隧道塌方事故成因及措施研究

摘要随着我国社会经济的快速发展，有许多基础建设在不断地被完善，尤其是有许多的道路和高速铁路被建设，但是因为种种原因道路及铁路的建设会被许多因素影响，有许多的道路及铁路往往建设在比较偏僻的位置，更有可能建设在山川高地，为了减少资金的投入，有一些位置会设立隧道，从山内穿过会有更好的结果，但是在进行施工时会有许多的危险出现，在施工时因为需要在地势较低的位置上施工，所以经常会出现涌水、突泥、塌方的情况，对于施工的人员来说危险系数较高，并且即使没有人员伤亡，出现塌方等情况也会影响施工工期，对于施工来说也会有巨大的影响。所以本文对于施工时的隧道坍塌进行研究分析，并提出合理建议与措施，帮助减少隧道塌方的出现。研究时会使用实例进行研究。关键词：隧道塌方；塌方成因；防治措施目录TOC\o"1-3"\h\u22657摘要 I页共15页绪论1.1国内外研究现状1.1.1国外研究近年来，日本开发出一种多功能的隧道盾构机，这种机器在进行施工时并不挑剔土层。在进行施工时主要是通过判断出土的性质在施工时的变化情况，或选用膨润土泥浆土压平衡盾构，这个机器在日本已经广泛使用。此外，在施工时将路肩结构与岩石TBM进行结合使用对于现在来说也是值得关注的，结合之后再进行使用可以帮助将两者的优点进行组合，做出另一款更加实用的隧道掘进机。并且上个世纪末研制出的多头隧道掘进机是日本所研发的，也早都已经进行使用。而它所研制的目的就是为了给业主提供更好地帮助，方便在进行施工时可以让多个刀头施工时有相同的频率。可对于施工方来讲是相反的，但是却并不影响施工的效果，而且这样子可以更好的帮助轻轨或地下隧道工程的施工有更好的解决方式，也能帮助多个工程队分段施工提供便利，并避免其他施工队的影响，施工的速率提升。1.1.2国内研究目前，新奥法在施工时已经被应用到许多情况中，锚喷支护也大大提高了隧道工程的施工安全和进度。所以，隧道在进行施工时，围岩施工时的最开始状态被破坏从而引起应力重新分布，这将不可避免地产生许多隧道被破坏稳定性的情况的出现。塌方是隧道施工时最容易出现的问题，隧道塌方容易出现经济损失、施工人员的健康也会被影响。施工不能按时完成。所以在进行施工时需要对于隧道的坍塌做出预防，并在发生问题时及时解决出现的问题。另外，经过时代的发展对于隧道技术已经相对比较成熟，虽然还是会出现一些问题，但是前期做好防范，之后及时维护是首要的，是对项目与施工人员负责的表现。1.2课题研究意义及目的1.2.1研究意义随着西部大开发的不断深入，我国西部是有许多的高山峡谷和丘陵的，这些险峻的地势在进行施工时会有许多的困难出现，并且地质情况复杂的话对于施工来说也会增加难度。在修建公路时使用隧道进行修建一般都面临土质比较复杂，地质情况比较险固，在进行开挖时会因为挖掘的面随着扩大，从而出现涌水、围岩变形，更严重的话会出现一些沉降、坍塌，对于施工来说既会影响工期，对于施工人员的安全来说也是有危害的。所以在进行施工时出现坍塌、涌水、围岩变形是施工中较为常见的，对于施工来说会有不利影响。1.2.2研究目的据作者介绍，之前发生的事故中出现的问题有：位于意大利和瑞士之间的堪池山隧道(KanchiMountain)在进行开挖时因为隧道出现坍塌，使20多人不幸去世；在上个世纪80年代末到90年代末，日本的隧道在进行施工时也是出现坍塌，使将近60人左右不幸去世；成渝高速公路上在施工时出现了8次的塌方，严重延误了隧道的建设。沅江大风崖口隧道在全场的3公里隧道在建设过程中发生20多起塌方事故。最大的坍塌事故导致工期推迟了3个多月。所以，在进行施工时，对于施工的隧道的塌方进行前期的预防，在进行施工时的注意安全，而且在进行施工之后及时作出补救措施，是非常重要的。隧道在施工时出现塌方一般发生的概率性都比较高，并且一直是大家很关注的一个重要问题，但是却一直没有被完全地解决，在这之前的问题分析中可以看出，首先需要对于土层的沙土岩石状况进行分析，并通过科学的研究分析岩体的受力情况分析，讨论隧道的坍塌情况及原因。本文的目的是根据隧道坍塌的数据值进行分析，再经过科学的研究进行更深一步地分析，并且得到的数据值与坍塌情况结合分析，得到解决坍塌的情况问题分析及处理措施，希望本文的研究可以帮助隧道工程施工时有所帮助。塌方研究现状及产生原因2.1工程概况本次施工的该隧道位于中国西南地区，公路标准采用国内一级的要求进行施工，道路规划的行车速度设计为60km/h，隧道设计为双孔分离式，加上单孔双车道隧道。隧道进入的位置使用的围岩是V型，大致有一部分设计的为IV，中间的区域是IV型围岩，施工时使用新奥法施工。会使用组合衬砌结构进行施工，也会使用锚杆、钢丝网、喷射混凝土和钢框架帮助隧道进行支护，模板进行支护时使用混凝土进行支护。在两次支护施工时要在中间设置防水层进行隔离。在2011年年初开始隧道施工，又在次年年末投入使用，在进行后期的维护中可以看出其中有一部分在施工时发生墙面出现裂缝，而且在隧道上出现了坑道，有些位置也出现了变形，并使结构产生了变形，这些都需要及时处理，以此来避免出现更大的危险。详见下表2-1。表2-1四方山隧道工程情况一览表 隧道名称起讫桩号围岩级别长度（m）比例（%）起讫桩号围岩级别长度（m）比例（%）四方山隧道ZK114+945~ZK115+553左幅(608米)V19331.7K114+953~K115+560右幅(607米)V22436.9IV31852.3IV25942.7III9716.0III12420.42.2隧道病害现状2.2.1衬砌裂缝调查的结果表明，衬砌出现的裂缝大多都会出现在侧墙，并且出现的裂缝会从几个方向产生裂缝。但是出现的裂缝是纵向的，裂纹的长度一般在2~20m之间，宽度的数据值大概在0.3~0.5mm之间，有一些的数据值宽度已经大于1mm。左侧隧道共发现衬砌裂缝将近150条，总长度为接近790米，右侧隧道已经发现的裂缝将近60条，总长度为接近320米。详见下表2-2。表2-2隧道混凝土衬砌裂缝情况调查统计表种类占裂缝长度的比例（%）部位占裂缝长度的比列（%）拱腰纵裂边墙纵裂64.7纵向裂缝79.3纵向裂缝19.9拱脚纵裂12.2拱顶纵裂环向裂缝4.9拱部、边墙3.22斜向裂缝14.1拱部、边墙2.2.2路面开裂、沉陷隧道施工时会出现一些损害，大多的问题主要是出现裂缝、错位、坍塌坑、部分出现问题、路面凸起等情况出现。经过研究可以发现，左侧隧道共发现衬砌裂缝将近50条左右，道路的缝隙大约有30多条，出现的错位大概有3处，路面上出现的坑动大约有10处，凸起出现大约有6处。右侧隧道共发现衬砌裂缝将近25条左右，道路的缝隙大约有10多条，出现的错位大概有3处，路面上出现的坑动大约有5处，凸起出现大约有2处。2.2.3电缆沟倾斜变形电缆沟槽施工时出现的问题主要是沟槽体会发生倾斜、沟槽壁出现挤压、盖板上出现翘曲等情况。左侧隧道上出现的沟槽体会发生倾斜的情况大约有10多条，沟槽壁出现挤压的情况大约也有10多条，盖板上出现翘曲的情况大约也有2处。右侧隧道上出现的沟槽体会发生倾斜的情况大约有10多条，沟槽壁出现挤压的情况大约也有5条左右，盖板上出现翘曲的情况大约也有5处。2.3塌方产生原因2.3.1隧道的地形地质因素隧道工程在进行施工时是处于地下工程的项目，并且随着地质情况的变化而导致工程的各项情况也在变化，在进行施工的过程中会因为地质构造及各种未知的情况影响后期的施工，在进行隧道工程时会被地下水、岩洞、断裂带、地下的应力设计、地下的易燃易爆气体会影响施工安全、土层的各项情况，并且在进行施工时因为需要的空间较大，出现的隧道宽度情况最多可以达到15m左右，并且施工时形状会比较扁平，这就需要做防水，防止出现渗水情况，受到勘探水平等诸多因素的影响，这些情况都会直接或间接的影响隧道施工。2.3.2隧道受力状况从隧道施工时出现的受力因素情况来看，隧道塌方主要会影响隧道口的情况，也会影响隧道里面塌方的情况。隧道洞口上部边坡的变形破坏主要是由于变形过程中的因为外界的影响或者结构的强烈震动引起的松动，边坡顶部一些位置出现了缝隙。由于边坡岩体经常发生破坏，隧道进行开挖后会有变形产生，没有明显的滑动面产生，主要表现为岩体因为一些震动设计和过程生成破坏变形。从隧道的结构角度来看，隧道的坍塌可以看作是组合梁或承重拱生成变形情况，或者将锚杆当做固定在围岩中的悬挂杆。这些问题的发生主要是由于没有达到支护的要求及标准，使结构的稳定性被破坏，使结构失去稳定性，出现变形情况。2.3.3隧道的设计不当目前公路隧道在进行设计时主要使用的方式是类比法、科学计算、实际的检测等方式。在进行设计时，需要对于周围的情况进行讨论分析，对于出现的围岩的情况进行判断，明确隧道施工时支护的安全性是否符合安全标准，这些对于隧道施工时出现的坍塌，变形情况的分析，并且还需要对于土层的情况进行检测，明白隧道施工时出现的事故因素是什么。2.3.4施工的多种因素在进行施工时并没有按照规范要求进行施工会使工程出现坍塌，现在很多施工项目在进行施工时，隧道中修建公路的施工队施工技术、现场的管理、后期的施工水平各不相同，有一些施工队在施工时并不按照规范要求进行施工，还有一些施工队在进行施工时并不对新奥法进行深入了解，在实际的使用时缺乏实用性，在实际的应用中缺乏经验与应对措施，使结果变得更加不好。隧道塌方处理的案例分析3.1四方山隧道右洞隧道塌方冒顶本次项目隧道塌方时主要发生在隧道南端入口附近。在开挖面附近10m左右的位置处进行初期支护，会在其周围设置钢格栅，但是在坍塌时格栅全都倒塌了，并且还一直向上坍塌到表面，从而出现顶板倒塌，而在表面形成了凹坑，之后在形成的凹坑附近会生成许多的裂缝，就在已做好的排水沟附近形成裂缝。形成的塌陷深度超过30m，并且坍塌的面积超过3700立方米。在进行坍塌的位置处需要进行防护，将面层坍塌并产生裂缝的位置处需要使用喷锚支护将裂缝进行修补，在修补时需要使用水泥砂浆将缝隙进行修补，将产生变形的位置进行检测，并将松动的土层清理干净，做好缺口处的清理，将缺损处使用水泥砂浆进行浇灌。并在面层使用防护网做好保护层，并对出现的凹坑做填充，而在边沿设计坡度，一并设计出合适的数据值，对坡度上的力值进行计算分析，另外也需对坍塌的地方做好防水保护，进行及时清理地积水，最后对积水处做脱水处理。详见下图隧道洞口施工的示意图3-1图3-1隧道洞口的施工示意图对于坍塌的位置处将出现的空洞进行修补，为之后的使用打下基础，并在坍塌的渣滓中进行加固，会使用Φ45×5mm的小导管进行灌注，管的长度为4.6m/根，得到的小导管的总数量有20多根管。在进行浇灌的时候会使用混凝土做面层进行防护。在施工时采用大管棚(Φ92×9mm)，使用的数量达到40根左右，保留有一定的斜角，角度控制在5°以内，并且在进行施工时会将坍塌的渣滓处在安全的范围，所以棚子的管的长度在15到28m左右，使用时不够充足的部分使用Φ75×6mm的尺寸或更大的钢管，并且使用的钢管的尺寸为18~32cm；在进行使用时需要注意会出现坍塌的位置的情况，并使用Φ75×8mm的钢管进行搭接，搭接长度要大于3.2m，保证施工时的钢管进到搭接的位置处。隧道在进行防护时使用最大强度的支护，并使用V型浅埋支护，并对使用的支护进行加固并及时调整，得到的坍塌区域需要使用超过5.9m的Φ45×5mm的小导管进行灌注，并浅埋支护使用V型的结构，并对出现坍塌的位置使用围岩进行加固,使用I22Ai型钢做钢构架，并对钢构架的距离进行调整。3.2四方山隧道左洞ZK75+735~ZK75+750段塌方20世纪10年代末，四方山的一个隧道左侧的一个施工段出现坍塌，具体就是ZK75+735~ZK75+750这几个施工段，出现坍塌的原因是因为隧道的支护被破坏，并且施工段所处的自然环境是会发生严重风化的，隧道的土层里面会有风化砂岩，棕黄色粘土露出来，有一些是粉质粘土，这些土层会吸收水，对于隧道来说并不稳定，在进行ZK75+750的土层开挖时，因为施工并不安全，出现土层侧滑，使结构及支护被影响，所以上报后就被叫停。需要将土层进行加固，将土层使用灌浆加固，并将支护进行加强，并对顶部的结构置换加固，但是在之后的施工中还是发生了事故，支护被破坏，并被坍塌碎石被冲刷至进行加固的地方，出现挺长的坍塌段，并且隧道的面层出现裂缝，并且有些地方部分区域有一些小坍塌。3.3处理措施（1）在施工时需要将隧道的面层加上防水，保证水不会下渗，不会影响围岩，不会使结构再次发生坍塌，使用时隧道坍塌的部分就是ZK75+721+719需要增加钢构，避免再次出现坍塌及裂缝影响使用。（2）对矿渣进行加固，防止围岩和支护需要加固，将出现的坍塌渣滓及时清理，并扩大坍塌前面的空间面积。将坍塌区域进行加固，总长度为17.9m，进行浇灌的孔Φ8cm，并将两个孔之间的距离设计为110×110cm，计算出需要68孔，灌浆的工具使用的就是普通钢管进行的，使用的尺寸为80×6mm，钢管长1225m。使用的砂浆的比例是1:1的。采用砂浆砌体和喷射混凝土修补和封堵坍塌体边坡，预留灌浆孔。实际的操作为:下部尺寸为1.6m高，低墙宽1.1m，中间区域的尺寸为1.6-6.8m，留设的斜坡上使用0.5m厚的灌浆石，锚喷保护斜坡上部，锚喷的是混凝土，厚度是0.1m，加设的锚杆每根总长为3.2m，两个的平台数据值保证在1.3m，砂浆碎石厚度为0.5m。滑坡固结后，需要对结构破环的位置进行修复，并对破坏的支护进行修复，对前缘滑坡段的位置上ZK75+735+760段进行预支护，为了安全施工时使用大管棚(Φ92×9mm)，使用的数量达到40根左右，并有一定的斜角，角度控制在5°以内，并且在进行施工时会将坍塌的渣滓处在，所以棚子的管的长度在15到28m左右，使用时不够充足的部分使用Φ75×6mm的尺寸更大的钢管，并且使用的钢管的尺寸为18~32cm；在进行使用时需要注意会出现坍塌的位置的情况，并使用Φ75×8mm的钢管进行搭接，搭接长度要大于3.2m，保证施工时的钢管进到搭接的位置处。ZK75+735+760段在进行施工时使用工字钢Ⅰ20a作为梁拱架，钢架的间距设计成间隔40cm的钢架，并在结构上增加锚杆进行加固，并使用Φ45×5mm的小导管进行灌注，在进行浇灌的时候会使用混凝土做面层进行防护，灌浆时使用混凝土浇灌。并使用V型浅埋，将隧道的基础进行开挖，并设置固结，帮助结构进行二次衬砌。（6）隧道的坍塌面积大概在900多立方米左右，对于坍塌的数量的估算通过土的松散系数进行判定，会使用探地雷达等手段进行确定，讲过分析后计算需要回填的数量，并进行回填。提高隧道塌防事故防治措施4.1衬砌裂缝处治将试验结果和现场的情况结合来看，可以看出隧道施工时使用的拱圈二次衬砌对于项目来说是安全的，并不会占用结构的安全空间，隧道的结构上并没有较为显眼的变形情况发生，也没有影响结构安全的裂缝生成，所以修补时可以使用环氧密封胶处理裂缝。4.2路面沉陷、电缆沟变形处治将试验结果和现场的情况结合来看，可以看出隧道出现问题进行修补时需要根据情况分析问题的严重程度及修补方式。对于路面上出现的严重裂缝、地面沉降严重、有电缆的沟边坡变形严重的路段，可以使用倒装、更换电缆的方式处理出现的问题。实际的操作为:（1）将出现问题的有电缆的沟渠中的管线变换位置并做保护措施，并将废弃的沟渠及排水沟拆除。（2）在施工时为了减少隧道的地基沉降，让施工人员更安全，使项目的使用变得更安全，在拆除既有倒拱前，需要对于项目的施工隧道中加入3.9m长、Φ95的钢构件进行灌注，并将钢构件设计成有45°角的斜坡，设计时将钢构件的间距设计为1m，并灌注水泥砂浆，进行灌注后需要进行压力测试，保证后期的使用安全。（3）基础的开挖方法一般会使用分段、跳槽开挖等方式进行拆除，将左右两侧的倒拱相继拆除，并在原设计倒拱的底部进行开挖。基础的挖掘纵向长度需要小于5米，开挖时的跳槽一把会使用机器进行挖掘，总长度不可以大于5米。在施工时为了帮助结构施工时新浇的倒拱与原衬砌结构可以保持完整，在新旧浇筑的衬砌连接的部分增加植筋进行连接，微膨胀剂加入到新浇注混凝土中。（5）更换过后的沟渠铲除，并将新建的电缆沟和路面结构恢复到原来的设计。4.3加强各方管理4.3.1实时掌握地形地质变化（1）对于施工的项目进行管理，并在后期定时进行日常的施工管理。（2）对于已经出现变形的支护进行检测，并对使用时的力值情况进行分析，保证结构的稳定性。（3）对于以及完成施工的隧道的稳定性进行分析检测，并根据使用要求，对于各项数据进行汇总，为之后的隧道施工提供实时数据。4.3.2了解受力状况选择适合本工程的施工方法，对于纸糊的方式进行分析讨论，得出实际的支护方式不符合要求，就要进行多方论证，把可能出现的问题都考虑进去，进行实施的监测，把可能出现塌方的诱因扼杀在摇篮里。一旦出现问题就立马进行紧急抢救。4.3.3选择合适的设计方案（1）严格把控设计的选择，进行严密的计算施工绘图再到施工都要不可疏忽。（2）对现场资料有精确的掌握。（3）要进行详细的现场踏勘。（4）选择合适的支护类型。4.3.4规范现场施工（1）提高管理人员的继续教育以及对施工规范、资料、现场情况的掌握。（2）进行详细的技术交底。（3）选择专业能力强的劳务班组。（4）规范日常施工操作，深入学习和认识施工中潜在的不良因素。结论对于四方山施工时的隧道坍塌进行研究分析，并提出合理建议与措施，帮助减少隧道塌方的出现。许多的道路和高速铁路在被建设的过程中，因为道路及铁路往往建设在比较偏僻的位置，更有可能建设在山川高地，为了减少资金的投入，有一些位置会设立隧道，从山内穿过会有更好的结果，但是在进行施工时会有许多的危险出现，在施工时因为需要在地势较低的位置上施工，所以经常会出现涌水、突泥、塌方的情况，对于施工的人员来说危险系数较高，并且即使没有人员伤亡，出现塌方等情况也会影响施工工期，对于施工来说也会有巨大的影响。研究时会使用实例进行研究，分析讨论出隧道施工时或者使用时出现的问题进行分析，并对结构的安全提出改正措施，最后对之后的隧道假设提出参考建议。参考文献[1]JTGF60-2009，公路隧道施工技术规范[S].北京：人民交通出版社，2019,10:12-13.[2]JTGH12-2015，公路隧道养护技术规范[S].北京：人民交通出版社，2019,06:27-28.[3]冯超，陈永红，王丰.某高速公路隧道病害分析及处治[J].四川建筑，2018，33（6）：212-213.[4]付钢.八一、向阳隧道病害整治设计[D].重庆：重庆交通大学，2019.33-34.[5]海南省东线高速公路病害调查及成因分析[J].秦楚瀚,张映雪.山西建筑.2019（31）[6]关于运营隧道隧底病害调查及其对策的探讨[J].杨继生.铁道标准设计通讯.2020（10）[7]水泥砼路面病害调查与维修方案设计[J].黄权英.公路与汽运.2018（01）[8]山东高速公路路面病害调查与破坏机理研究[J].刘东美,葛超.山东工业技术.2020（16）[9]乌鲁木齐市克拉玛依东路沥青混凝土路面病害调查和成因分析[J].李书亮.四川水泥.2020（12）[10]内蒙古地区公路路面病害调查分析[J].宫亚峰,毕海鹏,厉永举.公路与汽运.2019（05）[11]沪宁高速公路扩建老路病害调查及处理方法[J].张腾,刘建兰,高振鑫,赵衍鸿.公路.2019（08）[12]勾武名.长大隧道施工组织设计分析[J].低碳世界,2018,(03):289-290.[13]彭洪.基于风险评价的道路施工项目管理研究[D].重庆理工大学,2018.[14]王丽娟,唐小强.BIM技术在隧道工程中的应用及前景[J].建材与装饰,2018,(12):266.[15]田育庆.岩溶隧道溶洞防护及处理施工技术[J].山西建筑,2018,44(09):170-171.[16]LiXiangdong.Researchontheadvancedgeologicalpredictionanditsdevelopmentoftunnelconstruction[J].JournalofShijiazhuangRailwayVocationalandTechnicalCollege,2018,17(01):30-32.[17]ChenYu.Feasibilityanalysisofhigh-performancetunneltwo-liningself-compactingconcreteapplication[J].JournalofShijiazhuangRailwayVocationalandTechnicalCollege,2018,17(01):8-12.[18]ZhengYuChao,ZhongHeng,XiongJun,LiMingchong.Researchontheremediationtechnolog