摘要：隨著我國(guó)交通、能源和水利等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，隧道工程的建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，遇到了各種各樣的復(fù)雜地層，給隧道建設(shè)者帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)。本文通過(guò)深入調(diào)研，總結(jié)隧道塌方的過(guò)程，分析隧道塌方的影響因素，提出針對(duì)性的處置對(duì)策。

關(guān)鍵詞：大斷面 隧道工程 塌方 處置對(duì)策

隧道開挖面如果處在土石復(fù)合地層，施工難度大，在修建過(guò)程中出現(xiàn)了多次塌方事故，分析結(jié)果表明：復(fù)雜地層、圍巖軟弱、地下水是塌方發(fā)生的主要促進(jìn)因素。

一、大斷面土石復(fù)合地層的含義

大斷面土石復(fù)合地層是指受由于地球構(gòu)造的控制，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)十分強(qiáng)烈，以間歇性垂直升降運(yùn)動(dòng)為主，形成多級(jí)階地，各級(jí)階地臺(tái)面高差十分顯著。隧道洞身穿越地層主要為第四系上更新統(tǒng)風(fēng)沖擊黃土、圓礫土及白堊系泥巖夾砂巖，鉆孔未揭示到地下水。

二、塌方成因分析

通過(guò)對(duì)隧道洞段的地層構(gòu)造、水文條件以及施工過(guò)程的深入調(diào)查和分析，得出深埋大斷面隧道土石復(fù)合地層隧道塌方頻發(fā)的主要原因：

1、隧道地層巖性特點(diǎn)

通過(guò)地質(zhì)勘察、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和現(xiàn)場(chǎng)掌子面調(diào)查，塌方段的掌子面上臺(tái)階及隧道拱部位置為風(fēng)化的泥巖，成層狀結(jié)構(gòu)，厚度約1-8cm，局部分化嚴(yán)重，呈土塊狀，穩(wěn)定性差，遇水軟化：拱部上方存在紅粘土和泥巖、紅粘土和黃土的巖性接觸帶，不同土巖的物理參數(shù)和力學(xué)性質(zhì)差異較大，巖性接觸面的粘聚強(qiáng)度低。其中黃土-紅粘土分界面，紅粘土土體孔隙比雖然大，但土中孔隙十分細(xì)小且為多數(shù)為水填充，所以紅粘土的透水系數(shù)極低，幾乎不能透水，具有阻水作用;通過(guò)黃土節(jié)理下滲的地表水流在黃土一紅粘土分界面匯集，形成局部的黃土飽和區(qū)，導(dǎo)致黃土強(qiáng)度大幅下降甚至喪失，產(chǎn)生較大的集中荷載和附加壓力。

拱部層狀的泥巖巖層，受層狀各向異性力學(xué)特性的影響，最大地應(yīng)力垂直于層狀的方向，開挖后巖體力學(xué)平衡受到破壞，受拱部地層巖體力學(xué)性質(zhì)的影響，在拱部自重和附加壓力的作用下，臨空面法向應(yīng)力大于約束力，巖體層間節(jié)理發(fā)生破壞，層面的法向應(yīng)力持續(xù)作用下，巖體發(fā)生向內(nèi)鼓起破壞，拱部出現(xiàn)掉塊、塌方的現(xiàn)象。由于部分泥巖風(fēng)化嚴(yán)重，遇水軟化，加速了巖體破壞過(guò)程的發(fā)生。

2、地下水的影響

泥巖與紅粘土在地下水的作用下，與巖體孔隙、裂隙相關(guān)的物理參數(shù)及微結(jié)構(gòu)相應(yīng)發(fā)生改變，導(dǎo)致巖體及其結(jié)構(gòu)面軟化。如泥巖粘土礦物含量高，粘土礦物具有比表面大、親水性強(qiáng)、離子交換容量大等特性，粘粒含量高，巖體遇水后強(qiáng)度大幅降低[19]。軟弱夾層結(jié)構(gòu)面發(fā)育，在水的作用下產(chǎn)生泥化、軟化，形成泥化軟化夾層，使夾層強(qiáng)度降低。

隧道地下水主要存在于第四系黃土孔隙、裂隙，二疊系砂巖夾泥巖風(fēng)化裂隙及砂巖孔，在土石的分界面地下水易富集。隧道開挖擾動(dòng)和地下水作用下，拱部圍巖巖體軟化、巖體結(jié)構(gòu)性破壞，導(dǎo)致圍巖自承能力不足發(fā)生失穩(wěn)破壞。另外，黃土一紅粘土的分界面地下水易富集，隧道開挖打破了地下水和巖體的力學(xué)平衡，在附加荷載和水壓力作用下，軟弱的臨空面先發(fā)生破壞，成為地下水徑流和排泄通道，在動(dòng)水壓力和靜水壓力共同作用下，圍巖性質(zhì)進(jìn)一步惡化，圍巖壓力增大，導(dǎo)致隧道塌方。

施工中采用三臺(tái)階法施工，臺(tái)階拱腳底部的穩(wěn)定對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)承載力至關(guān)重要，洞身巖體為砂巖夾泥巖，局部破碎，層間結(jié)合面軟弱，地下水使巖體強(qiáng)度弱化，導(dǎo)致基底承載力降低，無(wú)法承擔(dān)圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的載荷，表現(xiàn)為初期支護(hù)的開裂破壞和大變形，進(jìn)一步發(fā)展為塌方。

3、勘察和支護(hù)設(shè)計(jì)的影響

對(duì)地質(zhì)和水文的準(zhǔn)確勘察認(rèn)識(shí)，是隧道支護(hù)設(shè)計(jì)的合理的保證。通過(guò)鉆孔勘察和超前預(yù)報(bào)對(duì)地質(zhì)情況詳細(xì)的調(diào)查，及時(shí)對(duì)欠準(zhǔn)確圍巖等級(jí)進(jìn)行變更設(shè)計(jì)，對(duì)地質(zhì)和水文條件復(fù)雜的區(qū)段采用“超前管棚+小導(dǎo)管注漿”處理的綜合施工方案，保證圍巖的穩(wěn)定，順利通過(guò)復(fù)雜不利的地質(zhì)條件。

三、塌方處置對(duì)策探究

1、反壓回填石渣，修建超前管棚施工平臺(tái)。

2、在掌子面拱部140°范圍內(nèi)（涵蓋兩次塌腔范圍內(nèi)）施工超前管棚，采用φ89管棚，環(huán)向間距30cm，管棚長(zhǎng)度20m，外插角6°，管棚之間采用4.5m長(zhǎng)φ42超前小導(dǎo)管注漿加固松散圍巖，外插角10°～15°，注1：1水泥漿。

3、塌方體至--DK74+439段圍巖開挖采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法施工，臨時(shí)仰拱采用I18鋼架，間距1榀/0.5m;加強(qiáng)初期支護(hù)和二襯的施工參數(shù)，對(duì)坍塌段后方初期支護(hù)的增設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)、提高量測(cè)頻率。

4、塌方段拱頂預(yù)埋鋼管，拱頂上方3m采用C20混凝土回填，上方塌腔采用高壓風(fēng)吹爐渣回填密實(shí)。

四、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析

為了正確判斷塌方區(qū)加固處理后的圍巖情況，對(duì)塌方加固段進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，在塌方處理斷面DK74+457布置圍巖壓力和變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)初支一圍巖壓力，初支拱頂下沉和洞壁收斂量。

1、圍巖壓力的量測(cè)采用正弦式土壓力盒，在立鋼拱架后埋設(shè)，與圍巖平整緊密接觸;采用全站儀測(cè)量變形量，在初支上布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)。

2、兩個(gè)斷面圍巖0-5天變形值占穩(wěn)定值80%以上，圍巖的拱頂下沉和收斂速度很快，10天左右完成了拱頂下沉和洞壁收斂變形，圍巖趨于穩(wěn)定，且下沉值和收斂值整體較小，穩(wěn)定值分布在20mm-46mm。

通過(guò)分析可以看出，采用“管棚+小導(dǎo)管注漿”處置方案通過(guò)隧道塌方段后，拱部風(fēng)險(xiǎn)部位的圍巖壓力和變形較小，圍巖趨于穩(wěn)定狀態(tài)，說(shuō)明塌方的處置方案是有效的。

五、結(jié)論

大斷面隧道施工中遇到土石復(fù)合地層，由于地層復(fù)雜、圍巖軟弱、地下水豐富導(dǎo)致塌方頻發(fā)，本文深入分析了塌方的發(fā)生的重要影響因素，并通過(guò)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控對(duì)塌方處置的效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，主要取得結(jié)論如下：

1、塌方是多種因素協(xié)同作用的結(jié)果，內(nèi)因主要是復(fù)雜的地層、軟弱圍巖、地下水的因素，直接誘導(dǎo)因素是施工勘查的欠準(zhǔn)確，在準(zhǔn)確勘查的基礎(chǔ)上，選擇合理的支護(hù)控制影響隧道塌方的因素、以保證圍巖的穩(wěn)定。

2、上臺(tái)階掌子面拱部的失穩(wěn)破壞，主要是土石復(fù)合的地層中，上覆黃土層遇水形成局部的飽和區(qū)，導(dǎo)致黃土強(qiáng)度大幅下降甚至喪失，產(chǎn)生較大的集中荷載和附加壓力;掌子面拱部復(fù)合地層、圍巖軟弱的影響，不足以承載拱部的荷載，以致圍巖破壞。

3、“超前管棚+小導(dǎo)管注漿”處置塌方段拱頂下沉和水平收斂，有效的控制了圍巖壓力和變形，降低了施工風(fēng)險(xiǎn)。

4掌子面超前加固使拱頂累計(jì)下沉值大幅度下降，加固段開挖后隧洞的塑性區(qū)減小，施工中注重隧道掌子面的超前加固。

參考文獻(xiàn)：

[1]扈世民，張頂立，王夢(mèng)恕.大斷面黃土隧道開挖引起的圍巖力學(xué)響應(yīng)[J].中國(guó)鐵道科學(xué)，2011， 32（5）

[2]張成平，韓凱航，張頂立，等.城市軟弱圍巖隧道塌方特征及演化規(guī)律試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2014， 33（12）

作者簡(jiǎn)介：沈文軍（1974-），女，遼寧朝陽(yáng)人，漢族，工程碩士，講師，研究方向：從事土木工程及工程造價(jià)等相關(guān)研究。