杨家山隧道塌方原因分析及治理

陈 宏

(四川西南交大土木工程设计有限公司，四川成都610031)

随着中国经济的快速发展，基础设施的建设不断跟进，越来越多的高速公路得到修建，而隧道工程往往是其中的控制性工程。在隧道施工过程中，可能出现的灾害有塌方、岩爆以及大变形等[1-3]。其中，塌方是最为典型的工程灾害，约占各类重大地质灾害出现机率的90 %以上[4]。塌方一旦发生，会造成工程延期、机械设备损坏、施工成本增加以及企业信誉下降等后果。更为关键的是，塌方可能导致人员伤亡，这是工程施工中应该竭力避免的。

针对隧道施工中的塌方现象，国内外研究者进行了大量研究，但由于每座隧道存在不同的地质条件、施工措施以及施工管理水平，因此有必要对杨家山隧道施工过程中出现的塌方事故进行探究。

本文以杨家山隧道施工中出现的掌子面塌方为工程背景，对该隧道塌方的具体情况、塌方原因、处治方案以及处治效果进行了详细阐述，可为今后处治类似隧道塌方事故提供一定的参考。

1 杨家山隧道塌方概述

杨家山隧道位于广元市青川县骑马镇，是广元至甘肃高速公路的控制性工程。隧址区处于四川盆地西部龙门山挤压断裂带的核心部位，属于后龙门山推覆构造带。该地区发育着多条断层以及韧性剪切带，断层皆为压性逆断层，规模不一，表现也不尽相同，隧道所穿越的杨家山地质构造比较复杂。

杨家山隧道净宽10.25m、净高5.0m。在2011年初的施工中，隧道左洞与右洞都出现了不同程度的塌方现象，以下对塌方过程进行阐述。

1.1 左洞塌方概况

2011年2月21日上午10点，隧道左洞ZK22+627～ZK22+628段架设钢拱架时，掌子面右侧有零星掉块，并伴有股状水流出，现场立即喷射C20混凝土封闭掌子面。由于该段处于断层带，岩体破碎，完整性极差，地下水较为发育，因此封闭掌子面的效果不明显。约中午12时，右侧形成了一倒“漏斗状”塌腔，腔体纵向深度5m左右，自隧道中线右侧5m宽，右侧拱腰部位塌进开挖轮廓线内1.5m左右，塌腔自拱顶内1m至拱底向上1m高度。腔体与隧道轴线方向夹角约为80°，塌落岩体以砂质千枚岩为主，夹杂着石英千枚岩、凝灰千枚岩以及绢云千枚岩等块状岩石。并伴随着多处股状水流出，且水流非常浑浊。

1.2 右洞塌方概况

2011年1月20日凌晨3点，隧道右洞K22+624～K22+625段的上台阶采用机械开挖时，拱顶出现大面积掉块，现场立即喷射C20混凝土封闭掌子面，但效果不明显，掉块现象更加严重。凌晨5时左右，施工现场采用洞渣回填反压，同时在掌子面施作6m长的小导管，并进行掌子面注浆，注浆在26日完成。

2011年2月15日，该段上台阶完成了第3榀拱架的支护，随后在16日23时30分，中台阶左侧采用机械开挖第一榀拱架位置岩体。此时上台阶初支喷射混凝土出现开裂，约10分钟后，上台阶拱顶及左侧全面垮塌。

2 塌方原因分析及治理方案

2.1 塌方原因分析

(1)杨家山隧道隧址区地质条件复杂，穿越了包括F6-6、F6-7以及F7等区域性断裂带的14条主要断层和韧性剪切带，施工难度极大。该隧道在塌方时，先以股状水流出，进而导致突泥，随后较大块状岩石出露。由于已施作初支的卡固，因此岩块未继续下坠，但突泥持续，在迅速回填反压后，突泥减少，但出水量极大。因此，此次塌方可归类为碎裂松动岩体在水流作用下引起掌子面蠕变的异形大塌方。

(2)左右洞塌方段均位于断层带，岩体极破碎，且坍塌体多含砂质千枚岩，但左洞塌体中伴有较大块石，且水流量较大，伴有明显的哗哗声，右洞水流成股状流出。因此，地质条件差是塌方的主要因素。同时，该段施工采用二台阶法开挖，鉴于此段处于断层破碎带，此种开挖方式在围岩条件恶化的情况下不利用掌子面自稳。

2.2 塌方治理方案

根据现场围岩的实际情况以及超前地质预报的分析结果，在“科学、择优、安全、经济”的原则下，对杨家山隧道左洞ZK22+628～ZK22+636塌方段、右洞K22+624～K22+631塌方段的治理指导思想是“管超前、严注浆、短进尺、少扰动、强支护、快加固、早成环、勤量测”。具体施工方法和要求为：

(1)左洞：采用洞渣回填反压封闭掌子面，洞渣应回填至坍腔口的上缘，并尽量填充坍腔。回填过程中应注意坍腔口位置的稳定，防止坍方扩大。

右洞：采用洞渣回填反压封闭掌子面，加固已有初支，采用I18工字钢将距离掌子面2.5m范围内的初支在内侧加固，采用小导管对K22+620～K22+624段的围岩及初支进行加固，防止前方塌方段影响已有初支，小导管环向间距为1m、纵向间距为0.5m，小导管单根长度为4.5m。

(2)左洞：坍腔回填完成在上方坍塌趋近稳定后，实施超前支护锁口。在ZK22+628掌子面后面2榀拱架位置，利用已支护拱架作为管棚施工导墙，拱部150°范围内按环向间距40cm布置φ108大管棚(厚度6mm)；大管棚外插角5°～10°，管棚长15m，对拱顶及掌子面前进方向松散岩体进行纯水泥浆注浆，改良塌体，整体凝结，防止再次坍塌。如地下水较大，可采用少量水泥-水玻璃浆止水。

右洞：坍腔回填完成在上方坍塌趋近稳定后，实施超前支护锁口，因掌子面拱顶坍塌空腔深度大、跨度宽，在K22+624掌子面后面2榀拱架位置，利用已支护拱架作为管棚施工导墙，在拱部150°范围内按环向间距40cm布置φ108大管棚(厚度6mm)；大管棚外插角5°～10°，管棚长15m，对拱顶及掌子面前进方向松散岩体进行纯水泥浆注浆，改良塌体，整体凝结，防止再次坍塌。地下水较大时，采用少量水泥-水玻璃浆止水。

(3)左洞：加强ZK22+628～ZK22+636段的支护参数，采用V加强型衬砌，并取消系统锚杆。

右洞：对K22+624～K22+631段的结构初期支护进行加强，钢拱架采用I20b工字钢(全封闭)，间距为40cm；采用φ8钢筋网，网格为20cm×20cm，预留变形量为20cm，喷射混凝土的厚度为26cm，二次衬砌厚度为60cm，配筋按φ22@20cm配置。

(4)坍方处治采用三台阶或预留核心土法开挖，三台阶开挖时，上台阶开挖高度不得大于3.5m，各台阶的长度不宜大于3m。此外，应保证钢架的施工质量，尤其应避免钢架接头出现在拱顶等薄弱位置，并保证钢架接头的质量。钢架脚应按设计设置加长钢板或槽钢，防止拱脚发生沉降变形。做好临时排水工作，禁止积水浸泡拱脚。钢架接腿应按设计要求，控制一次接腿长度不超过2榀钢架，中、下台阶接腿时要分幅错开施工，不能左、右幅同时施工，并及时封闭成环。同时，掌子面距仰拱的施工距离不宜大于15m，二衬距离掌子面不宜大于40m。

(5)左洞：针对坍腔在拱顶偏右侧预埋1根1m长的φ125混凝土输送管，待初支稳固后，通过φ125混凝土输送管泵送0.5m厚的C20混凝土填充塌腔腔体。

右洞：针对拱顶坍腔，因塌腔高度较高，为防止掉块和坍塌破坏支护，在K22+624～K22+631段塌腔150°范围内(轮廓线外侧)，采用1m厚C25混凝土护拱，护拱纵向长度7m，护拱拱脚应落实或采用扩大基础。护拱将大管棚和部分钢架包裹，致使形成整体，加强支护受力。护拱拱顶及两侧预留φ100排水孔，一个断面设置3个排水孔，共4个断面，排水管进水口高度应大于回填层20cm，以减少浸水对护拱造成较大压力。利用排水孔在护拱上部铺设2m厚炭渣，作为缓冲层。

(6)在施工期间，分别在ZK22+628、ZK22+633、ZK22+636、K22+624、K22+629、K22+631断面处布置监测点进行监测。并重视超前地质预报工作，按设计文件要求和物探成果相应实施超前探孔，并取芯，以确定F6-7断层的位置，及时将地质预报成果反馈给建设各方，做到动态设计、动态施工。

2.3 塌方治理效果

在塌方灾害的治理过程中，监测单位和施工方分别对上述6个监测断面跟进监测。通过分析各断面的监测数据，发现变形速率及收敛预测值均在容许范围之类，尚无再次发生灾害事故的危险。较大的水流量通过泄水口排出，降低了初支背后的水压，但地下水的大量排泄对环境造成何种程度的影响有待考证。在此塌方环境下采用上述灾害治理方案切实可行，而且行之有效，不但安全而且能形成较为稳定的结构。

3 结束语

(1)隧道塌方对工程进度和效益影响巨大，因此在施工过程中，首要任务是做好各种防塌防坍的预防措施。

(2)一旦发现有坍塌预兆，应及时采取加固措施。如风险不可控，应及时撤离所有人员和机具设备。

(3)断层破碎带地段的塌方，塌方体一般较大，不宜先清除坍塌体，否则可能导致更大塌方。应采取回填反压，封闭掌子面，封闭坍塌口的方式，然后对坍塌体及前方围岩进行注浆加固，设置超前大管棚。以“管超前、严注浆、短进尺、少扰动、强支护、快加固、早成环、勤量测”为指导思想，达到安全、经济、快速、方便的治理效果。

(4)富水地段的塌方处理应做好排水措施，防止初支由于背后水压过大而发生破坏。

[1] 李志厚,杨晓华,来弘鹏.公路隧道特大塌方成因分析及综合处治方法研究[J]. 工程地质学报,2008,16(6):806-812

[2] 冯卫星,况勇,陈建军.隧道塌方案例分析[M].成都：西南交通大学出版社, 2002

[3] 于书翰,杜谟远.隧道施工[M].北京：人民交通出版社,1999

[4] 王迎超.山岭隧道塌方机制及防灾方法[D].浙江大学,2010

[5] 吴强.马垭口隧道塌方灾害发生机理及治理措施研究[D].重庆大学,2009

[6] 李志厚.公路隧道特大塌方病害处治方法研究[D].长安大学,2004

[7] 张联志,陈伟,陈贺.山岭隧道塌方处理加固措施及FLAC3D模拟对比分析[J].湖南工业大学学报,2013,27(13):36-40