隧道工程塌方影响因素分析与工程应用

隧道工程塌方影响因素分析与工程应用

李小伟

湖北省交通投资有限公司湖北武汉430074

摘要：塌方是隧道施工过程中的主要安全风险之一，明确塌方影响因素及建立防灾体系是预防、控制隧道塌方工程地质灾害的基础。简要分析了塌方的机理；将塌方的主要影响因素划分为客观因素和主管因素两大类，并对其进行阐述；对隧道工程塌方风险主要技术进行了介绍，采用隧道工程塌方风险控制技术，可有效规避塌方，保障施工安全。

关键词：塌方、影响因素、监控量测、超前预报

引言

随着我国国民经济的飞速发展，为满足社会与经济发展日益增长的需求，必须大力发展交通建设。由于我国的国土面积中丘陵地带分布较多，在经济与环保的前提条件下，隧道工程得到了越来越快的发展，随着隧道建设数量的增加，隧道长度也在不断突破。塌方，是隧道工程中的常见工程灾害，约占各类重大地质灾害出现几率的90%以上[1]。一旦隧道工程发生塌方灾害，不仅会延误工期、毁坏机械设备，亦会对现场施工人员的生命安全构成巨大威胁。随着我国交通事业建设的不断发展，隧道施工过程中的塌方灾害防治问题已引起人们的极大关注。

1塌方的主要影响因素分析

隧道开挖前，岩体处于一定的应力平衡状态，开挖使洞室周围岩体发生卸荷回弹，改变了原有的应力状态，围岩应力发生重分布。如果围岩的强度够高，就不会因卸荷回弹和应力重分布发生破坏；如果围岩的强度低，不能适应重分布应力的变化，就会向洞内发生变形和失稳，最终造成塌方[2]。为研究塌方灾害的预防方法，应首先对塌方的影响因素进行划分，将塌方的主要影响因素概括为客观因素和主观因素。

1.1客观因素

（1）岩石强度

岩石强度越高，塌方发生的概率就越低。反之，岩石强度越低，塌方发生的概率就越高，塌方规模也越大。

（2）岩体结构类型

将岩石结构划分为整体状、块状、层状、破裂状和散体状等五种类型。多个工程案例表明：岩体结构类型对塌方的影响是重大的。图1表示了不同岩体类型塌方占总塌方的比例：岩体结构类型对塌方有较大影响，其中破裂状和散体状岩体最易发生塌方，占总塌方比例的94%。

（3）埋深

随隧道埋深的改变，围岩破坏模式也将发生变化。埋深较大时，往往会出现塌落拱，埋深比较小时，往往会出现坍塌冒顶的破坏模式。

由于浅埋隧道会更多地涉及风化强烈的破碎岩体，浅埋隧道发生塌方的可能性也较深埋隧道更大，图2表示隧道埋深与塌方次数之间的关系，从图中可以看出，埋深越小，发生塌方的次数越多。但隧道埋深小于10m时，塌方次数反而比较小，可见，浅埋段加强支护对塌方起到了一定的控制作用。

（4）地压

地压主要包括偏压、古滑坡、塑性地压及高压力区等，在偏压地段，由于埋深比较浅，极易发生塌方灾害；高地应力区一般不会发生塌方，而是会发生岩爆。

（5）构造破碎带

在隧道施工过程中，不可避免的会遇到各种不良地质构造，如断层破碎带、软弱夹层、强烈褶皱带等，其中，断层破碎带是塌方发生的一个重要影响因素。

（6）地下水

在地下水富集地段，岩石强度往往会因水的软化、冲蚀、浸泡等作用而降低。软硬相间或含软弱夹层的岩体在地下水的作用下，结构面抗剪强度将大大减小，从而易发生崩塌。大气降雨能够改变地下水位，对隧道围岩的稳定性影响很大。在降雨充沛的地段，如果没有做好防水减排措施，大量的雨水将不断下渗，加速岩体的失稳和塌落。

1.2主观因素

（1）隧道选线

在隧道选线中，若地质调查不够详细，则不能够查明诱发塌方的因素，无法绕开可以绕避的不良地质段。

（2）隧道断面形式和大小

隧道断面形式决定了围岩的应力重分布特征，围岩的破坏是由于重分布应力超过围岩强度引起的，因此断面形式是影响围岩破坏的重要因素，若断面设计不合理，容易引发塌方灾害。另外，隧道断面大小对围岩稳定性影响更为显著，在同类围岩中，隧道断面越大，围岩稳定性越差，发生塌方的概率将越高。图3为隧道开挖跨度与塌方概率的关系，可见隧道开挖跨度越大，塌方次数越多，而开挖跨度大于15m时，塌方次数较少。

（4）施工措施

施工措施不当是引起塌方的重要原因，主要体现在四个方面：①围岩爆破装药过多，因强烈振动引起坍塌；②所选开挖工法与地质条件不相适应，地质条件变化时，未及时调整施工方案；③施工过程中支护不及时,隧道开挖后，未及时进行喷锚支护，使围岩暴露时间过久，引起围岩松动，导致塌方；④施工工序安排不当。

2隧道工程塌方风险控制技术

1.1概述

监控量测是新奥法施工的重要组成部分，在隧道施工过程中，监控量测与超前预报相结合，从而实现对隧道建造期间塌方风险的有效控制与预防，二者是隧道工程塌方风险控制技术的有机组成部分之一。

2.2监控量测技术

监控量测技术是隧道工程新奥法施工中有力的指导工具，可以定量的记录下隧道施工期各个时间节点、施工节点的变化情况[3]。有利于建设单位、承建单位，监理单位各方进行隧道工程质量的监督与指导，为调整施工方案，变更围岩支护体系，指导二衬的及时施工与围岩稳定性的评判提供了最直观的依据，保证了隧道建造期的可靠性与安全性。

监控量测的频率大小是根据监测信息的随时变动而变动的，并没有固定的量测时间节点约束。一般认为的隧道稳定的标准为水平位移达到0.1～0.2mm/天的收敛速度，拱顶达到0.1mm/天的下沉速度。稳定后，监控量测次数可适当的减少，但应注意一定时间间隔后复测。测量点应尽可能选择具有代表性的地方，一边测量数据的分析及为以后的工作提供经验。

2.3超前预报技术

超前地质预报的主要工作原理跟地质勘查中的物探法类似，以TSP（隧道地震波法）超前地质预报为例：其基本原理是通过仪器向在建的隧道地质岩土体中发射一定频率的地震波，由于地震波在遇到溶洞或者地质突变的情况时将发生异常或者反射回来，因此在一定的时间后搜集并整理反射波信号，对相关数据进行对比分析，就可以寻找出存在不良地质条件的地段，并与设计图纸的情况进行比较，有利于尽早的发现与原先设计勘察不一致的情况，调整施工方案与措施。而且反射波信号的强弱与地质体的异常情况有着直接的联系，往往可以根据反射波的返回时间与反射方向，进行早期异常地质区域的准确定位[4]。

3工程应用

3.1工程概况

隧道是一座分离式隧道。起讫里程桩号左隧道：ZK94+335～ZK95+147，长812m，右隧道：YK94+335～YK95+166，长831m，为中长隧道。隧道最大埋深约160m，洞轴线方位角235°；单洞净空10.50m×5.0m，进出口洞门均采用端墙式洞门，灯光照明，机械通风。勘察表明，隧址覆盖土层较薄，岩体结构及岩体质量较好，自然山坡处于稳定状态，无重力地质作用产生的不良地质现象；岩层为可溶岩，其隧址区地表溶沟、溶槽较发育；洞口开挖会有边、仰坡掉块及浅埋段地表岩溶深入洞内出现冒顶现象，但规模较小。

3.2超前地质预报与监控量测结果与分析

该隧道位于岩溶发育区，且洞口开挖段为浅埋段，对其进行详实的监控量测与超前预报工作。图4为ZK94+335~ZK94+360段地质雷达探测结果，可以看出，ZK94+348~ZK94+360段节理裂隙发育，围岩整体性一般。由于超前预报探测结果，故在该段加强支护，在ZK94+350断面进行了水平收敛与拱顶下沉的监控量测，图5表示ZK94+350断面监控量测结果，可以看出，该断面水平收敛累计值、水平收敛速度、拱顶沉降累计值和拱顶沉降速度都在允许范围内，在施工期间有效避免了塌方与掉块。事实证明，应用监控量测与超前预报有机结合的体系，能有效规避塌方风险。

4本文主要结论

（1）分析了塌方工程地质灾害的产生原因；

（2）将塌方影响因素概括为客观因素与主观因素，并进行了详细分析；

（3）提出了监控量测与超前预报相结合的防塌方灾害方法，实际应用表明，该方法是有效的。

参考文献

[1]叶建虎,陈力华.隧道软弱围岩进洞稳定性分析[J].公路交通技术,2012,8(4):100-103.

[2]马亢.公路隧道局部塌方洞段的围岩稳定性评价[J].岩土力学,2009,30(10):2955-2960.

[3]徐林生.公路隧道围岩稳定位移与突发失稳时间预报研究[J].重庆交通学院学报,2005,24(5):18-24.

[4]高辉,杨振江,张素磊.TSP探测技术在铜锣山隧道塌方中的应用[J].山西交通科技,2006,(6):27-29.