淺埋大斷面隧道塌方機理分析與處治建議

姚遠 劉玉梅

摘要：文章結合某淺埋大斷面隧道冒頂塌方情況，分析了塌方體形態(tài)特征，指出地形地貌、地質構造、地層巖性、水文地質是隧道塌方的影響因素，并從力學角度闡述了塌方的機理，開展了塌方段圍巖穩(wěn)定性評價，提出了相應的處治建議，可為今后類似工程提供參考。

關鍵詞：大斷面隧道;塌方;機理分析;處治

This article analyzes the morphological characteristics of landslides in combination with the roof collapse of a shallowburied largesection tunnel，points out that topography，geological structure，stratum lithology and hydrogeology are the influencing factors of tunnel collapse，describes the mechanism of landslide from the mechanical point of view，conducts the stability evaluation of the surrounding rock at landslide section，and proposes the corresponding treatment suggestions，thus providing the reference for similar projects in the future.

Large section tunnel;Landslide;Mechanism analysis;Treatment

0 引言

塌方是隧道淺埋地段施工中常見的地質災害，通常會造成工期延誤，人身財產安全損失等，是隧道后期運營常見的安全隱患。因此，開展隧道塌方機理分析，為隧道塌方的處治提供理論依據(jù)，具有重要意義。本文依托某淺埋大斷面隧道冒頂塌方的工程實際，深入分析冒頂塌方的影響因素及其力學機理，提出了針對性的處治建議，以期為今后類似工程提供借鑒和參考。

1 工程概況

某淺埋大斷面隧道位于某盆地邊緣的丘陵地貌區(qū)域，周圍有較大地形起伏。隧道設計為分離式+小凈距的形式，分為機動車隧道和非機動車隧道。右線機動車隧道起止樁號為YK2+340～YK2+820，長度為480 m，設計單向四車道，最大開挖跨度達21.545 m，最大開挖高度為15.05 m，最大拱頂埋深約75 m。上覆地層為第四系坡積相及坡殘積成因的黏性土、碎石土，下伏古近系泥巖、粉砂巖及泥盆系硅質砂巖等。機動車隧道內輪廓詳見圖1。

2 隧道塌方情況及塌方體形態(tài)特征

2.1 隧道塌方情況

在隧道開挖過程中，YK2+413～YK2+504.5段曾多處發(fā)生中小型塌方，施工方曾對塌方產生的空洞進行了注漿處理，但不徹底。最近一次塌方發(fā)生過程為：首先拱頂監(jiān)測點開始監(jiān)測出較大幅度的變形，初期支護開裂、錯位，拱頂開始掉渣;幾分鐘過后，隧道掌子面發(fā)生塌方，牽引著隧道小樁號范圍發(fā)生坍塌，造成地表塌陷，塌方現(xiàn)場無人員傷亡。塌方導致了地表出現(xiàn)許多拉裂縫（裂縫寬20～60 cm，可見深度達40～80 cm）與兩個塌陷坑，地表塌方面積約為1 500 m2。此次塌方事故造成了極大的經(jīng)濟損失，延誤了施工進度，對隧道施工產生了很大的影響。

塌方時機動車隧道右線里程YK2+413～YK2+504.5共91.5 m左右導洞已貫通，進口端二次襯砌已施工至YK2+413，出口端施工至YK2+504.5。YK2+413～YK2+487段圍巖級別為Ⅴ級，設計為淺埋隧道，襯砌類型為Ⅴ級C型;YK2+487～YK2+504.5段圍巖級別為Ⅴ級，設計為深埋隧道，襯砌類型為Ⅴ級D型。兩段均采用雙側壁導坑法施工，其隧道支護參數(shù)見表1。

2.2 塌方體形態(tài)特征

該隧道YK2+413～YK2+435段塌方冒頂后，地表形成面積約1 000 m2的橢圓形塌陷坑，四周多為陡坎，最深塌陷深度約為7.1 m，地表塌陷里程范圍為YK2+425.6～YK2+465.8，隧道塌方體堆積里程為YK2+400～YK2+435，空間上呈斜圓柱狀，塌陷后的地表自然坡角約22°。從巖性看，地表塌陷坑內的巖土體以角礫及角礫狀黏性土為主，土體松散;而洞內塌方堆積體呈黃色、灰黃色，主要以角礫、碎石和黏性土為主，母巖成分主要為硅質砂巖。

該隧道YK2+470～YK2+504.5段塌方冒頂后，地表形成面積約500 m2的橢圓形塌陷坑，塌陷坑周圍多為陡坎，塌陷深度最大約為6.8 m，地表塌陷里程范圍為YK2+476～YK2+502，隧道塌方體堆積里程為YK2+470～YK2+516，空間上近似呈圓柱狀，地表自然坡角約為30°。從巖性看，塌陷坑內的巖土體以角礫及角礫狀黏性土為主，土體較松散;而洞內塌方堆積體呈灰色、灰黑色，以塊石、碎石為主，母巖主要為硅化粉砂質泥巖。發(fā)生坍塌時，該處施工臺車被擠壓變形。

3 隧道塌方的影響因素及力學機理研究

3.1 隧道塌方的影響因素

（1）地形地貌

隧道右洞進口端處位于山脊向山谷的過渡段，東高西低，這使得進口端兩側的巖土層厚度不同，導致隧道襯砌所承受的壓力不同，洞口受偏壓影響較大。此外，隧道塌陷區(qū)埋深較淺，洞室圍巖的松弛變形會影響至地表，這也是隧道出現(xiàn)塌方冒頂?shù)牟焕蛩亍?/p>

（2）地質構造

塌方段位于向斜盆地南翼，受地層構造的影響，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，主要發(fā)育著產狀為10/SW∠75和100/NE∠72的這兩組節(jié)理，節(jié)理密度分別為5～12條/m和4～10條/m。節(jié)理裂隙的存在使得圍巖完整性和穩(wěn)定性變差，這是隧道拱頂塌方出現(xiàn)的重要原因。

（3）地層巖性

隧道穿越的地層巖性主要為全～強風化的硅質砂巖、夾硅化粉砂質泥巖，多呈薄層～中厚層狀構造，力學強度低。掌子面及塌方體均見厚度不等的炭質泥巖或泥質夾層，為塌方、冒頂?shù)漠a生提供了物質條件。

（4）水文地質條件

隧址區(qū)場地第四系覆蓋層厚度較小，結構松散，地表水及降雨可沿孔隙下滲，補給基巖裂隙水。隧道塌方發(fā)生前數(shù)天內，隧址區(qū)有降雨，雨水在下滲過程中，使泥化夾層、巖體結構面發(fā)生了軟化，大幅度降低了巖體結構面的抗剪強度，使得隧道圍巖的強度降低。

（5）施工控制因素

該隧道經(jīng)過塌方段時，未采用雙側壁導坑的開挖方式，襯砌支護參數(shù)不足，未重視隧道支護整體性能，爆破控制較差，對圍巖擾動較大，使圍巖的穩(wěn)定性受到較大影響。

由此可見，該隧道塌方地質災害主要是由內在因素與外在因素（施工因素）的共同影響下出現(xiàn)的。隧道塌方段圍巖本身強度低，降雨與施工擾動使得巖體強度降低，從而引發(fā)隧道塌方災害。

3.2 隧道塌方的力學機理研究

根據(jù)隧道塌方現(xiàn)象，下文從微觀角度分析隧道塌方的力學機理。隧道未開挖時，隧道圍巖應力處于相對平衡的狀態(tài)，承載力較高。當隧道開挖后，圍巖的初始應力狀態(tài)開始變化，其相對應力平衡狀態(tài)受到破壞，此時圍巖處于二維應力狀態(tài)條件下，承載力有顯著的降低。

隧道塌方段圍巖節(jié)理裂隙極發(fā)育，部分裂隙夾泥，巖體結合力差;加上隧址區(qū)降雨的滲入，使得圍巖巖體強度降低，土體流動造成極大荷載，使作用在支護與襯砌上的外部壓力增大。當襯砌強度不足以維持隧道穩(wěn)定時，隧道圍巖的變形會逐漸增大，從而引發(fā)洞內塌方事故。

隧道洞內發(fā)生塌方后，上部巖體失去約束和支撐，在重力的作用下不斷向下塌落，形成了近似的土體塌落拱。隨著時間的推移，隧道上方的地層壓力會逐漸傳遞給土拱兩側的土體，使其能保持短暫的穩(wěn)定狀態(tài);但由于如雨水下滲、地表被增加荷載等外部因素的影響，破壞了隧道上方土體部分的土拱效應，松動區(qū)域會逐漸擴展至地表，造成地表塌陷。

4 隧道塌方的預防與處治建議

本文結合前文分析的某淺埋大斷面隧道塌方情況、影響因素與力學機理，并參考相關項目施工經(jīng)驗，對淺埋大斷面隧道塌方預防與處治提出以下幾點建議，相關經(jīng)驗可供相似工程參考與借鑒。

4.1 隧道塌方預防建議

（1）加強隧道超前地質預報，可先用物探的方式查探前方富水破碎帶的大致位置及富水情況，然后再采用鉆探方式準確驗明，并針對地下水采取相應的控制措施。

（2）淺埋大斷面隧道在圍巖擾動后，穩(wěn)定性變差，施工時建議采用對隧道圍巖擾動較小的開挖方法，盡量采用機械或者人工開挖。

（3）隧道施工時應加強監(jiān)控量測，及時根據(jù)監(jiān)控量測結果相應調整襯砌與支護參數(shù)，在鋼架內外緣交錯布置鋼架聯(lián)系鋼筋，可設置縱向支撐的聯(lián)接槽鋼，鋼拱架宜加強鎖腳設計，有效提高支護的整體性能;隧道徑向采用小導管替代原系統(tǒng)錨桿，并采用梅花型的布置形式。

（4）水平巖層段開挖施工容易出現(xiàn)塌頂?shù)默F(xiàn)象，在設計中應適當增加初期支護強度，并考慮在無拱架段落設置防崩落支架，應針對水平巖層制定專業(yè)的爆破方案。

4.2 隧道塌方處治建議

若隧道出現(xiàn)塌方現(xiàn)象，應首先做好地表水的防排措施，避免雨水沿塌方堆積體下滲引起二次災害;然后封閉隧道開挖面，采取地表注漿和洞內注漿預加固的方式，封堵地表裂隙，提高圍巖整體強度;最后整平地表，進行綠化。具體應從以下幾個方面進行處理：

（1）地表防排水處置

應順應地形，在裂縫外圍設置地表截水溝，將地表水截排至隧道外。采用灌漿封堵地表裂縫，修整地形以便平順排水，然后回填黏性土隔水層，接著回填種植土，最后種樹恢復綠化。

（2）地表注漿及超前注漿

地表注漿可有效填補地表裂縫，將松散土體粘結成強度較大的整體。地表注漿前應在隧道內利用砂袋進行反壓，封閉開挖面;同時先在加固區(qū)域周邊注入雙液漿，雙液漿凝結時間短，可有效防止后注入漿液向隧道內或周邊擴散。注漿順序為由外到內，使?jié){液與巖土體有效凝結成整體。開挖前應對掌子面塌方巖土體進行注漿加固，注漿順序為由外到內，水泥漿與巖土體膠結成整體后才能進行開挖。

（3）施工開挖方法

隧道塌方發(fā)生后，雖然通過地表注漿及超前注漿等手段將松散巖體固結，但圍巖穩(wěn)定性依然較差，應采取少擾動的開挖方法，如單側壁導坑法或雙側壁導坑法等，盡量采用機械或人工開挖。

（4）施工工序

首先對地表裂縫進行處理，然后進行地表注漿，待到注漿固結形成強度后進行洞內塌方處治。洞內塌方體施工開挖宜采用單側掘進，配合少擾動的開挖方法，初期支護緊跟，及時封閉成環(huán)，必要時增設臨時橫、豎支撐，穩(wěn)步向前，二次襯砌緊跟。

5 結語

本文以某淺埋大斷面隧道冒頂塌方現(xiàn)象為研究背景，深入分析了隧道塌方的影響因素與力學機理，并結合相關項目工程實踐，提出了相應的隧道塌方預防與處治建議。本文主要研究結論如下：

（1）隧道拱頂發(fā)生塌方后，上部巖體失去約束，在重力的作用下不斷向下塌落，形成近似土體塌落拱。隨著上方土體顆粒的松動塌落，松動區(qū)域會逐漸擴展至地表，造成地表土體的塌陷。

（2）隧址區(qū)地下水是引發(fā)隧道塌方現(xiàn)象的主要因素，應加強隧道超前地質預報，探明地下水情況，并做好防排水措施。

（3）隧道宜采用少擾動的施工工法，同時應加強初期支護和二次襯砌。

經(jīng)過十個月有條不紊的施工，該隧道塌方處治施工完成并順利貫通，期間未再出現(xiàn)過大變形或塌方的跡象。合理的措施能實現(xiàn)快速高效、安全可靠的隧道塌方處治施工，保證運營期間的安全有效，并為今后類似工程的處理提供參考。

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