20-隧道塌方机理

文:admin 发表时间:2007-3-6 16:50:19

1 前言

隧道在开挖过程中，常常发生塌方，塌方不仅给隧道施工带来巨大困难，而且致使机毁人亡，延误工期，耗费资金，并且留有后患，成为未来隧道出现病害的主要根源。

隧道出现塌方的主要原因可分为内因和外因，外因主要是指工程地质和水文地质条件，内因主要是指设计和施工不当所造成的塌方。

1.1 不良地质造成的塌方

不良地质主要包括风化变质岩体、裂隙发育岩体、崩塌岩堆地区、断层带、溶洞、滑坡、泥石流、膨胀性地层等，当隧道从这些岩体中通过时，如稍有疏忽，就可能发生大塌方。 1.2 地下水造成的塌方

地下水是影响围岩稳定的重要因素之一。这不但能使软化系数大的岩石强度降低，而且使结构面的抗剪强度减少。对于断层，地下水影响更大，一般张性断层是储水结构，压性断层带中断层糜棱岩是隔水的，而另一侧的破碎带为含水的，当揭穿断层后，便时常发生突发性涌水导致塌方。调查显示，地下水引起的塌方占总塌方数的45%以上。 1.3 地压造成的塌方

地压主要包括偏压、塑性地压、滑坡及高地应力区等，偏压和滑坡在隧道洞口段造成的塌方实例很多，塑性地压引起隧道挤出性破坏也时有发生，高地应力区的完整坚硬岩体常发生岩爆等。 1.4 设计和施工不当造成的塌方

目前，大多数隧道都号称采用“新奥法”设计和施工，由于对“新奥法”概念和原则的内涵理解有偏差，所以在许多工程中遭到失败。一般在软弱、破碎、偏压、浅埋等地层中施工隧道时，除应强调“短进尺，弱爆破，强支护”以外，还要强调应用超前支护、及时闭合仰拱、勤量测、及时反馈、及时补强等措施；而不应强调柔性支护，更不能强调用变形释放来减载，因为这样可能会造成围岩松弛坍塌，“新奥法”对监控量测、信息处理、及时反馈要求很严，没有这样的

保证，塌方是很难避免的。

施工中该架设钢支撑的地段没有架设或者即是架设了但间距过大，锚杆长度不够，数量不足，角度不对，该挂设钢筋网的地方没挂网，喷混凝土厚度不够，尤其用模注混凝土代替喷混凝土，这种做法不妥，因为模注混凝土的质量差，对围岩裂隙不能充填，甚至不能保证和开挖面密贴，也就不能加强围岩。形不成喷层和地层共同作用，随着爆破所产生动荷载的作用，会造成后部塌方。再者，就是爆破参数不正确，周边眼装药量过大。另外，爆破后的不正确找顶，也会引起围岩顶部承载圈的整个失稳而塌方。

洞口段一般岩层较差，而且常伴有偏压。因此，如果施工方法不当，极易造成塌方，一旦塌方，不仅处治困难，而且留有后患，资料统计显示，洞口塌方占总塌方数的80%。设计不当造成的塌方，主要是指隧道平行断层通过或洞口选在滑坡体上，支护设计不合理，初期支护太弱，二次衬砌厚度不够，围岩分类有问题等。 总之，影响隧道塌方因素很多，任何一个因素或几个因素处理不当，都可能引起塌方。因此，在隧道施工中，必须处理好每一个因素。

2 塌方的形态分析

从铁路、水工隧洞的1 050个塌方资料分析，可得出16种不同地的塌方类型，可将其分为五种形态。 2.1 局部塌方

多发生在拱部，有时也出现在侧壁，主要在大块状岩体中，由于岩体被结构面切割后构成不同形状的不稳定结构体。洞室开挖后，不稳定结构体面的摩擦力向洞内滑移而发生塌方，这种塌主规模较小，一般塌方高度在0.5 m～2.5 m，易发生在Ⅲ类及Ⅲ类以上的硬岩中，统计表明，局部塌方占Ⅲ类围岩总塌方的36%，占Ⅳ类围岩总塌方的62%，占Ⅴ类围岩总塌方的75%。预防这类塌方的有效方法，是采用局部锚杆+喷混凝土，一般锚杆长度不小于3 m，喷混凝土厚度在5 cm以上即可，不过初期支护必需及时。 2.2 拱形塌方

一般发生在层状岩体或碎块状岩体中，它有二类：一类是在坑跨范围内，仅出现在拱部；另一类是包括侧壁崩塌在内的扩大的拱形塌方。该类塌方多出现在Ⅱ类以下的松软地层中，对于浅埋隧道，往往通顶；对于深埋隧道，由于出现摩擦拱，塌方高度多在4 m～20 m不等，规模较大，预防这类塌方的有效方法，是采用系统锚

杆+格栅支撑+喷混凝土，同时辅以超前支护或注浆等。最好用快硬水泥卷锚杆，长度不应小于2.5 m，混凝土分层施喷，初期支护要及时施作，并进行严密的监控量测。 2.3 异形塌方

是由于特殊地质条件(溶洞、陷穴等)，浅埋、偏压隧道等原因产生的塌方，在有缺陷的岩层中施工隧道，调查清楚溶洞或陷穴的规模，与隧道关系，充填物情况等是选择正确施工方法并防止塌方的关键。浅埋、偏压隧道的施工，必须对地表进行加固，施工方法可采用双侧壁法、中壁法等辅助工法，同时采用超前支护，这样即可保证偏压隧道不塌方。 2.4 膨胀岩隧道塌方

近年来，经常有关于膨胀岩隧道塌方的实例报道，膨胀岩隧道塌方的原因有：很高的膨胀压力作用在喷混凝土支护上；由于膨胀的原因使摩擦和剪切强度损失，造成很大的岩石材料重力荷载；很高的水压力积聚等；因此，为防止膨胀岩隧道塌方，一般先喷混凝土作岩石支护，适当地增加膨胀岩的自稳时间，接着施作仰拱和拱墙混凝土衬砌，使之形成闭合的混凝土承压环。 2.5 大变形的隧道塌方和岩爆

隧道大变形和岩爆是近年来地下工程界研究的焦点，有关大变形隧道塌方和岩爆的实例很多，受篇幅所限，在此不累叙。 隧道洞口段，若施工不当，往往会出现洞顶地表开裂、变形或下沉，有时发生坍塌通顶，统计表明，洞口段塌方占隧道总塌方的80%。防止洞口段塌方，必须选择正确的施工方法和相应的工程措施，并正确估计工程地质因素的不良影响。“旱进洞，晚出洞”是隧道的设计原则，必须遵守，要采用弱爆破，减少爆破振动影响，地表要及时加固并防护，同时要加强地表和洞内位移测量。

3 隧道塌方的处治方法

3.1 洞身塌方处治

3.1.1 塌方量较小时的处治方法

(1)对塌方相邻地段作强支护，以控制塌方的发展和蔓延； (2)待相邻段稳定后，以短进尺清渣； (3)清除危石后立即施喷混凝土； (4)打锚杆或超前注浆管棚；

(5)挂钢筋网复喷混凝土至设计厚度(15 cm～20 cm)； (6)进行监控量测；

(7)循序渐进，往前施工；

(8)衬砌加强(钢拱加径向型钢支撑)。 3.1.2 塌方量很大或通顶时的处治方法

(1)对塌方相邻段作强支护，以控制塌方的发展和蔓延； (2)对塌体从地表(浅埋时)或隧道内沿开挖线以外打孔注浆或超前管棚注浆，胶结松散塌体； (3)待稳固后，小段清渣； (4)及时挂网、喷混凝土；

(5)安设钢支撑，并纵向连接，上下与锚杆、管棚焊接形成为一初期支护的完整受力体； (6)进行监控量测； (7)循序渐进，往前施工； (8)衬砌加强(护拱腹部留空)。 3.1.3 地表有沉陷的处治方法

(1)地表处理。地表及时回填并夯实(或喷混凝土封闭)，可预埋注浆管，搭防雨棚(或植草皮)，挖排水沟；

(2)对塌方相邻段作强支护，以控制塌方的发展和蔓延； (3)塌方体处理，洞内塌体用钢轨或小钢管棚超前支护；立钢拱架，在排与排之间施焊钢筋连接，使之成为整体。

(4)塌渣处理，随挖随撑；超挖部分用同级混凝土回填(或用浆砌片石回填)；

(5)进行监控量测； (6)循序渐进，往前施工；

(7)衬砌按钢筋混凝土结构进行特殊设计。 3.1.4 膨胀岩的塌方处治方法

排除膨胀岩形成的塌方，常常是一种艰难的任务，当在膨胀带发生递增性很大的塌方时，会在未预计的区间发生各种不同尺寸的单个岩块坍落。当塌方空洞被塌方落的岩土覆盖的情况下，常常不可能了解塌方是怎样发展的。试图用灌浆和锚杆来稳定这类松散岩土很难获得成功。用冻结法稳定必须是含饱和水的密度堆积的塌落岩土，而且地下水流动很慢。用前部支撑(矢板)法则要求坍落岩体中大块岩石含量低并用合理的摩擦角。否则，这些方法不会奏效。 排除膨胀岩形成的塌方最好的办法可能是逐步开挖和支，另开挖一旁通道来实现，如果该地区的地层材料固接性很低，在旁通隧道掘进进入该地区前，为了减少孔隙压力，必须在顶板上方高处钻一些长的排水孔。

3.1.5 洞内有大量涌水的塌方处治方法

(1)由主洞迂回进入水区； (2)挡墙构筑；

(3)排水钻孔兼作空洞调查；

(4)向塌方空洞内充填水泥浆、水玻璃； (5)向坍体部位周围山体注入水玻璃加固； (6)钻孔检查，确认加固效果； (7)拆除挡墙；

(8)清除隧道内的土砂及塌方体； (9)恢复掘进。

3.1.6 洞内溶洞的处治方法

(1)加固已开挖段的支护，在距洞内泥屑流段稍远处对正洞进行铺底和拱墙衬砌；对靠近洞内泥屑流段的正洞进行压浆和初期支护，布置纵环向钢筋网喷混凝土，并设置量测点，加强变形监测。 (2)排水降压，开挖平导进行排水，由平导向正洞方向打放水孔，加速排水；

(3)注浆加固。为了防止开挖时再次涌出洞内泥屑流，对正洞掌子面前方进行注浆加固；

(4)先进行超前钻探，查明情况，再决定是否开挖。开挖时采用环状开挖法配合留核心、短进尺、强支护、紧封闭的施工方法，尤其特别注重坚持快挖、快支、快喷的施工原则，循序渐进。 对于大型溶洞，可能要采取梁跨的措施，采取横梁和支墩支托纵梁，纵梁上再作隧道边墙，纵梁采用钢筋混凝土板梁以支撑边墙，板梁分别置于悬臂横梁上，悬臂的固定端埋入钢筋，增加稳定。 对于中小型溶洞应作清除溶洞内充填物和悬吊钟乳；沿洞周打锚杆，布设钢筋网，喷混凝土；施作二次混凝土衬砌；溶洞空穴回填密实等措施来处理。 3.2 洞口塌方处治

洞口塌方实际上是滑坡，其治理方法是：以某一种措施为主，辅以其它工程措施。当以明洞作为整治滑坡的主体工程时，还应针对滑坡产生的原因以及地形、地质条件和抗滑要求，辅以其它工程措施，如疏排地下水、减载或反压、设支挡建筑物等综合治理。 3.2.1 疏排地表水

在滑坡边缘以外稳定地段(一般距边缘不小于5 cm的位置)设置环行截水沟(一道或数道)，拦截地表水，避免流入滑坡范围。同时在滑坡范围内布置树枝状排水系统，整平夯实滑坡范围内的裂缝，以防表水下渗。 3.2.2 引排地下水

根据地下水的埋藏深度、位置以及水量等不同情况，可选用支撑渗沟、截水渗沟、渗水隧洞或水平钻孔等引排地下水。 3.2.3 减载或反压

减载主要是在滑坡的主滑地段将滑体的上部清除一部分，以减小滑体的下滑力，减载措施适宜于滑床上陡下缓，且后缘及侧缘地层稳定，不致因减载而引起滑坡向侧缘发展。

反压是利用滑体上部之减载弃方，填于滑体的抗滑地段(滑体前缘)，以增加其抗滑稳定作用。

减载范围及减载系数的确定，需根据滑坡主轴断面，进行剩余部分下滑力检算，划分出主滑地段，选定减载及反压的最佳部位，一般需反复计算，求得稳定系数。

减载后的暴露面应整平夯实，其平台应有较大的横坡，并应做好减载范围内的防排水工作，以利排水。 3.2.4 抗滑挡墙

抗滑挡墙是整治滑坡常用的有效措施之一，实践中常与其它整治措施配合使用。 3.2.5 抗滑桩

抗滑桩是能承受滑体较大推力的抗滑建筑物的一种形式。成排布置的抗滑桩，能借助桩的受荷段(滑动面上)及桩背土体与桩两侧的摩擦阻力形成的土拱效应，以稳定土体不致由桩间滑出。滑动面以下部分(锚固段)的锚固作用和被动抗力，以及滑动面以上桩前滑体的被动抗力来支撑滑坡推力。因此，滑坡体应为非塑流性的土体或岩块，才有条件设计抗滑桩，且要求滑动面以下应为较完整大基岩或较密实大土层，以提供足够的锚固力，故每根桩所承受的滑坡推力，通常都取桩间距范围内的滑坡推力。 3.2.6 注浆

当地质条件适合时，整治滑坡采取注浆措施，具有保证安全施工和改善衬砌结构受力的作用。

4 结束语

塌方是隧道施工过程中出现的严重病害，为了预防坍方，人们在施工实践中总结了很多有效的方法。防坍措施的采取和出现坍方处理方法的选用均基于对围岩的充分认识和对坍方原因的正确分析，检验每一种措施和方法和标准是：可靠、可行、节约。