某隧道DK87+443处塌方原因分析及治理

周 海 李 翔 孙元春

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

隧道塌方是指围岩失稳而造成的突发性坍塌、堆塌、崩塌等破坏性地质灾害，是最为常见、比较典型的一种事故［1］。塌方常发生于断层破碎带、膨胀岩(土)、第四系松散岩层、不整合接触面、侵入岩接触带及岩体结构面不利组合地段［2］。导致隧道塌方的原因很多，可以概括为两大类:一类是自然因素，即地质状态、受力状态、地下水变化等;另一类是人为因素，即不适当的设计，或不适当的施工作业方法等。这两大类影响因素，又可以细分为地质因素、设计因素、施工因素和认识因素四个方面［3］。岩体的非均质性以及施工的影响引起的应力分布和传递很复杂，使得破坏模式多样、破坏程度不一［4］。汪成兵［5］统计分析了大量隧道塌方工程实例，指出地质条件、隧道埋深、隧道断面形式及大小、地下(表)水、爆破扰动、施工措施不当是隧道塌方的主要影响因素。孙元春［6］对塌方与围岩变形时空效应之间关系进行了统计分析。郑玉欣［7］通过调查分析，将塌方归纳为五种形态，共包括16种不同类型，并提出隧道塌方的相应处治方法。侯军红［8］对太中银铁路岗城隧道突泥塌方处理技术方案进行了比选研究。

根据某隧道DK87+443处塌方段围岩的工程地质条件，综合分析了塌方发生的原因，并提出了相应的治理对策。

1 工程概况

某铁路隧道地处丘陵区，海拔高程971～1 068 m，相对高差97 m。隧道起讫里程为DK84+350～DK89+150，全长4 800 m，最大埋深约96 m，为单线隧道。

2 场地工程地质条件

从大地构造位置上分析，隧道位于华力西晚期褶皱带北部三级构造单元，主要由华力西构造层和燕山第二和第三构造亚层组成，褶皱构造仅发育于华力西构造层中，呈北东向展布的燕山第二和第三构造亚层叠加在华力西构造层之上，构造线主要呈北东和北北东方向，北东向最为明显。

表1 隧址区主要地层岩性

隧道横穿某背斜的北翼，该背斜为轴向北东东或近东西向的短轴复式褶皱，轴向约北东东80°，轴长出露约5 km，两翼较简单，岩层呈单斜产出，地层倾角30°～65°。隧道大部地层伏于第四系松散地层之下，隧道两端均被后期地层侏罗系及白垩系不整合所覆盖。

3 塌方形成过程及原因分析

3.1 DK87+443处塌方形成过程

该隧道2号斜井承担正洞DK87+443附近洞顶覆盖层厚度约为40 m，洞身岩质主要为火山角砾岩，呈强风化状，并富含基岩裂隙水及构造水。围岩设计为Ⅳ级，初期支护采用局部架立格栅拱架支护。

2011年7月13日17时，工作面开挖至DK87+443，发现拱顶不断出现掉块，并伴随大量渗水出现。现场负责人立即将所有施工人员撤离施工现场，安排专人进行观察，直至21时掉块基本停止，此时拱顶塌方高度约2 m，宽度约5 m，纵向长度约3 m。施工人员立即对围岩表面进行喷射混凝土封闭，并对该处进行架立钢架施工。施工刚开始不久，拱顶再次出现掉块，导致施工无法正常进行。

7月14日上午，拱顶仍旧不断掉块，开挖台车上已经留有大量塌方岩块，而且伴有渗水现象。经现场观察确认，塌方只出现在拱顶部位，拱顶坍塌高度约为4 m，宽度约5 m，纵向长度约3 m。

7月15日20时左右，塌方连续进行20 min左右，此时开挖台车上部已经堆满掉落岩体，并且石块还从台车两边挤出，台车腹部也有塌落岩体挤出，所幸台车没有完全被掩埋，边墙及工作面围岩仍处于稳定状态，24时，拱顶再次出现连续塌方，导致大量掉块挤出。

16日早晨，掉落石块已经将台车顶部完全塌满，台车腹部也已经塌满。经现场观察判断，拱顶仍旧有掉块，并且有渗水现象，但掉落频率和掉落块体体积有所减小。直至17日，现场观察及观测结果表明，围岩变形已无太明显的变化，拱顶坍塌已经基本处于稳定。根据塌方体判断，边墙及工作面围岩处于稳定状态，拱顶塌方体扩大成平均高度为6～7 m、宽度约为7～8 m、纵向长度约为6 m的空腔。此时，2号斜井小里程工作面里程DK87+443，仰拱里程DK12+473，二衬里程DK12+491，仰拱距工作面距离30 m，二衬距工作面48 m。

3.2 塌方原因分析

隧道塌方原因可以分为两种:一种是围岩变形过大引起的塌方，对于某些破碎松散岩体，围岩自身强度低，承载能力小，开挖后没有受到足够支护抗力时，在自身重力作用下发生位移不稳定增长而最终大致垮塌［9-10］;另一种是不利结构面失稳而引起的塌方，因结构面相互交切而产生不利于岩体稳定的组合，形成危岩体，在开挖扰动或地下水等因素诱发下，滑动剪切力大于抗滑力而导致块石沿滑动面滑落［11］。

从该隧道DK87+443处塌方形成过程来看，此次塌方主要是由围岩自身承载能力很弱，开挖后没有受到足够支护抗力所致。岩体质量方面，实际揭露情况表明，DK12+460－DK12+405段围岩以强风化－弱风化火山角砾岩为主，围岩中主要发育3组节理，产状分别为 93°∠36°、121°∠32°和 248°∠46°，节理间距20～45 mm，延伸性中等，台阶状和波纹状，以微张和张开型为主。该段隧道围岩松散破碎，岩体单轴抗压强度5～15 MPa，洞身开挖无支护易坍塌，且富含基岩裂隙水，围岩自稳能力较差，应为Ⅴ级围岩。此外，由于该段围岩节理裂隙发育，且夹杂凝灰岩，并且伴有渗水出现，水对岩体承载力弱化作用明显，导致围岩强度降低。

支护方面:该段是按Ⅳ级围岩设计、施工，所以初期支护仅采用局部架立格栅拱架支护，没有采取超前小导管支护措施。这样的支护强度显然难以满足控制工作面附近围岩变差引起的围岩稳定性要求。

4 塌方治理措施

针对本次塌方形成的原因，结合现场围岩条件，制定了如下治理原则:即塌方段采用预留核心土法施工，拱部采用双层超前注浆小导管固结松散体，初期支护及二次衬砌均采用加强措施，并在施工时根据实际情况及时调整方案。图1为DK87+443段塌方处理示意。

图1 DK87+443段塌方处理示意

4.1 超前支护

隧道开挖前，首先喷射10 cm厚C25混凝土，以封闭塌方体，然后在拱部打设双层φ42超前小导管，小导管长4 m，环向间距3根/m，双层小导管打设角度分别为45°和15°，纵向每50 cm设一环，小导管端部与钢架焊接，如图2所示。

4.2 初期支护

塌方段拱部设双层钢架，边墙设单层钢架。内外层均采用I20型钢，钢架间距0.3 m/榀，外侧钢架两侧底部纵向设I20槽钢托板，每层钢架喷射C25混凝土(厚度为25 cm)，连接筋采用φ22钢筋，环向间距80 cm。每节钢架端头设4根4 m长注浆小导管锁死，开挖进尺每环0.3 m，施做顺序为现已施做完成的DK12+445里程处向工作面方向施做。加强排水作业，在拱部喷射混凝土，内环向设置φ80盲管，间距按2 m设置，将渗水由初支两侧边墙排出，对塌方处附近已支护完的初期支护应加设横撑，确保围岩稳定。

图2 超前小导管设计示意

4.3 衬砌加强

塌方段采用钢筋混凝土衬砌，衬砌钢筋按照Ⅴ级加强配筋，衬砌厚度按Ⅳ级加强施做。工作面大里程DK12+455～DK87+443段支护及衬砌厚度按Ⅳ级加强施做，衬砌钢筋按Ⅴ级加强配筋施做。工作面小里程DK87+443～DK12+431段支护及衬砌厚度也按Ⅳ级加强施做，衬砌钢筋按Ⅴ级加强配筋，衬砌加强根据现场实际塌方里程再做延伸。

4.4 空洞回填处理

在塌方段施做初期支护时设置φ100 mm钢管，纵向间距2 m，环向间距2 m，梅花状布置。钢管长6 m，待该段衬砌达到设计强度后，采用泵送砂浆回填拱部空洞，其余空间采用吹砂回填。

4.5 监控量测

为确保塌方段施工安全，在施做过程中，加强该段监控量测，增加观测频率(3～5次/d)，随时掌握围岩变化情况。必要时架设临时支撑，并且派专人进行观察，严防安全事故发生。对已施工完毕的支护段，加强监控量测，加密监控量测点位布设及数据采集次数，确保施工人员在安全的状况下进行施工作业。

在对该隧道DK87+443处塌方形成原因分析的基础上，采取上述一系列针对性的治理措施后，顺利通过了塌方段。完成后的隧道衬砌变形观测结果显示，原塌方段永久衬砌未发现任何异常，表明所采取的治理措施有效。

5 结论

(1)从某隧道DK87+443处塌方形成过程来看，此次塌方主要是由围岩自身承载能力很弱，开挖后没有受到足够支护抗力导致。塌方段围岩以强风化－弱风化火山角砾岩为主，岩体松散破碎，且富含基岩裂隙水，围岩自稳能力较差，应为V级围岩。由于设计、施工均未及时变更，初期支护仅采用局部架立格栅拱架支护，且无超前小导管预支护措施，这样的支护强度显然难以满足控制工作面附近围岩稳定性的要求，最终导致了本次塌方事故的发生。

(2)塌方治理措施必须结合塌方发生原因及现场实际条件制定。围岩的支护设计应留有一定的变形量，允许围岩适度变形，使得围岩应力适量释放［12］。此次塌方发生的主要原因是对围岩质量认识不清，支护强度不足。治理过程中，首先将围岩根据实际情况调整为V级，并在治理措施中采用了预留核心土法施工，拱部采用双层超前注浆小导管固结松散体，初期支护及二次衬砌均适当加强，有效保证了塌方段围岩的稳定性。

(3)地下水对围岩的弱化作用不可忽视，特别是当岩体中含有大量软弱夹层时。本段围岩富含基岩裂隙水，其中夹杂的凝灰岩遇水又极易软化。这两方面因素导致隧道开挖后，伴随着渗水现象的出现，围岩承载力大幅降低。针对这一问题，在治理措施中，通过小导管注浆堵水和盲管排水等措施，加强了对地下水的控制，以减小其对围岩的不利的影响。

［1］ 关宝树．隧道工程施工要点集［M］．北京:人民交通出版社，2003

［2］ 刘旭．乌竹岭隧道塌方事故原因分析和处治方法研究［D］．长春:吉林大学，2008

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［6］ 孙元春，尚彦军．岩石隧道围岩变形时空效应分析［J］．工程地质学报，2008，16(2):211-215

［7］ 郑玉欣．隧道施工塌方机理分析及处治技术［J］．铁道工程学报，1999，62(2):69-72

［8］ 侯军红．太中银铁路岗城隧道突泥塌方处理［J］．铁道工程学报，2009，133(10):74-78

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