公路隧道塌方突水的预判与预防

云南建工香丽高速公路土建(tǔjiàn)施工第七项目部主讲人：李荣文公路(gōnglù)隧道塌方突水的预判与预防共三十八页目录(mùlù)一、概念(gàiniàn)的提出二、塌方、突水的预判三、塌方、突水的预防1共三十八页一、概念(gàiniàn)的提出（一）塌方1．概念(gàiniàn)公路隧道在施工过程中，因二次应力调整带来围岩的抗剪强度降低，围岩或人工支护结构失去自稳自承能力，以致洞内一定范围内围岩变形、失稳的现象。2.塌方规模，见下表一

2共三十八页3共三十八页3.塌方时机

经多年观察，隧道塌方从时机上讲，下面两种情况发生塌方的机率较大，一是开挖面爆破的瞬间，控制再好的爆破对围岩均有一定的扰动，而这种扰动恰好给爆区或爆区周围处于极限平衡状态的围岩施加一种附加荷载，而这种荷载恰好打破了这一平衡，于是引发塌方。另一种情况是较大断面隧道，分块分层施工，在最下部(xiàbù)块体开挖完成这一瞬间容易诱发塌方。以三台阶施工为例，有限元计算的结果（见表二）恰好证实这一点。即假定顶拱下沉量为1，而第三台阶承担的下沉量在50%，较大的拱顶下沉量必然引发较大的顶拱松弛区，从而引发塌方。4共三十八页5共三十八页4.塌方空间位置进出口段：即进出口2B范围(fànwéi)段（B为隧洞开挖跨度）。浅埋地段：上覆盖层厚度不足，压力拱成拱质量差。交叉口段：二次扰动，围岩松弛加剧。扩大段：断面增大，塌落拱厚度增大。距掌子面1B或2B范围之外的洞段：空间效应消失，易发塌方。6共三十八页5.塌方原因分析（1）地质因素

围岩强度：塌方多发生在强烈风化带、强烈卸荷松弛带、断层破碎及其交汇带、极软弱岩层中。围岩强度越低，塌方规模越大。

岩体结构:同块状、层状及镶嵌碎裂结构相比，散体结构、碎裂状结构最容易发生塌方。

结构面不利组合：在层状和块状结构中结构面的不利组合是发生塌方的主要因素，在顶拱组成人字型切割而在边墙组成倾向洞中陡倾角的楔形体较易失稳。

地下水：在硬岩中围岩稳定受地下水影响不大，而在软岩中，地下水是隧洞塌方的致命因素。

地应力：作为(zuòwéi)大环境而言，以垂直地应力为主的地区，隧道顶拱容易失稳，以水平地应力为主的地区，隧道边墙容易失稳。7共三十八页（2）设计因素支护型式：前期勘探深度不够或对岩土认识不足，导致设计支护型式与围岩质量不符，提供的支护抗力不够，而引发塌方。支护安全裕度：锚杆长度偏短未穿过围岩松动圈或锚杆孔、排距偏大而未形成有效的压力拱，以及大管棚、拱架断面尺寸(chǐcun)偏小以致刚度偏弱等等，都会带来围岩变形失稳。8共三十八页（3）施工因素

初期支护：因材料供应、组织协调等原因围岩揭露后未进行及时支护，任其围岩松弛、变形而最终带来围岩塌方。分层、分块开挖的隧道，特别要强调的是初期支护要快速闭合。

开挖方法：擅自加大开挖断面或排炮进尺，使本来自稳性较差围岩快速产生过大的弯剪应力从而形成塌方。

钻孔爆破(bàopò)：不按爆破(bàopò)设计钻孔、装药、联线，使单响或一次起爆药量过大，爆破(bàopò)震动速度超规范（规范规定不大于15CM/S）要求，使围岩损伤过大，而形成较厚的松弛圈，由此诱发塌方。

辅助措施：有的人对进洞辅助措施认识不足，总认为设计多余，不做或不按设计图纸施工辅助措施，擅自开挖，最容易引发掌子面塌方。9共三十八页

开挖质量：隧洞周边开挖岩面凹凸不平，起伏差明显超标，这样会带来应力明显集中，对洞室稳定明显不利。

初期支护(包括辅助措施)质量：初期支护质量好坏对隧道的稳定是致命性的。大小管棚及锚杆角度、长度、注浆密实度与设计要求不符，钢架支撑未与隧洞围岩密贴，喷射混凝土厚度、强度不足，这些都有可能削弱初期支护对围岩松弛的抗力。

二衬与掌子面距离：在这里必须强调的是，公路隧道设计规范对Ⅳ、Ⅴ级围岩要求二衬结构是承担山岩压力的，公路隧道安全技术规范明确规定，二衬距掌子面距离Ⅳ级围岩不得大于90米，Ⅴ级及以上围岩不大于70米。这一规定是仅供参考的，现场实施过程中，即使满足这一要求，仍然(réngrán)出现塌方，说明施工安排仍然(réngrán)有问题。10共三十八页（二）突水（泥）1．概念

公路隧道施工过程中，围岩含水层中的地下水在水头压力和其他压力的综合作用下，克服隔水层、断层、裂隙带等的阻力，以突然的方式涌入隧道的现象，则称之为突水。

如果地下水携带大量的泥沙或饱水的泥沙突然涌入隧道，就称之为突泥。

突泥可看成突水的衍生现象。因此，突泥的关键仍是涌水。没有地下水作为动力和载体，突泥是不可能发生的。综合来看高压、富水(fùshuǐ)、不良地质三者不利结合，是诱发突水（泥）的地质导体。11共三十八页2.突水规模(guīmó)见下表三12共三十八页3.突水（泥）空间位置向斜构造(gòuzào)盆地，特别核心部位往往富含地下水，这一点在长而深隧道中大量突水常与它有关。断层破碎带、不整合面和侵入接触带：常常为含水构造，特别注意的是香丽高速七标隧道中石灰岩与板岩接触面就是不整合面。在溶性岩层中的溶洞、溶沟、溶槽一旦同隧道轴线相交时，发生突水（泥）可能极大，并且危害巨大。透水层与隔水层的划分，＞1×10-6cm/s为透水地层，反之为隔水地层。13共三十八页4.突水（泥）原因分析（1）含水围岩能量储存条件隧道突水（泥）发生的储能条件指能够形成大量地下水及泥沙的地质条件。岩溶、岩体中的各种破碎带以及向斜构造盆地等部位，具有良好的富水和储水性能，常可形成水量大、水压高的地下水体。这些部位往往也是丰富松散团体物质的来源，或本为含有大量的松散团体物质。同时(tóngshí)这些部位也是地下水的良好交换通道，在条件具备时，其中的地下水或与有水力联系的其他地下水体挟裹泥、石块一起涌入隧道内。14共三十八页（2）含水围岩(wéiyán)能量释放条件含水围岩中储存了大量能量，但隧道突水能否发生，还取决于隧道能量释放条件，即控制隧道突水的主要条件为其能量释放条件，包括水压及相对隔水层厚度。不同岩体结构和岩性条件的岩体，物理力学性质存在较大差异，隔水层厚度也不尽相同。不同类型围岩被涌水突破所需的最小突水量见下表四。15共三十八页围岩(wéiyán)被冲溃所需的最小突水量（表四）16共三十八页（3）含水围岩的稳定性隧道开挖直接影响到含水围岩的稳定性，造成隧道突水（泥）。如果直接开挖掉相对隔水层，揭露出的地下水体将产生即发性突水现象(xiànxiàng)。即使掌子面处存在一定厚度的隔水层，由于施工爆破，或隧道开挖带来的围岩松弛和应力集中，围岩发生变形破坏，也会使相对隔水层的有效保护厚度相应减少从而增加隧道突水的可能性。17共三十八页（三）塌方(tāfāng)与突水的关系就同一条隧道而言：1.发生塌方的可能性大，而发生突水的可能性小。2.同一部位塌方发生而突水不一定发生，发生突水一般伴随着塌方。3.塌方是静态的，而大的突水是动态的。18共三十八页（一）必须(bìxū)强调的两点基本认识1.隧道塌方、突水是一种随机事件

地下工程施工在岩土介质中进行。岩土理论是一种典型的灰色理论，岩土工程本身的复杂性加之人类的探测手段及认知水平有限性，导致现场施工实践过程中，同岩土相关的信息有的部分是清除的，而有的部分是不清楚的。由于信息存在盲区，导致我们作出不能完全肯定或完全否定的结论，即塌方或突水既不是必然发生也不是必然不发生的事件，而是一种随机事件。既有可能发生也有可能不发生，以及既使有可能发生，发生的可能性大小也是波动的。二．塌方(tāfāng)、突水的预判19共三十八页2.现阶段对塌方、突水的预测仍处于定性阶段鉴于地下(dìxià)洞室乃至岩土工程自身的复杂性，目前对地下(dìxià)工程塌方、突水的预测仍处于定性阶段，就像全人类所面临的地震一样。即要对其作出准确的塌方、突水时间判断是比较困难的，即一般仅能作出塌方、突水的可能性极大、大、较大、较小的结论。也就是说仅能作出塌方、突水在该隧洞桩号段是大概率事件还是小概率事件的结论。20共三十八页（二）围岩量测结果1.塌方（1）预留变形量一般情况下，现场实测位移值不应大于隧道预留变形量，当观测(guāncè)的累计位移值大于预留值得1/3时，就有可能塌方，当大于预留值得2/3时，塌方的可能性就较大。（2）位移速率当观测围岩位移速率大于1mm/d，围岩处于急剧变形状态，就有可能发生塌方。（3）位移速率变化趋势与前后时段相比，当围岩位移速率变化上升，即位移加速度大于0时，围岩处于危险状态，塌方的可能性极大。2.突水（泥）涌水量小于1×100m3/d时发生突水可能性较小。21共三十八页（三）洞身表征1.地质围岩

隧道开挖后较软围岩或松散地层不断掉块，围岩脱落面和脱落深度不断增大，是洞室大塌方征兆。无水或干燥洞段无故尘土飞扬或有尘雾，是围岩内部(nèibù)应力调整的表象，也是塌方的表象。洞口段及浅埋地段地面开裂，且裂缝数量增加，缝隙加大、加深，地面明显下沉，则该洞段有可能发生塌方。2.地质构造

岩层层面及裂隙面（断层带）宽度明显增大或有明显错位现象，岩体结构明显松弛，这些都是有可能塌方的迹象。3.地下水

洞身围岩出水点频繁变换位置，出水量加大，由清变浊。流沙地段间隔涌流变成连续涌流，较大桩号洞身段围岩明显潮湿，或突然出现水雾，则极有可能突水、塌方。22共三十八页4.支护结构

喷射混凝土大面积开裂、脱离岩面甚至塌落，缝间有沙土不断流出；锚杆垫板松脱(sōnɡtuō)；钢支撑扭曲变形，边墙支撑中间鼓出，连接点明显变形；钢支撑、钢筋网格间喷射混凝土剥离、开裂、钢筋扭曲变形；连接板错位，连接螺栓变形剪断，初支结构发生较大响声，支撑间沙土或岩块被挤出；上述现象都是围岩塌方前的征兆。23共三十八页

公路隧道工程施工属于建筑行业高危作业之一，有的安全技术规范提出“零塌方”这一施工理念，但受各种因素影响，地下洞室施工中塌方这一地质灾害仍频频发生，给现场施工人员和财产带来极大的安全威胁，给死者和活着的人带来永远的遗憾和痛，对施工企业而言也是一种挑战极限的考验和灾难。为此站在对生命的敬畏和对国家安全生产法规(fǎguī)神圣不可侵害的高度，全体参建人员必须认真贯彻“安全第一，预防为主，综合治理”的方针，加强现场各项管理，深刻领会“零塌方”这一施工理念的精髓，确保第一线施工人员这一“弱势群体”的生命安全和财产安全，确保工程顺利进行。三．塌方(tāfāng)突水的预防24共三十八页（一）必须杜绝公路隧道工程施工“三重三轻”现象1、第一个“一重一轻”：即“重开挖，轻支护”。具体表现在开挖班组盲目抢开挖进度，而轻视已成型洞段的初期支护，任其围岩松弛，最终引发塌方。2、第二个“一重一轻”：即“重进度，轻安全”。只强调开挖、初支、二衬的进度管理（包括大小管棚）。不重视工序的安全管理，有的隧道前面开挖后面塌方（关门塌方）或掌子面钻孔工程中塌方，就说明这一点。3、第三个“一重一轻”：即重表层支护而轻深层支护，具体表现在施工班组认为钢拱架赚钱，喷混凝土工艺简单仅乐于做这些。而锚杆、大小管棚操作复杂，费工费时，不注浆或少注浆，锚杆长度不够、数量不够，这些偷工减料现象在公路隧道施工中比较(bǐjiào)普遍，任其深处围岩松弛，对表层支护产生集中荷载，导致支护结构破坏，最终引发塌方。25共三十八页（二）必须处理好公路(gōnglù)隧道施工中“进度、质量、安全”三者的辩证关系。上世纪九十年代初一位中国工程院士对地下洞室施工提出了“十六字”方针，即“均衡生产，筑牢质量，文明施工，确保安全”。岁月匆匆，时间过去二十多年了，笔者认为仍具有现实意义，具体体现在：26共三十八页1.均衡生产：指科学编制施工进度计划，均衡组织现场生产，施工进度前紧后松或前松后紧，都会引发质量、安全事故。2.筑牢质量：质量是工程的生命线，是安全保障的生命线，更是一个企业生存、发展的生命线。香丽高速为3P项目，我建工集团收费期限20-30年，筑牢质量防线的意义自然不言而喻。3.文明施工：即类似(lèisì)于公路施工规范中的标准化施工。文明施工的本质是创造一个干净、整洁、和谐的施工环境，让广大参建人员拥有愉快的身心积极投入到创造优良的进度、质量、安全产品活动中，同时，良好的进度、质量、安全产品又极积推动文明施工的向前发展。4.确保安全：在当今社会，安全是根红线，是根高压线。经常发生安全事故的工地且不说追究什么责任，赔偿什么损失，施工队伍是稳不住的，心态是浮躁的，一支心态浮躁的队伍何谈保证施工进度及质量呢？27共三十八页

提高公路隧道施工水平(shuǐpíng)，预防围岩的过度变形、塌方及突水等地质灾害的发生，确保施工安全，综合起来要落实好“一个强化”、“二个超前”、“三个到位”，即“一、二、三”预防措施。（一）“一个强化”即强化量测。公路隧道工程是用“新奥法”理论指导施工的，“新奥法”理论异于其他地下洞室施工理论的是,它是“活”的而不是“死”的。即它强调的是动态设计、动态施工，通过对围岩变形量测数据来优化设计参数、调整施工工艺。这里强调的是通过量测数据的大小、发展趋势来判断围岩的安全状态。为此：四．预防措施28共三十八页1.必须高度重视围岩初始值的获取。隧道开挖后即打破围岩质点的三向应力状态，围岩即开始变形，一般来说观测越早越好，观测点埋晚了围岩已有一定累积值（归零），监测数值已失去真实性，自然对围岩变形指导的意义不大。2.必须高度重视围岩位移速率变化趋势。围岩变形是表面现象，本质是围岩内部应力不断调整的结果。有时候用围岩位移速率大小（突变）及变化趋势来判断围岩安全稳定比用累积值有效得多。3.必须按设计规范要求进行变形量测。隧道开挖初期，围岩的应力、应变值是急剧变化的，为准确、及时、有效地获得现场原始的量测数据，通过这些数据的变化规律来分析(fēnxī)、推断隧道围岩的安全状况，现场量测工作必须按规范规定进行，否则就是一句空话。监测频率见下表四、表五。29共三十八页30共三十八页B：为隧洞开挖宽度注：表四、表五中(wǔzhōng)数据中若有冲突，按取大值进行。31共三十八页（二）“两个超前”分别是超前地质预报和超前支护（包括大小管棚及围岩预注浆等）。1.超前地质预报采用地质素描、超前水平探孔、地震反射波法等手段探明掌子面前方软弱层、破碎地层、断层、节理密集带、溶洞、暗河、溶洞管道水、富水断层及富水地层等，使信息化设计和施工形成有机整体，严禁在未探明前方不良地质情况下，盲目开挖。防患于未然，避免地质灾害的发生。2.超前支护断层破碎带和软弱地层及洞口浅埋段，增加注浆的超前大小导管。一是通过注浆加固地层，提高地层的物理力学性质，二是灌满砂浆(shājiāng)的大小管棚，本身具有一定的纵向刚度，提高了抵抗管棚上覆塌体的能力。富水地层要预先进行注浆加固处理，降低地下水的渗透量，避免渗流长时间带出岩缝间碎屑物质（潜蚀），从而引发围岩变形、塌方。32共三十八页（三）“三个到位”即开挖工法选择到位、支护质量保证到位，快速封闭（初支、二衬）准确到位。1.开挖工法选择到位

开挖工法的选择基本取决于两个条件即隧洞地质条件和开挖断面大小。开挖工法选择时从简单到复杂，应尽量减少开挖步骤，避免围岩多次扰动，现场施工要严格执行工法，如需调整，应覆行变更工作程序，不得擅自更改。2.支护质量保证到位

这里要强调初期支护质量和超前支护质量，隧道前期变形、塌方除取决于