周 海 李 翔 孫元春

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

隧道塌方是指圍巖失穩(wěn)而造成的突發(fā)性坍塌、堆塌、崩塌等破壞性地質(zhì)災(zāi)害，是最為常見、比較典型的一種事故［1］。塌方常發(fā)生于斷層破碎帶、膨脹巖(土)、第四系松散巖層、不整合接觸面、侵入巖接觸帶及巖體結(jié)構(gòu)面不利組合地段［2］。導(dǎo)致隧道塌方的原因很多，可以概括為兩大類:一類是自然因素，即地質(zhì)狀態(tài)、受力狀態(tài)、地下水變化等;另一類是人為因素，即不適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，或不適當(dāng)?shù)氖┕ぷ鳂I(yè)方法等。這兩大類影響因素，又可以細(xì)分為地質(zhì)因素、設(shè)計(jì)因素、施工因素和認(rèn)識因素四個(gè)方面［3］。巖體的非均質(zhì)性以及施工的影響引起的應(yīng)力分布和傳遞很復(fù)雜，使得破壞模式多樣、破壞程度不一［4］。汪成兵［5］統(tǒng)計(jì)分析了大量隧道塌方工程實(shí)例，指出地質(zhì)條件、隧道埋深、隧道斷面形式及大小、地下(表)水、爆破擾動、施工措施不當(dāng)是隧道塌方的主要影響因素。孫元春［6］對塌方與圍巖變形時(shí)空效應(yīng)之間關(guān)系進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。鄭玉欣［7］通過調(diào)查分析，將塌方歸納為五種形態(tài)，共包括16種不同類型，并提出隧道塌方的相應(yīng)處治方法。侯軍紅［8］對太中銀鐵路崗城隧道突泥塌方處理技術(shù)方案進(jìn)行了比選研究。

根據(jù)某隧道DK87+443處塌方段圍巖的工程地質(zhì)條件，綜合分析了塌方發(fā)生的原因，并提出了相應(yīng)的治理對策。

1 工程概況

某鐵路隧道地處丘陵區(qū)，海拔高程971～1 068 m，相對高差97 m。隧道起訖里程為DK84+350～DK89+150，全長4 800 m，最大埋深約96 m，為單線隧道。

2 場地工程地質(zhì)條件

從大地構(gòu)造位置上分析，隧道位于華力西晚期褶皺帶北部三級構(gòu)造單元，主要由華力西構(gòu)造層和燕山第二和第三構(gòu)造亞層組成，褶皺構(gòu)造僅發(fā)育于華力西構(gòu)造層中，呈北東向展布的燕山第二和第三構(gòu)造亞層疊加在華力西構(gòu)造層之上，構(gòu)造線主要呈北東和北北東方向，北東向最為明顯。

表1 隧址區(qū)主要地層巖性

隧道橫穿某背斜的北翼，該背斜為軸向北東東或近東西向的短軸復(fù)式褶皺，軸向約北東東80°，軸長出露約5 km，兩翼較簡單，巖層呈單斜產(chǎn)出，地層傾角30°～65°。隧道大部地層伏于第四系松散地層之下，隧道兩端均被后期地層侏羅系及白堊系不整合所覆蓋。

3 塌方形成過程及原因分析

3.1 DK87+443處塌方形成過程

該隧道2號斜井承擔(dān)正洞DK87+443附近洞頂覆蓋層厚度約為40 m，洞身巖質(zhì)主要為火山角礫巖，呈強(qiáng)風(fēng)化狀，并富含基巖裂隙水及構(gòu)造水。圍巖設(shè)計(jì)為Ⅳ級，初期支護(hù)采用局部架立格柵拱架支護(hù)。

2011年7月13日17時(shí)，工作面開挖至DK87+443，發(fā)現(xiàn)拱頂不斷出現(xiàn)掉塊，并伴隨大量滲水出現(xiàn)。現(xiàn)場負(fù)責(zé)人立即將所有施工人員撤離施工現(xiàn)場，安排專人進(jìn)行觀察，直至21時(shí)掉塊基本停止，此時(shí)拱頂塌方高度約2 m，寬度約5 m，縱向長度約3 m。施工人員立即對圍巖表面進(jìn)行噴射混凝土封閉，并對該處進(jìn)行架立鋼架施工。施工剛開始不久，拱頂再次出現(xiàn)掉塊，導(dǎo)致施工無法正常進(jìn)行。

7月14日上午，拱頂仍舊不斷掉塊，開挖臺車上已經(jīng)留有大量塌方巖塊，而且伴有滲水現(xiàn)象。經(jīng)現(xiàn)場觀察確認(rèn)，塌方只出現(xiàn)在拱頂部位，拱頂坍塌高度約為4 m，寬度約5 m，縱向長度約3 m。

7月15日20時(shí)左右，塌方連續(xù)進(jìn)行20 min左右，此時(shí)開挖臺車上部已經(jīng)堆滿掉落巖體，并且石塊還從臺車兩邊擠出，臺車腹部也有塌落巖體擠出，所幸臺車沒有完全被掩埋，邊墻及工作面圍巖仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，24時(shí)，拱頂再次出現(xiàn)連續(xù)塌方，導(dǎo)致大量掉塊擠出。

16日早晨，掉落石塊已經(jīng)將臺車頂部完全塌滿，臺車腹部也已經(jīng)塌滿。經(jīng)現(xiàn)場觀察判斷，拱頂仍舊有掉塊，并且有滲水現(xiàn)象，但掉落頻率和掉落塊體體積有所減小。直至17日，現(xiàn)場觀察及觀測結(jié)果表明，圍巖變形已無太明顯的變化，拱頂坍塌已經(jīng)基本處于穩(wěn)定。根據(jù)塌方體判斷，邊墻及工作面圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)，拱頂塌方體擴(kuò)大成平均高度為6～7 m、寬度約為7～8 m、縱向長度約為6 m的空腔。此時(shí)，2號斜井小里程工作面里程DK87+443，仰拱里程DK12+473，二襯里程DK12+491，仰拱距工作面距離30 m，二襯距工作面48 m。

3.2 塌方原因分析

隧道塌方原因可以分為兩種:一種是圍巖變形過大引起的塌方，對于某些破碎松散巖體，圍巖自身強(qiáng)度低，承載能力小，開挖后沒有受到足夠支護(hù)抗力時(shí)，在自身重力作用下發(fā)生位移不穩(wěn)定增長而最終大致垮塌［9-10］;另一種是不利結(jié)構(gòu)面失穩(wěn)而引起的塌方，因結(jié)構(gòu)面相互交切而產(chǎn)生不利于巖體穩(wěn)定的組合，形成危巖體，在開挖擾動或地下水等因素誘發(fā)下，滑動剪切力大于抗滑力而導(dǎo)致塊石沿滑動面滑落［11］。

從該隧道DK87+443處塌方形成過程來看，此次塌方主要是由圍巖自身承載能力很弱，開挖后沒有受到足夠支護(hù)抗力所致。巖體質(zhì)量方面，實(shí)際揭露情況表明，DK12+460－DK12+405段圍巖以強(qiáng)風(fēng)化－弱風(fēng)化火山角礫巖為主，圍巖中主要發(fā)育3組節(jié)理，產(chǎn)狀分別為 93°∠36°、121°∠32°和 248°∠46°，節(jié)理間距20～45 mm，延伸性中等，臺階狀和波紋狀，以微張和張開型為主。該段隧道圍巖松散破碎，巖體單軸抗壓強(qiáng)度5～15 MPa，洞身開挖無支護(hù)易坍塌，且富含基巖裂隙水，圍巖自穩(wěn)能力較差，應(yīng)為Ⅴ級圍巖。此外，由于該段圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，且夾雜凝灰?guī)r，并且伴有滲水出現(xiàn)，水對巖體承載力弱化作用明顯，導(dǎo)致圍巖強(qiáng)度降低。

支護(hù)方面:該段是按Ⅳ級圍巖設(shè)計(jì)、施工，所以初期支護(hù)僅采用局部架立格柵拱架支護(hù)，沒有采取超前小導(dǎo)管支護(hù)措施。這樣的支護(hù)強(qiáng)度顯然難以滿足控制工作面附近圍巖變差引起的圍巖穩(wěn)定性要求。

4 塌方治理措施

針對本次塌方形成的原因，結(jié)合現(xiàn)場圍巖條件，制定了如下治理原則:即塌方段采用預(yù)留核心土法施工，拱部采用雙層超前注漿小導(dǎo)管固結(jié)松散體，初期支護(hù)及二次襯砌均采用加強(qiáng)措施，并在施工時(shí)根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)調(diào)整方案。圖1為DK87+443段塌方處理示意。

圖1 DK87+443段塌方處理示意

4.1 超前支護(hù)

隧道開挖前，首先噴射10 cm厚C25混凝土，以封閉塌方體，然后在拱部打設(shè)雙層φ42超前小導(dǎo)管，小導(dǎo)管長4 m，環(huán)向間距3根/m，雙層小導(dǎo)管打設(shè)角度分別為45°和15°，縱向每50 cm設(shè)一環(huán)，小導(dǎo)管端部與鋼架焊接，如圖2所示。

4.2 初期支護(hù)

塌方段拱部設(shè)雙層鋼架，邊墻設(shè)單層鋼架。內(nèi)外層均采用I20型鋼，鋼架間距0.3 m/榀，外側(cè)鋼架兩側(cè)底部縱向設(shè)I20槽鋼托板，每層鋼架噴射C25混凝土(厚度為25 cm)，連接筋采用φ22鋼筋，環(huán)向間距80 cm。每節(jié)鋼架端頭設(shè)4根4 m長注漿小導(dǎo)管鎖死，開挖進(jìn)尺每環(huán)0.3 m，施做順序?yàn)楝F(xiàn)已施做完成的DK12+445里程處向工作面方向施做。加強(qiáng)排水作業(yè)，在拱部噴射混凝土，內(nèi)環(huán)向設(shè)置φ80盲管，間距按2 m設(shè)置，將滲水由初支兩側(cè)邊墻排出，對塌方處附近已支護(hù)完的初期支護(hù)應(yīng)加設(shè)橫撐，確保圍巖穩(wěn)定。

圖2 超前小導(dǎo)管設(shè)計(jì)示意

4.3 襯砌加強(qiáng)

塌方段采用鋼筋混凝土襯砌，襯砌鋼筋按照Ⅴ級加強(qiáng)配筋，襯砌厚度按Ⅳ級加強(qiáng)施做。工作面大里程DK12+455～DK87+443段支護(hù)及襯砌厚度按Ⅳ級加強(qiáng)施做，襯砌鋼筋按Ⅴ級加強(qiáng)配筋施做。工作面小里程DK87+443～DK12+431段支護(hù)及襯砌厚度也按Ⅳ級加強(qiáng)施做，襯砌鋼筋按Ⅴ級加強(qiáng)配筋，襯砌加強(qiáng)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際塌方里程再做延伸。

4.4 空洞回填處理

在塌方段施做初期支護(hù)時(shí)設(shè)置φ100 mm鋼管，縱向間距2 m，環(huán)向間距2 m，梅花狀布置。鋼管長6 m，待該段襯砌達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，采用泵送砂漿回填拱部空洞，其余空間采用吹砂回填。

4.5 監(jiān)控量測

為確保塌方段施工安全，在施做過程中，加強(qiáng)該段監(jiān)控量測，增加觀測頻率(3～5次/d)，隨時(shí)掌握圍巖變化情況。必要時(shí)架設(shè)臨時(shí)支撐，并且派專人進(jìn)行觀察，嚴(yán)防安全事故發(fā)生。對已施工完畢的支護(hù)段，加強(qiáng)監(jiān)控量測，加密監(jiān)控量測點(diǎn)位布設(shè)及數(shù)據(jù)采集次數(shù)，確保施工人員在安全的狀況下進(jìn)行施工作業(yè)。

在對該隧道DK87+443處塌方形成原因分析的基礎(chǔ)上，采取上述一系列針對性的治理措施后，順利通過了塌方段。完成后的隧道襯砌變形觀測結(jié)果顯示，原塌方段永久襯砌未發(fā)現(xiàn)任何異常，表明所采取的治理措施有效。

5 結(jié)論

(1)從某隧道DK87+443處塌方形成過程來看，此次塌方主要是由圍巖自身承載能力很弱，開挖后沒有受到足夠支護(hù)抗力導(dǎo)致。塌方段圍巖以強(qiáng)風(fēng)化－弱風(fēng)化火山角礫巖為主，巖體松散破碎，且富含基巖裂隙水，圍巖自穩(wěn)能力較差，應(yīng)為V級圍巖。由于設(shè)計(jì)、施工均未及時(shí)變更，初期支護(hù)僅采用局部架立格柵拱架支護(hù)，且無超前小導(dǎo)管預(yù)支護(hù)措施，這樣的支護(hù)強(qiáng)度顯然難以滿足控制工作面附近圍巖穩(wěn)定性的要求，最終導(dǎo)致了本次塌方事故的發(fā)生。

(2)塌方治理措施必須結(jié)合塌方發(fā)生原因及現(xiàn)場實(shí)際條件制定。圍巖的支護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)留有一定的變形量，允許圍巖適度變形，使得圍巖應(yīng)力適量釋放［12］。此次塌方發(fā)生的主要原因是對圍巖質(zhì)量認(rèn)識不清，支護(hù)強(qiáng)度不足。治理過程中，首先將圍巖根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整為V級，并在治理措施中采用了預(yù)留核心土法施工，拱部采用雙層超前注漿小導(dǎo)管固結(jié)松散體，初期支護(hù)及二次襯砌均適當(dāng)加強(qiáng)，有效保證了塌方段圍巖的穩(wěn)定性。

(3)地下水對圍巖的弱化作用不可忽視，特別是當(dāng)巖體中含有大量軟弱夾層時(shí)。本段圍巖富含基巖裂隙水，其中夾雜的凝灰?guī)r遇水又極易軟化。這兩方面因素導(dǎo)致隧道開挖后，伴隨著滲水現(xiàn)象的出現(xiàn)，圍巖承載力大幅降低。針對這一問題，在治理措施中，通過小導(dǎo)管注漿堵水和盲管排水等措施，加強(qiáng)了對地下水的控制，以減小其對圍巖的不利的影響。

［1］ 關(guān)寶樹．隧道工程施工要點(diǎn)集［M］．北京:人民交通出版社，2003

［2］ 劉旭．烏竹嶺隧道塌方事故原因分析和處治方法研究［D］．長春:吉林大學(xué)，2008

［3］ 王迎超．山嶺隧道塌方機(jī)制及防災(zāi)方法［D］．杭州:浙江大學(xué)，2010

［4］ 張寧，馬連強(qiáng)．深埋隧道圍巖破壞特征及支護(hù)措施探討［J］．鐵道勘察，2012(2):30-32

［5］ 汪成兵，朱合華．隧道塌方機(jī)制及其影響因素離散元模擬［J］．巖土工程學(xué)報(bào)，2008，30(3):450-456

［6］ 孫元春，尚彥軍．巖石隧道圍巖變形時(shí)空效應(yīng)分析［J］．工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2008，16(2):211-215

［7］ 鄭玉欣．隧道施工塌方機(jī)理分析及處治技術(shù)［J］．鐵道工程學(xué)報(bào)，1999，62(2):69-72

［8］ 侯軍紅．太中銀鐵路崗城隧道突泥塌方處理［J］．鐵道工程學(xué)報(bào)，2009，133(10):74-78

［9］ 張家偉．大跨度隧道塌方處理技術(shù)［J］．鐵道工程學(xué)報(bào)，2006，104(5):86-88

［10］馬濤．淺埋隧道塌方處治方法研究［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，25(2):3976-3981

［11］ 孫萍，李忠良，彭建兵，等．公路隧道圍巖塌方離散元模擬［J］．公路交通科技，2005，22(9):122-125

［12］ 錢偉平，郭啟良．烏鞘嶺隧道地應(yīng)力特征與軟弱圍巖的變形防治［J］．鐵道勘察，2007(3):1-5