某隧道塌方原因分析及处理方案

某隧道塌方原因分析及处理方案陈仁东吴金刚(北京市市政工程设计研究总院，北京 100082)摘要通过对塌方发生时各工作面状态及前期施工过程的追溯，指出应急抢险措施不当是导致塌方的直接原因，而一段时间以来各作业面纵向距离过长与质量缺陷是导致坍塌的根本原因，提出了以加强衬砌、周边围岩注浆、扩大拱脚及组合工法为技术要点的综合处理方案，并建议采用组合型钢形成多点斜撑的临时支撑布设方式。

关键词塌方原因处理临时支撑1概况某隧道为双向四车道+连续停车带的分离式公路一级隧道，其中A线全长1,348m、B线全长1,395m。

隧道内轮廓采用三心圆拱顶曲墙断面，复合式衬砌结构，单孔结构内净宽12.273m，结构内净高8.85m，内轮廓面积87.6m2，毛洞最大开挖跨径14.2m。

该隧道为以钻爆法开挖为主的越岭岩质隧道，场地地形起伏较大，整体为构造低山剥蚀地貌。

隧道场地附近无河流，地下水主要为基岩裂隙水，底板高程以上未见地下水。

区域内地层较复杂，其主要组成为变质长石石英砂岩、硬绿泥石石英千枚岩、变质泥岩，局部地段可见煤线出露。

场地基岩裂隙较发育～发育，围岩完整性较差、自稳能力较低，综合判定围岩级别为Ⅳ～Ⅴ级。

该隧道施工中多次发生塌方、初支喷射混凝土开裂与崩落、初支整体沉降或较大变形后侵入二衬施做空间等异常情况，其中以发生在2009年10月26日的塌方事故破坏最为严重、影响范围最大。

2塌方情况与应急处置塌方首先发生在B线隧道，该段处于Ⅴ级围岩深埋段，采用三台阶法开挖。

当日15时，B线隧道内初支两侧边墙及拱顶多处出现掉块现象；至16时，BK13+050～+118段约68m范围发生坍塌。

随后，A线隧道与之相邻一侧的边墙、拱顶出现贯通裂缝，继而出现掉块现象；当晚21时50分，A线隧道AK13+059～+089段30m范围发生坍塌。

坍塌段B线隧道埋深40～51m、A线隧道埋深31～40m，两隧道毛洞间净距约35m，B线隧道掌子面距进洞口373m，A线隧道掌子面距进洞口330m，B线超前A线25m。

本次塌方形成地表约6,804m2的沉陷区，并分别在B线、A线隧道塌方段洞顶地表分别形成约589m2与60m2的陷坑。

沉陷区内共测得宽度3～17cm的裂缝25条，总长389.7m。

图1-塌方段平面示意图Fig.1 sketch map of the collapsed tunnel出现征兆及塌方后，立即启动了应急抢险预案。

在地表沉陷区周边设置警戒线，派专人职守；由于坍塌体影响范围内埋有国防通讯光缆及高压线杆，当即与军方及主管部门取得联系，布置了观测点；对地表裂缝采用水泥浆封填；紧急浇筑了临近塌方体的BK13+040～+050段的二衬拱墙结构；对临近塌方体的二衬段采用临时竖撑、斜撑加固；在坍塌影响范围内洞内及地表增设监测点，加密监测频率，并随后对坍塌段地下空洞与基岩破碎情况和相关地质构造特征进行了物探。

因征地问题与村民阻挠，对地表陷坑采用混凝土回填的工作未得以及时进行。

图2- 地表塌坑状态Fig.2 Photo of collapse on the earth's surface3塌方原因分析通过对施工中几次出现的塌方及之前较大程度与范围出现的初支变形、喷射混凝土开裂与崩落等异常状况的综合分析，除地质条件的客观因素外，人为因素更是导致事故与质量缺陷的直接原因。

1)抢救性措施不当是诱发塌方的直接原因。

B线隧道塌方发生当日各工作面位置为：掌子面上台阶开挖至BK13+118、中台阶至BK13+114、下台阶至BK13+106，二衬仰拱及回填施做至BK13+080(10月21日完成BK096～+114跳段浇筑)，二衬拱墙衬砌施做至BK13+040(10月25日完成BK13+040～+050段二衬拱墙钢筋、模板台车就位)。

塌方发生前的10月25日，BK13+071、+086、+104连续三个断面的监测数据反映拱顶沉降及拱腰收敛均呈增大的变化趋势，其中BK13+086断面沉降速率达-17.3mm/d、水平收敛达-10.03mm/d。

第三方监测单位对BK13+071～+114段发出第11号预警。

10月26日上午项目部对BK13+104～+118段紧急架设临时竖撑、斜撑；并加紧对BK13+080～+096段二衬仰拱及填充的施工，计划完成后再在该段架设临时支撑，拟为跳段施工BK13+070～+080段二衬拱墙衬砌创造条件。

15时塌方发生前，已完成BK13+080～+087段二衬仰拱钢筋绑扎。

事后证明，对BK13+080～+096段的贸然清底是极其错误的(该段初支封闭成环后，采用弃渣回填以便于通行)，初始的开裂及喷射混凝土崩落即在该段出现，该段塌方征兆的显现为人员撤出赢得了时间，否则后果不堪设想。

图3-塌方发生时(10月26日)B线隧道作业面状态Fig.3 Construction state of the B line tunnel when collapse occurs on October 26th2)一段时间以来台阶过长、二衬与掌子面距离过大是导致坍塌扩大的管理原因。

自塌方发生向前追溯约两个月左右时间的施工记录显示，对各工作面的纵向距离管理不当，超出设计文件与相关规程要求的台阶过长、二衬与掌子面距离过大早早地埋下了事故的隐患。

这一赶工冒进的状态至10月16日达到顶峰，二衬拱墙跟进位置距上台阶掌子面距离达到121m。

图4-塌方发生前(10月16日)B线隧道作业面状态Fig.4 Construction state of the B line tunnel before the collapsing on October 16th10月16日第三方监测对BK13+086～+114段的异常状态发出第10号预警。

项目部随即采取了“停止上台阶开挖作业、抓紧下台阶封闭成环及二衬浇筑、将初支开裂部位的喷射混凝土凿除，补喷后观察裂缝发展情况”的补救措施。

在采取以上措施后，监测数据显示支护结构一度趋于稳定，但此时已积重难返。

对BK13+080～+096段的错误清底卸荷、企图以二衬仰拱及填充的压重与横撑作用稳定初支的做法，彻底打破了处于临界的平衡状态，成为压垮骆驼的最后一根稻草，最终形成了大段垮塌。

塌方的征兆出现说明洞室已处于临界状态，若果断采取推土回填的方式或许是避免事故的可行方案之一，架设临时支撑的方式亦可，但填土更加简便易行、更快速有效。

填土的目的是为了稳定洞室、遏制变形发展，也是为了下一步对周边围岩进行注浆加固创建施工平台，同时回填亦可压缩塌方发生的冲击空间。

若回填能够取得预计效果，应立即将拱墙二衬向前推进。

台阶过长、二衬与掌子面距离过大的现象在A线隧道施工中同样存在，且并行的两线隧道掌子面纵向距离也过近，故此形成由B线隧道塌方引发、殃及A线隧道的损失扩大。

3)初支背后空洞、格栅拱架节点连接薄弱、分部台阶基础不稳固等质量问题是导致塌方后果严重的内在原因。

4)对隧道地质条件的复杂性、变化及变形特点认识不足，工程措施不到位或针对性不强；对监控量测工作的重要性及其对施工指导的关键性重视不够；片面强调初期支护的抵抗作用，而对忽视对围岩的保护等观念与管理问题是屡次发生塌方及危险状态的根本原因。

对塌方段支护与衬砌状态的掌握及对造成塌方原因的判析，是确立正确处治原则、制定有针对性的处理方案的前提。

4塌方处理原则塌方段处理遵循“稳固塌体、填充空洞、注浆加固、谨慎通过”的总体处理步骤及以下处理原则：1)安全实施原则。

坚决保障施工期间人员安全，避免二次事故的发生，遵循“确保安全、宁强勿弱”的安全原则制定详细的、可靠可行的施工组织方案。

2)质量保证原则。

既要保障近期施工安全通过，同时也要保证交付运营后衬砌结构长期使用的可靠性，按照“一次实施、不留后患”的质量原则确定衬砌参数。

3)内外协同原则。

洞内、洞外处理措施应在总体协调的原则指导下，通过现场条件、难易程度、效果、代价及设备等综合比较，采取“洞外防(排)水、防护、探查为辅助，洞内周边注浆加固为主”的处理方式。

4)相邻影响规避原则。

B线、A线隧道施工影响范围相叠加、塌体区域相贯通，应整体考虑两线塌方处理方案，但两线隧道的开挖应分步实施。

5)可靠保障原则。

细化与落实包括人员、机具、设备、质量、管理在内的各项实施方案，尤应提高注浆技术水平及加强注浆效果检验，以确保处理方案的可操作性及实施效果。

6)专项保护与应急措施的完善原则。

塌方影响范围内的国防通讯光缆及高压线杆制定专项保护措施，并积极与相关单位协调，避免影响的进一步扩大，并对防水铺挂台架与开挖台架的撤出、钢筋切割及可能出现的孤石等情况制定详细的组织方案与应急预案。

塌方段距离长、影响范围大，且围岩经塌方扰动、塌体呈松散堆积状态，前方围岩稳定状况与空洞大小、分布尚难以探明，均使得塌方处理具有较高的风险。

5塌方处理方案5.1塌方处理范围塌方处理范围总体上可分为三段：①塌方发生段，即可见塌体位置至塌方发生前掌子面位置；②塌方影响段，根据塌方后地表测图确定；③安全距离，即延伸加强段，范围为1.5×B（B=毛洞开挖跨径），约22m。

•塌方处理范围双线隧道总计约194m。

5.2总体方案与思路1)加强注浆，稳定围岩，形成保护圈。

由双排超前小导管与中空注浆系统锚杆联合组成周边围岩注浆加固与支护体系，形成厚度不小于4m的围岩加固圈。

超前小导管注浆采用φ42壁厚3.5mm钢管，奇数排L=3m，外插角10～15°，偶数排L=5m，外插角30～40°，环向间距均为40cm，布设于拱顶范围120°内(覆盖①、③部拱顶)。

系统锚杆采用φ25中空注浆锚杆，L=4m，纵向间距0.5m，环向间距拱顶90°范围内1.2m、侧墙范围0.8m。

2)加强支护与衬砌结构。

初支喷混厚度增至32cm，改用Ⅰ25b型钢拱架，纵向间距缩小至50cm。

二衬厚度增至60cm，环向主筋φ25，间距加密至10cm。

由于支护与衬砌结构加强，需对已施做支护结构破除后扩挖。

3)采用单侧壁与台阶相结合的开挖方法。

图5-塌方段支护形式与开挖方案断面图Fig.5 Excavating and supporting program adoptedin the collapsed tunnel与更为稳妥的双侧壁导坑法相比，所采用的小导洞先行的单侧壁支撑与三台阶法相结合的方法具有工序简单、便于操作、废弃工程量少、与坍塌段二衬仰拱及回填已施做的条件适应性较好、便于前后工序转换的现场适应性及可操作性。

①、②部导坑的开挖主要任务在于探明塌落体稳定状态、背后空洞情况及开辟周边围岩注浆工作平台与施工通道。

该工法的关键工序在于①、②部导坑的开挖，其成败要点在于周边注浆效果及分部开挖的落底基础稳固。