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所属栏目：推荐论文发布时间：2011-02-25浏览量:196

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　　隧道塌方的原因及处治技术
　　衡阳市公路桥梁建设有限公司罗立志
　　摘要：隧道塌方经常发生，给施工带来了许多困难。塌方的原因及类型是多样的，处理塌方的方法也不一样。本文着重探讨了不同情况了塌方的处理技术，对隧道施工有一定的借鉴意义。
　　关键词：隧道塌方处理技术
　　0引言
　　在隧道施工中，由于设计不当、自然地质条件、施工方法和施工质量等的影响，隧道坍方经常出现。一旦发生坍方，不仅给隧道施工带来巨大的困难，而且致使机毁人亡，延误工期，耗费资金，并且留有后患，成为未来隧道出现病害的主要根源。如果没有一种科学合理的处理方法，往往会造成更大损失，达不到预期效果。国内大部分在建或已建成的隧道均发生过不同程度的塌方，这些塌方的原因直观上看是围岩差造成的，而实质上是由于人们对围岩的稳定及喷锚支护原理认识不足，所采用的开挖、支护方法不当造成的[1]。
　　1.塌方类型划分[1]
　　根据塌方的表现形式,塌方的产生与发展可分为突发性塌方、阵发性塌方与缓慢变形性塌方。突发性塌方是在进行爆破过程中,伴随爆破作业发生的坍塌。这种塌方会使施工人员和机械设备来不及撤出,造成的危害最大。阵发性塌方是伴随爆破或爆破后一段时间,由于围岩结构松动弱化发生连续的多次坍塌。表现为先期发生一次坍塌后,间隔一段时间在原位置或附近又发生一次或多次坍塌。这类塌方一般会危及塌方处理人员,危害性较大。缓慢变形性塌方是由于隧道的开挖,破坏了原有的应力场，围岩应力的释放、重组使结构发生弱化现象,如果围岩较好,变形后能满足强度要求,会形成天然支护体系,否则,在长期应力作用下,围岩由弹性变形向塑性变形过渡,当达到塑性极限时,便会发生坍塌。这种坍塌也会发生在已完成二衬的隧道中。由于它是逐渐发展形成的,可通过监控量测观察到它的发展,故只要严格按照新奥法施工,它对工程的威胁性较小。
　　根据塌方的发展规模可分为大塌方与小塌方。大塌方在隧道洞身的坍塌长度大于15m,塌体填埋整个洞身,处于不稳定状态,如不及时处理则会有更大发展的可能。小塌方的坍塌长度小于15m,塌方部位基本已经自稳,无外界影响时,没有发展的可能。
　　根据塌方的影响范围可分为塌至地表的塌方（冒顶塌方）与未塌至地表的塌方（空腔塌方）。前者一般发生在隧道埋深较浅的位置,后者一般埋深较大,在塌方发生过程中会形成自然塌落拱,阻止塌方的发展。
　　2.塌方原因分析[2]
　　2.1不良地质造成的塌方
　　不良地质主要包括风化变质岩体、裂隙发育岩体、崩塌岩堆地层区、断层带、溶洞、滑坡、泥石流、膨胀性地层等，当隧道从这些岩体中通过时，如稍有疏忽，就可能发生塌方。
　　2.2地下水造成的塌方
　　地下水是影响围岩稳定的重要因素之一，这不但能使软化系数大的岩石强度降低，而且使结构面的抗剪强度减少，比如页岩、黏土遇水极易软化而降低承载能力。对于断层，地下水的影响更大，一般张性断层是储水结构，压性断层带中断层糜棱岩是隔水的，而另一侧的破碎带为含水的，当揭穿断层后，便时常发生突发性涌水导致塌方。
　　2.3地压造成的塌方
　　地压重要包括偏压、塑性地压、滑坡及高地应力区等，偏压和滑坡在隧道洞口造成的塌方实例很多，塑性地压引起隧道挤出性破坏也时有发生，高地应力区的完整坚硬岩体常发生岩爆。
　　2.4设计和施工不当造成的塌方
　　目前大多数隧道都号称采用“新奥法”设计和施工，由于对“新奥法”概念和原则的内涵理解有偏差，所以在许多工程中遭到失败。一般在软弱、破碎、偏压、浅埋地层中施工隧道时，除应强调“短进尺、弱爆破、强支护、早闭合”以外，还要强调应用超前支护、勤量测、及时反馈、及时补强等措施；而不应强调柔性支护，更不能强调用变形释放来减载，因为这样可能会造成围岩松#p#副标题#e#弛坍塌，“新奥法”对监控量测、信息处理、及时反馈要求很严，没有这样的保证，塌方是很难避免的。施工中该架设钢支撑的地段没有架设或者即使架设了但间距过大、安装偏差过大，锚杆长度不够，数量不足，角度不对，普通砂浆锚杆砂浆不饱满或强度尤其是早期强度不足,该挂钢筋网的地方没有挂网，喷射混凝土厚度不够，尤其是用模注混凝土代替喷射混凝土，这种做法很不妥，因为模注混凝土的质量差，对围岩裂隙不能填充，甚至不能保证和开挖面密贴，也就不能加强围岩。形不成喷层和地层共同作用，随着爆破所产生动荷载的作用，会造成后部塌方。再者，就是爆破参数不正确，周边眼装药量过大。
　　隧道塌方的因素很多，任何一个因素处理不当，都有可能导致塌方。这就要求在隧道施工中，不能忽略任何一个小的细节，如果发现隧道有水，应立即查明水的来源；发现拱顶下沉比较大，应尽快施做护拱及加强监控量测；当掌子面围岩很破碎时，应减小爆破的强度。总之，一旦发现问题，应及时处理。
　　3.塌方处理
　　3.1塌方高度小于5m的塌方处理
　　在隧道施工中，塌方量较小的塌方经常出现，处理的方法也比较简单。小型冒顶塌方的处理：①在地表施做排水沟并用彩布遮盖塌坑②对塌坑四壁进行喷锚支护③塌体开挖，最好用掏拱架槽的方式进行开挖并支护，钢拱架间距0.5m每榀④塌坑回填并拍实。如图1：
　　小型未冒顶塌方的处理：①先清除掉塌腔四壁的危石②在施工条件允许的情况下，对塌腔四壁进行打喷杆、挂网、喷射混凝土支护③塌体开挖，最好用掏拱架槽的方式进行开挖并支护，拱架间距0.5m每榀④塌腔回填。如图2：
　　3.2塌方高度大于5m的塌方处理
　　塌方量较大或很大的塌方处理相对来说比较复杂。主要有小导管法、护拱法、长管棚法。下面结合具体的工程实例一一介绍。
　　3.2.1小导管法
　　小导管注浆法适用于塌体较大,地质条件较松散的塌方。施工措施为预注浆加固塌体和松散围岩,并与钢拱架和锚喷混凝土相结合对塌方进行处理。目前施工单位较多采用此法处理影响范围不大的塌方。小导管一般采用φ32mm～φ50mm钢管,长5m～9m,环向间20cm～30cm,纵向间距0.6m～1.0m,插入施工中一般采用不同外插角的方法对加固岩体效果较好。
　　【具体工程实例】科洞隧道冒顶塌方的处理
　　科岩隧道是一座双线隧道,全线长2635m，地质主要为强风化白云岩，岩性破碎，有裂隙水，围岩Ⅲ~Ⅴ级，其中出口段110m为Ⅴ级。施工方法为上下台阶预留核心土法。
　　1.坍方描述
　　科岩隧道右线出口开挖至YK74+052里程时，掌子面揭示围岩为强风化白云岩，非常破碎，刚立完钢拱架，发现掉块严重，施工人员赶紧从隧道撤出，随即隧道拱顶发生冒顶塌方，将已架设好的3榀钢拱架砸变形。坍方范围：上井口长约15m,宽度约10m,下井口长8m,宽5m，隧道埋深9m，坍方数量近700m3。本次塌方原因可以归纳为：该段溶洞、溶槽发育，岩体破碎，层间结合力差，超前小导管注浆效果不好。
　　2.坍方处理
　　（1）地表处理：全面检查地表并做好拦截排水沟，将地表的天井洞壁松散部分清除后,用C20钢筋混凝土锁口,混凝土厚0.5m,高1.0m,表面尺寸较天井尺寸每边各扩大1.5m，用彩布覆盖地表，防止坍方区顶部出现地表渗水。
　　（2）塌坑壁加固：将塌坑四壁采用锚杆挂网喷层，以稳定四壁，锚杆从上往下打。
　　（3）在已变形的钢拱架之间挖槽嵌入I18工字钢拱架，施工径向φ42超前小导管注浆，小导管长度为6米，纵环间距为50cm×100cm。注浆加固后再拆除已变形的钢拱架。
　　（4）①已坍塌土方暂不清除，防止拱顶上部土层继续坍塌，在隧道中对坍塌松渣表面喷射混凝土固结。②沿设计隧道的轮廓线用人工打进6.0m长φ42注浆导管,环向间距为40cm,纵距1.0m。③当注浆达到一定强度后,即在隧道中用人工沿比隧道设计初#p#副标题#e#衬轮廓线扩大20cm开挖环形槽,当环形槽推进0.5m后,立即对开挖面素喷5cm厚C20混凝土,再安装钢拱架,在钢拱架内外沿各挂一层φ8×20×20钢筋网片,喷射厚22cm的C20混凝土。④以上工序完成后,再用机械掏挖核心松渣,当0.5m厚的核心松渣挖除后,又对新的松渣表面素喷5cm厚C20混凝土,然后重复②、③、④工序，按0.5m步距向前推进。
　　(5)塌方段原设计D25砂浆锚杆变更为φ42注浆小导管，小导管长度为4.5米，纵环间距为50cm×100cm。小导管注水泥浆，加固土层，以增强围岩自身承载力，该土层设计孔隙率为15%。
　　（6）其余支护结构均按原设计进行施工。
　　(7)回填：用土回填塌陷坑，并拍实，用20cm厚C15混凝土将井口封闭。如图3
　　3.2.2护拱法
　　隧道发生较大塌方，但没有冒顶，这时往往会形成一个空腔，对坍腔壁采取喷、网、锚、撑相结合的方法进行加固,然后在塌腔底部浇筑一层混凝土护拱，在护拱的掩护下施工安全地度过塌方段。坍腔内根据其高度,全部或部分用混凝土进行回填。塌腔的处理原则是“稳固既有坍塌面,快速处理封闭成环”。
　　【工程实例】老湾隧道塌方处理
　　老湾隧道全长700m，地质主要为含砾粘土、粘土，灰黄色，节理裂隙极发育，岩性破碎，呈碎裂状结构，有裂隙水。岩溶发育，多溶洞，隧道顶板亦分有溶洞，施工中容易发生塌方。施工方法上下台阶预留核心土法。
　　1.坍方情况
　　老湾隧道进口左线掘进至ZK18+022里程时，在隧道拱部发现一填充型溶洞,溶洞充填物不断塌落,最终顶部坍出一个大锅盖,坍方长度约10m,宽度约8m,高度约12m,坍方数量近900m3。
　　3.塌方处理
　　（1）地表处理：全面检查坍顶地表，裂缝处用粘土夯填，砂浆封闭，并做好拦截排水沟，用彩布覆盖地表,防止坍方区顶部出现地表渗水。
　　（2）塌腔壁处理：①清除塌腔壁危石，在施工安全允许的前提下，局部打砂浆锚杆②对坍塌壁喷射一层10cm厚的C20混凝土。
　　（3）塌方段开挖与支护：先大致清平坍体表面,预打锁脚钢管、、排水盲沟等,再架立Ⅰ18钢拱架,间距0.5m,连接成整体,Ⅰ18钢架下再打木排架予以加强,吊扣木模,输送泵泵送混凝土灌注护拱,护拱顶部厚度1.0m,拱脚处满灌,腰部视情况尽可能用片石土袋码护,以节约成本，并预埋后期空腔回填混凝土管道。灌注护拱时,予埋钢轨两头搭接,同时也起预支护作用。
　　（4）回填：往空腔内泵送混凝土至2m厚。如图4
　　图4图5
　　3.3.3管棚法
　　管棚法适用于塌方严重,影响较大的塌方处理。采取的具体措施为先对塌体及周边岩体进行预注浆加固,之后在预留变形基础上向塌体或周边岩体打管棚进行塌方处理。为方便注浆,通常采用花管,长度大于15m以上,直径80mm～108mm,也可起到挤密土体的作用,如果塌方处于很强的地应力围岩中,也可选用钢轨与花管结合使用。施工时,大管棚布设在衬砌外35cm~50cm,起拱线以上1.5m的范围内,钢管间距一般50cm左右。大管棚一般与钢拱架、定位锚杆和喷混凝土配合进行。拱架间距0.3m～0.8m,定位锚杆环向间距1m左右,拱脚设锁脚小导管。混凝土喷射厚度20cm～30cm,每开挖2m左右衬砌一环。大管棚施工时钢管宜长不宜短,以减少施工时间和材料的重叠,从而加快施工进度。
　　【工程实例】排花隧道塌方处理
　　排花隧道是一座双线隧道，围岩为强风化白云岩、粉质粘土、粘土夹石，岩溶发育,隧道开挖方法为环形导坑预留核心土法。
　　1.塌方情况
　　排花隧道开挖至ZK12+258里程时，在拱顶发现一大型充填粉质粘土溶洞，由于粘土自稳能力差，随即发生塌方，塌体涌入隧道，形成空腔，空腔高20m，宽8m，长20m，塌方量近2000m3，所幸无人员伤亡。
　　2.塌方原因分析
　　①原设计为Ⅳ级围岩，而实际开挖为Ⅴ级围岩②施工中超前支护没做好③超前地质预报没有准确地探测出溶洞的位置及类型④施工中爆破强度过大及进#p#副标题#e#尺过长，初期支护不及时。
　　3.塌方处理
　　（1)管棚室的制作：在ZK12+248~ZK+256段隧道拱部开挖一高2m，长8m的管棚室。管棚工作室形成后，即可钻设超前管棚。管棚施工长度为25m。管棚设计参数①钢管规格：热扎无缝钢管Φ108mm，壁厚6mm，
　　②管距：环向间距30cm；③倾角：仰角1°(不包括线路纵坡)，方向：与线路中线平行；④钢管施工误差：径向不大于20cm；⑤隧道纵向同一横断面内的接头不大于50％，相邻钢管的接头至少须错开1m。
　　(2)长管棚施工工序：套拱制作及导向管安装-搭建钻机平台-钻机就位-成孔-安装钢管-注浆。
　　（3）隧道开挖：管棚施做完之后，进行隧道开挖，掏拱架槽，立拱架，循环进尺为0.5m,及时施做加强型二衬，厚度为60cm。
　　（4）顶部部分空腔用C20混凝土填充。如图5：
　　4.隧道塌方的预防[3]
　　根据塌方原因，制定相应的施工措施和支护方法是预防塌方的有效途径。
　　(1)加强超前支护：土质隧道开挖后的自稳时间极短。往往来不及进行支护就失稳，所以在开挖前．必须进行超前支护．本工程一般采用超前锚杆或小导管．对于拱顶为含水砂层时，需对砂层注浆．使砂层具有一定强度，增加其自承能力，防止砂层开挖后立即塌落。
　　(2)减小对围岩的扰动：在土质隧道掘进过程中尽量采用机械开挖，当需要进行爆破时，必须采用小药量分次爆破。防止形成较大的松动区，使临时支护上的压力过大而失稳。
　　(3)及时进行刚性强支护：在土体中开挖隧道，工作面前方部分的围岩在开挖前已发生变形，开挖后，必须采取刚性强支护，防止围岩发生有害的塑性变形。首先及时喷射混凝土防止松动块掉落后。提高围岩自承力；其次架设工字锕拱架支护．提供强力支护，使围岩塑性变形控制在安全范围内；最后再次挂网喷射混凝土，增加支护力。
　　(4)优化施工方法：对于土体隧道掘进，采用分台阶预留核心土方法开挖，缩短开挖与支护时间，及早对围岩提供支护力。
　　(5)及早进行二次衬砌：土质隧道围岩具有蠕变性质，为了节约临时支护费用，又能防止隧道失稳，应当及时进行二次衬砌。=次衬砌的时间应根据围岩变形观测结果确定，根据本工程经验，二次衬砌滞后开挖不宜超过一个月。
　　5.结束语
　　（1）“新奥法”的应用越来越广,但“新奥法”的实施在很大程度上受到建设管理制度的限制,因为新奥法是以“设计-施工-量测”为一体的。在实际的隧道施工过程中，往往监控量测不被看重，甚至原设计被更改，比如说超前小导管没有注浆、管棚长度不够等等。
　　(2)对于支护结构参与作用的时间,要求开挖后尽快加以支护,实践中由于工序的影响,立即素喷3cm厚混凝土是至关重要的,尤其在浅埋和围岩差时更重要,因为几个小石块的松动就会造成更大范围的松动而且开挖后围岩的风化作用加剧,降低围岩力学指标。
　　(3)隧道塌方对工程安全存在着巨大的危害,施工过程中一定要把防塌、治塌列为隧道施工防治的重点问题。在不良地质条件下施工,开挖、支护与衬砌等工序应以防塌为重点,要做到严格执行设计标准,按规范施工,做到弱爆破,短进尺,强支撑,早封闭。
　　参考文献
　　[1]代刚.隧道塌方与处理方法[J].科学之友.2006，25~26
　　[2]郑玉欣.隧道施工塌方机理分析及处治技术[J].铁道工程学报.1999,2:69~70
　　[3]吴建兵.大断面土质隧道塌方处理及预防.土工基础.2003,17(1):29~30