浅埋大断面隧道塌方机理分析与处治建议

地貌、地质构造、地层岩性、水文地质是隧道塌方的影响因素，并从力学角度阐述了塌方 的机理，开展了塌方段围岩稳定性评价，提出了相应的处治建议,可为今后类似工程提 供参考。关键词：大断面隧道;塌方;机理分析;处治中图分类号：U 文献标识码：A DOI： 10. 13282/j. cnki. wccst. 2019. 05. 035文章编号：1673-4874(2019)05 -0121 -04Mechanism Analysis and Treatment Suggestion for Landslide of Shallow-

buried Large-section Tunnel\"0 YuamLIU Yu-mei(Guangxi Communications Design Group Co., Ltd., Nanni ng, Guangxi, 530029)Abstract：This artide analyzes the morphological characteristics of landslides in combination with the roof collapse of a shallow-buried large-section tunnel, points out that topography,geological structure,

stratum lithology and hydrogeology are the influencing factors of tunnel collapse, describes the

mechanism of landslide from the mechanical point of view, conducts the stability evaluation of the

surrounding rock at landslide section, and proposes the corresponding treatment suggestions, thus providing the reference for similar projects in the future.Keywords：Large section tunnel；Landslide；Mechanism analysis；Treatment0引言塌方是隧道浅埋地段施工中常见的地质灾害，通常会造成工期延误,人身财

产安全损失等,是隧道后期运营常见的安全隐患。因此，开展隧道塌方机理分析， 为隧道塌方的处治提供理论依据，具有重要意义。本文依托某浅埋大断面隧道冒

顶塌方的工程实际,深入分析冒顶塌方的影响因素及其力学机理，提出了针对性的

处治建议，以期为今后类似工程提供借鉴和参考。作者简介姚 远(1981—),工程 师，主要从事桥隧勘察

1工程概况某浅埋大断面隧道位于某盆地边缘的丘陵地貌区域，周围有较大地形起伏。

设计工作；刘玉梅(1978—),高级

隧道设计为分离式+小净距的形式，分为机动车隧道和非机动车隧道。右线机动 车隧道起止桩号为YK2 + 340-YK2 + 820,长度为480 m,设计单向四车道,最大开

工程师，主要从事公路 造价咨询工作。挖跨度达21. 5 m,最大开挖高度为15. 05 m,最大拱顶埋深约75 m。上覆地层为

第四系坡积相及坡残积成因的黏性土、碎石土，下伏古近系泥岩、粉砂岩及泥盆系2019年第5期总第142期121桥隧工程 BRIDGE AND TUNNEL ENGINEERING硅质砂岩等。机动车隧道内轮廓详见图1。曾多处发生中小型塌方,施工方曾对塌方产生的空洞 进行了注浆处理，但不彻底。最近一次塌方发生过程

为:首先拱顶监测点开始监测出较大幅度的变形，初 期支护开裂、错位，拱顶开始掉渣;几分钟过后，隧道

掌子面发生塌方,牵引着隧道小桩号范围发生坍塌， 造成地表塌陷，塌方现场无人员伤亡。塌方导致了地

表出现许多拉裂缝(裂缝宽20〜60 cm,可见深度达 40〜80 cm)与两个塌陷坑，地表塌方面积约为

1 500 rtf.此次塌方事故造成了极大的经济损失，延

误了施工进度，对隧道施工产生了很大的影响。塌方时机动车隧道右线里程YK2 + 413-YK2 +

504.5共91.5 m左右导洞已贯通，进口端二次衬砌已

图1机动车隧道内轮廓图(on)施工至YK2 + 413,出口端施工至YK2 + 504.5。 YK2 + 413-YK2 + 487段围岩级别为V级，设计为浅

2隧道塌方情况及塌方体形态特征2.1隧道塌方情况在隧道开挖过程中，YK2 + 413〜YK2 + 504.5段

埋隧道，衬砌类型为V级C型；YK2 + 487〜YK2 + 504.5段围岩级别为V级，设计为深埋隧道，衬砌类型

为V级D型。两段均采用双侧壁导坑法施工,其隧道

支护参数见表1。表1衬砌结构支护设计参数表支护类型初期支护二次衬砌S

湿喷混凝土锚杆042 mm钢花管锚杆L二钢架间距双层H16*24.5格栅辅助措施050 mm小导管，L =5 m, @ 2. 5 m,外插

C25钢纤维早强混凝土50 cm厚，双层08 mm钢 5 m,@80x 100 cm

拱墙、仰拱为120 cm厚的C40防水钢筋混凝土筋网@20x20 cmV级梅花型布置,外插角45°02 mm钢花管锚杆L二钢架，间距0. 5 m角10°050 mm小导管，L =5 m,外插角10°C25钢纤维早强混凝土D型40 cm厚;双层08 mm钢 5 m,@80x 100 cm

H32 * 30格栅钢架，

筋网@20 x 20 cm梅花型布置,外插角45°间距0. 5 m拱墙、仰拱为90 cm厚的C40 防水钢筋混凝土2.2塌方体形态特征该隧道YK2 + 413-YK2 + 435段塌方冒顶后，地 表形成面积约1 000 rtf的椭圆形塌陷坑，四周多为陡

积体呈灰色、灰黑色，以块石、碎石为主，母岩主要为

硅化粉砂质泥岩。发生坍塌时,该处施工台车被挤压 变形。坎，最深塌陷深度约为7.1 m,地表塌陷里程范围为

YK2 + 425. 6-YK2 + 465. 8,隧道塌方体堆积里程为 YK2 + 400-YK2 + 435,空间上呈斜圆柱状，塌陷后的

3隧道塌方的影响因素及力学机理研究3. 1隧道塌方的影响因素(D地形地貌地表自然坡角约22。。从岩性看，地表塌陷坑内的岩

土体以角砾及角砾状黏性土为主,土体松散;而洞内

塌方堆积体呈黄色、灰黄色，主要以角砾、碎石和黏性 隧道右洞进口端处位于山脊向山谷的过渡段，东

高西低，这使得进口端两侧的岩土层厚度不同，导致

土为主，母岩成分主要为硅质砂岩。该隧道YK2 + 470〜YK2 + 504. 5段塌方冒顶后,

隧道衬砌所承受的压力不同，洞口受偏压影响较大。

地表形成面积约500 rrf的椭圆形塌陷坑，塌陷坑周围 多为陡坎，塌陷深度最大约为6. 8 m,地表塌陷里程范

围为YK2 + 476-YK2 + 502,隧道塌方体堆积里程为 YK2 + 470-YK2 + 516,空间上近似呈圆柱状，地表自

此外,隧道塌陷区埋深较浅，洞室围岩的松弛变形会

影响至地表,这也是隧道出现塌方冒顶的不利因素。(2)地质构造塌方段位于向斜盆地南翼,受地层构造的影响, 岩体节理裂隙发育，主要发育着产状为10/SWZ75

然坡角约为30。。从岩性看，塌陷坑内的岩土体以角

砾及角砾状黏性土为主,土体较松散;而洞内塌方堆 和100/NEZ72的这两组节理，节理密度分别为5-

西部交通科技器霊盘l^isScfence&Technology12条/m和4〜10条/m。节理裂隙的存在使得围岩

完整性和稳定性变差，这是隧道拱顶塌方出现的重要

原因。(3) 地层岩性隧道穿越的地层岩性主要为全〜强风化的硅质 砂岩、夹硅化粉砂质泥岩，多呈薄层〜中厚层状构造,

力学强度低。掌子面及塌方体均见厚度不等的炭质泥 岩或泥质夹层，为塌方、冒顶的产生提供了物质条件。(4) 水文地质条件隧址区场地第四系覆盖层厚度较小，结构松散,

地表水及降雨可沿孔隙下渗，补给基岩裂隙水。隧道 塌方发生前数天内，隧址区有降雨，雨水在下渗过程

中，使泥化夹层、岩体结构面发生了软化，大幅度降低

了岩体结构面的抗剪强度,使得隧道围岩的强度

降低。⑸施工控制因素该隧道经过塌方段时，未采用双侧壁导坑的开挖

方式,衬砌支护参数不足，未重视隧道支护整体性能,

爆破控制较差，对围岩扰动较大，使围岩的稳定性受

到较大影响。由此可见，该隧道塌方地质灾害主要是由内在因

素与外在因素(施工因素)的共同影响下出现的。隧

道塌方段围岩本身强度低，降雨与施工扰动使得岩体 强度降低，从而引发隧道塌方灾害。3.2隧道塌方的力学机理研究根据隧道塌方现象,下文从微观角度分析隧道塌 方的力学机理。隧道未开挖时，隧道围岩应力处于相

对平衡的状态，承载力较高。当隧道开挖后，围岩的

初始应力状态开始变化,其相对应力平衡状态受到破

坏,此时围岩处于二维应力状态条件下，承载力有显 著的降低。隧道塌方段围岩节理裂隙极发育，部隙夹 泥，岩体结合力差;加上隧址区降雨的渗入，使得围岩 岩体强度降低，土体流动造成极大荷载，使作用在支

护与衬砌上的外部压力增大。当衬砌强度不足以维 持隧道稳定时，隧道围岩的变形会逐渐增大,从而引

发洞内塌方事故。隧道洞内发生塌方后，上部岩体失去约束和支 撑，在重力的作用下不断向下塌落，形成了近似的土

体塌落拱。随着时间的推移，隧道上方的地层压力会

逐渐传递给土拱两侧的土体，使其能保持短暂的稳定

状态;但由于如雨水下渗、地表被增加荷载等外部因 素的影响，破坏了隧道上方土体部分的土拱效应，松

动区域会逐渐扩展至地表,造成地表塌陷。浅埋大断面隧道塌方机理分析与处治建议/姚远,刘玉梅4隧道塌方的预防与处治建议本文结合前文分析的某浅埋大断面隧道塌方情

况、影响因素与力学机理,并参考相关项目施工经验,

对浅埋大断面隧道塌方预防与处治提出以下几点建

议，相关经验可供相似工程参考与借鉴。4.1隧道塌方预防建议(Q加强隧道超前地质预报，可先用物探的方式 查探前方富水破碎带的大致位置及富水情况,然后再

采用钻探方式准确验明,并针对地下水采取相应的控

制措施。(2) 浅埋大断面隧道在围岩扰动后,稳定性变差,

施工时建议采用对隧道围岩扰动较小的开挖方法，尽

量采用机械或者人工开挖。(3) 隧道施工时应加强监控量测，及时根据监控

量测结果相应调整衬砌与支护参数，在钢架内外缘交

错布置钢架联系钢筋,可设置纵向支撑的联接槽钢，

钢拱架宜加强锁脚设计,有效提高支护的整体性能; 隧道径向采用小导管替代原系统锚杆,并采用梅花型

的布置形式。(4) 水平岩层段开挖施工容易出现塌顶的现象，

在设计中应适当增加初期支护强度，并考虑在无拱架 段落设置防崩落支架,应针对水平岩层制定专业的爆

破方案。4.2隧道塌方处治建议若隧道出现塌方现象，应首先做好地表水的防排

措施，避免雨水沿塌方堆积体下渗引起二次灾害;然 后封闭隧道开挖面,采取地表注浆和洞内注浆预加固

的方式,封堵地表裂隙，提高围岩整体强度;最后整平

地表，进行绿化。具体应从以下几个方面进行处理：(D地表防排水处置应顺应地形,在裂缝外围设置地表截水沟，将地 表水截排至隧道外。采用灌浆封堵地表裂缝,修整地

形以便平顺排水，然后回填黏性土隔水层，接着回填

种植土，最后种树恢复绿化。(2)地表注浆及超前注浆地表注浆可有效填补地表裂缝，将松散土体粘结

成强度较大的整体。地表注浆前应在隧道内利用砂 袋进行反压,封闭开挖面；同时先在加固区域周边注

入双液浆，双液浆凝结时间短，可有效防止后注入浆

液向隧道内或周边扩散。注浆顺序为由外到内，使浆

液与岩土体有效凝结成整体。开挖前应对掌子面塌

方岩土体进行注浆加固,注浆顺序为由外到内，水泥

2019年第5期总第142期123桥隧工程 BRIDGE AND TUNNEL ENGINEERING浆与岩土体胶结成整体后才能进行开挖。(3) 施工开挖方法(2) 隧址区地下水是引发隧道塌方现象的主要因

素，应加强隧道超前地质预报，探明地下水情况,并做 好防排水措施。(3) 隧道宜采用少扰动的施工工法，同时应加强

隧道塌方发生后,虽然通过地表注浆及超前注浆

等手段将松散岩体固结，但围岩稳定性依然较差，应

采取少扰动的开挖方法,如单侧壁导坑法或双侧壁导

初期支护和二次衬砌。经过十个月有条不紊的施工，该隧道塌方处治施 工完成并顺利贯通，期间未再出现过大变形或塌方的

坑法等，尽量采用机械或人工开挖。(4) 施工工序首先对地表裂缝进行处理,然后进行地表注浆,

迹象。合理的措施能实现快速高效、安全可靠的隧道 塌方处治施工，保证运营期间的安全有效，并为今后

类似工程的处理提供参考。®待到注浆固结形成强度后进行洞内塌方处治。洞内 塌方体施工开挖宜采用单侧掘进，配合少扰动的开挖

方法，初期支护紧跟,及时封闭成环，必要时增设临时

横、竖支撑，稳步向前，二次衬砌紧跟。参考文献［门吴新锋.隧道冒顶原因分析与塌方处理［J］.华东公路, 2014(4):32-34.［2］ 关宝树.隧道工程施工要点集［M］.北京:人民交通出版

5结语本文以某浅埋大断面隧道冒顶塌方现象为研究 背景，深入分析了隧道塌方的影响因素与力学机理,

社,2011.［3］ 于书翰，杜谟远隧道施工［M］.北京：人民交通出版

并结合相关项目工程实践，提出了相应的隧道塌方预 防与处治建议。本文主要研究结论如下：(1)隧道拱顶发生塌方后,上部岩体失去约束，在

社,1999.［4］ 洪开荣.山区高速公路隧道施工关键技术［M］.北京:人民 交通出版社,2011.［5］ 关宝树，赵勇.软弱围岩隧道施工技术［M］.北京:人民

重力的作用下不断向下塌落，形成近似土体塌落拱。 随着上方土体颗粒的松动塌落,松动区域会逐渐扩展 至地表，造成地表土体的塌陷。交通出版社,20\".收稿日期= 2019-03-06(上接第71页)拉张破坏体积约33 rtf,拉张破坏体积区域降低了 96%。塑性破坏区从路堤中上部和路堤中心地面处

由图12可知,路堤经过钢花管竖直注浆加固后,

剪切破坏体积约1.3X102 m°,剪切破坏体积区域降

转移至路堤中上部，且破坏区域呈现出明显减小的态

低了 98%；拉张破坏体积约33 m°,拉张破坏体积区

势,路堤以剪切破坏为主，整体的塑性变形量都在降

域降低了 96%。塑性破坏区从路堤中上部和路堤中 心地面处转移至路堤中上部，且破坏区域呈现出明显

减小的态势,路堤以勇切破坏为主，整体的塑性变形

低。®参考文献［门杨海风.钢花管注浆处理公路项目通道地基不均匀沉降

［J］.交通世界,2018(Z1)：144-145,151.［2］ 赵国庆.钢花管注浆法在石太线路堤沉降病害处治中的

量都在降低。由此表明,钢花管竖直注浆加固后路堤 土层的物理力学性质显著提高，塑性变形量降低，刚 度增大。6结语(。未经过钢花管竖直注浆加固时，边坡下部和

应用分析［D］.西安:西安科技大学,2015.［3］ 冯熊凯.G323国道某边坡注浆钢花管加固效果评价［D］.

路肩区域处是路堤水平位移发生变形的主要位置；在 采用钢花管竖直注浆加固后,边坡发生水平位移的区

域向下转移，位移量明显降低。(2)经过钢花管竖直注浆加固后路堤中心底面处

成都:西南交通大学,2014.［4］ 吴裕铭.钢花管注浆技术在加固既有铁路软土路堤中的 应用［J］.路堤工程,2012(1):130-134.［5］ 成尚锋，张海燕.钢花管注浆技术在填方路堤病害处治中

的应用［J］.中外公路,2007(4) : 36 -39.［6］ 蔡业青，刘朝权，舒翔.钢花管注浆加固山区高填土路 堤、台背工艺探讨［J］冲外公路,2006(3) ： 48-51.最大主应力降低了 50%,约1.5X105 pa。剪切破坏 体积约1.3X102 m3，剪切破坏体积区域降低了 98% ；

收稿日期：2019-03-08西部交通科技器霊盘l^isScfence&Technology