隧道软弱围岩坍方原因分析及处理技术

隧道软弱围岩坍方原因分析及处理技术

文雪峰

文雪峰淤WENXue-feng曰马娟于MAJuan曰肖风盂XIAOFeng

（淤西南交通建设集团股份有限公司，昆明650033；于昆明冶金高等专科学校测绘学院，昆明650033；

盂云南铁路总公司，昆明650033）

（淤SouthwestCommunicationsConstructionGroupCo.，Ltd.，Kunming650033，China；

GeomaticsEngineeringFaculty，KunmingMetallurgyCollege，Kunming650033，China；

YunnanRailwayGeneralCorporation，Kunming650033，China）

摘要：坍方是最为常见的隧道施工事故，且多因软弱围岩大变形引起。本文以杜家营隧道为例，阐述杜家营隧道活动断裂带围岩的变形破坏特征，对隧道出口坍方冒顶进行原因分析，提出处理措施，并对坍方处理效果进行评价，以期为类似工程事故预防与处理提供参考。

Abstract院Tunnelcollapseisthemostcommonaccidentintunnelconstruction,whichisoftencausedbydeformationofweaksurroundingrock.Inthisstudy,thewriterstakeDujiayingTunnelasexample,brieflyelaboratetransformbreakagecharactersofsurroundingrockactivityfaultzoneinDujiayingTunnel,anddoreasonanalysisofcollapseandrooffallatthetunnelexit,andalsoputforwardcorrespondingremedialmeasures,evaluatetheimplementationeffectoftunnelcollapsingtoprovidereferenceandsolutionforsimilarengineeringaccidents.

关键词：软弱围岩；隧道；坍方；处理

Keywords院weakwallrockoftunnel；tunnel；tunnelcollapse；solution

中图分类号院U45文献标识码院A文章编号院1006-4311（2014）29-0120-03

0引言

近年来，我国高速公路、高速铁路、城市地铁、城市轨道交通等基础设施建设迅速发展，隧道及地下工程越来越多。隧道施工通过近两个世纪的探索，形成了多种设计理论和工法，但在施工中仍会出现问题，尤其坍方事故。[1]本文以杜家营隧道坍方事故为例，阐述杜家营隧道活动断裂带围岩的变形破坏特征，从围岩岩性、构造应力、外界影响等方面对隧道出口坍方冒顶进行原因分析，提出加强注浆、洞外和洞内处理相结合处理措施，并对坍方处理效果进行评价。

1工点概况

杜家营隧道位于玉溪至蒙自铁路（泛亚铁路东线）一合同段内，进口里程为DK8+105，出口里程为DK10+765，隧道全长2660m，为单线电气化隧道，本次坍方的里程位于出口端DK10+709~+724段，坍方段设计为吁级围岩，开挖断面面积66m2。

1.1工程地质该隧道位于通海县境内，属低山中容蚀，剥蚀地貌。表层坡残积，黏土具弱膨胀性，下伏基岩为震旦系陡山沱组（Zbd）砂岩、白云岩夹泥页岩及砂岩板岩，澄江组（Zac）砂岩。区内构造复杂，关上活动断层、大村断层从洞身通过，关营活动断层从隧道出口附近通过，受其影响，区内岩体破碎，多为压碎岩状，断层破碎带及影响带宽度大。隧道构造裂隙水、基岩裂隙水丰富，地表断层泉出露点多，地下水丰富。出口段DK10+380~+765吁级围岩，其中DK10+580~+765（185m）处于关营断层活动断裂带，带内为断层角砾（全风化白云岩），现场承载力测试达到200KPa以上，但遇水呈流砂状，强度降低，稳定性差。

1.2坍塌状况由于围岩极破碎松散，加之开挖后地下水渗透的作用，侧壁自稳时间短，隧道施工中采用短台阶法施工，以尽量节约初期支护施作时间。[2][3]

坍塌发展过程为：13点50分DK10+722线路左侧初支开裂且发展迅速，14点后洞内技术人员及施工人员听到左侧钢架发出响声，14：30分左侧拱腰和边墙位置初支开始出现掉块现象，范围约DK10+709耀+724段；前方+717左侧D单元附近有1米范围初支砼外鼓变形加剧，现场作业人员已经无法安全架立横支撑，洞内施工停止。在切断DK10+724向掌子面方向电力线路后，16：15分DK10+709耀+724段拱部和左侧初支开始频繁掉块，初支完全破坏，后来发展到右侧拱腰也出现掉块，并急剧发展，于16：45分DK10+709耀+724段初支坍塌、隧道坍方，坍方土体坍落推移至衬砌台车位置（DK10+731），地表同时坍方冒顶。

洞内坍方范围估计为DK10+709耀+724段，长度15米，地表塌陷穴孔中心里程DK10+716，直径约8耀10m，深度右侧7米左右，左侧1耀2米。洞内坍方土体数量1000m3（松方）。坍腔壁地质情况：坍腔壁大小里程方向和线路左侧坍腔壁有原老玉通公路弃土，松散；线路左侧坍腔壁上部1-2m为老玉通公路弃土，以下为强风化白云岩，极破碎。坍方冒顶后隧道纵、横断面分别如图1、2所示。

2坍方原因分析

2.1岩性与结构分析由于本段隧道处于关营断层活动断裂带，受构造运动的影响，岩层为压碎状的断层角砾，极破碎，粒径基本在1cm以下，结构松散，相互间粘接力差，开挖后围岩自稳时间短，拱顶及坑壁易掉快坍塌。

2.2渗水的影响此段隧道埋深为13m，隧道出口标高低于农田3m左右，地下水位高，加之塌方期间降雨量较大，雨水渗入围岩中，使初期支护外围承载环岩体抗剪强度（C、椎）大大降低，摩擦阻力减小，造成围岩对初期支护的压力随之增加。

2.3构造应力作用随着隧道的开挖，围岩应力进行重分布，随着残余构造应力得以释放，围岩压力继续增大。施工中中台阶过长，初期支护没有及时成环，对初期支护的受力不利。

2.4初期支护强度及施工质量分析本段隧道按吁级围岩进行初期支护，支护类型为锚喷网混凝土+格栅钢拱架。从前期施工的情况分析，垮塌段的前方（已衬砌段）已发生过大的变形，部分格栅钢架在围岩压力条件下，已发生明显的屈服变形，起不到应有的支护加固效果，说明该段的支护结构难以满足此类围岩所要求的支护强度。另外由于地下水渗透的作用，在初期支护喷射混凝土施作过程中常有侧壁围岩掉块（泥砂），初支混凝土中夹有泥砂，初期支护喷射混凝土的强度及混凝土与格栅钢架的粘结力降低，从而进一步削弱了初期支护的整体强度。在上述因素的共同作用下，线路左侧拱腰和边墙位置初支首先出现开裂内鼓，围岩压力超出初期支护的强度，造成隧道出现坍塌冒顶。

3坍方段处理措施研究

3.1坍方处理方案由于是春夏交替季节，雨量比较充沛，且坍方大里程方向距二衬仅1m，大管棚钻设困难（无法保证钻设角度或钻设后侵限拆除范围大），经多方研究，决定采用加强注浆、洞外和洞内处理相结合的措施，坚持“预注浆、短进尺、紧支护、勤量测”的原则，[4]处理按以下步骤逐步进行：洞顶坍坑边坡及坍坑土体加固寅洞内坍体前半部份注浆加固寅处理塌方段寅加强监控量测寅二次衬砌紧跟。

3.2洞顶坍坑边坡及底部土体注浆加固

3.2.1洞顶坍坑边坡加固洞顶坍坑线路右侧清理坡面后喷锚网防护，确保玉通公路安全，具体参数如下：喷C20砼厚15cm（初喷10cm，复喷5cm）；按间距1.5m、梅花型布置施作准42钢花管（锚管按水平下倾150-300布置），管长7m，注浆压力为1.0MPa，注浆水灰比为0.8:1；挂准8钢筋网，网格间距25*25cm。

3.2.2洞顶坍坑底部土体加固坑底采用竖向注浆钢花管（准42）注浆加固，按间距1.5m梅花型布置，竖向钢花管长度控制，管底端头距离开挖轮廓线1.2m。钢花管底部2m范围钻设注浆眼，注浆浆液水灰比为1：1、0.8:1及0.6:1，先稀后浓，达到注浆压力后持续压注15分钟后结束，可结合注浆量控制。（按经验坍体孔隙率为0.45，填充率为0.4）。通过注浆固结、挤压密实形成承载拱，有效地控制拱顶下沉，减小坍方体对初期支护的压力。[5]洞顶处理完成后铺盖防水塑料布，避免雨水下渗软化围岩。具体措施布置见图3。

3.3洞内坍体前半部份注浆加固洞内坍体坡脚片石堆砌后网喷封闭注浆加固：喷C20砼厚20cm，挂准8钢筋网，网格间距25*25cm；正面注浆钢花管准42，长度4耀7m，注浆浆液水灰比为1:1。注浆加固的目的是固结坍塌体的前半部分，确保在清理时坍体的稳定，在形成台阶开挖前前方掌子面不再坍塌。具体措施布置见图4。

3.4处理坍方段洞内正面注浆加固完成后，清理坍体形成短台阶开挖。具备短台阶开挖的条件后正式开始洞内的坍方处理工作，具体支护措施为：

拱墙设准42mm超前注浆小导管，拱部环向间距0.4m，边墙环向间距0.6m，管长5m，每1.5m一循环，拱部仰角为12毅，边墙外插角12毅（为减小仰角及外插角，在设置超前小导管的工字钢钢架上钻眼，每3榀钻1榀）。于坍方段全环设I18工字钢钢架，纵向间距0.5m、喷C20砼厚度为24cm；拱墙设径向注浆锚管（准42钢花管）、每根长3m、梅花型布置、间距0.8m，目的是通过注浆来回填、固结初支背后可能的松散或空腔区；连接钢筋及网片与原设计相同（其中连接钢筋按内外双层布置）。在下台阶开挖支前，钻设准75mm引水管，对洞内坍体前方空腔的积水进行引排，有效减少开挖过程中坍方体的渗水（设置在已完成二衬端头）。坍方段采用超短台阶开挖，台阶长度3m，以便及早封闭成环，改善初期支护受力条件；由于台阶短，出碴以人工为主。坍方段开挖及超前小导管布置见图5。

3.5加大监控量测的频率监控量测主要包括隧道顶部的地面下沉、初期支护的拱顶下沉及净空收敛。对此段的监测点应适当加密，加大对监测点的量测频率，对量测数据及时进行反馈分析，对不良的分析结果采取相应的补救措施。

3.6二次衬砌紧跟该段隧道岩性的自承能力极弱，而初期支护为柔性支护，不能完全承担围岩的形变压力。要达到上述目的，二次衬砌要及时紧跟以承担部分围岩压力。

4结语

淤注浆效果：从开挖情况看，不是拱顶注浆加固还是超前预注浆加固，只出现少量的注浆固结体，而是浆液呈树支状分布，坍塌松散体没有形成完整的注浆固结体，但通过注浆，对松散体起到了较好的“挤压致密”作用，在开挖轮廓外形成了较好的壳体，确保了开挖的正常进行。于在坍塌体前半部注浆加固采用的是准42钢管，钢花管长度、间距、角度等布置灵活，对坍方体的加固取得了较好的效果，为形成短台阶开挖创造了条件。盂通过准确的钻设超前排水管，提前排空坍塌体前方的积水，有效地减少了掌子面的渗水，提高了掌子面的稳定性。榆监控量测结果显示，不论是变形速率还是累计变形量，拱顶下沉及周边收敛均在允许范围内，说明初期支护稳定安全。虞此坍方冒顶经两个月的施工处理完毕，整个处理过程再无发生坍塌现象，无任何安全事故发生。

参考文献：

[1]陈豪雄，殷杰.隧道工程[M].北京：中国铁道出版社，2003.

[2]中铁隧道集团二处.隧道防坍措施.2009（5）.

[3]关宝树.隧道工程施工要点集[M].北京：人民交通出版社，2003.

[4]吴焕通，崔永军.隧道施工及组织管理指南[M].北京：人民交通出版社，2005.

[5]朱汉华，尚岳全，符文熹，等.公路隧道设计与施工新法[M].北京：人民交通出版社，2002.