隧道塌方灾害发生原因及处治措施的研究

张喜红

摘要：隧道在实际建设当中，塌方可以说是经常发生的安全事故类型。当该事故发生之后，不仅会对工程工期、质量产生影响，且可能因此导致严重生命财产损失问题的发生。在该种情况下，做好隧道塌方处治方式的研究则成为了一项非常重要的工作。在本文中，将就隧道塌方灾害发生原因及处治措施进行一定的研究。

Abstract： In the actual construction of the tunnel， the landslide can be said to be the type of safety accident which often happens. When the accident occurs， it not only affects the project duration and quality， but also may leads to serious loss of life and property. In this case， the study of the treatment way of tunnel collapse has become a very important task. In this paper， the causes of tunnel collapse and the treatment measures are studied.

关键词：隧道塌方灾害；发生原因；处治措施

Key words： tunnel collapse disaster；causes of occurrence；treatment measures

中图分类号：U457+.2 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）24-0088-03

0 引言

塌方是隧道开挖工程中经常遇到的问题。它会对隧道结构构成致命性的危害，如果不及时治理，会拖延整个隧道工程的施工进度，甚至使施工单位蒙受经济损失。因此在隧道施工中，必须针对隧道塌方提前布置应急预案，加强防控，防止塌方发生，如果隧道塌方已经发生，也要及时治理。本文基于公路隧道塌方的类型及成因的分析，结合工程实例提出一套正确的隧道塌方治理措施，并通过工程实践验证其可行性。

1 公路隧道塌方类型及成因分析

1.1 塌方类型

隧道塌方具有较多种表现形式，而根据不同角度，也可以对其进行较多的分类：

第一，塌方速度机制。根据塌方机制以及发生速度的差异，可以将其分为崩塌性以及蠕变性塌方。其中，蠕变性塌方经常发生在硬塑断层泥、砂卵石碎石坡积层等地质情况下，且在环境存在浅状流水、滴水情况下，也将使岩体强度迅速降低而导致塌方问题的发生。崩塌型塌方则经常发生在块状结构、厚层结构，且结构面具有较多粘土充填的地质情况下，該类型在发生时具有较为明显的间歇特征，侧壁以及顶拱坍塌面存在较为明显的参差不齐情况。

第二，塌方体积高度。根据塌方发生的高度与体积，可以将其分为大、中、小三种塌方类型。其中，大塌方高度在6m以上，体积在60m3以上；中塌方高度在3-6m之间，塌方体积在30-60m3之间；小塌方高度在3m以下，塌方体积在30m3以下。

1.2 塌方原因

1.2.1 工程地质条件

作为典型地下工程，隧道在实际施工当中不可避免地会受到地质构造以及地质现象影响。而受到多种因素的制约，在之前勘察工作当中也可能存在不完善、不彻底情况，并因此加大了问题发生的可能性。其主要表现在：

第一，岩体结构类型。在隧道塌方问题当中，岩体结构对稳定性产生的影响是一项主要因素。在规模较大的塌方事故当中，其通常都是因围岩自稳定性较差、围岩破碎引起的。当岩体越松散、破碎时，则将有更大的几率发生塌方。

第二，围岩强度。这是导致塌方问题发生的另一项因素。对于隧道围岩来说，其自身即是一种承载结构，具体能力同强度具有着直接的关联。当围岩具有较高强度时，则发生变形破坏的几率就越小，更容易进行支护处理。而当其具有较高的吸水率以及较低强度时，承载力以及稳定性就更低。

第三，地下水影响。根据对大量隧道塌方案例的研究可以发现，在隧道塌方事故当中，水是问题发生的一项重点因素，其不仅将对围岩的应力状态产生影响，且将对围岩强度产生影响。在结构面当中，通过孔隙水压力的增加，则能够对结构面上正应力进行降低，而在具有软弱结构面围岩当中，水也将在冲走填充物的情况下使夹层发生液化情况，并因此影响到结构面的抗剪稳定性。

1.2.2 围岩应力因素

围岩应力的方向与大小也将对塌方产生影响，其主要影响因素有：第一，自重应力。自重应力即为上覆岩体的自重，在地下工程深度不断加深的情况下，自重应力将随之发生较大的变化，将以线性方式增加。而当上覆岩层为不同、多层岩石时，其自重应力则为不同应力的和。

第二，构造应力。在地质构造运行当中，岩体内部也将积蓄有一定的能量应力。在开挖隧道之后，岩体构造应力则将重新获得分布，且在围岩上会表现为一定的应力集中情况，并因此对围岩的破坏速度加剧。

1.2.3 勘察设计因素

在隧道设计工作进行前，做好隧道地质情况的勘查可以说是一项重要的工作内容，也是需要重点把握的一项环节。如果没有提前做好隧道地质勘察工作、没有对区域地质构造以及地层做好把握，则会因不能对隧道实际工程地质情况进行真实反映的基础上使设计支护类型出现同实际需求不符的情况，且在设计参数方面也存在不严密问题。该种问题的存在，则有很大几率导致塌方等事故的发生。

1.3 隧道塌方的危害

①对施工人员的人身安全形成很大的威胁，给施工人员家庭带来沉重的冲击。

②延长了隧道的施工工期、增加了工程预算，并且极大程度地损坏了机械设备和降低了施工单位的施工质量。

③影响了施工单位的名誉，并且给社会形成了不良的影响。隧道塌方有高发性和高危性两大特色，鉴于以上严重后果，所以有必要对塌方的缘由、机理进行深化的研讨，在今后的施工过程中尽量采纳有用的防护和管理办法来削减隧道塌方带来的损害。

2 隧道塌方的治理方法

2.1 设计阶段和施工阶段隧道塌方的治理方法

2.1.1 设计过程中塌方的防控

加强地质勘测是预防隧道塌方的有效方法。在设计阶段，施工单位应该与设计、施工等专业的技术员组队进行地质勘测。首先，设计选线必须符合工程要求。施工单位要加强施工控制，针对地质状况比较复杂的施工段提前进行现场勘测，制定一套严谨的技术方案和现场应急预案，备足所需材料和物资。开工后，要根据施工段的地质特点选择最佳开挖方案，及时采纳有用的支护，防止塌方的发生。合理的设计能有效防止塌方的发生。挑选设计，把握隧道的宏观地质构造特征、地质地貌特色和较为具体的其它地质材料花圃，分析隧道区的断层、富水带、高应力散布状况，合理进行隧道的线型设计，尽量防止经过大断层、富水和高应力集中段，既保证了施工时的安全，又能防止因地质条件欠好，过多的支护形成工程投入的增加，能极好防止塌方的发生。设计支护参数，因为地质围岩的分类仅仅是一个定性的概念，不是定量的，同一类围岩，其构造产状不尽一样，此刻支护参数的设计尤为重要，支护参数过大，增加工程的投入，支护参数过小，因此类围岩自稳性能较差，可能因支护强度不行，或需替换支撑形成地应力再一次重散布，而导致塌方。特别是在临时支护方面，为削减工程投入，支护参数通常都较小，达不到规范标准需求。

2.1.2 施工过程中塌方的防控

因设计阶段的地质勘测只能从宏观上分析整个隧道的基本地质状况，对可能呈现的大断层、富水段和高应力段无法进行详细勘测，形成部分地质资料缺乏，因而为保证隧道施工安全，加速隧道施工进度，在施工中，可采用信息化检测设备加强隧道及其周围范围内的地质监测，有必要时选用超前地质预报技术。对可能呈现的部分地段围岩破碎导致的失稳、塌方和可能遇到的断层、涌水等都能及时预测。在提早获得可能的不良地质的状况下，施工单位有必要采取合理的开挖和支护方法，防止塌方的发生。

2.2 塌方的处理办法

2.2.1 防止塌方设计扩展

当遇到塌方时除迅速解救施工人员外，还要及时加固未塌地段，以防止塌方设计扩展，并可为整理塌方而作预防。摸清塌方状况，查找塌方原因、性质和塌方后围岩现状等地质情况。

2.2.2 小塌方的处理

小塌方是隧道施工中较常遇到的状况。因为塌体涉及面不大，可直接调查塌穴形状和摸清塌体的可能补给来源，因而通常使用崩塌间歇空地，及时对塌穴和塌方口进行支护，并在塌碴上架设临时支撑，然后铲除塌体，边清边转换成正式的支护，紧跟后续工序，此谓小堵清。

2.2.3 大塌方的处理

因塌方体把塌顶阻塞，不但不能支护塌穴，并且通常连塌穴的形狀和间隙也无法查明，因而不允许清碴，很可能随清随塌，使塌方迅速扩展，而只能采用箍穿的办法。所谓箍即是首要抓住塌方端部的支持加固和衬砌作业，防止塌方开展延伸；所谓穿即是用先护挖办法在塌体内用小导管注浆穿过，再紧跟后续工序。

2.2.4 治塌先治水

水是隧道施工的大敌，它冲刷、软化、溶解某些围岩，使地质条件迅速恶化。特别是在断层破碎带、堆积层和风化严重地段，其损坏作用更为明显。这些地段本来就容易发生塌方，而又恰好是地下水活动频繁的地段，因而常使施工困难。很多工点的实际状况也证明了这一点：通常塌方地段多数有水，水的活动助长了塌方的发展。因此，总结以往的经历即是治塌先治水。处理塌方时要加强防排水处理，防止地表水灌入塌方地段，并及时采取措施引出塌方地段的地下水。

3 隧道信息化监控量测及其成果分析

3.1 工程概况

我国南部某隧道工程，隧道埋深204m，全长2353m。地质情况方面，该隧道处于山台地以及深切谷地斜坡地貌区，穿越山脊下部区域。走向方面，同山脊具有接近垂直相交特点，除隧道进出口较陡，区域内坡度较缓，在15-30°范围内，水土保持情况较差。

3.2 监控量测成果

在该隧道中，其某段在施工当中曾经发生过塌方事故。对此，我们就该区段的一个典型断面进行研究，该区段多为泥岩，具有软弱夹层，裂隙水丰富，存在岩体破碎情况。该断面在开挖阶段，在技术进行初期支护之后对其进行了为期25天的监测。在监测过程中发现，在完成初期支护后，其变形情况逐渐增大，初喷混凝土表面位置发生较多处开裂情况，且具有掉块、剥落问题的发生。之后，施工方对存在问题区域进行了常规加固措施的应用如锁脚锚杆、导管注浆等，但所获得效果并不十分明显，无法对围岩异常变形情况的进一步发展进行阻止。

断面沉降方面，根据监测结果发现，该断面从初期支护完成、对监测点布置后，累计变形值逐渐增大，整个过程当中不存在减小趋势，其中，拱顶沉降收敛速度平均为20mm/d，周边平均收敛速率在14mm/d左右，已经超出了安全警戒值。从平均沉降速率以及收敛收率时程度曲线图角度看来，在整个监测周期范围以内，变形速率始终保持持续增长趋势，虽然施工方对该问题也进行了一定的加固措施应用，但并没有获得较好的效果，仅仅在径向注浆以及初支仰拱成环方面存在较小下降，但从整体看来还是为上升趋势。

该种情况的存在，即表明初期支护以及部分加固措施的应用难以对围岩异常变形的进一步发展进行阻止，整体向着险情方向发展。而从沉降变形量、累计收敛以及对应拟合值时程曲线角度看来，其累计变形量为线性增长趋势，并未发生转折，也不存在稳定或者减小趋势。从监测第一天开始，到25d之后，累计沉降变形量已经达到771.85mm，累计收敛变形量为744.07mm，考虑到监测误差等因素的存在，实际累计变形量值可能更大，初期支护已经存在侵入二次衬砌净空问题，存在较为明显的塌方前兆。而经过进一步对施工现场的观察发现，该断面初期支护已经出现了明显的环向、纵向贯通裂缝，拱腰位置钢拱架已经弯曲折断，在监测最后一天，拱顶发生较大面积的混凝土掉块情况，初期支护已经受到破坏，塌方问题无法避免。

4 隧道塌方事故处治措施研究及效果评价

4.1 处理措施

4.1.1 未塌方段处理措施

在塌方问题发生之后，为了避免二次坍塌问题的发生，则需要在首次塌方之后做好初期支护的加固处理，以此在实现病害控制的基础上避免塌方问题的进一步发生。使用的具体措施有：第一，在拱顶135°范围内打径向注浆小导管，以此实现其周边岩体的加固。该导管长度300cm、？准42钢管，使用注水泥浆；第二，进行加护拱施工处理，护拱方面，使用120b工字钢处理，在仰拱混凝土上设置拱脚，将其埋在填充层当中，套拱纵向间距控制为50cm，换向间距控制为100cm；第三，对塔体后方没有进行二次衬砌地段加筋做好仰拱回填、仰拱跟进以及混凝土衬砌施工处理，通过这部分方式的应用阻止岩体塑性区以及变形情况的进一步扩展。

4.1.2 塌方段处理措施

对于塌方段，使用以下方式进行处理：

第一，塌体稳固。对隧道塌体堆渣表面进行C20混凝土材料的喷射，将厚度控制为30cm，保证对塌体外漏面进行全面的封闭处理。同时，在塌体水平方向打设Φ42小导管，单根长400cm，以200×200cm梅花形布置，并做好松散堆渣的注浆加固处理。

第二，超前注浆锚杆打设。做好超前注浆锚固加固处理，使用Φ75mm自进式锚杆，环向间距30cm，以定量注浆为注浆结束标准；

第四，塌体段开挖。当塌体稳固后，在拱部打设Φ42超前注浆锚杆，纵向间距100cm、环向间距30cm，以水泥浆材料注入，将压力控制在0.5-1MPa。塌体方面，使用上中下三台阶开挖方式处理，在做好工字钢支撑后将纵向间距控制为50cm。在开挖过程中，先对上台阶进行施工，当其全部贯通后再对中台阶施工，并根据围岩稳定情况在开挖上台阶时做好临时仰拱支撑的增设。中台阶方面，在推进时保证左右错开距离在3cm以内，仰拱一次开挖长度在3m以内。

4.2 效果評价

在根据上述方式对塌方段进行处理后，监测组对周边收敛、围岩压力增长以及拱顶沉降等情况进行了全面的监测。

为了能够将量测信息及时实现对施工过程的反馈，以此对处理方案进行及时的调整、保障塌方处理的合理、安全进行。监测组对量测断面进行了加密布置，即每5m对一个量测断面进行布置，并对测量频率进行了加大。在对断面围岩压力数据分析的基础上对左右拱腰、左右曲墙以及拱顶围岩时间与压力关系进行研究。根据研究发现，在塌体开挖初期阶段，收敛、沉降具有着较大的变形速率，但很快其就逐渐下降，变形速率在降低之后趋于稳定，初始最大收敛速度为3.65mm/d。在继续进行一个月监测后，发现其收敛速率得到了大幅度的降低，在1mm/d以下，沉降速率为0.5mm/d，同隧道其余断面位置的变形速率相比远远要小。从累计变形时程曲线可以发现，该围岩变形情况已经较为稳定，收敛变形以及沉降变形量都处于规范允许变形量以内，整个施工处在较好的安全状态之下。

5 结论

在上文中，我们对隧道塌方灾害发生原因及处治措施进行了一定的研究。在实际隧道施工中，需要能够充分把握隧道塌方问题的引发原因，在联系工程实际的基础上以针对性措施的应用做好预防处理，在保障工程安全稳定开展的基础上保障施工效果。

参考文献：

[1]熊燕辉.仁阁隧道软硬岩石交汇地段塌方成因及其处理[J].土工基础，2013（03）.

[2]甘小江.隧道贯通段塌方处理施工技术[J].现代隧道技术，2012（06）.

[3]边晓兴.罗圈背隧道坍方分析及处理[J].北方交通，2011（06）.

[4]何新凯，彭杰，王木群.隧道塌方的处理技术[J].公路工程，2011（02）.

[5]杨金虎.慈母山隧道穿越断层破碎带开挖支护技术分析[J].地下空间与工程学报，2011（02）.

[6]王京春，田珣，陈平.沙赫里斯坦隧道塌方处理技术[J].中外公路，2010（03）.