南昆铁路隧道修建中坍塌变形

1、南昆铁路隧道修建中坍塌变形 与山体病害的关系及主要对策 张永强 （中国铁路工程总公司施工部北京 100844）提 要 本文分析了南昆线隧道修建中的坍塌变形与山体病害互相 作用的关系 ,以及产生坍塌变形的主要原因。本文介绍了隧道施工的 三个实例 ,并提出隧道防止坍塌和变形的措施 ,一方面 ,要从设计上增 加防止山体滑动的工程措施 ,比如 :抗滑桩、锚索桩等。另一方面 ,施工 过程中要减小开挖断面 ,缩短不稳定围岩的暴露时间 ,并及时加强支护 而且支护要及时闭合成环。主题词 隧道修建 坍塌变形 山体病害 对策南昆铁路位于我国西南地区，全长898km,是我国90年代修建的 一条山区铁路干线。全线共有

2、隧道250座,总延长189.6km,占线路总长的 21%,因有些地段受选线的限制或勘测中未认识到线路会通过古 老的山体病害 ,而造成有些隧道设置于病害体或其可能发展的范围之 内,再加之施工操作不当 ,很容易产生隧道在修建中的坍塌变形以及山 体病害的发展。它对隧道建设影响极为严重 ,不仅影响施工进度 ,而且 所需劳力、机械、材料都会增加 ,自然而然会使造价大幅度提高。下 面就南昆铁路修建过程中隧道坍塌变形同山体病害的关系及主要对 策谈一些粗浅的看法。1 隧道设置于病害体或其可能发展的范围内是不可避免的南昆铁路在选线定测阶段 ,在线路方案基本确定的区段 ,为了不降 低线路技术标准 ,或因自然地形条

3、件限制 ,不允许线路展线外移或内靠以绕避不良地质地段 ,或选线和勘测设计过程中未发现线路即将通过 的山体病害 ,或者隧道开挖不当而导致山体病害的发展 ,都会将隧道设 置在病害体或其可能发展的范围内。南昆线在选线设计中,对通过不良地质地段线路的方案 ,一般认为“隧道开挖时对坡体扰动小 ,所产生 的临空面小 ,而若采用深路堑开挖对坡体扰动就会加大 ,往往产生坡体 岩石松动 ,引起老病害的复活 ,因此 ,这些地段的线路 ,多宜采用隧道 或 明洞通过”。所以说隧道设置于病害体是不可避免的。2 设计中忽视对山体病害的防护措施或措施不得力 山体病害比如滑坡、 错落等现象是山区隧道建设中最常遇到的地 质灾害

4、问题。在南昆线这些问题主要发生于洞口浅埋、偏压地段,这些地段一般都需采用特殊设计 ,比如增加抗滑桩、锚索 ,以及地表注浆 或者加强隧道支护以及衬砌结构强度等措施来抵御山体的压力或滑 坡推力。以防止山体病害的发展而造成山体失稳和隧道坍塌变形的发 生。如果在设计中忽视对隧道坍塌变形与山体病害的防护措施,只有在上述病害发生后才考虑变更设计 ,增加补救加强措施 ,这样做不仅费 时、费力而且费钱。3 施工方法不当而引起隧道坍塌变形 ,从而造成山体病害的发展 隧道施工过程中或隧道口路堑施工过程中开挖断面过大,支护措施不力,造成对山体及围岩的扰动过大或 （临空面）过大,暴露时间长 ,都 会引起隧道坍塌变形与

5、山体病害的发展。4 隧道坍塌与变形及山体病害的主要对策4.1 “先治山 ,后治隧”在处理隧道坍塌与变形同山体病害时 ,考虑到山体病害是隧道变 形、坍塌的主要原因 ,所以针对此类隧道 ,原则应该是“先治山、后治 隧”,首先解决山体病害这一主要矛盾。比如南昆线北段相田2#隧道 ,长度只有190m,因遇到隧道变形、坍塌和山体病害的问题，修建时间却 花了近四年多时间。该隧道在处理隧道变形与山体病害时 ,就是成功 地应用了“先治山、后治隧” 。该隧道处在乐民所大断层上盘断层破 碎带 ,另有一次级断层在隧道右侧乐民所大断层又一次错断 ,并横穿隧 道,断层上盘为砂泥岩夹页岩 ,下盘为灰岩 ,洞身围岩破碎。开

6、工初期 , 采用上半断面开挖、衬砌先行贯通 ,然后施工下半断面的施工方法。 在洞口路堑开挖时 ,山坡发生滑坡 ,造成隧道拱墙开裂 ,撑口梁被多次 折断,明洞挤跨。据初步统计 ,全隧拱部 90%开裂,边墙 70%开裂,经设 计部门现场调查决定先整治滑坡 ,再拆换衬砌的方法。整治方案一是 在进出口滑动范围内增加20根桩长16m22.5m的抗滑桩，以抵御山 体滑坡的推力。二是进出口山体仰、边坡减载,以放缓边坡坡率。三是在洞口开挖影响范围内进行地表注浆并加设锚杆以加固该范围的 围岩,以避免开挖造成山坡或山体的扰动。在稳固山体后,才进行治理隧道的项目主要通过加长明洞 ,以及拆除更换拱墙衬砌中 ,始终坚持

7、拱 墙仰拱及时闭合成环的措施 ,在完成拱部未施工边墙地段 ,采用下部挖 井法施工并及时灌注混凝土衬砌 ,成功地完成了治理隧道任务。之后 , 经受雨季考验 ,证明处理有效 ,未发生任何病害 ,隧道变形 ,山体病害 ,当然除忽视设计阻止山体病害的措施外 ,同施工方法也密切联系 ,如果只 开挖而支护不及时 ,造成多次扰动山体 ,也会加剧其病害发展。综上所 述设计、施工措施都必不可少 ,而两者又是紧密联系的。南昆线中段 平中 2#隧道在施工过程中 ,也遇到同上述相 2#隧道相类似的问题 ,多 次发生隧道开裂变形和塌方冒顶。山坡坡面有数条弧形裂缝,最终引起山体滑坡。针对这一病害情况 ,后决定洞外山体加设

8、 15 根抗滑 桩,101根锚索(预应力)方案。首先稳定山体 ,而后进行洞内拆除开裂错 位的拱圈 ,增设格栅钢拱架并以超前小导管周边预注浆 ,大管棚深孔注 浆作临时支护 ,为洞内拆换拱部衬砌创造了条件。洞内拆换拱部衬砌 采取了跳槽拆换分部开挖的方法 ,新衬砌紧跟 ,成功地完成了整治任 务。从以上两个实例可以说明 ,当山体滑坡、错落等病害与隧道变形 同时发生时 ,首先应该通过增加对山体采取强有力的支挡措施 ,先稳定 山体,然后才能进行洞内的整治工作 ,当然 ,如果事先认识到山体病害 的性质 ,提前施作支护工程 ,然后再开挖隧道 ,或者开挖过程中少扰动 山体 ,防止山体变形 ,采取预支护手段都会避

9、免这些灾害的发生。4.2 对隧道坍塌和变形控制的主要措施 南昆铁路中段、北段两段大多数绵延于山地中穿行,沿线地形险峻、地质复杂、构造强裂 ,致使岩层破碎 ,隧道经由这些不良地段 ,坍方 现象比较普遍 ,坍方会严重影响施工生产 ,不仅没了进度 ,而且需要处 理坍体 ,严重者会给职工生命和施工机具设备造成严重破坏。南昆线 坍方主要原因总结起来主要有设计和施工两个方面。(1)设计资料不准。鉴于目前勘测设计手段的局限性 ,设计对工程地质、水文地质资料提供不准 ,为此设计采用的支护参数和衬砌类型不符合隧道开挖后 实际围岩情况。 (2) 施工方法不当。施工方法针对围岩情况的变化而 缺乏灵活应变性 ,或各工

10、序间距安排欠妥当 ,一次开挖量过大 ,支护不 及时或支护强度不够等都有可能引起围岩的坍塌。 为此针对上述原因 要采取主动控制措施 ,预防坍方。这就要求现场设计配合人员 ,施工技 术人员 ,监理人员都要重视预防坍方发生。面对现实 ,该变更设计就变 更设计 ,该改善施工方法就改善施工方法 ,大力推行“新奥法”施工 ,尤 其施工不良地质地段隧道时。 要严格按照“短开挖、 强支护、快衬砌, 紧封闭”的原则。在浅埋、地层强度极小的未固结地层,因为围岩不易形成自然拱 ,加上隧道周围地层的塑性化易引起松驰变形 ,故要求从 开挖到临时支护的时间越短越好 ,建议采用 CD 工法或上拱部弧形导 坑留核心土的方法

11、,这些方法在南昆线隧道施工中都有成功的经验。 在膨胀岩地中施工隧道 ,需要克服较高的地应力 ,家竹箐隧道的胜利修 建在这方面积累了许多宝贵经验。 该隧道在开挖过程中遇到高地应力 隧道变形严重 ,初期支护变形 , 喷射混凝土开裂 ,拱顶下沉量最大达 50cm拱脚内移30cm,变形地段390m,通过对变形发展规律及支护手段 的摸索,总结出“先柔后刚、先放后抗”的方法 ,刚柔相济 ,综合治理。 初期支护用柔性拱架，允许有一定量变形，再用长锚杆813m锁住松 动圈以下围岩 ,限制其无限度变形及应力无修止的释放 ,同时加强永久 衬砌结构 ,采用一次模注混凝土改为钢丝维钢筋混凝土55cm 厚,二次模注钢丝维混凝土衬砌为 25cm 厚。采用上述方法 ,有效地治理了高地 应力,防止了隧道坍塌。5 结论(1)对设置于山体病害体内的隧道或设于山体病害影响范围内的 隧道工程 ,在勘测设计中 ,必须采取有力的工程措施 ,在施工过程中要 尽量少扰动山体 ,加强观测 ,加强支护 ,减小围岩或开挖的临空面 ,避免