软岩隧道塌方事故致灾因素耦合分析

软岩隧道塌方事故致灾因素耦合分析

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摘要：修建软岩隧道环节，由于隧道周边条件复杂，还可能受到岩体力学因素方面的影响，塌方事故时有发生，不但会对隧道结构造成严重破坏，而且还会照成工期延误，经济损失较为严重，对于现场人员生命安全也可造成危险。因此，下文根据工程实例，对于软岩隧道出现塌方事故因素全面分析，提出解决措施。

关键词：软岩隧道；塌方事故；致灾因素；分析

引言：软岩隧道施工建设，出现塌方问题主要和地下水、地质条件以及施工因素有关，为了保证软岩隧道的顺利建设，需要根据工程实况，了解隧道变形规律，探究致灾因素存在的耦合因素，采取措施优化调整，找出隧道质量问题的主要原因，才能制定解决措施，顺利完成隧道建设。

一、软岩隧道塌方事故原因

（一）地质方面

由于隧道施工较为特殊，属于地下作业，因此对于地质条件有较高要求。地质因素是隧道顺利施工的重要影响因素之一，可产生如下影响：第一、隧道掘进施工环节，若遇突变地质，像围岩等级突然变化，那么就容易出现塌方问题；第二、隧道的洞身如果相对较浅，可能受到偏压因素影响，进而出现塌方问题；第三、如果隧道地质存在褶皱带，或者断裂和堆积等情况，也容易塌方；第四，在隧道开挖阶段，遇到特殊岩石，或者遇到溶沟、暗河这类不良地质，也会影响隧道安全^[1]。

（二）设计方面

在隧道正式施工以前，需要通过勘察地质，展开施工设计，如果勘察工作不完善，那么就难以掌握地区条件和类型，对于勘察结果进行利用，使得施工方案制定存在不合理的问题，不适应地形结构，特别是支护结构设计不合理，不能保证隧道稳定性，塌方问题发生概率较高。

（三）施工方面

软岩隧道施工阶段，施工技术运用也是塌方问题重要影响因素。如果施工区域存在特殊地质，那么需要相关人员提前制定支护方案，若支护操作不合理，那么塌方问题就容易发生。即使是处于同种地质条件之下，在隧道施工方面也可能利用不同方法，常见的有全断面施工、下台阶施工等，因此施工方法若选择也是塌方问题重要因素。前期支护应该保证稳定进行，当结构不稳、混凝土厚度不合理时，就不能对围岩结构提供支撑。二次支护的及时性也十分重要，只有支护技术运用合理，才可保证隧道安全。除此之外，隧道施工还可能使用炸药，药量的控制对于隧道稳定性有直接影响，药量过大必然会导致隧道内部结构受到破坏，出现塌方问题。

二、工程实例

梅家沟隧道地处绵阳市平武县白马乡祥述家寨东侧，全长2.38km，隧道右线围岩长2340m，等级Ⅴ级；左线围岩长2425m，等级Ⅴ级。围岩包括为强、中风化岩、炭质岩、裂隙发育，被泥质充填，软岩岩体破碎，遇水易软化，地下水是基岩裂隙水，受到冲沟影响，呈滴状，局部断层和破碎带可能存在涌突水。隧道穿越山体，海拔高程2330～2554m，高差约240m，可见起伏大。隧道进口处于火溪河的左岸，坡体有厚度20～25m的碎石土，坡度30～35°。洞身存在2条冲沟，水流量不大。工程区有大规模断裂、褶皱，隧址在白马弧形构造带的北西向，受南侧文县弧形构造之影响，构造向南突出。

三、软岩隧道塌方事故致灾因素耦合分析及控制措施

（一）变形情况

在梅家沟隧道的出口左线上下连接位置出现严重变形，大量初支结构入侵到二衬钢筋当中，且左线的上下连接位置剪切结构失效。初支结构出现环向开裂，拱顶也出现局部塌陷问题，出口右线的初支结构也出现开裂和剥落问题。

（二）耦合分析

对于初支破坏问题原因进行分析，主要有如下几点：第一、炭质岩层间的结合度较差，遇水变为泥状，掌子面开挖之后，围岩、空气相互结合，被氧化以后变为松散状态。第二、岩层和隧道中轴线平行，处于山体压力、重力等作用之下，可能出现竖向位移，约束力较弱的方向会鼓出，边墙鼓入，拱顶也发生少量变形。第三、爆破以后，围岩受到的应力会重新分布，导致洞体受到破坏。第四、变形收敛出现滞后，施工过程上部开挖，变形过大导致下方施工闭合工序存在变形问题。

（三）问题分析

由于掌子面的围岩结构和设计存在不同，岩层薄且软，岩层和隧道中轴线相互平行，呈现出碎裂状态，内部存在发育的裂隙，有泥质填充，隧道开挖以后可能形成临空面，导致掌子面坍塌，围岩失稳。经专家评估，千枚岩隧道软岩的变形问题过大，因此施工期间，应该遵循动态化设计、施工及管理的理念，将支护参数加以优化，注重施工过程的变形监控，保证隧道结构安全与人员安全。根据二衬开裂问题，可以尝试解决这一情况，对围岩采取加固和保护等措施，不断提高其承载能力，利用长锚杆、后注浆多种工艺，建立变形控制体系，防止围岩的塑性区不断发展。

在梅家口隧道的出口右线，可以设计为大变形的衬砌结构，因为出口段左线的加宽段存在初支病害，需要换拱，并将加宽段的二衬施工滞后情况考虑其中，确保加宽段不受侵限，提高加宽段稳定性。隧道出口断面衬砌结构剖面图如图1所示：

图1 Z5aI衬砌断面图

对于隧道出口端的洞口展开收敛试验，可以看出，当锁脚锚杆的数量、长度增加以后，洞口的收敛值不断减小，选择五处试验点，试验点累积收敛最高值33.8cm，平均收敛值24.6cm，和设计要求不符，所以需要重新优化初期支护结构的参数^[2]。

（四）优化调整

若利用“长锁脚锚杆”，在原有设计之上选择注浆小导管，型号Φ42×4mm作为锁脚锚杆，将其长度增加至6m，数量变为12根，对于5处断面支护参数、收敛值进行分析，结果如表1所示：

表 1 试验断面参数和收敛值

还可使用Da型衬砌断面，剖面图如图2所示：

图2 Da型衬砌断面图

根据上述试验，优化初期支护结构，采用“长锁脚锚杆+长短锚杆”的方式对围岩进行加固，选择四处断面，引用Da型支护结构，选择的锁脚锚杆的型号为Φ42×4mm注浆小导管，长度均为6m，数量12根/环。系统锚杆型号为Φ32自进式锚杆和Φ42注浆小导管，长度分别为8m和4m，根数21.5根，第一处的收敛值为14.7cm，第二处的收敛值为20.5cm，第三处的收敛值为13.1cm，第四处的收敛值为10.2cm。

通过上述数据，可知采用“长锁脚锚杆+长短锚杆”加固围岩，洞周收敛累计值会有所降低；选取的四处试验断面，收敛累计最高值为20.5cm，收敛累计均值14.6cm，可达到设计要求。此外，需要注意采用Da这种支护结构需要消耗成本高，施工过程产生的干扰也相对较大。

（五）总结分析

结合上述现场试验，能够总结出，若只将锁脚锚杆长度、数量增加，那么洞周收敛累计值会不断减小，但是还是超过了设计的限值；而采取“长锁脚锚杆+长短锚杆”对围岩加固，可将此值有效降低。故此，可以在隧道施工期间，相关人员需注意对围岩结构的变形监测，如果变形量较大，那么应该提前将变形量预留出来，调整原有设计值，从10~12cm变为30~50cm，之后使用“长锁脚锚杆+长短锚杆”的加固措施，既能有效控制隧道洞口的围岩变形问题，还能保证施工成本，提高施工安全性，防止出现塌方问题^[3]。

结束语：总之，软岩隧道施工期间，保证围岩稳定性十分重要。所以，在施工之前，需要先根据地质信息，判断围岩稳定性情况。同时，还应根据现场测试，判断支护结构的稳定性，保证结构设置合理，防止围岩出现失稳问题，威胁人员安全。相关人员应该根据塌方产生的主要原因，采取差异化处理措施，科学防治才能高质量完成软岩隧道的建设工作。

参考文献：

[1]黄志文.软岩隧道塌方原因及处理措施分析[J].黑龙江交通科技，2019,042(006):156-158.

[2]罗茹月.浅埋软岩隧道地震响应特性及垮塌分析[D].四川农业大学，2020.

[3]刘桂权，彭福淋.基于DEMATEL-ISM的隧道施工塌方事故影响因素分析[J].现代商贸工业，2020,(30):158-159.