浅埋软弱围岩地段隧道冒顶坍塌处理及预防措施

王星星

厦门中平公路勘察设计院有限公司（361008）

浅埋软弱围岩地段隧道冒顶坍塌处理及预防措施

王星星

厦门中平公路勘察设计院有限公司（361008）

结合工程实例，根据现场实际地形地质情况，提出针对软弱围岩地段隧道冒顶坍塌的应急预案及处理措施，介绍了采取超前地质预报、监控测量及时调整支护参数及施工方法等手段预防隧道坍塌。

浅埋软弱围岩；冒顶坍塌；处理；支护参数；预防

0 引言

隧道塌方是隧道施工中洞顶两侧部分岩土体由于重力作用向下崩落的一种不良地质现象。引起隧道塌方的原因可以概括为三个方面：一是自然因素，即工程地质及水文地质的变化;二是工程因素，即在岩土体中修建隧道而引起地质的变化；三是人为因素，即不合理、不适当的施工方法及工艺。

软弱围岩地段容易发生相对规模较大的冒顶坍塌。冒顶坍塌的主要特征是形成洞内直通地表的天坑，易形成二次坍塌，处理难度相对较大。

1 工程概况

福安市环城路二期工程位于福安市城区北侧，道路全长约4 km，为城市二级主干道。老蛇岗隧道是福安市环城路二期市政工程中的一座上下行分离的双向四车道分离式隧道，设计时速50 km/h。隧道左线起讫桩号为ZK1+210～ZK2+208，长998 m；右线起讫桩号为K1+190～K2+175，长985 m。隧道净空为10.00 m×5.0 m。隧道进口较长段落为浅埋段，覆盖层较薄，围岩主要以砂土状全风化花岗岩为主，且夹有竖向黏土状脉岩。围岩极易破碎，自稳能力差，原设计围岩级别判定为Ⅴ级围岩，隧道采用CD法施工。

老蛇岗隧道右线于2011年9月开始进洞施工，2011年11月中旬施工至桩号K1+265时发生冒顶坍塌，大量渣体涌入隧道约7 m，掌子面K1+ 265往小桩号方向部分已完成初支工字钢垮塌被埋。隧道洞顶地表出现一个直径约10 m、深约12 m的天坑，详见附图1、图2。

2 冒顶坍塌原因分析

1）不良地质的影响

塌方地段（K1+260～K1+270）埋深较浅，覆土厚度10～14 m，围岩主要以砂土状全风化花岗岩为主，且夹有竖向黏土状脉岩。围岩极易破碎，自稳能力差，原设计围岩级别判定为Ⅴ级围岩。

图1 地表天坑

图2 洞内塌体

2）地下水的影响

塌方地段（K1+260～K1+270）围岩主要以全风化的土体为主，塌方前3天连续降雨，雨水渗入土体，软化作用明显，使结构面的抗剪强度减小，土体失稳而导致塌方。

3）地形偏压的影响

塌方地段（K1+260～K1+270）地表地形左低右高，地面横坡20°～30°，且埋深浅，属一般影响的偏压地段。隧道开挖过程中侧向土压力过大，导致围岩应力重新分布，使土体失去平衡。

4）施工因素的影响

隧道施工过程中可能出现循环进尺过大、锁脚施工质量差、超前小导管注浆效果差、未能及时封闭成环等因素。

3 冒顶坍塌处理方案

本次塌方突发性强、规模较大，已塌至地表，形成通天塌方。针对现场塌方的实际情况，塌方处理分两步进行：一是对塌方部位进行抢险处理，二是对塌方部位制订总体方案。

3.1 塌方抢险处理

为了防止塌方范围继续扩大，对塌方地段采取以下抢险措施：

停止右洞进口一切除塌方处理以外的施工作业，以减少对围岩的扰动；左洞暂停施工，以减小爆破对右洞塌方段的影响。

对塌方部位进行碎渣回填（桩号K1+255～K1+ 265），稳定掌子面，防止继续坍塌。

对洞内反压回填后的坍塌体及地表井壁周边表面喷一层10 cm厚的C20喷射混凝土进行封闭。

3.2 塌方处理

为防止继续垮塌，在天井口处的山坡上修建一条环形截水沟与已施工完成的隧道洞顶截水沟衔接，以防止汇集于边坡上的雨水继续流入塌陷的天坑中。截水沟位置应在天井刷坡线外5 m。

隧道洞内水量较大，渗水严重，在右洞右侧地表设置两处深孔降水井集中抽排地下水，降低地下水位。为避免洞内渗水漫流软化土体，对洞内渗水采用埋管方式进行集中引排。

对洞内反压回填后的塌体的上半断面采用钢花管对拱顶部位土体进行注浆固结，钢花管应密集布置，梅花型布置，注浆参数参照超前小导管注浆执行。注浆前先施作C20喷射混凝土作为止浆层。

为避免塌方段隧道洞身开挖因变形过大而侵限，K1+265～K1+280段洞身开挖预留变形量应适当加大，初期支护及二次衬砌应加强，包括加密工字钢架、提高二衬混凝土标号、增加二衬厚度及加强配筋等措施。

K1+265～K1+280段隧道采用预留核心土环形开挖法进行施工，应严格控制施工进尺，每循环进尺不应超过一榀钢架间距。在两根长管棚间布设超前小导管进行注浆加固，注浆参数应进行现场试验后确定。

待K1+265～K1+280段初支施作完成后，及时完成仰拱填充并施作二次衬砌。待二次衬砌施作完成、强度达到100%后，在地表安装注浆管，并向井内分层填充砂石混合料，并用人工夯实，用注浆管将井内填充的砂石混合材料进行注浆固结。天井回填面顶部回填隔水黏土层封闭井口并植草绿化。

本流域属亚热带气候，高温湿润多雨，具有明显的干湿季节。东江流域多年平均降水量在1 500 mm～2 400 mm之间，其中4月—9月占全年降雨的80%以上。东江洪水具有水情复杂、洪水遭遇种类繁多等特点。由锋面雨造成的洪水峰型较肥硕，涨水缓慢。由台风雨造成的洪水峰型尖瘦，涨落变化快，一次洪水过程一般为6 d～8 d。东江三角洲的潮汐属不规则半日潮，日潮不等现象显著。由于受径流和台风的影响，年最高潮位一般出现于汛期。

加强对洞内周边收敛、拱顶下沉及地表沉降的监测，量测断面应加密，加大监测频率，及时调整支护参数及施工方法。

4 冒顶坍塌预防措施

4.1 超前地质预报技术

超前地质预报技术包括隧道不良地质超前地质预报和重大施工灾害两大部分。超前地质预报方法就是在由地质分析进行风险等级划分的基础上，在不同等级的地段，结合不同的地质情况，运用隧道综合超前地质预报“三结合”原则（洞内勘察与洞外勘察相结合，地质勘探与物探分析相结合，长距离预报与短距离预报相结合），采用不同的物探手段对工作面前方的地质情况进行预报分析的方面。对隧道开挖前子面前方不良地质体进行探测，常用的预报方法有地质分析法和地球物理法。

4.2 建立监控测量制度

现场监控测量作为信息化施工的重要组成部分，不仅能及时了解地层、支护体系的受力和变形规律，周边环境变化信息,而且能够掌握地层、支护结构、周围环境的相互作用和安全稳定状况,有针对性地制定应急措施，对施工过程进行有效控制和管理，防止灾害事故的发生。监控测量还可以判断设计方案、施工方法、工艺、措施是否合理，及时优化和调整设计参数和施工方法，实现动态设计和信息化施工。

4.3 掌握坍塌前的现场资料

坍塌发生前是有许多前兆的,如岩石颜色、钻进速度与回水量大小的变化等，都是重要的现场资料。所以一线工人应将有关信息及时反馈，以便对爆破参数进行调整，做到既保证有效进尺，又不破坏软弱围岩的应力平衡。

有下述现象发生时：应先撤出工作面上的施工人员和机械设备,指定专人观察和进行加固处理。围岩量测所反映的围岩变形速度急剧加快；围岩面不断掉块剥落；初期支护喷的混凝土表面龟裂、有裂缝或脱皮掉块，钢架严重变形。

4.4 隧道软弱围岩地段坍塌的预防

隧道软弱围岩引起的坍塌具有极大的破坏性，在施工中应采取各种有效手段进行详细地质调查。软弱围岩地段上方的破坏性远大于前方的破坏性，而且具有突发性。

开挖对围岩扰动的影响程度是引发软弱围岩地段坍塌的导火索，开挖断面决定了应力释放引起的破坏规模，所以在施工中采取小断面、短进尺、弱爆破开挖是避免突发性地质灾害的有效手段。

软弱围岩地段采取劈裂注浆加固围岩是一种有效的预防坍塌方法。通过对富水软弱围岩注浆加固周边围岩，可改善岩土体性能，提高周边围岩的稳定性。

4.5 提高围岩自支护能力

提高围岩自支护能力是控制围岩的松弛和坍塌的基本方法，其原则是：稳定掌子面、及时封闭断面和加固地层等。对于穿越断层破碎带等不良地质地段时，应采用超前管棚及全断面帷幕注浆的加固措施，施工方法应根据现场监控测量资料进行调整。对于易发生冒顶坍塌的地段应采用CD、CRD或者双侧壁导坑法，可有效减少拱顶沉降，确保施工安全。

5 结语

软弱围岩地段隧道冒顶坍塌对工程的进度和效益影响巨大,要及时有效地处理坍塌，并在隧道施工中切实作好各种防坍塌措施，防止冒顶坍塌的发生。在软弱围岩地段隧道施工过程中要本着实事求是的原则，根据超前地质预报及监控测量结果及时调整支护参数、工法和工艺，真正做到隧道施工不再发生冒顶塌方。

[1]王梦恕.地下工程浅埋暗挖技术通论[M].合肥：安徽教育出版社,2004(12).

[2]关宝树.隧道工程设计要点集[M].北京：人民交通出版社, 2003(11).

[3]王梦恕.中国隧道及地下工程修建技术[M].北京：人民交通出版社,2010(5).