【摘要】隧道塌方嚴(yán)重威脅到施工項(xiàng)目的建設(shè)以及人員生命財(cái)產(chǎn)安全，有必要對(duì)黃土隧道塌方問題進(jìn)行研究，以便完善隧道開挖施工技術(shù)，為隧道塌方處理提供相應(yīng)借鑒。文章從人為因素、地質(zhì)原因以及外界環(huán)境因素三方面分析了含沙泥巖隧道塌方機(jī)理，并對(duì)比了幾種傳統(tǒng)的塌方處理措施。以某塌方隧道為例進(jìn)行了隧道塌方處理的效果分析，結(jié)果表明：合理的處理措施能有效降低塌方事故損失，最大限度的保證施工人員的生命財(cái)產(chǎn)安全，降低了事故損失，取得了預(yù)期效果，使施工恢復(fù)正常。

【關(guān)鍵詞】含沙泥巖；隧道塌方；加固處理

引言

一直以來，我國鐵路建設(shè)存在著較大的地區(qū)性差異，東部沿海及中部平原得益于其自身優(yōu)越的地理?xiàng)l件及我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展策略的支持，其鐵路網(wǎng)絡(luò)日趨完善。隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，國家適時(shí)調(diào)整宏觀戰(zhàn)略，鐵路網(wǎng)絡(luò)也不斷擴(kuò)展。但問題也隨之涌現(xiàn)，平原地區(qū)地勢(shì)相對(duì)較為平緩，地質(zhì)良好，特殊土存在較少，因此鐵路建設(shè)費(fèi)用不高，技術(shù)問題也較容易得到解決。但西部山壑眾多，華北部分地區(qū)土質(zhì)特殊，東北大部分地區(qū)則覆蓋有大面積凍土。其中尤以干旱地區(qū)黃土土質(zhì)問題最為突出，這種土的土質(zhì)疏松，內(nèi)部空隙較大，混合有較多砂粒及黏土等，工程性質(zhì)很不穩(wěn)定，這給鐵路修建過程中的隧道開挖帶來了眾多難以解決的工程技術(shù)問題。我國已建隧道工程中，隧道塌方嚴(yán)重危害到鐵路及高速公路的施工建設(shè)及安全營運(yùn)。因此，有必要對(duì)黃土隧道塌方問題進(jìn)行研究，以便完善隧道開挖施工技術(shù)，提升鐵路及高速公路整體服務(wù)水平。

1、含沙泥巖隧道塌方機(jī)理分析

1.1含沙泥巖隧道塌方分類

含沙泥巖隸屬黃土范疇，由自然環(huán)境強(qiáng)烈風(fēng)化而成，砂巖、泥巖互相交錯(cuò)，節(jié)理裂隙較為發(fā)育，呈半巖半土狀，此種土內(nèi)部膠結(jié)作用很差，較為松散，工程性質(zhì)很不穩(wěn)定。塌方依據(jù)成因主要分為施工塌方、雨水塌方，地震塌方等。依據(jù)表現(xiàn)形式還可分為突發(fā)性塌方、持續(xù)性塌方及規(guī)律性塌方等。其中，突發(fā)性塌方指伴隨隧道開挖作業(yè)而不期發(fā)生的坍塌。隧道開挖時(shí)影響圍巖穩(wěn)定，持續(xù)性塌方則是隨著圍巖松動(dòng)而發(fā)生的連續(xù)性塌方，在整個(gè)施工過程中可多次發(fā)生。隧道開挖使土層受到外界擾動(dòng)，改變其天然應(yīng)力平衡狀態(tài)，迫使其內(nèi)部進(jìn)行應(yīng)力重新分布，圍巖應(yīng)力也隨之進(jìn)行重新分布以保持自身應(yīng)力平衡，在這一應(yīng)力改變過程中易發(fā)生規(guī)律性塌方。

1.2含沙泥巖塌方機(jī)理

隧道塌方是隧道施工過程中所面臨的首要突出問題，它不僅對(duì)施工人員的生命安全造成威脅，且會(huì)增加施工成本，延誤工期，為了更好的預(yù)防及快速高效的治理隧道塌方問題就必須明確具體工程實(shí)踐中隧道塌方的原因，對(duì)癥下藥，節(jié)約治理成本。隧道塌方原因種類繁多，大致可分為三大類，既人為因素、地質(zhì)原因以及外界環(huán)境因素。

1.2.1人為因素

隧道開挖要求具備大量真實(shí)地質(zhì)信息，通常由現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘查而得，輔助已有地方資料，以便了解周邊地質(zhì)歷史及條件，明確施工區(qū)地質(zhì)構(gòu)造，地下水分布以及周圍地物地貌情況。但無論是已有資料還是地質(zhì)勘查工作都無法避免由人為造成的疏漏，施工方法與部分真實(shí)地質(zhì)情況不相適應(yīng)的情況時(shí)有發(fā)生，因錯(cuò)估導(dǎo)致爆破藥量過多時(shí)，爆破振動(dòng)力過于強(qiáng)大，破壞巖層自身平衡結(jié)構(gòu)，會(huì)引起圍巖突然變形，最后導(dǎo)致塌方。

1.2.2外界環(huán)境因素

自然界中某些不期而至的力量對(duì)于建筑物來說無疑是一種負(fù)擔(dān)。強(qiáng)降雨不僅對(duì)隧道工程產(chǎn)生強(qiáng)烈沖擊力，且短期匯集的雨水來不及下滲，浸泡土層，顯著降低土層承載力。并侵蝕圍巖，縮短其自穩(wěn)時(shí)間，使其失穩(wěn)變形。

一些偶發(fā)性的地震可輕易破壞山體穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，鑒于目前的地震監(jiān)控水平，一旦突發(fā)地震，無法做出有效的應(yīng)急措施。如果地震發(fā)生在隧道工程施工期間，各項(xiàng)結(jié)構(gòu)物的強(qiáng)度及穩(wěn)定性還未達(dá)標(biāo)，則更容易引發(fā)隧道塌方。

1.2.3地質(zhì)原因

因隧道塌方的本質(zhì)為土層承載力不足以抵抗由人為因素或外界環(huán)境因素所致的土層滑移力的增加而致，所以地質(zhì)因素在眾多隧道塌方原因中占有決定性地位。受道路選線的限制，有些隧道避免不了要通過工程性質(zhì)不良的巖體區(qū)域，如帶有軟弱夾層的含沙巖體、含沙破碎帶及受地下水長期浸泡而松散脆弱的巖體。這些巖體因其節(jié)理裂隙發(fā)育，裂隙水含量豐富等原因而導(dǎo)致其自身穩(wěn)定性不足，在施工過程中經(jīng)不起強(qiáng)烈的施工擾動(dòng)以及外界環(huán)境的變化，施工稍有不當(dāng)之處即可引發(fā)隧道塌方。

2、含沙泥巖隧道塌方處理措施

2.1土模法

“土模法”充分利用塌方后的松散土體，將土石按不同比例塑造出所需形狀，且必須符合沉降值后的土體模型，并對(duì)其進(jìn)行注漿，通常為混凝土澆筑，混凝土強(qiáng)度達(dá)標(biāo)后，拆除土模。應(yīng)用此種方法時(shí)，要求塌方后碴體高度基本達(dá)到隧道設(shè)計(jì)開挖時(shí)的洞頂標(biāo)高。并確保隧道兩側(cè)圍巖可承受土模體的自重，可經(jīng)受掉塊等動(dòng)荷載。

處理時(shí)，首先結(jié)合鋼支撐與錨噴網(wǎng)共同支護(hù)形成保護(hù)網(wǎng)，控制塌方發(fā)展，避免出現(xiàn)更大的后續(xù)破壞。處理隧道塌方產(chǎn)生的碴體，使之盡量接近隧道開挖時(shí)的初始輪廓線，在形成的土模上均勻布設(shè)鋼筋籠，并進(jìn)行注漿，通常泵送襯砌標(biāo)號(hào)混凝土，鋼筋混凝土強(qiáng)度達(dá)標(biāo)后重新開挖碴體。輔助以系統(tǒng)支護(hù)和超前支護(hù)，確保施工安全。如圖1所示：

圖1 土模法示意圖

2.2回填法

當(dāng)隧道塌方后形成的碴體高度小于設(shè)計(jì)開挖時(shí)的洞頂標(biāo)高時(shí)，不易使用土模法。隧道塌腔內(nèi)不穩(wěn)定，掉塊頻繁，施工危險(xiǎn)系數(shù)高，這時(shí)可采用回填法對(duì)塌方進(jìn)行處理。

“回填法”即采用與襯砌同標(biāo)號(hào)的混凝土對(duì)塌腔進(jìn)行回填處理，與土模法類似，處理時(shí)，首先結(jié)合鋼支撐與錨噴網(wǎng)共同支護(hù)形成保護(hù)網(wǎng)，控制塌方發(fā)展，混凝土回填時(shí)盡量保證回填密實(shí)，待混凝土強(qiáng)度達(dá)標(biāo)后再進(jìn)行開挖，輔以超前支護(hù)及系統(tǒng)支護(hù)，如圖2所示：

圖二回填法示意圖

2.3注漿法

隧道塌方后，周圍大范圍內(nèi)的土體變得松散。注漿法可有效固結(jié)松動(dòng)區(qū)，改善塌方土體物理力學(xué)性能，把松散土體重新凝結(jié)為整體，提高其抗剪強(qiáng)度，恢復(fù)其自穩(wěn)能力后，即可重新進(jìn)行隧道開挖。

2.4明挖法

明挖法對(duì)隧道工程本身及塌方后的嚴(yán)重情況有一定要求，適用于隧道埋深較淺的情況，同時(shí)要確保隧道塌方后地表沉降下陷程度較高，待隧道塌方穩(wěn)定后，可改暗挖為明挖。明挖法方便操作，危險(xiǎn)系數(shù)較低。

2.5支護(hù)法

當(dāng)塌方范圍較小，塌腔體積不大，塌方情況不嚴(yán)重時(shí)，圍巖通常還具備較好的自穩(wěn)能力，這時(shí)可通過快速支護(hù)法處理塌方。

3、實(shí)例分析

此新建鐵路聯(lián)絡(luò)線位于內(nèi)蒙古中部及山西省北部，基本呈南—北走向，全長179.842km。此線路途經(jīng)山壑眾多，地形起伏較大，地質(zhì)較為復(fù)雜，含沙破碎帶較多，部分路段施工難度較大。此塌方隧道即位于此線路上，里程樁號(hào)為DK16+777～DK16+805，地質(zhì)概況為砂巖夾泥巖，圍巖呈松散狀，零星分布?jí)K石，原定圍巖級(jí)別為Ⅳ級(jí)。

3.1工程概況

隧道施工時(shí)，在進(jìn)行中臺(tái)階DK16+800處左幅開挖時(shí)開始出現(xiàn)隧道塌方跡象，具體表現(xiàn)為，拱腳處出現(xiàn)滲水，上臺(tái)初始支護(hù)產(chǎn)生開裂，變形，隨后DK16+777～DK16+805段初始支護(hù)全部壓垮，形成塌方，塌方導(dǎo)致地表出現(xiàn)多道裂縫，裂縫局部寬約5～10cm，錯(cuò)臺(tái)高約5～15cm；塌方影響地表沿線路方向長約34m，橫向?qū)捈s47m。塌體充滿整個(gè)隧道斷面，洞內(nèi)塌方量約3400方，塌體坡至DK16+765。

3.2隧道塌方原因分析

從地質(zhì)因素來看，由于隧道拱部上方為砂巖、泥巖互層，自穩(wěn)能力很差，節(jié)理裂隙發(fā)育水平較高，強(qiáng)烈的施工擾動(dòng)使節(jié)理裂隙進(jìn)一步發(fā)展，降低了土層之間的粘結(jié)力，使其滑移力顯著增大。從外界環(huán)境因素來看，近期施工過程都伴隨著強(qiáng)降雨，致使地下水滲透，大大增加了圍巖中的含水量。隧道在地質(zhì)及外界自然環(huán)境的雙重壓力下，不堪施工擾動(dòng)，使圍巖慢慢失去了自穩(wěn)能力，開始滲水、開裂變形，最終導(dǎo)致塌方。

3.3隧道塌方具體處理措施

3.3.1地表處理措施

施工時(shí)伴隨著強(qiáng)降雨，為減少雨水流入塌方段。待塌方穩(wěn)定后，采用三七灰土對(duì)地表范圍內(nèi)裂縫進(jìn)行封閉。同時(shí)，為減小土體水壓力，在塌方體范圍內(nèi)建立臨時(shí)排水系統(tǒng)，具體做法為在距影響范圍邊緣外3m設(shè)截水溝，做好地表水的引排，控制塌方范圍。

3.3.2洞內(nèi)加固處理措施

為減少塌方對(duì)后方初期支護(hù)的影響，首先對(duì)后方初期支護(hù)進(jìn)行沉降觀測(cè)，待監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定后。從DK16+777里程退回5榀拱架，在拱腳處打設(shè)φ200mm鋼管對(duì)口撐。對(duì)坍塌體采用厚度20cm C25噴射砼進(jìn)行封閉，確保坍塌體穩(wěn)定。

3.3.3塌方處理措施

第一，輔以超前支護(hù)，對(duì)DK16+777～+ 815段進(jìn)行超前支護(hù)，采用φ108×6㎜大管棚+φ42×3.5㎜超前小導(dǎo)管，環(huán)向間距均為30cm。φ108管棚縱向分三環(huán)打設(shè)，每環(huán)有效長12m，外插角5～10°，縱向搭接長不小于3m，小導(dǎo)管外插角30°，單根小導(dǎo)管長5m，小導(dǎo)管及大管棚均設(shè)注漿孔。

第二，初期支護(hù)全環(huán)采用Ⅰ22a鋼架，間距0.5m；設(shè)置雙層φ8鋼筋網(wǎng)，尺寸20×20㎝；原設(shè)計(jì)上臺(tái)、中臺(tái)每處鎖腳錨管增加至4根，并進(jìn)行注漿，斜下方打入角度不小于30°； C25噴射混凝土厚29cm。鋼架墻腳處設(shè)[28a墊槽鋼。

第三，邊墻采用φ42小導(dǎo)管進(jìn)行徑向注漿加固巖體。二襯復(fù)合式襯砌拱墻襯砌厚60cm。上臺(tái)階開挖掌子面采用φ42小導(dǎo)管進(jìn)行注漿加固。上臺(tái)階每循環(huán)開挖采用C25噴砼封閉掌子面厚10cm。

最后，施工中預(yù)留二次補(bǔ)強(qiáng)空間，根據(jù)監(jiān)控量測(cè)，及時(shí)調(diào)整預(yù)留變形量。本段塌方處理段原則上采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法施工，應(yīng)有相應(yīng)的支護(hù)措施并經(jīng)過充分論證并后方可實(shí)施，以確保安全。

3.4施工中注意事項(xiàng)

（1）由于坍塌段為砂層，塌方后砂層松散，且局部有格柵鋼架，對(duì)管棚施工造成困難，所以必須選擇合適的管棚材料和施工機(jī)械。在進(jìn)行超前支護(hù)時(shí)要選擇合理的管棚進(jìn)尺長度，管棚注漿時(shí)要防止串孔現(xiàn)象，保證施工質(zhì)量。

（2）在進(jìn)行初期支護(hù)時(shí)要預(yù)留二次補(bǔ)強(qiáng)空間，適當(dāng)增加預(yù)留拱頂沉降量和收斂量，根據(jù)監(jiān)控量測(cè)，及時(shí)調(diào)整預(yù)留變形量。

（3）施工單位應(yīng)高度重視坍塌段，必須保證鋼架的基礎(chǔ)必須堅(jiān)固，避免出現(xiàn)鋼架底部懸空現(xiàn)象。對(duì)于拱架，必須要求背后沒有任何空洞，填補(bǔ)密實(shí)。及時(shí)將支護(hù)結(jié)構(gòu)封閉成環(huán)，嚴(yán)格控制工序長度，確保施工安全。

（4）保證施工質(zhì)量，確保使用的各種工程材料均達(dá)到相關(guān)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，堅(jiān)決杜絕檢驗(yàn)不合格的工程材料。如果上一道工序檢測(cè)不合格，達(dá)不到質(zhì)量要求時(shí)，堅(jiān)決不允許下一道工序的實(shí)施。

（5）現(xiàn)場(chǎng)人員跟班作業(yè)，做好記錄，嚴(yán)格控制好每一道工序的施工質(zhì)量，加強(qiáng)地表、洞內(nèi)監(jiān)控量測(cè)，并根據(jù)監(jiān)控量測(cè)反饋信息及時(shí)調(diào)整施工措施。防止由于疏忽大意引發(fā)的意外傷亡事故，最大限度實(shí)現(xiàn)安全施工。

4、結(jié)語

本次事故處理最大限度的保證了施工人員的生命財(cái)產(chǎn)安全，降低了事故損失，取得了預(yù)期效果，使施工恢復(fù)正常。但隧道塌方事故不僅影響施工作業(yè)的順利進(jìn)行，也威脅到施工人員的生命財(cái)產(chǎn)安全，預(yù)防及事故后的處理措施尤為重要。要根據(jù)具體情況，結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及理論知識(shí)采取及時(shí)、適當(dāng)、正確的處理措施。通過以上對(duì)含沙泥巖的塌方機(jī)理分析和案例應(yīng)用，合理的處理措施能有效降低塌方事故損失，把隧道結(jié)構(gòu)各項(xiàng)變形量控制在允許范圍內(nèi)，對(duì)保障施工人員生命安全，對(duì)避免二次事故發(fā)生有一定意義。

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