浅谈隧道施工局部塌方原因分析与处理方案.doc

浅谈隧道施工局部塌方原因分析与处理方案浅谈隧道施工局部塌方原因分析与处理方案周先仓（安徽省高等级公路工程监理有限公司，安徽 合肥 230022）摘 要：本文着重介绍了绩黄高速佛岭隧道施工洞口仰坡塌方、洞口浅埋段冒顶塌方、洞内拱顶局部塌方的原因分析和处理方案，目的能在以后的隧道施工中有一定的借鉴意义。关键词：隧道塌方；原因分析；处理方案1.佛岭隧道主要地质特点佛岭隧道为左右分离式曲线特长隧道，位于黄山市歙县境内的佛岭山脚下，是安徽省在建高速公路绩（溪）黄（山）高速公路的重、难点工程，是安徽省境内目前最长的公路隧道，隧道全长3904m，隧道起点里程为：ZK24+459，YK24+516，终点里程为：ZK28+163，YK28+420。根据地质勘测，佛岭隧道的地质状况较差，隧区有五条大断层穿越，断层使围岩级别降低，破碎带处为级，影响段为级，易产生洞顶坍落、冒顶，成洞条件差；隧道进口段和出口段，节理裂隙及风化裂隙极为发育，岩体呈碎裂状，局部呈散体状结构，隧道施工开挖切削原有山坡和山体，破坏其原有平衡，易造成落石、掉块及坍塌；隧道进出口于山体一侧通过，特别是左线出口处发育一小冲沟，地形较陡，隧道右线出口段在此穿越，易由隧道拱肩覆盖层厚度差异过大而形成偏压，加上该段本身位于出口浅埋段，隧道施工过程中极易发生冒顶、塌方等事故。2.佛岭隧道洞口仰坡塌方处理2.1设计仰坡防护情况佛岭隧道右洞出口仰坡设计为4米锚杆（锚杆型号22，间距22米），外加挂网喷射10cm厚C20砼（8圆钢，网格间距2020cm）形式，仰坡刷坡坡率为1：0.5。2.2塌方情况及原因分析佛岭隧道出口端右洞于2008年11月24日开始进洞施工，进洞开挖方式采用环形开挖预留核心土，2008年11月26日凌晨五点半，进洞左侧仰坡开始出现裂纹，仰坡外截水沟底部同时开裂，裂缝将近约1厘米，环长约3m，为防止仰坡继续开裂，及时对仰坡进行喷射砼封闭处理，并派专人对仰坡进行观察，密切观察围岩动态，上午九点半仰坡面继续失稳，截水沟处裂缝也开始扩张，并延伸至全断面仰坡范围，十点十分，进洞左侧仰坡面开始塌方，塌方持续至十一点四十分，塌方面积约六十平方米，塌方深度最深处超过四米，同时右侧套拱向洞外位移约8cm（见图一、图二）。分析认为，出现塌方主要是因为仰坡围岩较差，岩层风化严重，有夹泥层，充填物为粉质粘土；仰坡上部松散土层覆盖较厚，自稳性较差，同时由于施工期间雨水较多，夹泥层进水，加上进洞前后施工（包括中管棚钻孔）对仰坡土体产生了扰动，而设计边坡坡率较小，造成洞口仰坡失稳塌方。2.3处理方案(1)对整个仰坡面进行刷坡卸载，坡率按现场实际情况定，尽量保持仰坡面的平顺，实际施工坡率成型后为1：1。(2)在原设计中管棚环外0.5m1m范围内施工二排50注浆小导管对仰坡进行成洞面加固，小导管环向间距40cm，长度5m（后附示意图），小导管注浆压力不大于2Mpa，对坡面进行加固固结作用；(3)变更仰坡面全范围重新挂网喷护，钢筋网采用型号8圆钢，间距10cm10cm，喷射砼厚度10cm，在坡面注浆小导管范围外仰坡面采取砂浆锚杆支护，锚杆型号22，长度4m，间距1m1m，梅花型布置。(4)在注浆小导管施工完毕待注浆强度达到设计强度的70%后进行洞内施工，实际施工时注浆三天后恢复洞内施工；(5) 及时重新在仰坡开挖轮廓线外大于5米处施作临时截水沟，避免雨水对仰坡面的冲刷；(6)加强监控量测频率，对洞口段仰坡施工产生的位移及洞内拱顶沉降和周边不均衡收敛及时监测，如有异常将积极调整施工方案，起到参数指导作用。实际施工过程中，洞口段开挖过程中，地表沉降量六天累积沉降值为35mm后趋于趋定，洞内拱顶沉降量七天累积沉降值为24mm后，拱顶沉趋于稳定，周边收敛变形量六天后累积值达到7.8mm后，变形趋于稳定，累积变形量均在设计规定值内。3佛岭隧道冒顶塌方处理3.1设计初期支护情况设计为级浅埋偏压衬砌，50注浆超前小导管，环向间距40cm，L=4.5m，搭接长度1.46m；初期支护为25mm中空注浆锚杆，L=4.0m,75100cm，8mm 钢筋网，2020cm，I20a工字钢钢拱架，间距75cm，喷早强混凝土25cm。3.2坍塌情况及原因分析佛岭隧道出口段右洞于2009年2月2022日进行YK28+292YK28+289施工，岩体形态为土夹石，并存在很大的一块土质夹层。2009年2月22日晚九点左右，进洞钻爆里程掌子面达到YK28+290.25时，发现右侧拱顶(浅埋段)存在局部塌方，渣体为红褐色粘土，在随后安排的出渣施工中，发现洞身土层形态存在异常，掉块严重， 2月21日施工的超前小导管出现变形，隧道拱顶出现断断续续的小范围冒顶塌方，并将大部分的超前小导管打弯；待塌穴稳定后，及时对掌子面进行排险初喷封闭；现场量测，塌方穴体呈环向倒置漏斗型结构，坍塌范围为起拱线上3米至距离隧道中线2米的夹角范围内(拱架上环向坍塌长度约5米)，坍塌物全部为粘土，塌穴周边为岩层，能形成自稳，坍塌深度较平均，冒顶距离拱顶深度最深处达8米左右，纵向坍塌距离3米，里程到达YK28+289，估计塌方体积达到90个立方（见图三）；分析认为，出现塌方的主要原因是因为洞顶地质条件较差，为一大土质夹层(漏斗状)，因施工期间持续降雨，地质土含水量饱和，土压力较大，岩土自稳较差；同时，钻爆施工时对围岩产生了一定的扰动，围岩整体性受到一定破坏。3.3处理施工方案（1）对坍塌处进行二次人工排险，将可能存在的塌方体隐患排除后，初喷35cm厚砼进行封闭；洞顶外沿坍塌面外4米施做临时截水沟，坍塌面覆盖彩条布，避免雨水对洞内的反渗，导致坍塌面继续扩大。（2）洞内重新沿塌穴面挂网锚喷支护建立工作面，确保后续施工安全：首先在初喷后的岩面上按1m1m的间距打设22药卷锚杆，锚杆长度4米，锚杆尾部视岩面情况留出0.51米；最后沿塌穴面挂网（8圆钢，间距10cm10cm）锚喷，抑制围岩进一步变形；（见图五）（3）形成安全作业面后工人站到拱架上沿纵向方向打入1排6米长505mm嵌岩注浆小导管(环向间距30cm)，嵌入深度3米左右，尾部与工字钢焊接。（见图五）（4）在嵌岩注浆小导管施工完毕后，塌穴空间根据实际情况焊入18的螺纹钢，端头与锚杆尾部焊接，同时尽量保证螺纹钢与小导管焊接成整体，使之与模筑混凝土形成空间钢混结构。（见图五）（5）在YK 292YK28+289段将拱架纵向间距由75cm调整为50cm，增强纵向支撑总体刚度，由于塌方体不是很大，拱顶采用回填混凝土方式形成洞顶护拱的方式，为减少自重，厚度为60cm，分2次浇筑；隧道内初支喷射砼采取原设计厚度25cm，同时埋设150泵送管，等砼强度上来后，作为模筑砼底模。（6）逐步立架抵至YK28+289掌子面后，采用上述方式处理拱架，根据实际情况再向前进行洞身开挖，继续开挖前重新按设计要求施工超前支护并焊接在钢拱架上。（7）待回填砼施工完毕后并达到设计强度70%后，采用碎石土将塌穴填平夯实（8）加强监控量测频率，对拱顶沉降和周边不均衡收敛及时监测，如有异常将积极调整施工方案，起到参数指导作用。实际监测数据显，拱顶沉降量六天累积沉降值为22mm后，拱顶沉趋于稳定，周边收敛变形量五天后累积值达到9.6mm后，变形趋于稳定，累积变形量均在设计规定值内。4佛岭隧道洞内拱部局部塌方处理4.1设计初期支护情况设计为级浅埋偏压衬砌，50注浆超前小导管，环向间距40cm，L=4.5m，搭接长度1.46m；初期支护为25mm中空注浆锚杆，L=4.0m,75100cm，8mm 钢筋网,75100cm，I20a工字钢钢拱架，间距75cm，喷早强混凝土25cm。4.2坍塌情况及原因分析佛岭隧道出口段右洞YK28+284YK28+283段上台阶施工于2009年3月3日晚十一点钟开始施工，循环进尺50厘米，开挖采用环形开挖预留核心土法施工，3月4日下午三点钟，本循环初期支护施工结束。本循环施工过程中隧道左侧拱项及掌子面时有掉块现象发生，3月4日下午掉块频率增加，掉块体积加大，3月4日下午五点二十分，隧道左侧拱顶部份出现较大坍塌，塌方穴体呈环向倒置漏斗型结构，坍塌纵向深度约6米，环向长度约8米，坍塌平均高度约6米，坍塌物渣体为强风化泥岩，红褐色，坍塌物中有两块孤石，每块孤石体积有50立方米左右（见图四）。本循环开挖结束时对掌子面和拱顶围岩进行了初喷砼封闭，施工过程中两次对掉块部份围岩进行补喷砼封闭。根据塌穴的地质情况，分析认为，出现塌方的主要原因是洞顶覆盖层薄，围岩为强风化泥岩，遇水易软化，自稳较差，施工期间持续降雨，地质土含水量饱和，土压力较大，岩土失稳，从而发生洞坍塌。4.3处理施工方案（1）在确保安全的前提下，对可施工塌方洞穴部份进行初喷，初喷完成待洞顶稳定无掉块现象发生后，清除已经被破坏的初期支护及坍塌渣体和孤石，为确保安全，在进行初喷结束后从洞外运碴至掌子面堆砌平台，平台高度与下层孤石底高度水平即可，从而保证在拆除初期支护期间坍塌孤石不再下滑，在处理坍塌孤石时，采取弱爆破的方法分解，孤石分解后拆除被破坏的初期支护。（2）对塌方洞穴面围岩进行加固处理。对塌方洞穴面进行喷射砼初喷封闭，初喷厚度5cm，初喷结束后沿岩面安装钢筋网，钢筋网环向2020，纵向1020，钢筋网安装完成后喷射砼10cm，沿塌方洞穴面安装22砂浆锚杆，间距1m1m，长度3m，沿喷射砼表面安装820cm20cm钢筋网，钢筋网安装完成喷射砼10 cm，在设计初期支护外1m范围内塌方洞穴四周安装两排505mm注浆小导管，小导管长度6m（可根据实际情况进行调整），间距40cm40cm。（见图六）（3）塌方段设计初期支护加强处理。变更设计初期支护I20a工字钢钢拱架纵向间距75cm为40cm，变更设计4.5m超前注浆小导管为6m超前注浆小导管隧道左侧每榀工字钢拱架安装4根22砂浆锁脚锚杆，右侧每榀工字钢安装2根22砂浆锁脚锚杆，长度均为4m，按设计挂网锚喷，塌方段初期支护延伸至塌方洞穴掌子面前方5m，塌方洞穴段初期支护先施工左侧临空面部份，左侧初期支护到洞穴掌子面后再开挖右侧上台阶，将右侧初期支护落底，右侧初期支护至洞穴掌子面后，按三台阶法进行洞身开挖与初期支护，围岩转好可按环形开挖预留核心土法进行洞身开挖与初期支护。（4）对塌方洞穴处理。在设计初期支护外安装三层2220cm20cm钢筋网，层间距20cm，层间拉接筋820cm20cm，先模柱C20砼，厚度80cm，待模柱砼达到设计强度后再增加一层C20砼，厚度80cm。在砼施工前按施工要求预留好砼泵送口，同时预埋三根505mm注浆花管，注浆花管顶端到塌穴洞顶。（见图六）（5）加强监控量测频率，对拱顶沉降和周边不均衡收敛及时监测，如有异常将积极加强支护。实际施工过程中，拱顶沉降量七天累积沉降值为44mm后，拱顶沉趋于稳定，周边收敛变形量五天后累积值达到8.2mm后，变形趋于稳定，累积变形量均在设计规定值内。5结束语隧道塌方处理是隧道施工必不可缺少的一项内容，由于塌方情况和原因的不同，各种处理方案不尽相同，但是总的处理思路大同小异。首先是考虑施工人员的安全性，也即可操作性；其次，根据塌方情况加强围岩本身的稳定性，一般采取锚杆、小导管注浆、管棚注浆、维幕注浆等方法对围岩本身进行加固和分解围岩产生的压力；最后就是对出现塌腔进行回填处理，防止塌腔突然变形产生次生事故，一般采取的方法有浆砌片石回填、低标号砼回填、塌腔较大可用耐腐蚀性物体进行回填，已经冒顶的在洞内