楊家山隧道塌方原因分析及治理

陳 宏

(四川西南交大土木工程設(shè)計有限公司，四川成都610031)

隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)不斷跟進，越來越多的高速公路得到修建，而隧道工程往往是其中的控制性工程。在隧道施工過程中，可能出現(xiàn)的災害有塌方、巖爆以及大變形等[1-3]。其中，塌方是最為典型的工程災害，約占各類重大地質(zhì)災害出現(xiàn)機率的90 %以上[4]。塌方一旦發(fā)生，會造成工程延期、機械設(shè)備損壞、施工成本增加以及企業(yè)信譽下降等后果。更為關(guān)鍵的是，塌方可能導致人員傷亡，這是工程施工中應該竭力避免的。

針對隧道施工中的塌方現(xiàn)象，國內(nèi)外研究者進行了大量研究，但由于每座隧道存在不同的地質(zhì)條件、施工措施以及施工管理水平，因此有必要對楊家山隧道施工過程中出現(xiàn)的塌方事故進行探究。

本文以楊家山隧道施工中出現(xiàn)的掌子面塌方為工程背景，對該隧道塌方的具體情況、塌方原因、處治方案以及處治效果進行了詳細闡述，可為今后處治類似隧道塌方事故提供一定的參考。

1 楊家山隧道塌方概述

楊家山隧道位于廣元市青川縣騎馬鎮(zhèn)，是廣元至甘肅高速公路的控制性工程。隧址區(qū)處于四川盆地西部龍門山擠壓斷裂帶的核心部位，屬于后龍門山推覆構(gòu)造帶。該地區(qū)發(fā)育著多條斷層以及韌性剪切帶，斷層皆為壓性逆斷層，規(guī)模不一，表現(xiàn)也不盡相同，隧道所穿越的楊家山地質(zhì)構(gòu)造比較復雜。

楊家山隧道凈寬10.25m、凈高5.0m。在2011年初的施工中，隧道左洞與右洞都出現(xiàn)了不同程度的塌方現(xiàn)象，以下對塌方過程進行闡述。

1.1 左洞塌方概況

2011年2月21日上午10點，隧道左洞ZK22+627～ZK22+628段架設(shè)鋼拱架時，掌子面右側(cè)有零星掉塊，并伴有股狀水流出，現(xiàn)場立即噴射C20混凝土封閉掌子面。由于該段處于斷層帶，巖體破碎，完整性極差，地下水較為發(fā)育，因此封閉掌子面的效果不明顯。約中午12時，右側(cè)形成了一倒“漏斗狀”塌腔，腔體縱向深度5m左右，自隧道中線右側(cè)5m寬，右側(cè)拱腰部位塌進開挖輪廓線內(nèi)1.5m左右，塌腔自拱頂內(nèi)1m至拱底向上1m高度。腔體與隧道軸線方向夾角約為80°，塌落巖體以砂質(zhì)千枚巖為主，夾雜著石英千枚巖、凝灰千枚巖以及絹云千枚巖等塊狀巖石。并伴隨著多處股狀水流出，且水流非常渾濁。

1.2 右洞塌方概況

2011年1月20日凌晨3點，隧道右洞K22+624～K22+625段的上臺階采用機械開挖時，拱頂出現(xiàn)大面積掉塊，現(xiàn)場立即噴射C20混凝土封閉掌子面，但效果不明顯，掉塊現(xiàn)象更加嚴重。凌晨5時左右，施工現(xiàn)場采用洞渣回填反壓，同時在掌子面施作6m長的小導管，并進行掌子面注漿，注漿在26日完成。

2011年2月15日，該段上臺階完成了第3榀拱架的支護，隨后在16日23時30分，中臺階左側(cè)采用機械開挖第一榀拱架位置巖體。此時上臺階初支噴射混凝土出現(xiàn)開裂，約10分鐘后，上臺階拱頂及左側(cè)全面垮塌。

2 塌方原因分析及治理方案

2.1 塌方原因分析

(1)楊家山隧道隧址區(qū)地質(zhì)條件復雜，穿越了包括F6-6、F6-7以及F7等區(qū)域性斷裂帶的14條主要斷層和韌性剪切帶，施工難度極大。該隧道在塌方時，先以股狀水流出，進而導致突泥，隨后較大塊狀巖石出露。由于已施作初支的卡固，因此巖塊未繼續(xù)下墜，但突泥持續(xù)，在迅速回填反壓后，突泥減少，但出水量極大。因此，此次塌方可歸類為碎裂松動巖體在水流作用下引起掌子面蠕變的異形大塌方。

(2)左右洞塌方段均位于斷層帶，巖體極破碎，且坍塌體多含砂質(zhì)千枚巖，但左洞塌體中伴有較大塊石，且水流量較大，伴有明顯的嘩嘩聲，右洞水流成股狀流出。因此，地質(zhì)條件差是塌方的主要因素。同時，該段施工采用二臺階法開挖，鑒于此段處于斷層破碎帶，此種開挖方式在圍巖條件惡化的情況下不利用掌子面自穩(wěn)。

2.2 塌方治理方案

根據(jù)現(xiàn)場圍巖的實際情況以及超前地質(zhì)預報的分析結(jié)果，在“科學、擇優(yōu)、安全、經(jīng)濟”的原則下，對楊家山隧道左洞ZK22+628～ZK22+636塌方段、右洞K22+624～K22+631塌方段的治理指導思想是“管超前、嚴注漿、短進尺、少擾動、強支護、快加固、早成環(huán)、勤量測”。具體施工方法和要求為：

(1)左洞：采用洞渣回填反壓封閉掌子面，洞渣應回填至坍腔口的上緣，并盡量填充坍腔?；靥钸^程中應注意坍腔口位置的穩(wěn)定，防止坍方擴大。

右洞：采用洞渣回填反壓封閉掌子面，加固已有初支，采用I18工字鋼將距離掌子面2.5m范圍內(nèi)的初支在內(nèi)側(cè)加固，采用小導管對K22+620～K22+624段的圍巖及初支進行加固，防止前方塌方段影響已有初支，小導管環(huán)向間距為1m、縱向間距為0.5m，小導管單根長度為4.5m。

(2)左洞：坍腔回填完成在上方坍塌趨近穩(wěn)定后，實施超前支護鎖口。在ZK22+628掌子面后面2榀拱架位置，利用已支護拱架作為管棚施工導墻，拱部150°范圍內(nèi)按環(huán)向間距40cm布置φ108大管棚(厚度6mm)；大管棚外插角5°～10°，管棚長15m，對拱頂及掌子面前進方向松散巖體進行純水泥漿注漿，改良塌體，整體凝結(jié)，防止再次坍塌。如地下水較大，可采用少量水泥-水玻璃漿止水。

右洞：坍腔回填完成在上方坍塌趨近穩(wěn)定后，實施超前支護鎖口，因掌子面拱頂坍塌空腔深度大、跨度寬，在K22+624掌子面后面2榀拱架位置，利用已支護拱架作為管棚施工導墻，在拱部150°范圍內(nèi)按環(huán)向間距40cm布置φ108大管棚(厚度6mm)；大管棚外插角5°～10°，管棚長15m，對拱頂及掌子面前進方向松散巖體進行純水泥漿注漿，改良塌體，整體凝結(jié)，防止再次坍塌。地下水較大時，采用少量水泥-水玻璃漿止水。

(3)左洞：加強ZK22+628～ZK22+636段的支護參數(shù)，采用V加強型襯砌，并取消系統(tǒng)錨桿。

右洞：對K22+624～K22+631段的結(jié)構(gòu)初期支護進行加強，鋼拱架采用I20b工字鋼(全封閉)，間距為40cm；采用φ8鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格為20cm×20cm，預留變形量為20cm，噴射混凝土的厚度為26cm，二次襯砌厚度為60cm，配筋按φ22@20cm配置。

(4)坍方處治采用三臺階或預留核心土法開挖，三臺階開挖時，上臺階開挖高度不得大于3.5m，各臺階的長度不宜大于3m。此外，應保證鋼架的施工質(zhì)量，尤其應避免鋼架接頭出現(xiàn)在拱頂?shù)缺∪跷恢?，并保證鋼架接頭的質(zhì)量。鋼架腳應按設(shè)計設(shè)置加長鋼板或槽鋼，防止拱腳發(fā)生沉降變形。做好臨時排水工作，禁止積水浸泡拱腳。鋼架接腿應按設(shè)計要求，控制一次接腿長度不超過2榀鋼架，中、下臺階接腿時要分幅錯開施工，不能左、右幅同時施工，并及時封閉成環(huán)。同時，掌子面距仰拱的施工距離不宜大于15m，二襯距離掌子面不宜大于40m。

(5)左洞：針對坍腔在拱頂偏右側(cè)預埋1根1m長的φ125混凝土輸送管，待初支穩(wěn)固后，通過φ125混凝土輸送管泵送0.5m厚的C20混凝土填充塌腔腔體。

右洞：針對拱頂坍腔，因塌腔高度較高，為防止掉塊和坍塌破壞支護，在K22+624～K22+631段塌腔150°范圍內(nèi)(輪廓線外側(cè))，采用1m厚C25混凝土護拱，護拱縱向長度7m，護拱拱腳應落實或采用擴大基礎(chǔ)。護拱將大管棚和部分鋼架包裹，致使形成整體，加強支護受力。護拱拱頂及兩側(cè)預留φ100排水孔，一個斷面設(shè)置3個排水孔，共4個斷面，排水管進水口高度應大于回填層20cm，以減少浸水對護拱造成較大壓力。利用排水孔在護拱上部鋪設(shè)2m厚炭渣，作為緩沖層。

(6)在施工期間，分別在ZK22+628、ZK22+633、ZK22+636、K22+624、K22+629、K22+631斷面處布置監(jiān)測點進行監(jiān)測。并重視超前地質(zhì)預報工作，按設(shè)計文件要求和物探成果相應實施超前探孔，并取芯，以確定F6-7斷層的位置，及時將地質(zhì)預報成果反饋給建設(shè)各方，做到動態(tài)設(shè)計、動態(tài)施工。

2.3 塌方治理效果

在塌方災害的治理過程中，監(jiān)測單位和施工方分別對上述6個監(jiān)測斷面跟進監(jiān)測。通過分析各斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)變形速率及收斂預測值均在容許范圍之類，尚無再次發(fā)生災害事故的危險。較大的水流量通過泄水口排出，降低了初支背后的水壓，但地下水的大量排泄對環(huán)境造成何種程度的影響有待考證。在此塌方環(huán)境下采用上述災害治理方案切實可行，而且行之有效，不但安全而且能形成較為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)束語

(1)隧道塌方對工程進度和效益影響巨大，因此在施工過程中，首要任務是做好各種防塌防坍的預防措施。

(2)一旦發(fā)現(xiàn)有坍塌預兆，應及時采取加固措施。如風險不可控，應及時撤離所有人員和機具設(shè)備。

(3)斷層破碎帶地段的塌方，塌方體一般較大，不宜先清除坍塌體，否則可能導致更大塌方。應采取回填反壓，封閉掌子面，封閉坍塌口的方式，然后對坍塌體及前方圍巖進行注漿加固，設(shè)置超前大管棚。以“管超前、嚴注漿、短進尺、少擾動、強支護、快加固、早成環(huán)、勤量測”為指導思想，達到安全、經(jīng)濟、快速、方便的治理效果。

(4)富水地段的塌方處理應做好排水措施，防止初支由于背后水壓過大而發(fā)生破壞。

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