姚遠(yuǎn) 劉玉梅

摘要：文章結(jié)合某淺埋大斷面隧道冒頂塌方情況，分析了塌方體形態(tài)特征，指出地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、水文地質(zhì)是隧道塌方的影響因素，并從力學(xué)角度闡述了塌方的機(jī)理，開展了塌方段圍巖穩(wěn)定性評價(jià)，提出了相應(yīng)的處治建議，可為今后類似工程提供參考。

關(guān)鍵詞：大斷面隧道;塌方;機(jī)理分析;處治

This article analyzes the morphological characteristics of landslides in combination with the roof collapse of a shallowburied largesection tunnel，points out that topography，geological structure，stratum lithology and hydrogeology are the influencing factors of tunnel collapse，describes the mechanism of landslide from the mechanical point of view，conducts the stability evaluation of the surrounding rock at landslide section，and proposes the corresponding treatment suggestions，thus providing the reference for similar projects in the future.

Large section tunnel;Landslide;Mechanism analysis;Treatment

0 引言

塌方是隧道淺埋地段施工中常見的地質(zhì)災(zāi)害，通常會造成工期延誤，人身財(cái)產(chǎn)安全損失等，是隧道后期運(yùn)營常見的安全隱患。因此，開展隧道塌方機(jī)理分析，為隧道塌方的處治提供理論依據(jù)，具有重要意義。本文依托某淺埋大斷面隧道冒頂塌方的工程實(shí)際，深入分析冒頂塌方的影響因素及其力學(xué)機(jī)理，提出了針對性的處治建議，以期為今后類似工程提供借鑒和參考。

1 工程概況

某淺埋大斷面隧道位于某盆地邊緣的丘陵地貌區(qū)域，周圍有較大地形起伏。隧道設(shè)計(jì)為分離式+小凈距的形式，分為機(jī)動車隧道和非機(jī)動車隧道。右線機(jī)動車隧道起止樁號為YK2+340～YK2+820，長度為480 m，設(shè)計(jì)單向四車道，最大開挖跨度達(dá)21.545 m，最大開挖高度為15.05 m，最大拱頂埋深約75 m。上覆地層為第四系坡積相及坡殘積成因的黏性土、碎石土，下伏古近系泥巖、粉砂巖及泥盆系硅質(zhì)砂巖等。機(jī)動車隧道內(nèi)輪廓詳見圖1。

2 隧道塌方情況及塌方體形態(tài)特征

2.1 隧道塌方情況

在隧道開挖過程中，YK2+413～YK2+504.5段曾多處發(fā)生中小型塌方，施工方曾對塌方產(chǎn)生的空洞進(jìn)行了注漿處理，但不徹底。最近一次塌方發(fā)生過程為：首先拱頂監(jiān)測點(diǎn)開始監(jiān)測出較大幅度的變形，初期支護(hù)開裂、錯位，拱頂開始掉渣;幾分鐘過后，隧道掌子面發(fā)生塌方，牽引著隧道小樁號范圍發(fā)生坍塌，造成地表塌陷，塌方現(xiàn)場無人員傷亡。塌方導(dǎo)致了地表出現(xiàn)許多拉裂縫（裂縫寬20～60 cm，可見深度達(dá)40～80 cm）與兩個(gè)塌陷坑，地表塌方面積約為1 500 m2。此次塌方事故造成了極大的經(jīng)濟(jì)損失，延誤了施工進(jìn)度，對隧道施工產(chǎn)生了很大的影響。

塌方時(shí)機(jī)動車隧道右線里程YK2+413～YK2+504.5共91.5 m左右導(dǎo)洞已貫通，進(jìn)口端二次襯砌已施工至YK2+413，出口端施工至YK2+504.5。YK2+413～YK2+487段圍巖級別為Ⅴ級，設(shè)計(jì)為淺埋隧道，襯砌類型為Ⅴ級C型;YK2+487～YK2+504.5段圍巖級別為Ⅴ級，設(shè)計(jì)為深埋隧道，襯砌類型為Ⅴ級D型。兩段均采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，其隧道支護(hù)參數(shù)見表1。

2.2 塌方體形態(tài)特征

該隧道YK2+413～YK2+435段塌方冒頂后，地表形成面積約1 000 m2的橢圓形塌陷坑，四周多為陡坎，最深塌陷深度約為7.1 m，地表塌陷里程范圍為YK2+425.6～YK2+465.8，隧道塌方體堆積里程為YK2+400～YK2+435，空間上呈斜圓柱狀，塌陷后的地表自然坡角約22°。從巖性看，地表塌陷坑內(nèi)的巖土體以角礫及角礫狀黏性土為主，土體松散;而洞內(nèi)塌方堆積體呈黃色、灰黃色，主要以角礫、碎石和黏性土為主，母巖成分主要為硅質(zhì)砂巖。

該隧道YK2+470～YK2+504.5段塌方冒頂后，地表形成面積約500 m2的橢圓形塌陷坑，塌陷坑周圍多為陡坎，塌陷深度最大約為6.8 m，地表塌陷里程范圍為YK2+476～YK2+502，隧道塌方體堆積里程為YK2+470～YK2+516，空間上近似呈圓柱狀，地表自然坡角約為30°。從巖性看，塌陷坑內(nèi)的巖土體以角礫及角礫狀黏性土為主，土體較松散;而洞內(nèi)塌方堆積體呈灰色、灰黑色，以塊石、碎石為主，母巖主要為硅化粉砂質(zhì)泥巖。發(fā)生坍塌時(shí)，該處施工臺車被擠壓變形。

3 隧道塌方的影響因素及力學(xué)機(jī)理研究

3.1 隧道塌方的影響因素

（1）地形地貌

隧道右洞進(jìn)口端處位于山脊向山谷的過渡段，東高西低，這使得進(jìn)口端兩側(cè)的巖土層厚度不同，導(dǎo)致隧道襯砌所承受的壓力不同，洞口受偏壓影響較大。此外，隧道塌陷區(qū)埋深較淺，洞室圍巖的松弛變形會影響至地表，這也是隧道出現(xiàn)塌方冒頂?shù)牟焕蛩亍?/p>

（2）地質(zhì)構(gòu)造

塌方段位于向斜盆地南翼，受地層構(gòu)造的影響，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，主要發(fā)育著產(chǎn)狀為10/SW∠75和100/NE∠72的這兩組節(jié)理，節(jié)理密度分別為5～12條/m和4～10條/m。節(jié)理裂隙的存在使得圍巖完整性和穩(wěn)定性變差，這是隧道拱頂塌方出現(xiàn)的重要原因。

（3）地層巖性

隧道穿越的地層巖性主要為全～強(qiáng)風(fēng)化的硅質(zhì)砂巖、夾硅化粉砂質(zhì)泥巖，多呈薄層～中厚層狀構(gòu)造，力學(xué)強(qiáng)度低。掌子面及塌方體均見厚度不等的炭質(zhì)泥巖或泥質(zhì)夾層，為塌方、冒頂?shù)漠a(chǎn)生提供了物質(zhì)條件。

（4）水文地質(zhì)條件

隧址區(qū)場地第四系覆蓋層厚度較小，結(jié)構(gòu)松散，地表水及降雨可沿孔隙下滲，補(bǔ)給基巖裂隙水。隧道塌方發(fā)生前數(shù)天內(nèi)，隧址區(qū)有降雨，雨水在下滲過程中，使泥化夾層、巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)生了軟化，大幅度降低了巖體結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度，使得隧道圍巖的強(qiáng)度降低。

（5）施工控制因素

該隧道經(jīng)過塌方段時(shí)，未采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑的開挖方式，襯砌支護(hù)參數(shù)不足，未重視隧道支護(hù)整體性能，爆破控制較差，對圍巖擾動較大，使圍巖的穩(wěn)定性受到較大影響。

由此可見，該隧道塌方地質(zhì)災(zāi)害主要是由內(nèi)在因素與外在因素（施工因素）的共同影響下出現(xiàn)的。隧道塌方段圍巖本身強(qiáng)度低，降雨與施工擾動使得巖體強(qiáng)度降低，從而引發(fā)隧道塌方災(zāi)害。

3.2 隧道塌方的力學(xué)機(jī)理研究

根據(jù)隧道塌方現(xiàn)象，下文從微觀角度分析隧道塌方的力學(xué)機(jī)理。隧道未開挖時(shí)，隧道圍巖應(yīng)力處于相對平衡的狀態(tài)，承載力較高。當(dāng)隧道開挖后，圍巖的初始應(yīng)力狀態(tài)開始變化，其相對應(yīng)力平衡狀態(tài)受到破壞，此時(shí)圍巖處于二維應(yīng)力狀態(tài)條件下，承載力有顯著的降低。

隧道塌方段圍巖節(jié)理裂隙極發(fā)育，部分裂隙夾泥，巖體結(jié)合力差;加上隧址區(qū)降雨的滲入，使得圍巖巖體強(qiáng)度降低，土體流動造成極大荷載，使作用在支護(hù)與襯砌上的外部壓力增大。當(dāng)襯砌強(qiáng)度不足以維持隧道穩(wěn)定時(shí)，隧道圍巖的變形會逐漸增大，從而引發(fā)洞內(nèi)塌方事故。

隧道洞內(nèi)發(fā)生塌方后，上部巖體失去約束和支撐，在重力的作用下不斷向下塌落，形成了近似的土體塌落拱。隨著時(shí)間的推移，隧道上方的地層壓力會逐漸傳遞給土拱兩側(cè)的土體，使其能保持短暫的穩(wěn)定狀態(tài);但由于如雨水下滲、地表被增加荷載等外部因素的影響，破壞了隧道上方土體部分的土拱效應(yīng)，松動區(qū)域會逐漸擴(kuò)展至地表，造成地表塌陷。

4 隧道塌方的預(yù)防與處治建議

本文結(jié)合前文分析的某淺埋大斷面隧道塌方情況、影響因素與力學(xué)機(jī)理，并參考相關(guān)項(xiàng)目施工經(jīng)驗(yàn)，對淺埋大斷面隧道塌方預(yù)防與處治提出以下幾點(diǎn)建議，相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可供相似工程參考與借鑒。

4.1 隧道塌方預(yù)防建議

（1）加強(qiáng)隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，可先用物探的方式查探前方富水破碎帶的大致位置及富水情況，然后再采用鉆探方式準(zhǔn)確驗(yàn)明，并針對地下水采取相應(yīng)的控制措施。

（2）淺埋大斷面隧道在圍巖擾動后，穩(wěn)定性變差，施工時(shí)建議采用對隧道圍巖擾動較小的開挖方法，盡量采用機(jī)械或者人工開挖。

（3）隧道施工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控量測，及時(shí)根據(jù)監(jiān)控量測結(jié)果相應(yīng)調(diào)整襯砌與支護(hù)參數(shù)，在鋼架內(nèi)外緣交錯布置鋼架聯(lián)系鋼筋，可設(shè)置縱向支撐的聯(lián)接槽鋼，鋼拱架宜加強(qiáng)鎖腳設(shè)計(jì)，有效提高支護(hù)的整體性能;隧道徑向采用小導(dǎo)管替代原系統(tǒng)錨桿，并采用梅花型的布置形式。

（4）水平巖層段開挖施工容易出現(xiàn)塌頂?shù)默F(xiàn)象，在設(shè)計(jì)中應(yīng)適當(dāng)增加初期支護(hù)強(qiáng)度，并考慮在無拱架段落設(shè)置防崩落支架，應(yīng)針對水平巖層制定專業(yè)的爆破方案。

4.2 隧道塌方處治建議

若隧道出現(xiàn)塌方現(xiàn)象，應(yīng)首先做好地表水的防排措施，避免雨水沿塌方堆積體下滲引起二次災(zāi)害;然后封閉隧道開挖面，采取地表注漿和洞內(nèi)注漿預(yù)加固的方式，封堵地表裂隙，提高圍巖整體強(qiáng)度;最后整平地表，進(jìn)行綠化。具體應(yīng)從以下幾個(gè)方面進(jìn)行處理：

（1）地表防排水處置

應(yīng)順應(yīng)地形，在裂縫外圍設(shè)置地表截水溝，將地表水截排至隧道外。采用灌漿封堵地表裂縫，修整地形以便平順排水，然后回填黏性土隔水層，接著回填種植土，最后種樹恢復(fù)綠化。

（2）地表注漿及超前注漿

地表注漿可有效填補(bǔ)地表裂縫，將松散土體粘結(jié)成強(qiáng)度較大的整體。地表注漿前應(yīng)在隧道內(nèi)利用砂袋進(jìn)行反壓，封閉開挖面;同時(shí)先在加固區(qū)域周邊注入雙液漿，雙液漿凝結(jié)時(shí)間短，可有效防止后注入漿液向隧道內(nèi)或周邊擴(kuò)散。注漿順序?yàn)橛赏獾絻?nèi)，使?jié){液與巖土體有效凝結(jié)成整體。開挖前應(yīng)對掌子面塌方巖土體進(jìn)行注漿加固，注漿順序?yàn)橛赏獾絻?nèi)，水泥漿與巖土體膠結(jié)成整體后才能進(jìn)行開挖。

（3）施工開挖方法

隧道塌方發(fā)生后，雖然通過地表注漿及超前注漿等手段將松散巖體固結(jié)，但圍巖穩(wěn)定性依然較差，應(yīng)采取少擾動的開挖方法，如單側(cè)壁導(dǎo)坑法或雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等，盡量采用機(jī)械或人工開挖。

（4）施工工序

首先對地表裂縫進(jìn)行處理，然后進(jìn)行地表注漿，待到注漿固結(jié)形成強(qiáng)度后進(jìn)行洞內(nèi)塌方處治。洞內(nèi)塌方體施工開挖宜采用單側(cè)掘進(jìn)，配合少擾動的開挖方法，初期支護(hù)緊跟，及時(shí)封閉成環(huán)，必要時(shí)增設(shè)臨時(shí)橫、豎支撐，穩(wěn)步向前，二次襯砌緊跟。

5 結(jié)語

本文以某淺埋大斷面隧道冒頂塌方現(xiàn)象為研究背景，深入分析了隧道塌方的影響因素與力學(xué)機(jī)理，并結(jié)合相關(guān)項(xiàng)目工程實(shí)踐，提出了相應(yīng)的隧道塌方預(yù)防與處治建議。本文主要研究結(jié)論如下：

（1）隧道拱頂發(fā)生塌方后，上部巖體失去約束，在重力的作用下不斷向下塌落，形成近似土體塌落拱。隨著上方土體顆粒的松動塌落，松動區(qū)域會逐漸擴(kuò)展至地表，造成地表土體的塌陷。

（2）隧址區(qū)地下水是引發(fā)隧道塌方現(xiàn)象的主要因素，應(yīng)加強(qiáng)隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，探明地下水情況，并做好防排水措施。

（3）隧道宜采用少擾動的施工工法，同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)初期支護(hù)和二次襯砌。

經(jīng)過十個(gè)月有條不紊的施工，該隧道塌方處治施工完成并順利貫通，期間未再出現(xiàn)過大變形或塌方的跡象。合理的措施能實(shí)現(xiàn)快速高效、安全可靠的隧道塌方處治施工，保證運(yùn)營期間的安全有效，并為今后類似工程的處理提供參考。

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