中国水利水电第七工程局国际工程有限公司 四川成都 610213
摘要：由于公路隧道在设计中通常是结合道路全线路段统筹考虑，可能会穿越地质条件复杂的山体，在开挖施工过程中就可能遇见不可预测的塌方风险。本文结合地质条件复杂的某项目公路隧道施工中所遭遇的塌方现象，总结了冒顶塌方、软弱破碎岩石塌方、溶洞塌方、渗水塌方及涌水塌方五种由地质原因引起的塌方形式，并分析了塌方产生的原因，根据产生塌方的原因和工程实际情况制定了相应的处理技术，最终依据这些技术安全完成塌方段的施工，保证了隧道开挖阶段的施工安全。也希望通过总结这些塌方处理的经验，对类似隧道的施工起到塌方预防和塌后治理的借鉴。
关键词：公路隧道；地质；复杂；塌方；处理技术
1、前言
公路隧道在设计中通常是结合道路全线路统筹考虑，可能会穿越地质条件复杂的山体，在开挖施工过程中就可能遇见不可预测的塌方风险，塌方也是一种比较常发的事故,会给隧道施工造成极大的危害,比如延误工期、出现比较严重的机械损失,甚至威胁着施工人员的生命安全。
因此,防塌、治塌工作已经成为隧道施工的首要问题，本文结合某项目公路隧道施工中所遭遇的塌方现象及塌方后治理措施总结了相关经验，为类似隧道提供塌方预防和塌后治理提供参考。
2、工程概况
某项目公路隧道是一条浅埋长隧道大断面的隧道，为一条双向分离式隧道，单向长度分别为2016m（左洞起止桩号为Km18+294.5~Km20+310.5）和1995m（右洞起止桩号为Km18+279.5~ Km20+274.5），总长4011m。隧道开挖半径为5.625m，开挖高度为10.05m，成型净空为9.9m×6.7（宽×高）m，开挖最大断面为106m2，纵坡坡度为2.5%的隧道，隧道洞口部分埋深20米~30米，最大埋深为180米~200米，采用“新奥法”进行开挖支护施工，每条隧道采用双向掘进开挖施工。该项目隧道开挖由2014年11月1日开始施工，由于复杂的地质条件，截止2018年5月29日，实际开挖3486.6m，V级围岩开挖2311.5m，占隧道实际开挖长度的66.3%，预测后续V级围岩有524.4m。在3年多的施工中先后处理了大小塌方20处，施工难度不一。
3、地质情况介绍
隧道穿越山体覆盖层及全风化岩体厚度较大，穿越石墨片岩，绢云母片岩，石灰岩及石灰岩溶洞，隧道穿越4个断层带，断层带位于18+560， 18+920， 19+740， 20+000，断层倾角与隧道轴线夹角约35°，走向与隧道夹角50°，断层带内为全风化片岩及泥质材料，受断层影响，接触部围岩强烈破碎，张裂隙发育，在雨季可见明显渗水，偶见石英岩脉。
4、塌方处理技术
在3年来的施工过程中，隧道遇到的塌方相对较多，种类不一，其中具有代表性的塌方有冒顶塌方、软弱破碎岩石塌方、溶洞塌方、渗水塌方及涌水塌方的五种由地质原因引起的塌方，并根据塌方产生的原因和现场实际情况制定了以下五种处理技术。
4.1 冒顶塌方处理技术
2015年6月30日隧道出口左洞K20+249掌子面发生塌方，导致4榀格栅拱架发生变形，顶部30cm厚度的喷射混凝土及双层Q226钢筋网片发生破坏，掌子面出现黄色粘性土，局部湿润。观察塌方部位有继续塌方的趋势，在撤离所有施工人员和设备之后，塌方范围开始扩大，同一天塌方位置的地表发生沉陷，地表沉陷沿着隧道轴线范围约为22m（K20+240~K20+262），垂直隧道轴线范围约为15m。塌方处距离洞口31m，设计平均埋深9.57m。塌方图片参见下图1。
图1 冒顶塌方图
原因分析：由于隧道K20+240~ K20+262冒顶塌方发生位置（距离洞口31m）在距离隧道口较近，土体主要为粘性黄土，腐殖土覆盖部位。由于塌方段位于洞口段，而洞口段通常为堆积层或风化严重、破碎的岩体，其自稳能力及整体能力均较差，同时处于浅埋地段，进洞后引起洞口顶端的围岩发生应力重分布，在重力作用下出现下沉或开裂变形。当变形发展到一定程度时，极限平衡就被打破，导致大面积的整体失稳，进而发生塌方。
处理措施：针对这种情况，主要采用移除冒顶部位的土体，改为临时边坡，后期完成二衬混凝土结构之后进行再次回填；同时对塌方附近已完初支面进行二次加固，增加初支的刚度，降低施工的安全风险。为了保证二衬混凝土的刚度，需要对二衬混凝土的厚度及钢筋进行重新设计，以确保结构的稳定。
4.2 软弱破碎岩石塌方处理技术
2015年7月21日，隧道进口右洞K18+537.5~ K18+539段准备进行喷射混凝土施工时，发生塌方。勘察发现塌方段围岩位于断层破碎带，岩石为石墨片岩较软。塌方体堵塞掌子面，塌方体堆积至距离掌子面10m左右范围，顶部厚度30cm的初期支护喷射混凝土及两层Q226网片及拱架发生破坏，距离掌子面20m的位置K18+511~ K18+521处出现裂缝，掌子面有局部的渗水现象。塌方体位置设计平均埋深47m。
图2 软弱破碎岩石塌方图
原因分析：塌方段位于断层破碎带，受构造裂隙影响，围岩极其破碎，呈小块状，无自稳能力，并且该段围岩裂隙水较发育。由于岩石过于破碎且构造裂隙发育，开挖初期支护以后，岩石无法进行应力重分布，导致破碎围岩自重远大于设计初支承载能力，最终导致塌方。
处理措施：针对这种情况，主要采取裂缝加固、塌方段临空面封堵、塌方散体注浆、塌方段洞身固结灌浆、塌腔体回填和掌子面预固结灌浆及超前管棚超前支护措施，塌方段开挖采用预留核心土三台阶机械开挖，降低开挖对围岩的进一步扰动。
4.3 溶洞塌方处理技术
2016年5月10日凌晨3:00，隧道出口右洞K19+902.5在安装完成一榀格栅拱架和两层Q226网片后，掌子面发生塌方，并损坏K19+902.5处安装好的格栅拱架一榀和安装的两层Q226网片，塌方处有8块直径约为3米的大块径岩石滚落至掌子面，将掌子面堵塞。经现场勘探K19+890.4~ K19+904塌方处围岩破碎，裂隙发育，并在裂隙之间有泥夹层，出现疑似溶洞，溶洞内有大块径的石头并有黄泥夹层，并有较大渗水，局部出现涌泥现象，该位置设计埋深为45.67米。随后进行取芯钻探进行验证，观测钻取的岩芯溶蚀验证，推断该处存在溶洞，加强探测后探明该段发育有充填型溶洞。
图3 溶洞引起塌方的现场图片
原因分析：由于洞顶出现溶洞，当隧道开挖时，溶洞内部的块体岩石与岩石之间夹泥的粘聚力不足以支撑体积较大的岩石，导致块体较大岩石全部承压在已完的初期支护上，加之渗水致使溶洞顶部的土体逐渐向下移动，围岩发生失稳，最终导致塌方。
处理措施：针对这种情况，主要采用“超前帷幕灌浆+超前支护+加密格栅拱架+加密系统锚杆”综合技术。依靠超前注浆和超前 在隧道开挖轮廓线外形成较厚的注浆加固圈，提高围岩自稳时间和强度，并预留一到两根超前管棚作为渗流引流通道，同时在渗水较为严重的已完初支面增设排水孔，达到加固围岩和引流渗水降低渗水压力的目的。
4.4 渗水塌方处理技术
2016年7月5日至2016年7月7日连续降暴雨，2016年7月7日隧道出口右洞K19+870.3在出渣过程中掌子面顶部发生坍塌，塌方深度4米，高度约为1米，上部的管棚全部露出，地质揭露为松散的黄土，2016年7月8日掌子面开始从顶拱处持续涌出泥石，并多处出现大量多股水流，管棚被压断，K19+876、K19+884部位的初支面被破坏并开裂沉降，测量实测初支面下降10cm，且K19+875~K19+870.3段完成的初支面整体沉降，K19+876位置出现明显的裂缝。该部位设计地表埋深52.4米。2016年7月8日 勘察隧道地表，在出口右洞顶部地表K19+900~K19+880发生面积约为4米x5米，深度2米~4米塌陷。
图4 渗水引起的塌方现场图
原因分析：由于连续降暴雨，导致地表水大量深入隧道内部，使遇水软化的黄土发生塌方。
处理措施：针对这种情况，主要是采用塌方体表面喷砼及内部注浆加固、固结灌浆、掌子面预灌浆、超前支护、台阶开挖支护及管棚施工的联合开挖支护方法进行掌子面处理措施，采用裂缝处采用安装二次拱架进行加固，并喷射30cm厚MB30混凝土的处理措施。
4.5 涌水塌方处理技术
2017年11月11日23:30,出口右洞在完成上半洞K19+445.6-K19+444.6初喷后准备进行立拱支护时突遇大量地下水涌出，顶拱持续坍塌，造成一榀拱架垮塌，四榀拱架变形，管棚断裂，顶拱形成约5mx6mx5m垮塌空腔。塌方体位置的设计平均埋深为164米。
图5 涌水塌方图
原因分析：由于突遇大量地下水涌出，致使地下水软化、溶解破碎的岩体，导致岩体粘聚力降低，加剧岩体失稳最终导致塌方。
处理措施：针对这种情况，主要采用塌方体混凝土封闭、分层回填混凝土、涌水引流、固结灌浆、超前小导管、型钢加强支护台阶开挖的联合方法进行处理措施。封闭塌方体防止涌水软化塌方体，分层回填混凝土防止倒锤形的空腔顶部围岩进一步失稳造成塌方扩大，涌水引流降低涌水扬压力对围岩应力的扰动造成围岩失稳，固结灌浆增加岩石的整体性，降低空腔顶部围岩的塌方风险，由于塌方空腔过大，埋深较深，经设计验算采用加强的型钢支护方式进行塌方段的开挖支护确保施工安全。
5、塌方预防技术
通过上述塌方实例，可知由地质因素引起的塌方是不可预见的，但是并非不可预防。通过三年多的项目实施，也制定了一序列的预防措施，具体如下：
采用地质雷达进行超前预报。
做好掌子面地质素描的分析。
加强施工监测，包括测量掌子面的变形、顶拱下沉、周边收敛、围岩内部位移、钢支撑受力情况的监测。
加强渗水观测和量测，对渗水较大的地段增设排水孔，做好地下水承压水和渗水的引流。
有必要的时候进行岩芯取芯检查。
对季节性的降雨做好统计，提前预防降雨导致的渗水和涌水现象。
施工过程中要严格按照“新奥法”施工原理进行开挖。
对于破碎围岩加强支护结构及改变围岩属性，可提前采用掌子面预固结灌浆的方式增加围岩的整体性从而改变围岩属性。
6、总结
综上所述，以上五种塌方处理技术，对于埋深较浅的大型塌方为了安全起见，采用开挖的方式较为合理安全。对于洞身埋深较深，主要是采用塌方体固结、掌子面预固结灌浆、混凝土回填腔体、渗水引流、塌方裂缝段固结灌浆、超前锚杆、超前小导管、超前管棚及型钢加强支护结构这些具体措施进行处理。
对于塌方预防主要还是采用超前预报、施工监测、围岩条件分析、施工过程严格控制及加强支护构造改变围岩自身属性的方式。
参考文献
[1]韩文斌.隧道冒顶原因分析及设计总结[J].山西交通科技，2013（8）：75-77.
[2]林天翼、王芳. 隧道冒顶塌方处理及分析. 中国新技术新产品, 2017年12期.
[3]黄成光，公路隧道施工，人民交通出版社,2006.
[4]卓益平，萝卜顶隧道塌方处理探讨，公路交通技术.2007(4).-102-105.
[5]杜永强、都强，齐岳山隧道溶洞处理施工技术，铁道建筑技术.2009(1).
论文作者:姚涛
论文发表刊物:《基层建设》2018年第35期
论文发表时间:2019/3/27
标签：隧道论文; 围岩论文; 溶洞论文; 超前论文; 岩石论文; 地质论文; 发生论文; 《基层建设》2018年第35期论文;