透析隧道坍方及預防

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摘要：在復雜地質條件下的隧道施工中經常發生較大的坍方，危害極大，著重闡述隧道坍方產生的原因、處理方法及預防措施。并運用平衡拱理論，指導和制定塌方處理方案，對同類隧道施工具有一定的借鑒意義。

關鍵詞：坍方原因分析；處理；預防

隨著我國經濟的高速發展，國力的增強、人民生活水平的提高，對交通的要求也越來越高。近年來，我國的高速公路、城際鐵路、鐵路客運專線、高速鐵路、城市地鐵、城市軌道交通等得到迅速發展，隧道及地下工程越來越多。對于隧道建設而言，通過近兩個世紀的探索，形成了多種設計理論和工法，如礦山法、淺埋暗挖法、新奧法、挪威法等，這些設計理論和工法在隧道建設實踐中發揮了十分重要的作用；但在具體實踐中也出現了一些問題，尤其是一些坍方事故的發生，規模較大、造成了生命和財產損失、影響惡劣。這些事故的發生，血的教訓，警示人們高度關注和重視隧道及地下工程的施工安全。

1.隧道坍方的主要類型

隧道或地下洞室在施工過程中發生的坍方形式是多種多樣的，可以簡單的列出以下一些形式：

1.1根據施工隧道坍方的地點不同劃分。

1.1.1洞口段坍方：在進洞施工或在進洞一段距離（一般為50~200m）后發生的坍方。這類坍方因埋深淺、偏壓、邊坡失穩等原因會形成洞口滑坡、洞口坍塌，一般會坍至地表。

1.1.2洞內工作面坍方：在開挖工作面發生的坍方。

1.1.3洞內工作面后方坍方：距開挖工作面一定距離發生的坍方，這種坍方又被稱為“關門坍方”，危害極大。

1.2因施工目的不同劃分。

1.2.1導洞施工發生的坍方。

1.2.2橫洞施工發生的坍方。

1.2.3斜井和豎井施工發生的坍方。

1.2.4開挖避車洞引起的坍方。

1.2.5處理欠挖時引起的坍方。

1.3根據坍方規模和形式劃分。

1.3.1整體坍方：往往發生在軟弱圍巖中，從邊墻或拱腳變形增大開始，進而波及到拱部，從而形成整個隧道坍塌。

1.3.2順層坍方：亦稱為“順層滑坍”，當巖層的層面較光滑，層間結合力差，或受節理相交的影響，巖體呈相對破碎狀，在開挖后出現順層的滑移現象。

1.3.3局部掉塊：嚴格地講，局部掉塊不能歸入坍方范疇，因為它沒有引起整體失穩。但掉塊可大可小，當大到幾立方米甚至幾十立方米，也稱之為坍方。這類坍方大都因為節理發育所致。

2.隧道坍方的原因分析

造成隧道坍方的因素是多方面的，有的是人為因素，有的是非人為因素，有的是由于經驗不足，但都可以歸結為管理原因。大致可以分為兩大類，即自然因素和人為因素。

2.1自然因素（地質因素）。

大量工程事實證明，隧道及地下工程施工安全事故（坍方、塌陷）中起決定性的是地質因素。在勘探和施工過程中對地質情況認識不清，造成施工時出現了坍方：

2.1.1在開挖的過程中，圍巖的地質條件發生突變，如從Ⅲ級突然變化到Ⅴ級圍巖,存在巖層分界面、巖土分界面等不利結構。

2.1.2在隧道施工范圍內、或隧道周邊出現的斷層、破碎帶、軟弱夾層、結構不利面、巖層的不整合接觸帶等。

2.1.3出現了特殊的不良地質，如膨脹巖、高地應力、溶洞、涌水等。

2.1.4地下水。地下水是使隧道圍巖喪失穩定的重要原因，其影響主要有三個方面：一是軟化圍巖，軟質巖石（土）體受水飽和后，其強度有不同程度的降低。如水浸入泥質巖層，能使巖質軟化；水浸入無水石膏或以蒙脫石為主要成份的粘土，地層膨脹而對隧道產生極大的膨脹壓力。二是軟化結構面，泥質充填或具有軟弱夾層的軟弱結構面遇水后，即發生液化變軟或填充物被沖走而降低結構面的抗剪強度，使巖體易于滑動。三是承壓水作用，圍巖受到水壓作用后，更易失去穩定。

2.2人為因素。

2.2.1設計因素。

2.2.1.1選線不合理。無論是公路、鐵路，還是城市地鐵，有時過多的考慮到投資等經濟因素，線路的選擇和確定不能百分之百從技術、地質、實際功能需求和可行性來考慮，出現一些選線不合理的情況。如果線路不合理，隧道穿越地層就有可能由好地層變為不良地質地段，就容易出現隧道坍方。比如南方某線因線位過低，使一長隧道處在溝谷底部，施工時隧道內地下水長流不斷，水量巨大，多次出現突水、涌水和坍方事故，造成工期、成本的巨大損失。另一長大隧道，因考慮投資，將線路標高提高，原來的長隧道變短，但隧道通過的地層由原來較為穩定的巖層，變為土質地層與含水砂層接觸帶，給施工造成極大困難，造成工期、投資得不償失。

2.2.1.2洞口的位置選擇不恰當，如位于較大的滑動體、斷層之中，或存在偏壓，從而引發洞口坍方。

2.2.1.3設計的支護參數偏小，無法保證圍巖從開挖后到二次襯砌施作這段時間內的穩定。

2.2.1.4針對特殊不良地質地段，設計上給出的處理措施不當。

2.2.2施工因素。

2.2.2.1選擇不正確的開挖方法，易引起坍方。

一般情況為：開挖面積小于100m??2隧道：Ⅱ、Ⅲ級圍巖一般采用全斷面法開挖，Ⅳ、Ⅴ級圍巖一般采用臺階法開挖。

開挖面積100～200m??2隧道：Ⅱ級圍巖采用全斷面法開挖，Ⅲ、Ⅳ級圍巖采用臺階法開挖、Ⅴ、Ⅵ級圍巖采用CD、CRD法或側壁導坑法進行開挖。

對破碎、軟弱圍巖或大斷面施工，要采取一些輔助措施配合開挖：上半斷面采用環形開挖、留核心土，噴射混凝土封閉開挖工作面，設臨時仰拱封閉成環；設超前錨桿、超前管棚、插板、預注漿加固等措施。隧道滲水或涌水較大情況下，應采取較為保守的施工方法。

但施工中經常存在：施工方法與地質條件不相適應，地質條件發生變化，沒有及時改變施工方法，如應該采用半斷面開挖而實際采用了全斷面，應該采用分步開挖的而實際采用了全斷面或半斷面等等；

一次開挖進尺過長也極易導致坍塌事故的發生，特別是軟弱破碎圍巖地段，上半斷面應一次開挖一榀鋼架，下半斷面Ⅳ級圍巖不超過兩榀鋼架，Ⅴ級圍巖不超過一榀鋼架。以上情況，致使一次開挖跨度過大或高度過高，超出了圍巖自身穩定自然拱跨度，使隧道周邊圍巖形成塑性滑移楔體，直接造成坍方或支護結構的剪力破壞；

2.2.2.2選擇不正確的施工方案，易引起坍方。

(1)小間距隧道施工。

未嚴格按小間距隧道設計規范進行施工。后行隧道未在先行隧道的模筑襯砌達到設計強度后進行，且后行的隧道開挖面未滯后先行隧道模筑襯砌不小于50m的距離。這樣左右線隧道在同一橫斷面上同時施工或相距較近，會造成群洞效應，引起坍方。

先行隧道開挖支護中存在涌水、涌泥、大變形等地段時，后行隧道必須在先行隧道施作二次襯砌后，且達到設計強度后方能進行施工。嚴禁在先行隧道未施作二次襯砌前，后行隧道施作注漿、開挖支護作業，引起先行隧道關門坍方。

(2)偏壓隧道施工。

隧道建造中存在山體偏壓的情況時，應先施工深埋一側的隧道，可有效減少中間隔墻圍巖的偏向及側移，明顯降低圍巖塑性區面積,并有益于支護結構的穩定性。如先施工埋深較淺一側，中墻的受力和傾斜均較大，會增加隧道坍塌的風險。偏壓隧道應盡早施作洞口段的仰拱，封閉成環，使隧道整體受力，以減小隧道的偏壓，支護結構剪切破壞，造成坍塌。

(3)洞室、通道與正洞的交叉處的施工。

Ⅳ、Ⅴ圍巖洞室、橫通道與正洞的交叉口處的施工應制定專項方案，采取橫梁、套拱等加固方式進行開挖支護。嚴禁正洞鋼架懸空，引起隧道坍塌。

(4)大變形拆換拱架地段的施工。

變形段處理應采取前后夾擊的策略，應先施作變形段前后的仰拱、二次襯砌，待達到砼強度后，再進行變形段的處理。變形段拆換鋼架必須逐榀拆除，每次拆換一榀，由上至下，每榀封閉成環，拆除一段（4－6米），襯砌一段。嚴禁多榀拱部鋼架拆換，嚴禁多榀鋼架不封閉成環的情況發生。

2.2.2.3施工質量問題易造成坍塌事故。

(1)施工過程中存在的工藝操作不符合施工技術規范要求，施工管理不到位，質量意識、安全意識不強也是造成塌方的另一個重要原因。常發生的施工質量問題有錨桿長度不足；錨桿砂漿不飽滿或強度尤其早期強度不足；噴砼強度厚度達不到設計要求；鋼支撐未完全由噴射砼包圍密實、鋼支撐與圍巖之間存在空隙、鋼支撐未置于穩定堅固的基礎上等。以上質量問題直接造成支護抗力未達到設計要求或圍巖未粘結緊密使無彎矩結構產生彎矩而導致塌方。

(2)根據局部地質狀況，需要采取超前支護（超前錨桿、管棚、注漿、小導管預注漿等）措施而未采取，或雖然已采取但其質量和效果未能達到要求。

(3)初期支護未按設計的參數進行，如錨桿的長度、間距、噴射混凝土厚等，使圍巖的穩定性達不到要求。

(4)隧道的爆破設計有問題，造成對圍巖的擾動過大。

2.2.3管理因素:監管不到位。

2.2.3.1未經上級技術部門同意，擅自改變施工方法，如開挖方式、支護方式等。

2.2.3.2不嚴格遵守設計文件、施工組織設計、《隧道施工技術規范》、《隧道驗收評定標準》的要求和規定組織施工，達不到“均衡生產、有序施工”的要求。

2.2.3.3安全、質量意識淡薄，在施工中存在僥幸心理、偷工減料、弄虛作假等，造成支護質量遠遠達不到設計要求。

2.2.3.4由于不合理工期、不合理造價等宏觀決策，引起施工過程中強行追求進度，造成支護強度達不到應有的要求，從而引發坍方。

2.2.3.5現階段隧道的開挖都以新奧法理論為指導，但在實際施工中，常存在未能按規定進行量測，或信息反饋不及時，導致決策失誤、措施不力而造成塌方的現象。未通過施工中對圍巖和支護結構的動態觀測，合理安排施工程序，修正不合理的設計和進行日常施工管理而出現坍方。

3.塌方的處理依據

塌方的處理必須建立在對塌方正確認識的基礎上，塌方處理方案的制定如同戰斗方案的制定，如果方案不當或失敗，不但導致更大的經濟損失，而且可能造成人員傷亡，故一般的處理原則是先鞏固后方，防止塌方擴大，然后以安全的后方為依托或掩護再向前進行處理。經驗認為塌方發生后在一定時間內就會趨于穩定，形成自然拱，而自然拱的高度、寬度與普氏平衡拱理論計算結果基本相符。

3.1普氏平衡拱理論。

前蘇聯學者M•M普洛托雅克諾夫（簡稱普氏）以松散理論為基礎，認為在松散介質中開挖隧道后，隧道上方將形成拋物線的平衡拱，平衡拱高度h為：

h=b/fm(m)

式中：b平衡拱的半跨度（m），fm巖石堅固性系數。

土層：fm=tgφ；巖石：fm=R/10。

其中：φ土的摩擦角；

R巖石的抗壓極限強度(MPa)，取值應考慮巖石天然層理、裂隙及節理的影響。

在隧道側壁穩定時，即拱部塌方時，平衡拱寬度就是開挖寬度，即b=bt（圖1）

當側壁不穩定時，平衡拱寬度為：b=bt+Ht•tg（45°-φ/2）

式中：Ht隧道凈高（m）；bt隧道凈寬之半（m）（圖2）。

3.2塌方穩定分析及處理。

對塌方后的穩定情況能否做出正確的判斷是制定處理方案的關鍵，否則，不是冒險就是加大投入。一般情況下塌方發生后1～2天就基本穩定，除個別掉小塊外，不再有大的坍塌，這時可根據工程地質資料及試驗結果，確定巖石堅固性系數，再根據開挖情況，即可按平衡拱公式確定塌方高度，與現場對照，如果計算與實際基本相符，則說明塌方已經基本穩定，否則就要慎重對待。

經過平衡拱穩定分析，確定塌方穩定后，即可著手進行處理，處理坍方的一般步驟如下：

3.2.1第一步：坍方較小時，對塌穴進行噴射砼封閉處理。噴砼后，即使塌穴有危石或個別坍塌亦會及時發現，噴射砼在圍巖面形成一保護層，亦是判斷塌方穩定與否的最有效、最直接的參照或依據。塌穴初噴穩定后，可采用鋼筋網、鋼筋籠對塌穴進行噴砼回填。如坍塌較大，坍穴未外露，可直接實施第二步。

3.2.2第二步：對坍塌體進行加固處理。

在未坍塌隧道地段的坍塌體上施作套拱，施作超前大管棚并注漿對坍塌土體進行加固。有條件從地表對坍塌體加固的，可采用地表袖閥管注漿等注漿方式對坍塌體進行加固。

3.2.3第三步：在超前支護保護下施作初期支護。對坍塌體的開挖可優先采用CRD法（四步或六步根據斷面大小確定）進行開挖。施作初期支護時考慮適當的預留沉降量，即將斷面適當放大。同時預埋注漿或回填砼的導管。待初支成環后，即可對坍塌空洞注漿或泵送砼進行回填。泵送砼回填時，應分次進行回填，以防止砼自重壓跨初期支護。應根據坍塌體的大小計算回填量，第一次可在初支背后形成30～50cm的護拱，待砼有一定強度后方可進行再次回填作業，直至坍塌體被回填密實為止。

3.2.4第四步：施作永久支護結構——二次襯砌。

4.隧道工程坍方的預防及施工安全措施

4.1設計階段。

4.1.1學規劃、合理選線。

4.1.2嚴格勘探、摸清地質。

發生坍方概率較多的是地質較差的斷層破碎帶及淺埋偏壓地段，因此摸清地質情況是確保隧道及地下工程施工安全最關鍵、最重要的環節，很多隧道坍方都是地質因素起決定性作用的。勘察單位要提高勘察精確度，充分探明工程水文地質條件，調查周邊環境情況，確保勘察數據真實可靠；在勘察報告中要對復雜地質條件和周邊環境及其可能給工程造成的危險，作出重點說明。設計單位要嚴格執行工程建設強制性標準，確保設計質量；在地形、地質條件復雜，可能發生滑坡、坍塌的工程中，要在設計方案中作出專門的安全防護考慮，才能有效預防坍方。

4.1.3統籌考慮、精心設計。在每個設計階段都有相應的具體工作內容和要求，按設計規范要求，精心設計。需要值得注意的是隧道及地下工程還要強調動態設計，即施工設計完后不是一成不變的，要根據施工監測獲得的信息，及時進行數據處理和反饋，修改設計、調整4.2施工階段。

隧道施工應從以下四個方面采取措施預防坍塌事故的發生：

4.2.1合理的施工方案。

對于隧道應認真核對實際的工程水文、地質、地貌、環境情況。根據現場實際制定隧道進洞專項施工技術方案。隧道施工專項方案應組織進行內部評審，必須由項目領導、技術部門、施作人員共同參加，在不同角度進行充分研討，達成高度共識，形成符合現場實際、適合隊伍作業特點、合理的施工方案。

4.2.2鐵的施工紀律。

方案一旦確定，作業層必須不折不扣執行，不得隨意更改。如確需變更，需征得總工同意后方可實施。現場施工時要嚴格控制爆破進尺，特別是軟弱破碎圍巖地段，Ⅳ級圍巖不準超過兩榀鋼架，Ⅴ級不超過一榀鋼架。盡可能減輕對圍巖的擾動，最大限度維持圍巖的原始狀態。

施工步距必須控制在合理的范圍內：仰拱要及時施作，一次開挖長度不得超過1倍洞徑，且及時封閉成環。仰拱距掌子面距離Ⅲ級圍巖不超過90m，Ⅳ級圍巖不超過50m，Ⅴ級及以上圍巖不超過40m。

現場施工管理人員、安檢或質檢工程師應加強對施工技術標準實施情況的監督檢查。有權監督現場是否按設計、按標準施工，對違反規定進行施工的有權責令停工。凡發出的關于防止坍塌、確保安全、確保質量等方面的指令，必須認真執行。有不同意見的應先執行而后上報裁決。對拒絕執行指令的人員，要負全部責任并進行責任追究。施工中，只有杜絕施工紀律的“自由化”，做到令行禁止，才能嚴格按設計和技術規范進行施工，防止隧道的坍塌。

4.2.3信息化的施工監測手段。

隧道塌方的原因多種多樣，但地質因素是決定性的，因此預防隧道塌方的根本措施是加強工程地質及水文地質工作。包括運用先進的科技手段對圍巖穩定性進行探測、預報、分析等工作，為設計提供依據、指導現場施工。有效的方法是對洞內應進行地質超前預測預報，如物探和鉆探等，探明前方的地質情況，進行分析判斷圍巖等級后指導施工和修改設計，以防突發性的坍方。

監控量測是確保隧道安全施工的一種重要手段。在隧道施工中，成立專業的監測組，通過對圍巖和支護的變形、受力等的量測，提供信息指導施工和修改支護參數。尤其對初期支護的監控量測更為重要，及時發現問題及時解決，以防初期支護的破壞導致坍方。

4.2.4及時的二次襯砌。

二次襯砌使圍巖和支護結構形成一個整體，從而提高支護體系的安全度。原則上二襯施作，距掌子面Ⅰ、Ⅱ級圍巖不超過200m，Ⅲ級圍巖不超過120m，Ⅳ級及以上圍巖不超過90m，但前方如有險情可及時跳段進行襯砌，靈活掌握。二次襯砌更多的作為隧道的安全儲備，及時的施作可有效確保隧道安全，避免坍方的發生。

5.結束語

隧道坍方往往會造成人員傷亡和巨大的經濟損失，施工過程中一定要把坍方防治作為一項重要工作來抓。只要對隧道的客觀條件，特別是地質條件，有充分的認識，嚴格按設計和技術規范進行施工，做到“精心設計，精心施工”，隧道圍巖坍塌，是可以防止的。發生圍巖坍塌的技術原因與管理原因并存，但管理原因大于技術原因。從技術和管理兩個方面而言，應在管理上下更大的功夫。在坍方的處理過程中，要認真分析坍方的原因，制定科學可行、便于施工的處理方案，及早處理，不留后患。

參考文獻：

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