高速公路隧道塌方分析与处治

高速公路隧道塌方分析与处治
发布时间：2021-07-27T04:37:08.930Z 来源：《新型城镇化》2021年9期作者：温林[导读] 根据实际围岩状况调整衬砌类型，实现动态设计，动态施工的理念。

江苏省交通工程集团有限公司 212100摘要：近年来，国内高速公路桥隧占比大，公路隧道施工取得了快速的发展，公路隧道具有长度长、跨度大、山体地质复杂且多变等特点，在隧道施工过程中经常伴随着塌方问题，塌方形成的原因有很多，当发生塌方及时采取正确的处治措施是关键的，本文结合
工程实践对公路隧道塌方进行探讨。

关键词：公路隧道；塌方；分析与处治
1、隧道塌方原因分析
1.1地形、地貌因素
当隧道穿越山体，洞口或洞身段覆盖层较薄，如沟谷凹地浅埋、丘陵浅埋地段，易发生塌方。

隧道洞身穿越不良地质和特殊地层，如断层破碎带、滑坡体、岩溶、采空区、偏压地形等，都是常常引发塌方的地段。

1.2工程地质水文因素
地质条件是造成塌方的基本因素。

隧道穿越断裂褶带，或穿越严重风化破碎、堆积等，则容易发生塌方。

岩体节理、裂隙、溶洞发育和洞室临空面易构成不稳定的危若体，当地层应力超过这些岩体的长期强度时，隧道就极有可能因岩体的变形加速而导致塌方。

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，开挖后多引起塌方。

洞身浅埋段易出现地表下沉和塌方至地表。

地质多变地段容易发生塌方，尤其在软硬岩交界和地质突变处，更容易发生塌方。

岩体长时间的风化和侵蚀 ( 包括大气降水、溶洞水、裂隙水等 ) 以及暴雨等地质灾害，也是隧道产生塌方的重要原因。

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。

岩层软硬相间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。

通过调查众多隧道施工发生过的塌方显示，连续雨水天气，水渗入围岩使软化系数大的岩石强度降低，结构面抗剪强度减少导致塌方的重要诱因。

1.3勘察设计因素
隧道建设前期，地质勘探是一个重要环节，地质勘探不详，对隧道区域内的主要地层及地质构造把握不够，不能真实地反映实际隧道的工程地质情况，将严重影响隧道的设计方案和施工方法的确定。

公路隧道工程设计方法目前主要有工程类比法、理论计算法及现场监控法等，这些方法又以工程类比法运用得最广泛。

但是，在隧道的设计过程中，如果对前方围岩判断不准或不良地质情况不明，设计的支护类型不能满足围岩强支护要求，导致施工过程中围岩产生松弛坍塌等异常现象。

通过调查公路隧道设计图纸地勘报告发现，钻孔勘探位置主要集中在隧道洞门口、山体中间段、山体凹陷处，采用工程类比法判定围岩等级时，山体中间段某一个勘探孔可划分周围 500- 800m 范围的围岩等级，勘探孔数量过少，围岩等级划分具有不确定性。

1.4施工因素
施工是引起隧道塌方的最直接原因，目前公路隧道施工管理及施工水平参差不齐，各班组作业人员操作不规范，具体表现在以下几个方面：
(1)施工方法和措施不当
隧道施工队伍盲目进尺，地质条件判断不准；在地质条件发生变化，没有及时改变开挖方式；或者开挖方式转换时不注意支护变化；
地层暴露过久，引起围岩松动、风化，施工支护不及时；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，围岩两端由于受到边墙和开挖掌子面支撑的约束作用，以及成环或未成环初期支护作用，拱顶或拱腰处围岩连续变形较小，在这个距离范围内由于侧边墙和开挖面支承的“空间效应”的影响，即使初期支护抗力不足以支承围岩滑移力也不至于失稳，当这个距离为 (1.5-3)D 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立刻暴露出来，围岩急剧变形，极易引起塌方。

(2)施工工艺及操作不规范
喷射混凝土作业未按照初喷混凝土和复喷混凝土分别进行，初喷混凝土厚度一般为 20-50mm；未采用湿喷工艺；钢支撑安装间距过大，拱脚存在虚渣，未支承稳固地基上；锚杆钻孔方向和角度不规范；存在局部超挖的部位，喷射混凝土填充不密实；喷射混凝土与下一循环爆破作业间隔时间不符合规定。

在较好的岩层中，施工人员忽视了岩层节理面与软弱面的存在，而岩层节理面与软弱面的存在，隧道开挖临空面形成后，在节理面的大块切割下，岩层沿软弱面滑出形成塌方，此类塌方来的较为突然，无法预防及采取措施控制。

(3)对监控量测重视不足
未按照设计规定的量测频率进行量测，量测数据整理不及时，信息反馈迟缓，监控预警不及时，支护措施未能及时增强，导致初支变形增大，无法控制，最终造成塌方。

2、某隧道塌方处治
2.1工程概况
某隧道左线起讫桩号 ZK140+090 ～ ZK141+005, 全长 915m；右线起讫桩号 YK140+090 ～ YK141+000, 全长 910m，为分离式隧道。

隧道洞口段表层为坡洪积土，以粉质粘土为主，偶见卵石，下部为全风化 -- 强风化花岗岩，黄褐色、灰白色，细粒结构、块状结构，节理裂隙极发育, 全风化花岗岩多风化为砂土状，围岩稳定性差，围岩等级为Ⅴ级；洞身浅埋段围岩主要为强～中风化花岗岩，浅白色，细粒花岗结构，块状构造，节理裂隙发育 - 较发育，岩石较完整，硬度较好，围岩稳定一般，围岩等级为 IV 级；洞身深埋段围岩为中风化～微风化花岗岩，浅白色，细粒花岗结构，块状构造，节理裂隙较发育 - 不发育，岩石完整，硬度好，围岩稳定性较好，围岩等级为Ⅲ级。

2.2塌方情况
2020 年 12 月 21 日某隧道左线正常施工至 ZK140+936，洞顶埋深约 20m，掌子面右侧拱顶出现空洞，内有黄泥和裂隙水流出，水质较清澈。

根据现场量测情况，空洞从掌子面右侧靠近中部位置出现，由下向上，空洞内软弱夹层全部涌出，现已形成一个洞径约 2.2~3.5m 空洞，洞径局部稍有变化，而后往右线方向延伸约 6m，里程方向延伸约5m，呈椭圆形状的小型塌腔空洞，根据现场出碴情况，空洞容积约为
40m3。

由近期的监测数据显示围岩状态已趋于稳定，空洞无变形。

2.3塌方原因分析
（1）该段地层为强风化花岗岩夹粉砂层，黄褐色，灰白色，节理裂隙极发育，碎块状构造，岩体破碎，围岩遇水软化严重，围岩稳定性及工程地质性质差。

掌子面左侧应力反应剧烈，应力相对较大，存在斜向的岩体破碎带，且有向隧道左上方发展趋势，对掌子面左侧上方开挖界面有较大影响，且裂隙水含量较大。

（2）该段地下裂隙水发育，同时该段属于浅埋段，地表水下渗逐渐侵蚀隧道塌穴顶部的岩体，造成岩体粘聚力减低，内摩擦角减小，力学强度降低，隧道开挖后，在水的作用下，迅速坍塌。

2.4塌方处治措施
（1）待塌方体稳定后，立即喷砼封闭掌子面及塌腔体，并进行反压回填，防止塌腔规模进一步扩大，反压回填的同时做出处理工作通道及平台，并加强对地表的监测。

图 2-1 掌子面反压回填
（2）加强超前地质预报，采用超前地质钻孔，探明掌子面前方是否存在其他不良地质，若存在应立即上报处理；安排专人加强监测，并适当增设监控量测断面。

（3）在 ZK140+936 掌子面附近利用临时钢支撑打设长 10m 的φ108 超前管棚，管棚环向间距 0.3m；采用自进式工艺并尽量控制打设角度在 1-2°；注浆采用水泥浆，水灰比为 1:1，注浆压力初压为 0.5-1.0MPa，当注浆量达到设计注浆量或注浆压力达到 2.0MPa 时，继续保持 10min 以上且注浆量达到设计注浆量的 90% 以上，可结束注浆。

由于管棚后端三角区较高，为解决上述问题在管棚下方施打 4.5m单层小导管( 环向间距 0.3m、纵向间距 1.0-1.5m) 进行空洞影响段的超前支护，小导管搭接长度 3.0-3.5 m，待开挖到ZK140+931 掌子面附近时，根据前方掌子面围岩情况再确定是否再施做一环管棚。

图 2-2 大管棚施工
（4）为确保安全，对 ZK140+941—ZK140+926 空洞影响段 15m 范围采用 I20b 临时钢拱架紧贴初支内轮廓进行临时支撑，纵向间距0.6m ，钢拱架间设置纵向连接钢筋，上台阶落底位置每处各打设两根
锁脚锚杆（Φ42*4，长度为 4m 的钢管）。

对于局部不密贴处采用喷射砼复喷至密实，并适当增设监控量测断面。

图 2-3 I20b 临时钢架支撑
（5）ZK140+936—ZK140+926 空洞及其影响段衬砌进行加强，原 X-V- B 衬砌类型为 18 工字钢间距 60cm，喷射混凝土厚度 24cm，增强为 X-V-A 衬砌类型，20a 工字钢间距 60cm，喷射混凝土厚度26cm，二衬为 50cmC30 钢筋混凝土。

二衬施工前空洞范围增设两道环向排水盲沟。

提前预埋好钢管，待临时钢架施做完毕后，对空洞进行填充。

（6）掌子面空洞处理段宜采用三台阶预留核心土法开挖，上台阶采用微台阶、上台阶高度不宜超过 2.5m，采用机械开挖方式，开挖后及时初喷封闭掌子面，并加强钢拱架落底及锁脚控制。

施工时应严格控制进尺，一次开挖一榀，随挖随支，注意超前搭接范围，确保在超前支护的保护下开挖，加强超前注浆质量控制。

（7）加强监控量测工作，判断围岩和支护结构的稳定性。

开挖工作面在每次开挖后进行；已支护地段观察每天进行一次，观察围岩、喷射混凝土、锚杆和钢架等的工作状态内容，记录喷射混凝土表面起鼓、剥落、开裂、渗漏水、钢架变形及发展情况；洞外观察该地段的地表开裂、沉降、塌陷状态，地表水渗漏情况。

在 ZK140+941、ZK140+936、ZK140+931、ZK140+926 设置量测断面，进行净空收敛、拱顶下沉、地表沉降量测，量测间隔时间为 1-2 次 /d，根据量测资料得出位移 - 时间曲线、位移速度 - 时间曲线，对量测资料进行回归分析，得出回归位移 - 时间曲线，当水平收敛位移速度为 0.1-0.2mm/d、拱顶位移速度为 0.07-0.15mm/d 以下时，可认为围岩已基本稳定，可施做二衬。

（8）通过科学的处治方案、有效的施工组织、精准的施工质量，本次隧道塌方处理效果明显，根据量测数据可知加固后的塌方体稳定。

3、结语
在隧道发生塌方后，应及时查看掌子面围岩情况，检查塌方对初期支护的影响区域，分析塌方原因和发展趋势，不要轻易清除塌方体，应待塌方体稳定后及时封闭掌子面，稳住塌方体不至于滑移，可采用注浆方式加固周围未塌方段。

制定科学严谨的塌方处治方案时是关键，控制各工序施工质量，及时封闭成环，适当的增加围岩的预留变形量，严格遵循“管超前、严注浆、短进尺、少扰动、强支护、早封闭、勤量测” 的原则。

施工中应加强现场监控量测分析，及时上报设计单位等有关单位，根据实际围岩状况调整衬砌类型，实现动态设计，动态施工的理念。

4、参考文献
[1]洪开荣，山区高速公路隧道施工关键技术 [M]，北京，人民交通出版社，2011.5。

[2]公路隧道施工技术规范[S]TJG/T3660-2020。