大跨度浅埋隧道塌方处治技术

1、大跨度浅埋隧道塌方处治技术【内容提要】 山岭隧道施工过程中 ，塌方事故经常发生在隧道浅埋洞段，浅埋洞段的塌方往往 造成通天陷坑，其处理难度大；同时浅埋洞段的塌方将造成隧道工期延误和施工人员的生命财产损 失。随着我国铁路工程建设的的迅速发展,浅埋甚或超浅埋隧道的在隧道建设中频频出现，浅埋隧道施工过程中防塌和塌方的处治技术就显得尤为重要。本文以白岩洞大跨度双线隧道进口浅埋段塌方 处治为工程实例，详尽探讨了山岭隧道浅埋洞段塌方处治中超前支护系统的作用原理，在此基础上 采通过理论计算分析了浅埋塌方隧道二次衬砌结构的内力分部变化，结合分析和现场施工实践给出 了浅埋隧道安全、经济、合理的塌方处治方案。【

2、关键词 】隧道工程；浅埋；塌方治理；施工技术1. 前言我国是一个多山而地貌十分复杂的国家，75%左右的国土是山地或重丘，随着我国铁路、公路建设的蓬勃发展，隧道的建设规模越来越大，隧道施工过程中围岩稳定性问题也更加突出。塌方事故 在浅埋隧道施工过程中时有发生，已成为造成工期延误和人们生命财产损失的一个重要安全隐患。 本文以宜万铁路某隧道塌方处治为例，通过现场调研及有限元分析，讨论了浅埋隧道塌方处治的方 法。2工程概况隧道位于恩施利川市境内，设计为双线隧道，全长410m,隧道进口段埋深为 2.518m属浅埋隧道。岩层产状355 / 52,岩层走向与洞轴基本平行，倾向右侧，岩体顺层。主要发育两组节理

3、：、产状316 Z 82 ,张节理，延伸长度5m, 5条/m ;、走向010的垂直节理，延伸长12m, 1 3 条 /m。地表勘察结合钻探资料,岩溶洼地表层为粉质黏土,褐黄色,硬塑,局部夹有泥质灰岩、灰岩成分的碎、块石,厚 4 10m ；下伏灰岩：上部为强风化,灰色,节理、裂隙发育,岩芯多呈碎块状，厚2.49.0m;下部为弱风化，节理裂隙发育，岩芯多呈短柱状。山坡土壤孔隙水及基岩裂隙水较发育，埋深1.519.4m，受降雨影响明显，该段岩溶漏斗发育。3 隧道坍塌及稳定性评价2005 年 5 月 24 日洞口边仰坡开挖防护完毕后采用上台阶进洞开挖， 6 月 19 日洞口边仰坡出现 局部开裂，为防止

4、边仰坡滑坍，采取 5 米小导管注浆加固的处理措施。到 8 月 9 日，隧道上台阶累 计开挖46米，初期支护后的监控量测显示围岩处于变形速率约2mm/d的缓慢变形情况下，8月9日7： 00监测变形速率异常为 12mm/d,至当日18： 30变形速率达到52 mm/d并在拱顶发现一条细小裂 纹，至U 8月10日7： 00监测变形速率达到 110mm/d,其裂纹宽度发展到 32mm至10： 00洞内发生 坍塌并扩展到距洞口约 20米的地方， 未坍塌段初期支护和边仰坡已严重变形且有掉块现象， 地表纵 向裂缝最宽处达 20 厘米， 5 天后洞口段也全部坍塌，塌方量大。从隧道坍塌后的地表勘察看，地表裂缝主

5、要集中出现在线路左侧30m至右侧20m范围内，平行洞轴为主，贯通最长的 45m,最大张开20cm。从地表变形开裂现象分析，地表变形开裂的主要原因 是由于隧洞洞体坍塌后，洞体以上一定范围内的岩体发生破坏沉陷，导致地表变形开裂、形成纵横 裂缝。从地表裂隙的分布范围、形态、延伸方向、规模等方面判断，洞顶岩体破坏的范围并未超越 洞体破坏的影响范围，没有引起山体坡表深厚层坡残积层沿基岩面发生滑移失稳破坏，山体整体是 稳定的。但若不及时采取有效措施进行加固处理，则可能诱发堆积层的滑移失稳，甚至于可能危及 整个山体的稳定，对工程安全造成极大的危胁。4 塌方处治中超前预支护作用分析及支护内力计算4.1 超前预

6、支护作用分析对于松散的坍塌体，隧道开挖后，围岩会发生片帮冒顶，形成松动压力，其中比较有代表性的理论是岩柱理论和普氏理论。岩柱理论适合于埋深极浅的隧道。岩柱理论认为，在松散地层开挖后， 由于洞顶下沉及岩柱两侧摩擦力的存在，使顶部岩体卸载，而两侧岩层加载。根据岩柱理论，隧道 开挖后边墙侧压很大。因此，在开挖前必须进行超前加固措施，尤其应加强墙部的支护，否则很难 成拱，极易使顶板完全塌方。普氏理论适合于埋深较浅的隧道。普氏理论认为，隧道开挖后，顶部 岩体失去稳定，产生坍塌，并形成自然拱。随之，隧洞两侧由于应力集中而逐渐破坏。因此，顶部 坍塌并进一步扩大形成塌落拱。根据普氏理论，对上覆围岩破碎且埋深较

7、浅的隧道，如果不进行超 前支护，则隧道拱部极易坍塌。因此应加强对隧道拱顶的支护。管棚注浆法是地下结构工程浅埋暗挖时通常采用的一种超前支护技术，在拟开挖的地下隧道或 结构的衬砌拱圈隐埋弧线上，预先设置惯性力矩较大的厚壁钢管，起临时超前支护作用，防止土层 坍塌和地表下沉，以保证掘进和后续支护工艺安全运作 2 。当遇到断层破碎带及松散坍塌体时，管 棚结合超前注浆可成为有效的施工方法 （ 管棚注浆法 ）。由于该工法具有不需要大型机具设备、工艺 简单、见效快等特点，因而在地下工程松软地层开挖中被广泛采用。采用管棚注浆法进行超前预加固时，加固圈将起到“承载拱”的作用，承载拱上部的岩层重量，使拱内部围岩与支

8、护系统处于免压状态，拱内部围岩与支护系统受到的力仅是由于拱向隧洞方向的 变形引起的形变压力。当管棚为惯性力矩较大的厚壁钢管，且沿隧道开挖轮廓周边密布时，加固圈 的变形较小，因此，隧道支护结构所承受的上部荷载大大减小。另外，在管棚进口端一般加有套拱 基础，另一端伸入到隧道围岩较为完整、坚硬处，这样就可以对上部破碎软弱岩石形成一个稳定的“简支梁”支撑结构。4.2支护结构内力分析隧道塌方处治时，二次模筑衬砌预计会承受较大的围岩徐变压力，因此有必要验证拟定二次模筑衬砌结构的安全性。二次模筑衬砌的设计通过荷载一结构模型计算分析后确定。考虑到初期支护 担负着一定的围岩荷载，且辅助施工措施采用了管棚注浆法加

9、固也有利于减少围岩压力，故将上覆 全部土体自重的70%乍为二次衬砌的垂直压力，侧压力亦比照处理。本文采用SAP84 V6.5软件进行计算，二次模筑衬砌拟定为70cm厚C30钢筋混凝土，坍塌体容重，计算摩擦角，弹性反力系数，高度，列车荷载，假定二次衬砌承受70 %上部土柱荷载。荷载计算方法参照文献3，计算模型共划分66个单元，围岩弹性抗力采用压弹簧模拟4。通过计算，隧道二次模筑衬砌弯矩图、轴力图分别见图1、2:图1二次衬砌计算弯矩图图2二次衬砌计算轴力图计算显示：隧道二次衬砌的拱顶、墙脚以及拱侧是受力薄弱部位，最大弯矩与轴力均发生在墙脚处，分别为908.4kN m 3676kN。二次衬砌弯矩主要

10、发生在拱部与墙脚处，边墙及仰拱处的弯矩值较小；二次衬砌轴力分布相对比较均匀，最小的轴力出现在拱顶，最大轴力出现在拱脚。根据计算结果，主筋选用22的20MnSi钢筋，纵向间距150mm结构安全系数为2.6，满足相关规范要求。5.浅埋隧道塌方处治方案根据隧道段坍塌情况及该段工程地质、水文地质条件，采取如下处理措施：5.1塌陷地表处治措施地表裂缝采用黏土夯填堵塞，并用水泥砂浆进行封闭；地表设置截排水沟，将地表水引排至沟谷，以防地表水下渗形成危害。5.2塌方洞口的处治措施为防止隧道洞口边仰坡发生二次滑坍，确保施工安全，隧道开挖前进行边仰坡加固。边仰坡加固采用坡面小导管注浆及网喷混凝土的加固措施，其设计

11、参数为：小导管$ 42钢管，长L-4m，梅花形布置，间距1.5mx 1.5m, C20网喷混凝土厚8cm,钢筋网采用$ 6钢筋，网格为20cmX 20cm。5.3隧道塌方洞内处治措施5.3.1 管棚注浆法超前支护措施531.1隧道注浆预加固措施为充填坍塌体内部空隙及裂缝，降低岩土渗透性，改善坍塌体的力学性能，增强其整体性，设 计采用上半断面周边超前注浆方式对隧道坍塌体及受坍塌影响周壁围岩进行加固，预加固范围为开 挖轮廓线外68m以内所有坍塌体。5.3.1.2长管棚超前支护措施为确保施工安全，设计采用长管棚超前支护措施，管棚采用$ 108热轧无缝钢管（壁厚3= 8mm，拱部180范围内设置，其环

12、向间距为30cm,纵向间距25m （每环管棚长30m,水平搭接长度 5m,最后一环管棚长15m）。5.3.2 隧道支护结构初期支护采用30cm厚C20网喷混凝土（设双层钢筋网），系统锚杆采用L-4m$ 25中空注浆锚杆，间距1mX 1m，边墙设置，钢架采用118a工字钢架，间距 0.5m 榀布置；二次衬砌采用 70cm厚钢筋混凝土结构，并对原衬砌断面外轮廓进行了优化，使其更符合隧道结构受力特征。隧道坍塌 前后所采用衬砌断面对比如图3所示：坍塌前衬砌断面（b）坍塌体处治衬砌断面图3隧道坍塌前后衬砌断面对比6结束语通过对浅埋隧道围岩塌方事故的分析及处治方案的研究，可以得出以下结论：(1) 隧道塌方

13、源于多因素的共同作用，具有外因诱发、适时突发及多期发生的特点。浅埋隧道塌方一般会波及地表，坍塌荷载很大，对施工安全及周围环境影响较大，对浅埋隧道塌方处治应根据 隧道埋深、坍塌情况，采取不同的处理方案5。(2) 管棚注浆法作为一种行之有效的辅助工法，其力学效应是显著的，特别是在浅埋隧道破碎围岩地段，由于围岩自承能力很弱，施工中需要对围岩施加强支撑，才能保证施工及隧道结构的安全，但是实际施工中对其施工及维护质量必须严格要求。(3) 施工过程中也要对工程周围岩体、地下水及降水情况进行实时检测分析，以避免塌方事故的产生。(4) 从施工角度考虑，能够及时构筑二衬及仰拱，早形成封闭式支承体系，加快围岩变形稳定过程 可有效地抑制变形及塌方事故。【参考文献】1 .宜万铁路宜昌至万州段新建工程施工资料，铁道第四勘察设计院，2005.112 .伍振志，傅志锋，王 静