路桥・航运・交通 建材发展导向２０１１年０７月 隧道塌方的原因分析及预防措施 黄志毅 摘要：本文结合笔者参建的福建某高速公路隧道工程实践，分析塌方产生的原因，并对一些基本的预防措施作简要阐述。 关键词：隧道：塌方；原因；预防措施 １引言 隧道是典型的地质工程，而地质又存在不确定性，随着隧道 如膨胀岩、高地应力、溶洞、涌水等。 （２）设计因素。如洞口的位置选择不恰当、设计的支护参数 偏小、对特殊不良地质地段，设计上给出的处理措施不当等。 的掘进，岩体结构和受力状态被破坏，应力重新分布，此时造成 受力体系不平衡，就会出现塌方，因此准确把握隧道塌方的成 因，针对性的采取开挖方法和支护措施，不仅能有效预防隧道塌 方的发生，还能保障施工安全和节省投入。本文结合笔者参建的 福建某高速公路隧道工程实践，对塌方产生的原因和一些基本 的预防作了探索。 ２塌方的主要类型 隧道在施工过程中发生的塌方形式是多种多样的，根据施 工隧道塌方的地点不同可划分为：洞口塌方、洞口段塌方、洞内 工作面塌方和洞内滞后工作面塌方。 ３塌方发生类型 （１）洞口塌方。由于洞口一般为堆积层或风化、破碎的岩体， 自稳及整体性较差，又处在浅埋地段，如果在进洞前未对边仰坡 采取一定的技术措施（如刷坡卸载、支护、注浆加固等），或采取 的措施未能达到要求时，在进洞后，必然引起上端围岩应力重分 布，在重力作用下出现下沉或开裂变形，当这些变形发展到一定 程度时，平衡被打破，导致整体失稳，进而发生坍塌，这就是洞口 塌方。 （２）洞内石质类塌方。隧道或洞室开挖后，其周边的岩石处 于悬空状况，同时发生下沉或收敛变形，以释放其内部应力，由 于岩石体中存在层理和节理（有时还有软弱夹层），使周边的部 分岩块在重力作用下，具有下落和挤出的趋势，如果此时未采取 相应的支护措施或措施达不到控制其变形发展的要求时，就会 出现“掉块’现象，当这种“掉块”的数量达到一定数值时，就是塌 方。这类塌方一般沿结构面形成，塌方的形状极不规则。 （３）洞内土质类塌方。土质类隧道开挖后，由于围岩的承载 力值较低，周边一定范围内很快发生松弛变形，随着变形的扩 展，围岩的整体强度降低，同时土压增加，进而引发局部的塑性 破坏，在土体内部出现空洞导致局部发生塌方，此时塑性区进一 步扩大，土压力剧增，最终导致整体失稳，大面积坍塌。这类塌方 表现为：塌体为松散的砂、土（或碎石）混合体，数量较大，形状较 为规则，一般为圆弧形或拱形。 ４塌方发生的原因 发生隧道塌方的原因有的是人为因素，有的是非人为因素， 大致为以下几个方面： （１）地质因素。主要有围岩的地质条件突然变差、施工中出 现了较大的断层、破碎带或软弱夹层、出现了特殊的不良地质， ・３９６・ （３）施工技术。主要有： ①超前支护措施未采取，或虽然已采取但其质量和效果未 能达到要求； ②开挖方法不正确； ③初期支护未按设计的参数进行，使围岩的稳定性达不到 要求； ④隧道爆破设计参数错误，造成对围岩的扰动过大； ⑤施作二次衬砌的时间太迟，围岩无法承受应力重分布后 带来的直接作用而发生塌方； ⑥采用长台阶法施工时，上、下台阶的间距太大，直接导致 塌方的发生； ⑦在软弱围岩的施工中，没有及时施作仰拱，未形成封闭的 环状受力； ⑧没有及时开展量测工作，或未及时进行信息反馈，从而造 成决策失误。 ５塌方的预防 ５．１设计过程中塌方预防 隧道是典型的地质工程，大量的理论研究和实践表明，地质 条件是制约地下工程安全、质量、工程投资的关键因素，塌方的 产生与地质条件的好坏有着紧密的关系，不良的地质条件，如断 层、涌水、岩爆等会直接导致塌方，地质勘察的科学性、准确性对 预防隧道塌方起着至关重要的作用。许多隧道工程中，由于担心 勘察费用过高，或因勘察设备、方法简陋，勘察深度不足，不能提 供较为详尽的地质资料，给施工带来很大的盲目性，从而造成塌 方。因此在施工前，进行详尽合理的地质勘察是非常有必要的， 在施工时能引起重视，对通过不良地质洞段，有完备的技术方案 和物资准备，采取合理开挖方法，及时有效的支护，预防塌方的 产生。 （１）选择设计。掌握隧洞区的宏观地质背景、构造特征、地质 地貌特点和较为详细的地质资料，分析隧道区的断层、富水带、 高应力分布情况，合理进行隧道的线型设计，避免通过大断层、 富水和高应力集中地段，既保证施工安全，预防塌方的发生，又 能避免因地质条件不好，过多的支护造成工程投入的增加。 （２）支护参数设计。岩石在开挖成洞后，由于受力结构平衡 体系的破坏和应力的重分布，应及时采取支护，如何选定支护参 数，对隧道塌方的预防起着不可忽视的作用。由于地质围岩的分 类只是一个定性的概念，不是定量的，同一类围岩，其结构产状 不尽相同，其自稳能力就不一致，此时支护参数的设计尤为重 要，支护参数过大，增加工程的投入，支护参数过小，相同类别围 岩白稳能力较差可能因支护强度不够，或要求更换支撑造成地 建材发展导向２０１１年０７月 应力再一次重分布，而引起塌方。 路桥・航运・交通 水，充分湿润围岩，可以很好缓释围岩应力；清除松动围岩后，素 ５－２施工过程中塌方的预防 （１）施工过程中的地质预测。隧道是一个线状的隐蔽工程， 些长大隧道往往穿过多种岩类，多个构造，跨越几个地质单 元，因而隧道本身就十分复杂，施工前设计阶段的地质勘察只能 一喷混凝土支护，厚度为５ｃｍ左右，目的是将表部破裂岩块连固在 起，进一步圆顺开挖轮廓线，缓解应力集中，有很好的削减岩 爆的作用，对轻微岩爆还可以取到一次防护成功，避免诱发中强 一从宏观上分析整个隧道区的基本地质情况，对可能出现的大断 层、富水洞段和高应力段没有标识，或由于设备、方法的简陋，对 岩爆，实验表明，含钢纤维混凝土，其抗拉强度明显强，能取得很 好的支护效果；对中强岩爆洞段，在初期喷护后，应尽快采用浅 孔密锚网喷混凝土的补强支护，锚杆可用＋２２，长度为２．０～ ３．Ｏｍ。间距１．０ ２．Ｏｍ梅花型交错布置，尾部加垫紧贴岩面．挂 垂直和水平埋深较大的洞段无法进行勘察，造成局部地质资料 不足，因此施工过程中的地质预测预报必不可少，及时跟进掌子 面的地质预测预报，对可能出现的局部地段围岩破碎引起失稳、 ２０ｅｍｘ２０ｃｍ， ６或 ８钢筋网，喷混凝土１Ｏ～１５ｃＩｎ支护。 （４）富水洞段塌方的预防。在地下水丰富的断层破碎带，大 量的渗水、淋水甚至于涌水的部位，不仅影响施工的进度和质 塌方和可能遭遇的断层、涌沙、涌水能及时预测清楚，有明确的 位置、桩号、规模及发展趋势标识，能及时提醒施工人员采取合 理的开挖和支护方法，预防塌方的发生。 （２）不良地质洞段塌方预防。 ①超前导洞法，可以探明前方地质条件，确定开挖和支护方 法，还可以增加二次开挖的临空面，有利于光爆效果，减小光爆 对 岩的扰动。 ②先拱后墙法，在拱部开挖好以后，对拱部采取支护，然后 在拱部的保护下开挖下部边墙或仰拱，防止因开挖面过大而引 起塌方，保障安全通过地质不良洞段。强支护是预防塌方的主要 措施。 福建南平某高速公路隧道在仰拱开挖后，隧道边墙局部小 塌方，采用先拱后墙法施工，具体施工：先喷一层混凝土，厚度一 般为５ｃｍ，预防强支护过程中小块体塌落。加密系统锚杆，然后 挂间距为２０ｃｍｘ２０ｃｍ～７０ｃｒｅｘ７０ｃｍ的钢筋网，喷第二层混凝土 作为承载结构，防止再次风化。每隔５０ｃｍ立一榀钢支撑，拱腰 至拱脚用４ｍ长锚杆锚固，从钢支撑内缘模筑１００ｃｍ套拱，套拱 与钢支撑连成整体，作用与初期支护作用相同，套拱以上２ｍ范 围内浆砌块片石的护拱，厚度不足２ｍ处，浆砌片石至围岩面 上；厚度大于２ｍ处，护拱以上用干码片石堆码至围岩面上，制 作套拱、护拱时预留（ｂ４２ｍｍｘ４ｍ压浆管，管壁每１０～１５ｃｍ打梅 花状孔。压浆管在拱部以２ｘ２ｍ梅花状布置，水泥浆水灰比选择 １：１，压力选择０．５～０．８ＭＰａ，对该塌方段进行处理后，该段没有发 生开裂、下沉等不良现象，说明塌方处理措施是有效的。 加强围岩变形观测是预防塌方的有效方法之一。变形现象 是指隧道在巨大地压作用下，围岩屈服变形，墙壁向内移动，隧 道变窄的一种地压现象。变形是一种塌方前兆。洞室开挖后，岩 体的重新稳定过程中，围岩都存在变形，当变形超过允许范围 时，就发生塌方。在隧道新奥法施工中，通过量测仪器对围岩的 变形量和变形速率的观测分析，推测其最大变形量．估算是否会 发生塌方，提前作出预告，以采取合理的支护。 （３）岩爆引起塌方的预防方法。岩爆是高应力区地下洞室开 挖中围岩脆性破坏时应变能突然释放所造成的一种动力失稳现 象。当洞室埋深较大、开挖岩体完整性较好，且干燥无水时，应预 防岩爆的发生。预防工作主要在两个阶段： ①开挖阶段的预防，隧洞爆破开挖，既可以使围岩应力得到 部分释放，也可以产生新的应力集中，发生岩爆，在可能发生岩 爆区段内采取二次开挖，先开挖上半断面，减少光面爆破的周边 眼间距，且尽量分布均匀，以使开挖轮廓线相对圆顺，减少新的 应力集中，周边眼采用小药卷或间隔装药．爆破时导爆管段位增 加，降低同段起爆药量，以减少爆破对围岩的扰动，诱发岩爆的 产生。 ⑦开挖后岩爆洞段的处理。爆破后立即向工作面、爆破面喷 量，还容易造成塌方。在此地段施工时，及时排水是关键，对于少 量集中渗水、淋水地段，在将要通过的透水层部位布置一定数量 的排水孔或埋设排水管，将渗、淋水集中到排水孔内导出，称为 排水管法；也可以通过在钢筋网背后铺过滤层或隔水层，将其固 定在围岩上，通过软管边排水、边喷射混凝土，称为金属网法；如 遇较大涌水，在支护时对主要涌水出水口暂不进行封堵支护，待 涌水减小或没有时，再进行支护或进行固结封堵．迫使水流改变 流向。 （５）瓦斯洞段塌方的预防。瓦斯是从煤层中突出的一种可燃 可爆气体。当隧道穿过含有煤层的洞段时，不仅要注意煤层的稳 定问题，更应防范瓦斯爆炸所引起的塌方，预防方法主要是及时 向洞内通风，将洞内瓦斯气体稀释和排出，在施工时减少金属问 的互相撞击，以减少引发气体爆炸的火花、火星产生。 （６）消除人为因素的影响是预防塌方的重要途径。有时为了 抢进度，或由于地质条件一直较好，思想上过于麻痹，对突然出 现的断层等估计不足，准备不充分，很容易造成塌方。为此在隧 道的施工过程中，要对工期作合理的安排，在思想上要有对可能 出现的各种不良地质情况有打持久战的准备，在技术上对可能 遭遇的塌方有详细对应的措施，当出现断层或其它不良地质现 象时，一定要对地质情况作详细的分析，充分了解围岩和其稳定 性，按照就低不就高的原则进行开挖和支护，并且加强围岩的变 形观测和分析，对超过允许范围的较严重变形洞段应及时采取 相应的支护，抑制围岩的进一步变形，能很好预防塌方的发生。 ６结论 通过以上的分析总结，隧道塌方是可以避免的，只有详细了 解隧道区的地质情况，充分认识围岩特性、不良地质发展趋势、 不利因素间的联系及其可能诱发的地质灾害，才能在设计和施 工阶段，对可能出现的塌方有相应的技术措施，采取合理的开挖 和支护方法，把不利围岩段容易引发塌方的各种因素的影响消 除到最低限度，这样，就能很好预防塌方的发生。 参考文献 ［Ｉ］ＪＴＧＦ６０—２００９，《公路隧道施工技术规范》． ［２］ＪＴＧＦ８０／１—２００４，《公路工程质量检验评定标、准》． ［３］ＧＢ５００８６—２００１，《锚杆喷射混凝土支护技术规范》 （作者单位：三明市交通规划设计院） ・３９７・