劉喜春

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，山西 太原 030012)

0 引 言

近年來，隧道工程發(fā)展極為迅速，隨之而來的是工程事故屢屢發(fā)生，國內(nèi)大部分在建或已建隧道均發(fā)生過不同程度的塌方。隧道塌方不僅給隧道施工帶來巨大的困難，而且嚴(yán)重威脅著工程設(shè)備和人員的安全。2007年7月，貴陽市小平壩河隧道工程發(fā)生大型塌方事故，3人當(dāng)場死亡；2007年4月，太中銀吳堡段隧道在施工過程中發(fā)生塌方事故，導(dǎo)致4人死亡、1人受傷[1-4]。

隧道工程中塌方是最常見事故，不僅會(huì)造成重大經(jīng)濟(jì)損失，由此帶來的社會(huì)負(fù)面影響也不容忽視。因此，對(duì)隧道塌方進(jìn)行預(yù)估并加以防范，對(duì)于隧道施工具有重要意義。

本文依托西山隧道分析隧道工程塌方風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)控制措施加以評(píng)定，并提出相應(yīng)補(bǔ)充措施，以期降低安全風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)隧道建設(shè)安全、經(jīng)濟(jì)、高效的管理目標(biāo)。

1 西山隧道主洞塌方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

1.1 隧道主洞塌方風(fēng)險(xiǎn)分析

西山隧道全長13 654 m，左右線均屬特長隧道，隧洞穿越圍巖分別有Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)不等，其中Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖穩(wěn)定性較差，且由鉆探揭示，隧址區(qū)地下水有多種形式的補(bǔ)給、排泄、賦存條件，水文地質(zhì)條件復(fù)雜。Ⅴ級(jí)圍巖段多有斷層破碎帶穿越，由地勘資料可知，西山隧道穿越17條斷層破碎帶，地質(zhì)條件復(fù)雜，特別是在太原段洞口，斷層破碎帶非常密集，圍巖情況較差，易發(fā)生塌方事故。

此外地質(zhì)勘察工作(包括地質(zhì)勘查是否準(zhǔn)確，開挖方法、開挖跨度是否合理等)以及施工因素(施工技術(shù)水平、施工管理水平)，都是引起塌方風(fēng)險(xiǎn)非常重要的因素[5-9]。

1.2 隧道主洞塌方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及控制措施

1.2.1 隧道主洞塌方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

西山隧道施工過程中塌方風(fēng)險(xiǎn)較高，隧道設(shè)計(jì)階段對(duì)塌方風(fēng)險(xiǎn)做了防控措施，特別是對(duì)于富水段防水襯砌的設(shè)計(jì)；同時(shí)開挖方式的選擇比較合理。施工過程中必須加強(qiáng)現(xiàn)場監(jiān)控測量，并根據(jù)監(jiān)控量測結(jié)果及時(shí)調(diào)整施工方案和設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)。

西山隧道洞口及靠近洞口段地質(zhì)情況較差，特別是在太原段，斷層破碎帶非常密集，圍巖情況較差，比較容易發(fā)生塌方事故。在靠近洞口段以及斷層破碎帶影響范圍內(nèi)進(jìn)行了相應(yīng)的加強(qiáng)支護(hù)措施。

在施工工法設(shè)計(jì)方面，開挖過程中對(duì)圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)不斷進(jìn)行應(yīng)力調(diào)整，一次性開挖較長時(shí)，初期支護(hù)上承擔(dān)的荷載增大很多，對(duì)于結(jié)構(gòu)的安全性非常不利，因此要嚴(yán)格控制施工進(jìn)程[10-13]。初期支護(hù)施作完成后二襯緊跟，以及時(shí)分擔(dān)初期支護(hù)上的荷載。塌方風(fēng)險(xiǎn)概率見表1。

1.2.2 隧道主洞設(shè)計(jì)的塌方風(fēng)險(xiǎn)控制措施

針對(duì)西山隧道主洞的地質(zhì)情況，已經(jīng)提出了一些塌方控制措施。西山隧道除洞口段是結(jié)合地形、 地質(zhì)條件設(shè)置明洞或棚洞外，其余洞段均按新奧法原理結(jié)合工程類比法進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用復(fù)合式襯砌，即以錨桿、噴射混凝土、鋼拱架、格柵鋼架等形成初期支護(hù)，并輔以超前全黏結(jié)型錨桿、超前小導(dǎo)管或大管棚等輔助措施，模筑混凝土或鋼筋混凝土施作二次襯砌。在不良地質(zhì)和特殊地質(zhì)地段的開挖過程中，應(yīng)采用短循環(huán)、弱爆破、強(qiáng)支撐，并采取必要的輔助施工技術(shù)措施，如超前錨桿、小導(dǎo)管預(yù)注漿、深孔預(yù)注漿等。計(jì)劃采用無軌運(yùn)輸與有軌運(yùn)輸相結(jié)合的運(yùn)輸方案進(jìn)行裝渣運(yùn)輸。二次襯砌施作則采用混凝土運(yùn)輸車輸送泵和襯砌模板臺(tái)車配套的機(jī)械施工方案。

表1 塌方風(fēng)險(xiǎn)概率等級(jí)

對(duì)于塌落柱段和斷層破碎帶段(塌落柱段主要分布于A1YK8+295～A1YK8+485和BYK8+295～BYK8+485段，斷層破碎帶富集區(qū)主要分布于西山隧道太原段)，設(shè)計(jì)施工時(shí)采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，施工時(shí)注意短進(jìn)尺、弱爆破，及時(shí)施作支護(hù)，盡早成環(huán)。若隧道底板下有不密實(shí)填充物時(shí)，清除后用C15片石混凝土回填。二次襯砌混凝土中須摻10%～15%的BR-3型防水劑，要求抗?jié)B標(biāo)號(hào)達(dá)到S8，以提高二次襯砌的密實(shí)度，保障二次襯砌的自防水能力和結(jié)構(gòu)耐久性。

在采空區(qū)治理并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%后，進(jìn)行隧道斜豎井施工，采用超前小導(dǎo)管和中空注漿錨桿進(jìn)行補(bǔ)充注漿。預(yù)留變形量為10～13 cm，施工時(shí)可根據(jù)具體情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。采空區(qū)地段采用全封閉式襯砌，襯砌結(jié)構(gòu)的支護(hù)參數(shù)根據(jù)地質(zhì)情況進(jìn)行調(diào)整，向不含采空區(qū)段延伸10～20 m。二次襯砌混凝土中須摻10%～15%的BR-3型防水劑，要求二次襯砌的抗?jié)B標(biāo)號(hào)達(dá)到S8。

在通過膨脹性圍巖地段時(shí)，設(shè)計(jì)采用先柔后剛、先讓后頂、分層支護(hù)的處理方法，增大預(yù)留變形量，采取圓形或接近圓形的斷面形式，采用帶仰拱的復(fù)合式襯砌[14-15]。當(dāng)膨脹壓力引起大變形時(shí)，初期支護(hù)采取預(yù)留縱向變形縫的錨噴結(jié)構(gòu)，加長錨桿長度以增固圍巖，二次襯砌采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。合理掌握二襯施作的時(shí)機(jī)，通過現(xiàn)場試驗(yàn)、量測確定合適的施作時(shí)間。

隧道可能存在承壓水，承壓水襯砌結(jié)構(gòu)根據(jù)類似工程結(jié)構(gòu)確定。排水與堵水相結(jié)合，采用超前管棚和小導(dǎo)管注漿支護(hù)，同時(shí)提高二次襯砌的強(qiáng)度與剛度，加深仰拱以提高襯砌結(jié)構(gòu)的環(huán)向受力性能。

(1)襯砌輪廓。承壓水復(fù)合式襯砌內(nèi)輪廓有2種：一種與非承壓水型相同；另一種是將仰拱的深度加深50 cm，同時(shí)加厚了仰拱的厚度。

(2)承壓水復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則：初期支護(hù)的確定按與圍巖共同保證施工安全和控制地表的沉降量為原則，二次襯砌承擔(dān)全部后期圍巖壓力和水壓力，同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)合理性。

(3)防止防水混凝土產(chǎn)生裂縫：降低水化熱、分散應(yīng)力、消除約束。

(4)輔助工法：注漿、設(shè)置防水層。

1.2.3 隧道主洞塌方風(fēng)險(xiǎn)控制措施評(píng)價(jià)與建議

西山隧道施工過程中塌方風(fēng)險(xiǎn)較高，建議采用針對(duì)性措施。在施工過程中，設(shè)計(jì)單位應(yīng)及時(shí)根據(jù)超前預(yù)報(bào)結(jié)果和出現(xiàn)的異常情況變更設(shè)計(jì)，確保施工過程安全，制定塌方緊急預(yù)案。

本文針對(duì)塌方風(fēng)險(xiǎn)設(shè)計(jì)階段的控制措施，提出以下建議。

(1)在斷層破碎帶附近以及圍巖特性突變位置，施工工法的轉(zhuǎn)化應(yīng)盡量保守。

(2)對(duì)于比較破碎的圍巖段，優(yōu)化施工方案(側(cè)壁導(dǎo)坑等)，加強(qiáng)超前支護(hù)。

(3)加強(qiáng)輔助施工措施，鎖腳錨桿等關(guān)鍵輔助施工要到位。

2 西山隧道斜豎井塌方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

西山隧道斜豎井的布設(shè)主要根據(jù)隧道長度、施工期限、施工組織安排、地形、地質(zhì)、水文及環(huán)境影響等條件綜合考慮，結(jié)合營運(yùn)通風(fēng)、逃生防災(zāi)、排水、棄渣等需求，并考慮增加隧道施工掌子面，從而有效控制工期。通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，選設(shè)豎井、斜井、平行導(dǎo)坑等輔助通道。輔助通道的斷面尺寸主要根據(jù)通風(fēng)需要、管路布置、逃生救災(zāi)、施工要求、地質(zhì)條件、支護(hù)類型、設(shè)備技術(shù)條件以及工作環(huán)境等因素確定[16]。

鑒于本隧道設(shè)計(jì)施工工期非常緊，綜合地形、地質(zhì)、便道以及通風(fēng)設(shè)計(jì)等因素，確定了2個(gè)斜井位置、角度、坡度、長度、斜井出口與主線距離等，即2個(gè)斜井在施工階段均作為施工用井，提供施工工作面，加快施工進(jìn)度，后期均作為通風(fēng)井。根據(jù)分段情況及通風(fēng)需要，通風(fēng)系統(tǒng)又單獨(dú)設(shè)置2座豎井，因此通風(fēng)井包括2座斜井和2座豎井，如圖1所示。

圖1 斜豎井布置

1號(hào)斜井井口對(duì)應(yīng)隧道樁號(hào)為YK4+788，與主洞交叉的樁號(hào)為YK5+477，斜井長762 m，坡度25°，斜井水平投影與路線夾角為5.9°。

2號(hào)斜井井口對(duì)應(yīng)隧道樁號(hào)為ZK9+768.7，與主洞交叉樁號(hào)為ZK10+079，斜井長412 m，坡度25°，斜井水平投影與路線夾角為36.32°。

1號(hào)豎井位于ZK5+940左45 m處，豎井深345 m。

2號(hào)豎井位于YK10+300左35 m(ZK10+300右20 m)處，豎井深168 m。

2.1 斜豎井塌方的風(fēng)險(xiǎn)分析

1號(hào)豎井圍巖為石炭系上統(tǒng)山西組(C3s)、太原組(C3t)、中統(tǒng)本溪組(C2b)泥巖夾砂巖、石灰?guī)r、煤層、鐵鋁巖層；奧陶系中統(tǒng)峰峰組(O2f)、上馬家溝組(O2s)泥灰?guī)r、石灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、角礫狀灰?guī)r、白云質(zhì)泥灰?guī)r，圍巖級(jí)別為Ⅲ～Ⅴ級(jí)。8.1 m、108.5 m深處有2層采空區(qū)，深部采空冒落帶厚度達(dá)18 m，圍巖穩(wěn)定性差。井口圍巖為石炭系上統(tǒng)山西組(C3s)泥巖夾砂巖，巖體破碎，穩(wěn)定性差。深度為94.77～102.44 m段，鉆探遇到采空區(qū)冒落帶，與初勘8號(hào)孔(YK6+020處)所遇深度97～115 m的采空區(qū)冒落帶屬同一層位，采空范圍較大，影響厚度也較大，且上下砂巖、石灰?guī)r中多處噴涌地下水，對(duì)豎井施工影響較大，有較大塌方風(fēng)險(xiǎn)。

2號(hào)豎井圍巖為奧陶系中統(tǒng)峰峰組(O2f)、上馬家溝組(O2s)泥灰?guī)r、石灰?guī)r夾白云質(zhì)灰?guī)r、角礫狀灰?guī)r、角礫狀白云質(zhì)泥灰?guī)r，圍巖級(jí)別Ⅲ～Ⅴ級(jí)。井口圍巖為第四系中更新統(tǒng)峙峪組(Q3s)礫卵石、砂土層，穩(wěn)定性差。隧址區(qū)內(nèi)巖溶極為發(fā)育，如果施工過程中采取措施不當(dāng)，將會(huì)發(fā)生塌方等嚴(yán)重后果。整個(gè)豎井穿越底層泥灰?guī)r層厚很大，泥灰?guī)r遇水具有膨脹性、崩解性，屬軟巖或極軟巖，穩(wěn)定性很差。

2號(hào)斜井洞體圍巖為石炭系上統(tǒng)太原組(C3t)、中統(tǒng)本溪組(C2b)泥巖夾砂巖、石灰?guī)r、煤層、鐵鋁巖層；奧陶系中統(tǒng)峰峰組(O2f)、上馬家溝組(O2s)泥灰?guī)r、石灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r夾石膏礦薄層、角礫狀灰?guī)r、白云質(zhì)泥灰?guī)r，圍巖級(jí)別Ⅲ～Ⅴ級(jí)。井口圍巖為石炭系中統(tǒng)本溪組(C2b)、上統(tǒng)太原組(C3t)泥巖夾砂巖、石灰?guī)r、鐵鋁巖層，圍巖穩(wěn)定性差。

斜豎井穿越石膏礦、采空區(qū)和煤礦采空區(qū)，施工時(shí)圍巖穩(wěn)定性受影響較大，而采空區(qū)的水也易通過斷層破碎帶滲入而影響到主體工程的穩(wěn)定。

2.2 斜豎井塌方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及控制措施

2.2.1 斜豎井塌方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

1號(hào)豎井塌方致險(xiǎn)因子發(fā)生概率見表2，經(jīng)過計(jì)算可得塌方事故發(fā)生的概率為0.022 2，查閱《公路隧道安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指南》得到1號(hào)豎井塌方事故發(fā)生的概率等級(jí)為3級(jí)。

表2 1號(hào)豎井塌方致險(xiǎn)因子發(fā)生概率

2號(hào)豎井塌方致險(xiǎn)因子發(fā)生概率見表3，經(jīng)過計(jì)算可得塌方事故發(fā)生的概率為0.017 6，查閱《公路隧道安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指南》得到2號(hào)豎井塌方事故發(fā)生的概率等級(jí)為3級(jí)。

表3 2號(hào)豎井塌方致險(xiǎn)因子發(fā)生概率

1號(hào)斜井塌方致險(xiǎn)因子發(fā)生概率見表4，經(jīng)過計(jì)算可得塌方事故發(fā)生的概率為0.026 7，查閱《公路隧道安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指南》得到1號(hào)斜井塌方事故發(fā)生的概率等級(jí)為3級(jí)。

表4 1號(hào)斜井塌方致險(xiǎn)因子發(fā)生概率

2號(hào)斜井塌方致險(xiǎn)因子發(fā)生概率見表5，經(jīng)過計(jì)算可得塌方事故發(fā)生的概率為0.017 6，查閱《公路隧道安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指南》得到2號(hào)斜井塌方事故發(fā)生的概率等級(jí)為3級(jí)。

表5 2號(hào)斜井塌方致險(xiǎn)因子發(fā)生概率

根據(jù)斜豎井的水文地質(zhì)條件，并結(jié)合施工設(shè)計(jì)圖給出的方案及措施，綜合評(píng)定斜豎井施工圖設(shè)計(jì)塌方風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，見表6。

表6 斜豎井施工圖設(shè)計(jì)塌方風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)

2.2.2 斜豎井設(shè)計(jì)的塌方風(fēng)險(xiǎn)控制措施

(1)采用動(dòng)態(tài)施工、地質(zhì)超前預(yù)報(bào)、邊勘測邊施工的方法，以便及時(shí)修正設(shè)計(jì)方案。斷層破碎帶塌方的判定和警報(bào)主要包括斷層破碎帶塌方影響因素的正確分析、斷層破碎帶圍巖級(jí)別的準(zhǔn)確鑒定和塌方即將發(fā)生的前兆。

(2)采用超前小導(dǎo)管和中空注漿錨桿進(jìn)行補(bǔ)充注漿。施工時(shí)可根據(jù)具體情況適當(dāng)調(diào)整預(yù)留變形量。采空區(qū)采用全封閉式瓦斯段襯砌，襯砌結(jié)構(gòu)支護(hù)參數(shù)根據(jù)地質(zhì)情況進(jìn)行調(diào)整，向不含采空區(qū)段延伸10～20 m。二次襯砌混凝土中須摻10%～15%的BR-3型防水劑，加強(qiáng)二次襯砌的自防能力和結(jié)構(gòu)的耐久性。明洞段采用復(fù)合土工布及黏土隔水層防水。施工縫、伸縮縫、沉降縫處均加設(shè)橡膠止水帶或橡膠止水條。

(3)嚴(yán)格控制施工程序，減少巖體擾動(dòng)，減少塌方，對(duì)于超挖空洞、塌方地段需回填密實(shí)。

2.2.3 斜豎井塌方風(fēng)險(xiǎn)控制建議

西山隧道斜豎井施工過程中塌方風(fēng)險(xiǎn)較高，建議采取針對(duì)性措施。施工過程中，在已有設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，要注意以下事項(xiàng)。

(1)應(yīng)及時(shí)根據(jù)超前預(yù)報(bào)結(jié)果和出現(xiàn)的異常情況變更設(shè)計(jì)，確保施工過程安全，制定塌方緊急預(yù)案。

(2)加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，準(zhǔn)確把握前方圍巖的情況。

(3)加強(qiáng)對(duì)已施工襯砌的質(zhì)量檢測工作，確保施工質(zhì)量，防止?jié)B漏水。

(4)對(duì)洞內(nèi)結(jié)構(gòu)進(jìn)行收斂變形和應(yīng)力監(jiān)測，控制可能出現(xiàn)的有害變形，及時(shí)采取措施進(jìn)行控制。

(5)對(duì)于比較破碎的圍巖段優(yōu)化施工方案，加強(qiáng)超前支護(hù)。

3 結(jié) 語

本文結(jié)合西山隧道地勘資料、初步設(shè)計(jì)及施工圖等設(shè)計(jì)資料，對(duì)西山隧道設(shè)計(jì)階段的塌方風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析、評(píng)估并提出控制建議。

(1)在斷層破碎帶附近以及圍巖特性突變位置，施工工法的轉(zhuǎn)化應(yīng)盡量保守。

(2)對(duì)于比較破碎的圍巖段，優(yōu)化施工方案(側(cè)壁導(dǎo)坑等)，加強(qiáng)超前支護(hù)。

(3)在設(shè)計(jì)階段，應(yīng)加強(qiáng)輔助施工措施，鎖腳錨桿等關(guān)鍵輔助施工工法要到位。

(4)加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，及時(shí)根據(jù)超前預(yù)報(bào)結(jié)果和出現(xiàn)的異常情況變更設(shè)計(jì)，確保施工過程安全，并制定塌方緊急預(yù)案。

(5)加強(qiáng)對(duì)已施工襯砌的質(zhì)量檢測工作，確保施工質(zhì)量，防止出現(xiàn)滲漏水現(xiàn)象。

(6)對(duì)洞內(nèi)結(jié)構(gòu)進(jìn)行收斂變形和應(yīng)力監(jiān)測，控制可能出現(xiàn)的有害變形，及時(shí)采取措施進(jìn)行控制。