小平羌隧道出口塌方冒顶浅析及施工处理

1、小平羌隧道出口塌方冒顶浅析及施工处理宋光平摘要：文章介绍小平羌隧道出口塌方冒顶，造成一次重大安全事故， 文中对坍方原因进行了详细的分析，以确定处理方案，并对处理方案 作了详细介绍，探讨了隧道不良地质地段预防坍塌措施，对同类隧道 的施工提供一定的参考价值。关键词：隧道 坍塌 注浆 处理一、工程概况小平羌隧道位于新建兰新铁路第二双线西宁至张掖段的站前工 程。隧道设计出口里程桩号DK349+312，洞口轨面高程3300.9623，明 暗洞交界里程DK349+281，明洞长度31m。为双线1级电气化铁路隧道， 位于直线上。全隧道洞身纵坡为20%。的下坡。地层岩性：本段地层主要为第四系全新统坡积碎石土、

2、下伏基 岩为石炭系灰岩、砾岩、页岩及泥盆系砂岩。地质构造：本隧道位于北祁连褶皱系构造单元及其边缘部位， 祁连褶皱系为北西向展布，沿线涉及次级构造单元为：中祁连中间隆 起带、北祁连优地槽带，各构造单元多以深大断裂分界。隧道通过区 无断层构造发育，但褶皱构造十分发育，石灰系灰岩、页岩、砂岩等 岩层产状沿线路变化频繁，发育多处次级小褶皱，岩体节理裂隙发育。水文地质：隧道区地下水的形成受地形地貌、岩性构造、植被、 降水量等多方面因素的控制和影响，特别在构造作用下，断层破碎带、 节理密集带、岩性接触带，为地下水的储存运移创造了良好条件，地 下水主要为第四系孔隙潜水，基岩裂隙水和构造裂隙水，与隧道关系 密

3、切的为基岩裂隙水和构造裂隙水。设计情况：设计文件中：小平羌隧道出口洞口里程为DK349+312, DK349+312-281 为明洞段，DK349+281-210为V级，DK349+210-060为 W级围岩，DK349+060-DK348+580段为III级围岩。在DK348+940将穿越 一背斜。其中：D K 3 4 9 + 3 1 2 - 2 8 1明洞段采用明挖开挖； DK349+281-256 V级暗洞段为超前大管棚108、I 22a全环支护，间 距50cm，三台阶法开挖；DK349+256-210V级暗洞段为超前小导管 42, 1 22a全环支护，间距50cm，M台阶法开挖；DK3

4、49+210-160W级 围岩段为超前小导管42,118全环支护，间距100cm，台阶法开挖； DK349+160-060W级围岩段为局部超前小导管42,1 18拱墙支护， 间距100cm，台阶法开挖；DK349+060-DK348+860段III级段采用IIIa-2 支护，无钢架，台阶法开挖。2011年3月29日DK349+060-040变更为III级，支护采用IIIb-2支 护，即拱部180范围采用格栅钢架支护，1.2m间距。2011年4月4日 DK349+055-035变更为W级，支护采用Wb-2支护，即全环采用I 20a 钢架支护，60-80cm间距。实际地质情况：实际施工揭露地质情况

5、：DK349+281-251时为浅 埋地段，进洞方向右高左低，存在偏压，且进洞左侧冰冻严重，以至 后期变形较大，目前在DK349+281-260段已侵限，计划5月份将采取换 拱。2011年3月29日实际施工中根据施工及监理记录在DK349+060时出 露灰岩、泥质砂岩及页岩，并分布一小向斜，岩层破碎，节理裂隙发 育，节理面充填方解石脉，岩层走向与洞身方向基本一致，倾角在掌 子面左侧几乎直立，右侧70。设计部门现场确认后将围岩DK349+060 -040段变更为IIIb-2，即拱部180范围米用格栅钢架1.2m/棉支护， 现场未出变更纪要。2011年4月4日开挖至DK349+035时发生片帮小坍

6、 方，建设单位及设计部门查看现场后将围岩重新变更为W级，采用I 20按0.6-0.8m/根支护，上下台阶法开挖。实际施工时因无I 20工字 钢，现存1 22工字钢，就采用了1 22工字钢代替I 2 0进行支护， 间距控制在60-70cm。塌方前掌子面开挖里程为上台阶DK349+035，下台阶左D K349 + 0 7 5，右DK349+070，仰拱里程DK349+094,二衬里程DK349+110.8。8CD二丑更买整充段突然坍塌，塌方量在370方左右，并不时有掉块现象。塌方形态为 松散堆积体自DK349+035向洞外坡至DK349+050附近；DK349+050035 段面向掌子面左侧及拱顶

7、以上出现高8 10m左右的塌腔，面向掌子面 右侧DK349+050040约13根钢架在拱腰钢架连接处被整齐切断。塌体 成分以灰岩为主，少量泥灰岩及页岩。二、坍方原因分析坍方发生后，建设、咨询、设计、施工、监理和其它相关单位 多次到现场勘查和研究，确认其坍方原因有：1、自然原因-冰雪融化的影响：祁连山地区海拔3000-4100米， 广泛分布多年冻土和季节性冻土，冻土深度1-3米，每年4-6月为冻土 的冰雪融化期。位于该区域的小平羌隧道洞顶地表标高3300-3700米， 地表冻土 4月初开始融化。塌方段洞顶埋深95-100米，作业段为泥灰 岩、泥岩及碳质页岩，地质条件较差，且分布一小褶皱，岩层破碎

8、， 节理裂隙发育，裂隙间隙冰冻水解冻后对裂隙起到了润滑的作用，摩 擦力减小，导致围岩稳定性变差，这是导致塌方事故的外在诱因。2、地质条件的不良：小平羌隧道位于祁连山区域地质构造带内 石炭系灰岩夹页岩地层中，由于多期构造运动挤压作用强烈，洞身发 育多条向斜、背斜相间组成的复式褶皱。3月29日开挖揭示掌子面 DK349+058分布一小向斜，应为勘察设计中大背斜的一条次生小构造，DK349+050 037正好位于该构造内，岩层倾角陡峻，70-80度，局部 呈直立状，岩层节理裂隙发育，可见明显的层间错动及潮湿状态的软 弱页岩破碎带的存在，导致层间结合力极差，块状结构的岩层的自稳 能力降低，是导致这次塌

9、方事故的又一外在诱因。3、施工不当因素:2011年4月4日曾发生过一次片帮小塌方，后 设计部门到现场对塌方段拟定了处理措施，施工过程中支护措施符合 处理措施要求，但初支背后空洞处理不及时，DK349+060-050段初支 背后压浆了一次，但往前施工至DK349+037段共13米未及时对初支背 后空洞进行压浆填实，导致应力集中，瞬间垮落并冲击已施工支护钢 架，支护钢架承受不住巨大压力而垮塌，造成塌方及人员伤亡事故， 这是导致这次塌方事故的直接原因。施工人员对隧道地质条件的变化 及复杂性认识不足，工程措施不到位或针对性不强。这其中有勘测设 计存在的问题，更有施工的因素，出现问题如能及时反应，及时有

10、针 对性采取加强措施，即可避免事故或减少损失。三、塌方处理技术方案为确保安全，坍方扰动区及前方塌腔处理始终坚持“管超前，严 注浆，短进尺，强支护，快封闭，勤量测，衬砌紧跟”的原则通过， 并采用0.5m/根的钢架密布支护，并在钢架拱腰、拱脚、墙脚设锁脚 锚杆。1、塌方的地段设计图纸所采用支护的安全系数较低。且受前方 塌方的扰动，很有可能出现塌方，本着安全第一、循序渐进的原则， 确保施工人员的安全，对DK349+070060长10m段既有施工支护进行 加强。DK349+060062、DK349+068070两段各设置三处2MX2M 方木垛临时支撑;(2) DK349+062067段米用喷射混凝土+

11、钢架的锁口圈，钢架 采用1 20a型钢钢架，间距0.5m，挂网喷C30早弓鱼混凝土，厚度30cm， 钢筋网必，间距15cmX15cm，在上台阶底部设置I 20横撑尽早封闭 成环，钢架纵向采用型钢+角钢连接，确保纵向稳定。qfeosxQ S比Is,-J,一DK349+050-035埸方处理纵断面图2、对塌腔的处理，因塌腔较大，且不时有掉块及再次坍塌现象, 因而无法进入腔体内进行作业。拟采用泵送砂浆及低标号混凝土进行 回填。采用长臂机械手喷砼机对腔体进行初喷砼，以封闭腔体岩 面，减少掉块现象，但实际过程中，不时会有岩块掉落。在DK349+058056段设2m厚C20混凝土进行封堵，对塌腔段 采用冲

12、5和M10水泥砂浆分层进行回填，底部采用M5水泥砂浆，拱部开 挖轮廓以上采用M10水泥砂浆回填，封堵墙根据回填分段加高。在封 堵墙的保护下，对塌腔进行回填。封堵过程中，对上台阶底面至拱部开挖轮廓范围分层预埋 直径150mm的钢管，间距2cm，梅花型布设；封堵至拱顶后，对高于拱 部开挖轮廓范围，从封堵墙后面，跟管钻进直径100mm的注浆管。然 后进行拱顶塌腔回填。（4）回填完成拆除封堵墙后，在D K 3 4 9 + 0 5处设导向墙， 进行管棚施工。管棚长25m，直径159mm，间距4050cm，倾角35 度。3、接下来的开挖先增设小导管，长4cm，直径42mm，间距4050cm， 倾角510度

13、，与大管棚间隔布设，小导管注水泥浆。采用台阶法开 挖，锚喷支护：采用钢架122a，间距0.5m,临时仰拱封闭，C30喷混 凝土，厚度30cm，钢筋网 8mm，间距15X15cm，台阶上下两侧设锁 脚锚杆（管），直j22mm （42mm），钢架接头处设纵向型钢连接，其余 采用角钢（45 X 45mm ）连接，间距1m。4、结合施工进度，在下台阶开挖前，对DK349+062050段初 期支护背后采用小导管进行注浆加固，小导管间距1X1m，注水泥浆， 小导管长3.56m，径向注浆应随着开挖逐段进行，确认原支护安全 后随即施作径向注浆措施。5、DK349+062050段二次衬砌采用钢筋混凝土结构，在施

14、作该 段二次衬砌之前需对该段净空断面进行测量，以满足限界要求。6、DK349+050035段二次衬砌采用复合式衬砌结构。初期支护 喷射C30混凝土，厚度30cm，拱部设置钢筋网 8mm，间距15X15cm， 全断面设置I 22a型钢钢架，并在上台阶设置临时仰拱封闭成环，台 阶两侧设 42锁脚锚管，每侧4根，每根长4.5m，钢架接头处设纵向 型钢连接，其余采用角钢（45X45mm）连接，间距1m；预留变形量不小于50cm。二次衬砌采用C35钢筋混凝土结构，拱墙厚度60cm，仰拱厚 65cm；主筋采用0 22钢筋，间距20cm。四、施工监控量测因塌方使得地表出现了裂痕，本次监测采用洞内与塌体洞外地

15、表 同时量测。1、洞内监测：通过监控量测的结果来确定支护的稳定性，洞内 每个断面在拱顶、拱腰及边墙共布设了5个监控点，两条水平测线， 四条斜测线，一条拱顶下沉测线。测量范围为）K349+035110段，其 中DK349+035070段按5m间距布设监控量测断面，DK349+070110 段按10m间距布设监控量测断面。按位移速度确定的监控量测频率， 洞内方木垛及套拱支护施作完成前量测频率2小时1次，完成后4小时1 次。2、地表监测：监测网沿纵、横向1020m布设测点，设置3个监 测基准点，锁口圈完成前量测频率4小时1次，完成后12小时1次。地 表设置警戒线，范围为60X75m（横向X纵向）；地

16、表观测人员应密切 关注地表变形情况，确保自身安全，发现异常应立即撤离并及时向有 关负责人进行汇报。五、体会此次塌方事故的处理，效果较好，得到了专家组的好评，主要因 方案正确、措施恰当、及时处理、组织严密。主要有以下几点体会：1、处理塌方必须及时，塌方事故发生后，详细察看塌穴高度、宽度、纵向长度及塌穴稳定情况；研究工程地质、水文地质、构造、 洞顶水的流向等特点、范围；检查塌方对初期支护的损坏情况和影响 区域；分析塌方可能的发展趋势等。在充分了解了隧道的地质结构及 围岩状况的基础上，进行精心调查研究分析，才能确定最佳施工方案。2、在隧道内实施监控量测，可以判断围岩的稳定性，及早采取 处理措施，并对所采取的处理措施有效性做出正确评价。3、不良地质地段隧道施工必须早封闭成环及紧跟二次衬砌，使 其与初期支护共同参与受力。避免初期支护被压垮，出现次生或再次 塌方。4、做好安全生产工作，处理塌方是危险和意外情况的多发作业。 进行处理时