云中山特长隧道塌方原因分析与处理

(山西省交通建设工程监理总公司，山西太原 030012)

1 工程概况

云中山特长隧道起讫里程K44+455～LK47+030，全长5 575 m，为山岭重丘区高速公路，受地形条件的影响纵坡坡度较大为2．15%～2．7%，隧道内轮廓采用单心圆断面，其内轮廓宽11．06 m，高 7．15 m(带仰拱高 8．65 m)。

1．1 地质情况

隧道区受构造活动影响和水流侵蚀，地形切割剧烈，河谷发育、沟壑纵横。隧道山顶高程1 835．5 m，地势呈中西部高，两侧低的特点、区内沟谷多呈“V”字形，相对高差100 m～300 m。隧址区为松散堆积物。隧址区主要有(从下而上)，二云母斜长片麻岩、花岗片麻岩和斜长角闪片麻岩为主;第四系，分布于云中山剥蚀中区的顶部与河谷地带，成分为砂石层、松散亚粘土、亚砂土。

1．2 施工情况

隧道设计采用新奥法施工，控制爆破，塌方段原设计为Ⅱ级围岩由于从LK43+631处围岩节理裂隙较发育，岩体较破碎，拱顶处有薄层横向裂隙发育岩体，且开挖面有少量地下水流出，围岩整体稳定性一般，已变更为Ⅳ级围岩支护参数，采用全断面法开挖;设置Ⅰ16钢拱架，间距0．9 m/榀;拱部采用直径42 mm超前小导管，4．5 m/环加强支护;施作锚、网、喷支护。

2 塌方情况

2011年5月15日，全断面施工至LK43+642拱顶围岩失稳出现塌方，并随着时间的推移不断的扩展空间，向忻州方向延伸至LK43+641位置，向保德方向至LK43+645位置，塌方高度在5 m以上。16日拱顶已塌至LK43+648，隧道左侧边墙和左侧拱部受挤压变形加剧，洞内水平收敛加速，LK43+641处钢架严重变形，拱顶开裂，并沿钢拱架环向贯穿。17日LK43+639～LK43+642处拱顶混凝土脱落，已架立的拱架扭曲变形。塌方体塌入隧道内方量约600 m3～800 m3，塌体已封住已施作钢架拱顶口，塌方上方空洞在8 m～10 m高，长度8 m，如图1所示。

图1 塌方示意图

3 塌方原因分析

3．1 水的因素

隧道LK43+642～LK43+660段围岩破碎，主要是红褐色强风化花岗岩夹泥岩，泥岩遇水易软化。施工过程中发现该段地下水丰富，主要是裂隙水，其中日排水量最高达到6 500 m3;加之5月下旬以来连降暴雨，致使围岩的整体性变差，岩土体抗剪强度降低，是造成隧道围岩失稳的重要原因之一。

3．2 地质因素

该段埋深为300 m，围岩为红褐色强风化花岗岩夹大量泥岩。由于基岩裂隙水丰富，围岩土体的粘聚力C值和内摩擦角φ值均较低，泥岩经水浸泡迅速软化，失去自稳能力。开挖后拱顶一定范围内很快发生松弛变形，同时土压力增加，进而引发局部的塑性破坏。由于开挖在围岩土体内出现空洞导致局部发生坍塌，局部出现下沉，塑性区进一步扩大，土压力剧增最终导致整体失稳。

3．3 施工因素

1)初期支护施工质量欠缺。钢拱架支护与围岩未能紧密粘结;锚杆砂浆未按设计进行注浆，配比不符合要求导致早期强度不足;喷混凝土局部厚度不足;钢支撑拱角处基础的稳定坚固性较差，钢支撑间距部分严重超过设计的90 cm。

2)监控量测人员发现隧道围岩失稳后，施工方对变形部分加固处理认识不够。隧道发生失稳塌方后，施工单位未能第一时间制定加固方案，现场管理混乱，未能及时对隧道塌方体采取封洞回填措施，致使塌方不断扩大最终造成大面积塌方。

3)设计图纸提供的地质资料判断，该区段应为Ⅱ级围岩标准，超前地质预报对围岩的性质也未作出准确判断，从开挖后的开挖面地质情况看为强风化花岗岩夹泥岩，泥岩松散软弱，还伴有涌水现象，后变更为Ⅳ级围岩。由于施工人员对LK43+641～LK43+643段围岩超前地质预报判定不够准确，当开挖面大量出现泥岩后未能及时更改支护参数仍采用全断面法开挖;并依然采用Ⅰ16钢拱架支护，间距0．9 m/榀，致使由于支护结构刚度不够，最终导致围岩失稳塌方。

4 塌方处理

1)对隧道塌方体采取封洞回填，设置反压平台，防止塌方继续扩大。

2)对已施工段钢拱架进行加固处理，拱顶处打径向锚杆(间距100 cm×100 cm，锚杆长3 m，梅花状布置)，喷混凝土厚度要达到设计厚度;对支护的钢架护脚和拱腰增加φ22锁脚锚杆;将开挖面及拱顶流出的地下水引到两边，通过洞内临时排水系统及时排到洞外，以保证钢拱架支护的稳定性和施工的安全性。

3)封闭开挖面，向上施作φ42注浆管(角度要大一些)，对塌腔松散体进行注浆，形成一个硬壳体。

4)按Ⅴ级围岩浅埋支护参数进行初级支护，钢拱架采用Ⅰ20工字钢，间距不大于50 cm，钢拱架间用直径22钢筋连接，连接钢筋环间距1 m，保证刚架间的整体性。同时安装200 mm×200 mm直径为8 mm的钢筋网片，并与钢拱架、锚杆焊接牢固。向前施作φ42超前导管注浆，梅花形布置，间距20 cm～25 cm;仰角为12°～16°。注浆用浆液水灰比为0．5 ～1．0，注浆压力1．0 MPa～2．0 MPa，并在孔口设置止浆塞。若超前导管在塌腔松散体中无法实施，可采用自进式锚杆或钻杆代替导管使用。

5)开挖采用三台阶六步法留核心土施工，短进尺开挖。上台阶分两边开挖，开挖前用喷射混凝土封住空洞，后支护立拱架，每次支护前先封闭开挖面，半边支护好，中间加立柱支撑，在拱脚连接纵向槽钢支垫，加锁脚锚杆固定后，另半边再开挖支护;上台阶采用人工风镐凿出，凿出深度严格控制在50 cm左右，需要爆破时，采用小药量弱爆破，尽量减少振动，以防二次坍塌。每开挖1个循环约1 m，立即架设1榀钢拱架并进行锚杆、钢筋网、喷射混凝土支护。上台阶形成环后，开挖支护中台阶;中台阶形成环后，开挖支护下台阶。

6)在初期支护拱顶处要预留注浆管，最好超出松散体1 m～2 m。在洞身钢架支护完成后，对塌方顶部的空洞，在二衬施工前进行注浆，形成一个缓冲保护层，厚度在2 m以上。

7)施工注意事项:上台阶钢拱架施工时，钢拱架应精确定位，严格预留变形量，防止中台阶和上台阶开挖后钢拱架侵限。施工应严格遵循“严注浆、管超前、短开挖、强支护、快封闭、勤量测、速反馈”的施工原则进行施工，确保施工安全。

5 处理结果

云中山特长隧道此处塌方高度较大，其空间大小很难估计且有渗水，随时有再次坍塌的可能。经过对方案的认真研究，施工过程中加强了对超前小导管、锚杆的注浆加固和开挖方法的动态优化，保证了对塌体安全可靠的处理，在塌方处理过程中的监控量测部门加大监测力度，根据监测结果显示，围岩初始变形稍大，后期变形趋于稳定。洞内顶部利用塌方土石进行回填，作为反压平台。同时利用平台对已松散的围岩进行处理，防止塌方继续扩大;并用8 cm厚C20喷射混凝土对掌子面进行封闭，处理过程中采用短距离弱爆破并及时支护的方式，顺利完成了塌方段的施工。后对塌方段的水平位移、周边收敛、拱顶下沉等的监测显示，塌方段的监测数据在允许范围内，证实了处理方法的得当，保证了工程安全。

6 结语

1)类似于云中山特长隧道这种在裂隙发育和地质条件复杂的地区修建的长大隧道，必须加强施工地质超前预报的准确性，以保证施工安全和工程有效进度，发现异常尽快采取措施防止灾害扩大。

2)此处塌方围岩为灰红色强风化花岗岩夹大量泥岩。泥岩经水浸泡迅速软化，失去自稳能力，因此水的影响是很大的，而由于隧道出口段为反坡，水大量聚集于塌方地段，本方案中通过一种自行设计的水位自动控制开关，将隧道内的水排至洞外，为处理塌方解决了水因素的影响。

3)处理塌方的方法很多，这里采用了钢拱架全断面支护及封洞回填相结合的方法，处理较大塌方效果很好，时间也得到了最好的优化。

4)处理塌方费工、费时、费料，严重影响了工程进度，因此隧道施工中应加强对监控量测的重视，尽量避免塌方。

［1］中交第一勘察设计研究院．云中山隧道施工设计图［Z］．2010．

［2］JTG D70-2004，公路隧道设计规范［S］．

［3］JTG F60-2009，公路隧道施工技术规范［S］．

［4］关宝树．隧道工程施工要点集［M］．北京:人民交通出版社，2003．

［5］李 昕，张 涛．九嶷山隧道洞口浅埋段塌方处理及总结［J］．山西建筑，2010，36(26):297-298．