某地铁隧道坍塌成因分析及处治方法研究

曹 平， 刘建伟， 程 韬， 李冀伟

(中铁隆工程集团有限公司，四川成都 610046)

某地铁隧道坍塌成因分析及处治方法研究

曹 平， 刘建伟， 程 韬， 李冀伟

(中铁隆工程集团有限公司，四川成都 610046)

针对青岛地铁某区间隧道穿越富水砂层施工中发生的坍塌事故，通过分析周边环境及工程地质条件，总结了区间隧道坍塌的原因，提出了处治隧道坍塌的技术措施，如设置帷幕注浆、调整开挖工法、加强初期支护强度和刚度等。并通过数值分析和实践检验，隧道穿越富水砂层的技术措施是有效而可靠的。通过总结隧道穿越富水砂层的坍塌事故的原因及处治方法，对于隧道穿越类似地层具有重要的工程借鉴意义。

青岛地铁; 富水砂层; 隧道坍塌; 处治方法

1 工程概况

青岛市地铁一期工程(3号线)某区间沿京口路布置。京口路为双向4车道，交通流量大。

区间设计里程为K(Z)20+982.795～Y(Z)K21+767.196，全长约784.4m。区间为单线单洞隧道，洞身净宽5.2m，埋深10～16m，左右线线间距13～13.4m。隧道洞身穿越粗砾砂及强风化至中等风化花岗岩地层。区间在里程YK21+542.000处设置一座临时施工竖井，在里程YK21+327.500处设置联络通道(兼泵房)，在里程YK21+719.000处设置1号迂回风道，在里程YK21+729.000处设置2号迂回风道。

区间自上而下地质情况如下：

第1层:素填土。该层分布广泛，厚度2.5m，褐色～黄褐色，稍湿～湿，松散～稍密，由黏性土、砂、风化碎屑夹少量碎石等组成，局部夹有碎砖等建筑垃圾，部分地面为10～30cm厚的水泥或沥青路面。该场区人工填土厚度薄，强度低且不均匀，自稳能力差。

第7层：粉质黏土。该层分布广泛，层厚4m，黄褐色，可塑，具中等压缩性，见有铁锰氧化物条纹及少量结核，韧性、结构性一般～较好，含少量砂粒，切面较光滑，干强度高。

第9层：粗砂。该层分布广泛，层厚4.6m，褐～褐黄色，饱和，中密，主要矿物成分长石、石英，分选、磨圆一般，含约5%～20%黏性土，局部呈黏性土胶结状，混有圆角砾和粒径1～6cm卵碎石，棱角～次棱角状，局部夹有粉质黏土薄层或透镜体。

第17层：中等风化带。揭露垂直厚度3.4m，属较破碎的较软岩，岩体基本质量等级Ⅳ级。

2 坍塌成因分析及处治方法

2.1 坍塌概况

2011年7月16日，区间隧道左线掌子面施工至ZK21+597，施工监控量测无异常变化。

在16日22：30立完格栅钢架进行锚杆施工过程中，拱部往下掉土块并伴随大量渗水，施工单位查看现场后立即采取喷射混凝土封闭格栅钢架及掌子面，并在掌子面采取堆沙袋等措施。抢险至17日凌晨2:00，掌子面和拱部无法封堵，且水量越来越大，伴随流砂。撤出8名现场施工人员并及时关闭周边的燃气管线，封闭周边道路，设置安全围挡(图1)。

图1 坍塌事故地面冒顶

2.2 坍塌原因分析

2.2.1 工程地质及现场情况

京口路为双向4车道，交通流量大。左线区间敷设有1条污水管、1条电力管、1条燃气管市政管线。其中污水管埋深约3.1m，此管在京口路与重庆中路路口汇入DN600污水管(埋深约4m)。施工现场后期调查发现此污水管均存在渗漏水。

坍塌处表覆第四系全新统素填土2.2～3.0m，其下为全新统洪冲积层5.0～5.2m粉质黏土、2.1～3.6m粗砂，下伏燕山晚期花岗岩、糜棱岩及碎裂状花岗岩发育。地下水以第四系孔隙潜水为主，局部具弱承压性，富水性中等。

2.2.2 原设计情况

坍方段地勘判定为V级围岩，开挖采用钻爆法，分上、下台阶进行爆破开挖施工，设计采用钢格栅喷射混凝土支护，格栅纵向间距0.75m/榀，拱部设置φ42超前小导管，纵向间距1.5 m，环向间距0.4 m，单根长度3.0 m。全断面设置φ6.5@200 mm×200 mm双层钢筋网,边墙设置φ22砂浆锚杆，L=3.0 m，间距为1.0 m×1.0 m，菱形布置，喷射25 cm厚C25混凝土。

2.2.3 坍塌成因分析

(1)地质条件差。工程地质条件差，富水性粗砂层较厚且粗砂层沿区间纵向延伸与大村河、西流庄河水力联系紧密。坍塌处糜棱岩及碎裂状花岗岩发育，围岩松散，自稳能力差。坍塌时正值青岛雨季期间。

(2)隧道上部有1条污水管、3条自来水管、1条电力管和1条燃气管。污水管长期渗漏水，渗漏水在空洞位置形成地下水囊，结构上部的土体长期被浸泡，处于饱和流塑状态，自稳能力很差。超前小导管扰动此土方，水囊中的水和泥砂冲破土层。

(3)初期支护不及时。施工现场拱部超前小导管未及时注浆。

施工现场虽全力抢险，但由于富水性砂层紧密的水力联系以及隧道拱部岩体碎裂发育，致使掌子面和拱部无法封堵进而导致坍塌事故。

2.3 坍塌的主要处理技术措施

2.3.1 C 20混凝土回填坍腔

坍塌冒顶之后，立即组织抢险人员向坑内灌注混凝土、钢筋网、沙石等物料封堵坍塌口。回填至地面下2.5 m处停止回填,避免了坍塌洞口的进一步扩大(图2)。

图2 坍塌回填示意

2.3.2 砂袋封堵

在上台阶掌子面采用砂袋堆码封堵，防止坍体不稳定而继续坍塌。

在砂袋表面挂网喷射混凝土，形成止水帷幕墙封闭，避免洞内水流继续冲刷浸泡坍体，防止注浆加固时浆液从坍体流出，影响注浆加固效果。钢筋网片采用为φ6.5@200 mm×200 mm，喷射0.15 m厚C20混凝土(图3)。

图3 砂袋封堵示意

2.3.3 抗滑锚管施工

在封堵墙下部施做双排φ42抗滑锚管，并注浆。锚管布置为：水平间距1 m，排距0.5 m，梅花形布置，入岩深度2 m，锚管外露长度0.2 m，外露部分用钢管相互连接并喷射混凝土覆盖，形成“锚固梁”，防止坍体滑动(图4)。

图4 抗滑桩施工示意

2.3.4 坍体注浆加固

对坍体进行注浆加固，固结涌出的淤泥土体。采用5.0 m长的φ42钢花管，间距0.5 m(竖向)×0.5 m(水平)，梅花型布置，注水泥浆+水玻璃双液浆(图5)。

图5 坍体注浆加固

2.3.5 近坍方段拱顶加固

在ZK21+591.8～ZK21+594.8范围内，拱部打入φ42超前小导管注双液浆，按照斜向上30°角打入，每榀钢架打一环，共打设4环。φ42超前小导管布置形式为：拱部布置，环向间距0.4 m，纵向间距0.75 m，导管长度依次为5.5 m、6.5 m、7.5 m、8.5 m，穿过坍体进入岩层为止(图6)。

图6 坍塌邻近段注浆加固

2.3.6 拱部导管注浆加固处理

为加固拱顶松散岩层，对ZK21+589～591.8段上台阶拱部打入大外插角小导管注浆加固岩体，外插角为45°，导管长3.5m，注水泥+水玻璃双液浆(图7)。

图7 拱部注浆加固

2.3.7 地面钻孔检查及注浆

为探明回填混凝土的密实情况、混凝土至拱顶之间填充土的状况，在地面钻φ100 mm钻孔，抽取芯样。利用3个地质钻孔对坍体进行加固注浆，压注水泥浆液，压力控制在1.0～1.5MPa。

2.3.8 拆除止浆墙和砂袋

全部注浆完成后，开始清理横通道至ZK21+588段下台阶淤泥，并铺垫50 cm厚碎石垫层，形成施工通道，同时理顺排水系统。

施工通道形成后，拆除上台阶坍体止浆墙和封堵砂袋，拆除时按照环状拆除，中间核心部分预留。割除打设导管外露部分，以利于施工。

2.4 坍塌段处理后的开挖技术措施

(1)取芯检验。坍体注浆完成后，应每环钻2～3个孔对注浆效果进行取芯检验，并取岩芯观察浆液充填情况，同时检查孔内涌水量不应大于0.2 L/(min·m)，且某一处的漏水量不大于10 L/min。当注浆效果不能满足上述要求时，应先邀请相关人员到现场查明原因后再调整注浆参数或进行补注浆，直到达到设计要求后方可进行开挖。

(2)拆除止浆墙和砂袋。洞内淤积泥沙清理完成、施工通道形成后，拆除上台阶坍体止浆墙和封堵砂袋，按照环状拆除，中间核心部分预留，进行超前导管施工。

(3)设置超前导管。在靠近掌子面最前端未损坏的两榀格栅钢架之间打设一排φ42超前注浆小导管，导管穿过最后一榀钢架按水平上倾角15°打设。拱顶90°范围内导管环向间距10 cm，120°～90°范围环向间距30 cm，单根长度5.0 m。压注水泥+水玻璃双液浆，压力为0.5～1.0 MPa。

(4)调整初期支护参数。过坍方段采用I 22a型钢拱架，间距250 mm，钢架间设φ22纵向连接筋，内外双层设置，拱部设φ6.5@200 mm×200 mm双层钢筋网片。

初支背后安装注浆导管，纵向间距1.0 m，环向间距1.0 m；系统锚杆为φ22中空锚杆，L=3.0 m，间距1.0 m，梅花型布置；锁脚为φ42锚管，每榀布置，每榀钢架4根，L=3.0 m。

(5)调整开挖工法。坍体采用环形台阶法开挖，上台阶断面每循环进尺控制在0.5 m，采用保留核心土的环形台阶法进行施工(图8)。锁脚锚管、系统锚杆在挖除核心土后立即打设。

(6)开挖至原掌子面的封闭处理。循环施作钢架10榀，完成后对掌子面进行喷射C25混凝土20 cm厚封闭。上台阶长时间摆放，为保证上台阶支护稳定，底部施作Ⅰ22a型钢临时支撑，临时横撑对应每榀钢架设置。

图8 环形台阶法施工

3 坍塌的预防措施

3.1 帷幕注浆预加固

区间隧道拱顶局部穿越富水砂层，大部分段落处于拱顶与砂层接触带，采用半断面帷幕注浆方案，重点加强拱部注浆。对上半断面开挖轮廓线范围进行深层注浆加固和止水，防止隧道开挖过程中发生涌砂、涌泥、涌水，以避免坍塌事故的发生(图9)。

(1)注浆范围为轮廓外3 m。

(2)每一标准循环注浆长度为14 m，开挖10 m，预留4 m止浆岩盘。

图9 止水帷幕注浆

(3)注浆孔按浆液扩散半径为1.5 m，孔底间距不大于2.5 m布设。

(4)注浆孔开孔直径不小于89 mm，孔口管直径80 mm。

(5)浆液采用双液浆，水泥浆∶水玻璃=1∶1(体积比)。

3.2 开挖工法调整

采用环形台阶法开挖，上台阶断面每循环进尺控制在0.5 m，采用弧形开挖、保留核心土的方法进行。锁脚锚管、系统锚杆在挖除核心土后立即打设。

3.3 增强初支支护强度和刚度

(1)初期喷混凝土：C 25混凝土全断面支护。

(2)拱部φ42超前注浆小导管,L=4.0 m,水平倾角15°，环距0.25 m，纵距1.5 m。

(3)格栅钢架：全环设置，钢架间距0.5 m，采用四肢格栅钢架，其布置间距可根据地质情况或监测信息予以调整。

(4)钢筋网片：全环双层钢筋网设置φ6.5@150 mm×150 mm。

(5)初支背后注浆：注浆导管纵向间距1.0 m，环向间距1.0 m。

4 坍塌的综合处治效果

4.1 数值模拟效果评价

根据地质勘查资料，各地层基本物理力学参数见表1。

通过采用Midas GTS数值分析软件模拟了防护措施实施后的情况，隧道位移云图如图10所示,隧道应力云图如图11所示。

表1 各地层物理力学参数

(a)竖向位移云图

(b)水平位移云图图10 隧道分析位移云图

(a)竖向应力云图

(b)水平应力云图

通过分析表明，隧道拱顶最大沉降量为6.7 mm。通过帷幕注浆、预留核心土及增加初支支护强度和刚度等技术措施，能有效地控制隧道的应力和变形。

4.2 现场监控效果评价

对坍塌发生点周围的地表、地下管线、隧道内初期支护的变形情况进行监测，共布设监测点51个。监测频率每2 h一次，进行24 h不间断监测。截止7月21日,累计最大地表沉降8.4 mm，管线最大沉降量1.83 mm，隧道内拱顶最大沉降量4.7 mm，净空收敛最大0.3 mm。监测数据显示，7月19日后，日累计沉降最大点不超过1 mm，地表、管线机隧道内的变形趋于稳定。

目前，该区间已全线贯通，实践表明前期综合处理措施是有效的。

5 结束语

(1)隧道开挖过程中应详细调查周边管线、建筑的基础资料并掌握各周边环境因素的现状，以针对性的采取有效预防措施。

(2)隧道穿越富水砂层时，帷幕注浆是非常有效的预加固技术措施。同时，设计和施工应注意根据地质条件合理选择相关注浆孔及注浆参数的设置。

(3)隧道穿越富水砂层时，采取合理的开挖工法和初期支护参数是避免坍塌事故的重要有效手段。

(4)区间坍塌事故发生前，相关监测并未及时反映隧道的围岩变形及地表沉降，如何有效合理选择监控布点及监测方法需进一步研究。

[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] 李志厚，杨晓华，来弘鹏，等．公路隧道特大塌方原因分析及综合处治方法研究[J]. 工程地质学报，2008, 16(6)：806-812.

[3] 苏秀婷.青岛地铁富水砂层施工风险与变形规律研究[D].青岛：中国海洋大学， 2012.

[4] 张剑．隧道施工过程中掌子面后方塌方的预防与处理[J]. 铁道建筑，2005(12)：36-37.

[5] 陈秋南，张永兴，刘新荣,等．隧道塌方区加固后的施工监测与仿真分析[J]. 岩石力学与工程学报，2006, 5(1)：158-161.

曹平(1984～)，男，工程师，主要从事地下工程方面设计与研究。

U

B

[定稿日期]2015-05-05