形成平衡拱的围岩本身具有一定自稳能力，但由于围岩的不均质，可能有小石块松动掉落，进而引发较大的坍塌，而喷混凝土附着在围岩表面上，围岩变形就会及时反映在喷混凝土表面上，为准确判断围岩稳定提供强有力的依据。

在塌方后方5 m一 10 m范围内采用钢支撑及小导管注浆进行加固。

2如塌方塌至地表，则应对塌方漏斗地表进行截水，必要时搭遮雨棚以防地表水灌人塌体内。

待洞内处理完毕后，采用土石夯填要略高出原地面，待填土下沉稳定后，用M7．5浆砌片石铺砌。

3在塌体后方5 m～10 m范围内施作二次模筑衬砌中，较稳妥地巩固后方，并及时施工仰拱，使之形成完整的支护体系，以阻止围岩继续变形坍塌。

2．2塌体处理塌体处理一般是在初期处理完毕后或塌方暂时达到自稳时进行。

常用的方法有管棚法、小导管注浆法、三台阶开挖法、二次衬砌加强法及回填法等，并在处理过程中加强监控量测工作，用量测信息动态指导施工。

1三台阶开挖法。

“新奥法”原理要求软岩地段或塌方段施工始终坚持“弱爆破、短进尺、强支护、早封闭、勤量测、紧衬砌”的原则。

三台阶开挖法，开挖台阶长度为3 m～5 m，以人工风镐配合挖掘机为主，辅助微弱爆破，出碴采用挖掘机或装载机装，自卸汽车运输；每循环进尺为一榻拱架间距，这样就能在不扰动围岩的情况下安全顺利地通过塌方体。

2二次衬砌加强及回填法。

因为塌方段衬砌荷载比在未塌前增大，所以衬砌要加强，加强衬砌应优先考虑采用提高混凝土标号和在衬砌内加钢筋或型钢或钢轨，以及进一步采取加固稳定塌穴以减小衬砌荷载等措施。

3塌方的处理依据塌方的处理必须建立在对塌方正确认识的基础上，塌方处理方案的制定如同斗方案的制定，如果方案不当或失败，不但导致更大的经济损失，而且可能造人员伤亡，故一般的处理原则是先巩固后方，防止塌方扩大．然后以安全的后方为依托或掩护再向前进行处理塌方。

经验认为塌方发生后在一定时间内就会趋于稳定，形成自然拱，而自然拱的高度、宽度与普氏平衡拱理论计算结果基本相符。

3.1普氏平衡拱理论前苏联学者M·M普洛托雅克诺夫(简称普氏)以松散理论为基础，认为在松散介质中开挖隧道后，隧道上方将形成抛物线的平衡拱，平衡拱高度h为：h—b ／fm 式中：平衡拱的半跨度，m；fm一一岩石坚固性系数，土层：fm—tan ；岩石：f =R／10；土的摩擦角； R——岩石的抗压极限强度，MPa；取值应考虑岩石天然层理、裂隙及节理的影响。

在隧道侧壁稳定时，即拱部塌方时，平衡拱宽度就是开挖宽度，即b—b|当侧壁不稳定时，平衡拱宽度为b=b|+H ·tan(45。

-~／2) 式中：H ——隧道净高，m； b|一一隧道净宽之半。

3.2塌方稳定分析及处理对塌方后的稳定情况能否作出正确的判断是制定处理方案的关键，否则，不是冒险就是加大投入。

一般情况下塌方发生后 1～2d就基本稳定，除个别掉小块外，不再有大的坍塌，这时可根据工程地质资料及试验结果，确定岩石坚固性系数，再根据开挖情况，即可按平衡拱公式确定塌方高度，与现场对照，如果计算与实际基本相符，则说明塌方已经基本稳定，否则就要慎重对待。

经过平衡拱稳定分析，确定塌方稳定后，即可着手进行处理，第一关键步骤就是对塌穴进行喷射砼处理，喷砼后，即使塌穴有危石或个别坍塌亦会及时发现，喷射砼在围岩面形成一保护层，亦是判断塌方稳定与否的最有效、最直接的参照或依据。

之后即可出渣，出渣范围依据即将准备衬砌的范围确定，为了安全，不宜太长，边出渣边对侧壁进行支护。

塌方段的永久支护结构及施工顺序的确定是最后一个关键，通常塌方段的支护结构从上至下依次为回填、护拱、衬砌，直观上施作护拱然后在护拱保护下施作衬砌是安全的，而实质上施作护拱本身就极为困难而且危险极大。

实践证明先施作衬砌，然后施作护拱及回填是既安全又经济的办法，但这种方法有一个前提，就是开挖宽度不再扩大(极个别除外)，衬砌的加强可采取增加钢轨或型钢及提高砼标号的方法来实现。

衬砌浇筑后，平衡拱的拱脚就受到约束，塌方就更进一步稳定了，往后的施工更安全了。

4隧道施工预防坍塌方措施4.1坍塌前征兆围岩的变形破坏，失稳坍方，是从量变到质变的过程，在量变的过程中，必然会在围岩的工程地质和水文地质特征及岩石力学上反应出一些征兆。

因此，根据这些征兆来预测围岩的稳定性，进行地质预报，从而保证施工的安全，防治隧道坍塌方。

围岩的变形破坏,失稳坍方，有以下一些征兆。

1.遇特殊和不良地质条件，如断层及其破碎带、滑动层、溶洞、陷穴、古河槽、堆积体、流沙、淤泥、地下水、松散地层等稳定性差的围岩。

2.水文地质条件的变化，如干燥的围岩突然出水，地下水突然增多，涌水量增大，水质由清变浊(地下水将断层泥带走)等都是即将发生坍方的前兆。

3.开挖面上有可能不稳定块体出露，尤其是小断(夹)层或其它软弱结构面和围岩的节理裂缝构造可能不稳定块体的出露处，往往是局部围岩坍方的部位。

4.拱顶不断掉下小石块，甚至较大的石块相继掉落，预示着围岩即将发生坍方。

5.岩石裂缝旁出现岩粉或洞内无故发现有岩粉飞扬时，也说明可能即将发生坍方。

6.围岩发生裂缝，并逐步扩大，很可能要发生坍方。

7.支护受力(敲击发声清脆有力,拱架接头挤偏或压劈等)变形甚至发出声响时，说明围岩压力增大,有坍塌的可能。

8.喷射砼出现大量的明显裂纹，亦说明围岩压力增大，有可能出现失稳坍方。

9.围岩或隧道支护，拱脚附近的水平收敛率大于0.2mm/d，或拱顶下沉量大于0.1mm/d，并继续增大时，说明围岩仍在发生变形，处于不稳定的状态。

4.2隧道坍塌方预防措施1.地质预报措施根据本工程区域地质资料，结合现场实际考察分析结果，巴家山隧道施工超前地质预报方案拟采用以地质分析法为主，以超前水平钻孔或超长炮孔验证相结合，对重要的地质界面、断层或物探异常段可采用TSP203地质探测仪或地质雷达进行探测超前地质预报。

项目队隧道施工地质预报工作应严格按项目队隧道施工地质预报方案实施，做好隧道施工地质工作，尤其是超前地质预测预报，为正确地选择断面大小、衬砌类型、施工方法、支护设计提供依据，指导施工。