某隧道塌方冒顶处理案例分析

1.工程背景

某隧道为上、下行分离（洞口小净距）的四车道高速公路长隧道，长度为 2.56Km，隧道内轮廓限界宽宽10.25m，净空高度为6.945m。地质情况为：隧道进口段，自然上坡稳定，围岩主要为强风化-中风化砂岩，但中风化岩顶板较小，岩体破碎-较破碎，松散结构。围岩自稳能力差，无支护时拱顶易坍塌，可能产生中-大型塌方，侧壁易失稳。集中降雨状态下洞室内呈线状和淋雨状出水。根据勘察结果，结合区域地质资料，区内断裂构造较发育，但均未发现其近期活动的痕迹，属于非全新活动断裂。沿线未发现严重影像线路走向的大型滑坡、崩塌、泥石流、采空区等不良地质，路线所在地段区域地质基本稳定。

2.塌方情况

6月4日21:00时，隧道进口右洞进行正常出渣作业，掌子面（桩号为K74+990）拱顶右侧出现有小掉块现象，现场施工人员立即组织采用喷射混凝土进行封闭，但由于裂隙水较大，在拱顶偏右处喷射混凝土施工作业不顺利；到23:00时，掌子面处出现连续掉块，并伴随大体积层状剥落，项目部负责人考虑到该段岩体松散破碎，稳定性较差，且已被地表水渗透，随时可能再次塌方，立即决定撤离掌子面作业人员，同时对塌方断面采用回填洞渣封闭，并派专人对隧道初支和地表进行监测，同时将问题上报至总监办和项目办，根据塌腔封闭前目测，塌腔高约5m，宽约6m，长度约5m。

直至6月5日7:00时，隧道坍塌掉块声音渐弱，根据洞顶观测人员汇报，隧道地表处未发现明显异常。

6月6日19：00时，监测人员发现地表已沉陷，具体桩号为K74+995-K75+003，塌陷范围长约8m、宽6m、深度3m，且洞内已施工的初支K74+985-K74+990段多处出现不连续的细部裂缝。

6月10日晚，隧道塌方处地表再次出现塌陷区向大桩号和中央分隔带处又延伸3m，据观察洞内微裂缝没有继续发展。

3.塌方原因分析

根据技术人员对前一个掌子面的地质素描和现场地质情况以及塌方段地表调查和分析，造成本次塌方的原因有以下几点：

3.1从工程地质平面图和纵断面图来看，隧道拱顶埋深较浅为27.5米，且该处地形横坡较大，并在右侧有冲洪积沟谷，常年有水，同时在塌方发生时又处于雨季，地表水丰富且沿破碎岩缝、节理裂隙中渗流，因此在隧道内出现渗流，松散岩体受渗水作用影响软化，岩体的抗剪强度大大降低，岩石间的摩檫力不能支撑上部岩体的重量从而导致隧道拱顶靠前方围岩产生重力塌陷。

3.2 围岩突变

沿隧道纵向出现断层，该断层沿掘进方向出现在K74+990桩号附近，产状近直立，宽3～5m，勘察报告未揭示。该断层的出现是塌方的主要原因之一。

3.3 与地貌有关

塌方段岩石风化强烈，位于冲沟与隧道路线交汇处，该处属于阴坡，风化残积土层较厚且含水量大，地表水不易蒸发。山坡地表坡面水向冲沟汇聚后经隧道地表 K75+050桩号附近流出，是地下水下渗的主要补给源。

3.4 隧道围岩赋水性变化

地表水是造成本次塌方的最重要因素之一。由于上半年遭遇连续降雨，进口K74+920～K75+100段处于阴坡，地下水赋水丰富，在路线K75+010～K75+050段与小冲沟相交，全风化岩石已达隧道洞顶，地下水通过全风化岩石、断层、节理下渗至隧道。强降水沿冲沟下渗到K74+990～K75+050段，该段从弱赋水段转变为强赋水段。

3.5 其他因素

3.5.1隧道开挖后围岩应力重新分布造成偏压失去平衡。

3.5.2雨水渗入断裂带及裂隙后形成滑动面，岩石相互滑动，内力挤压型钢变形形成坍塌。

3.5.3隧道超前小导管注浆量或许不足。

4.处理方案

事故发生后，为防止塌方进一步扩大，及时对掌子面进行 反压回填 ，以保证塌体稳定和后续施工的安全，同时将地表塌坑周边 施作截水沟并用防水布进行覆盖 ，确保雨水不会进入，同时设专人巡查， 加强地表和洞内沉降观测 。根据塌方段前后的围岩情况将隧道分为稳定段、塌方段和后继段三个区段，针对不同区段采取不同的处理措施。

4.1 稳定段处理方案

稳定段是指隧道左右洞内初支已按设计图施作完毕，塌方后尚未发生变形破坏，而二衬短时间还无法跟进的区段，应及时施作临时钢拱架支撑，必要时增加钢拱架临时仰拱，再对该段落进行径向注浆小导管加固，该区段的处理原则是“加强监测、仰拱二衬快点跟进”。

由于塌方体距洞口明暗交界处距离仅50m，为保证安全，必须尽快施稳定段的仰拱，确保初支结构封闭，同时施做二衬时可以从距掌子面最近处开始向洞外进行，确保该区段的稳定；在靠近塌方体前方5-10米的范围内，处于塌方体影响范围内，短期内二衬无法跟进，为保证初期支护强度和后期施工及运营安全，采取以下措施：在原初支内轮廓处增加I20a 工字钢作为临时钢拱架支撑，纵向间距为60cm，并在起拱线两侧各增加一根I20a 竖撑，相邻竖向工字钢支撑之间增加剪刀撑进行加固，钢支撑底脚采用整体I20a 的工字钢进行支垫，确保钢支撑底脚的稳固；待钢拱架安装完毕后采用Φ42×3.5m 小导管对围岩进行系统注浆加固，间距0.6（环）×0.6（纵）m，呈梅花形布置，单根长6m。

图1 稳定段采用钢拱架和注浆小导管进行加固

4.2 塌方段处理方案

4.2.1 在隧道中对坍塌松渣表面喷射混凝土固结。

4.2.2 在初支稳定段往回2m处用两道I20a工字钢作为临时套拱，再用机械沿隧道设计轮廓线以12°的仰角顶进长度为14m的φ108×6mm超前管棚；再打进Φ42*3.5mm的超前注浆小导管，环向间距为0.4m，L=4m,纵向间距2.4m，并通过注浆向拱顶以上松渣注浆固结。

4.2.3 当水泥浆达到一定强度后，就采取微台阶掘进，并对开挖面及时用C25喷射混凝土进行封闭，在安装钢拱架（钢拱架半径比原设计半径小，再通过塌方段后，再更换5榀）完成后，打设Φ42*3.5mm的注浆小导管，间距为100（环）×60（纵）cm，L=6m, 梅花形布置。再在钢拱架里侧挂一层φ6.5 20×20钢筋网片，喷射厚30cm的C25混凝土到拱架。

4.2.4 当塌方体段落已经通过，且残留的坍塌松渣清除完毕后，抓紧利用垂直向上的注浆管向留作充填的松渣进行注浆固结（注浆采用水泥、水玻璃双液浆）。

4.2.5 洞身开挖段当已经通过塌方体段落，且已进入前面围岩一段距离后，回过头来，将临时套拱段的 5 拱架进行拆除也就是换拱，换成符合断面尺寸的永久拱架。换拱过程中采用反向施工超前注浆小导管的工艺，确保安全。

4.2.6 塌方体地表挖截水沟截明水，在塌坑开口处的山坡上修建一条长度为100m的环行截水沟，采用7.5号浆砌片石砌筑，以防止汇集于冲沟中的雨水继续流入塌陷区中。为保证地表水不渗入隧道中，将环行截水沟与洞口永久性排水沟相接，以疏排截水沟范围内的汇水。同时从地表向塌坑分层充填砂石混合料，并用人工夯实；为使整治和环境美化有机结合，在塌坑周围的植树种草，造成绿色植被，这样既防止水土流失，又恢复自然本色。

4.2.7 将地表的塌坑洞壁松散部分清除后，用C25钢筋混凝土锁口，混凝土厚0.5m，高1.0m，表面尺寸较塌坑尺寸每边各扩大1.5m；清理井壁，并喷射5cm厚C25混凝土，再用20cm厚C15混凝土将井口封闭。

4.2.8 施工过程中加强隧道塌方段落前后30m监控量测。

4.3 后继段处理方案

当塌方体治理完毕后，如果开挖掌子面处围岩恢复到较好的状态，则继续按与设计和工法进行施工；当开挖掌子面处围岩仍未好转，则采用加强初期支护和二衬结构进行设计和施工。

5.塌方段处理的效果

5.1 水平收敛及拱顶下沉观测是掌握围岩稳定和支护动态控制的必测项目，在塌方发生后，立即在塌坑周围布设地表下沉观测点，在稳定段结合稳定段的施工加密观测点，在隧道塌方部位的初期支护完成后，加密布设了净空收敛和拱顶下沉变形观测点。经过2个多月的监控量测及数据分析表明，隧道内的水平收敛、拱顶下沉、地表下沉均已稳定，说明围岩已经稳定。

5.2 处理隧道的塌方处理施工，总计使用I20a工字钢16t，Φ42*3.5mm系统注浆小导管2494m，φ108×6mm管棚312m，清理塌方体200m3，回填砂石混合料150m3，，喷射 C25混凝土30m3，完成浆砌块石100m3。时间用了20天。

6.施工体会和建议

6.1 工程地质条件变化是造成隧道塌方的主要原因。《工程地质勘察报告》对地层、岩性、大型构造等描述正确，但由于不是100%揭露或布置大量钻孔（没有必要也不可能），局部不准是我们必须注意的。对围岩较弱地段、断裂发育地段，必须严格按照 “短进尺、强支护、早封闭”的施工工艺进行施工。

6.2 水是隧道施工中最难控制的因素之一。在隧道施工中，应认清地下水是一个体系，随时随地都在变化，受地形、地貌、地质、气候等条件影响。今年明年不同，雨季旱季不同，晴天雨天不同。需特别注意地下水的变化，久雨暴雨后应注意观察含水量的变化。凡要穿过冲沟、峡谷时，必须提前做好防排水和防止塌方的一切准备。只要发现岩体有潜水，就要抓紧对地表水进行引导疏排，尽可能将渗入地层的水源切断，或强化支护，以确保隧道顺利通过软弱地带。

6.3 在隧道施工中，必须加强监控量测。该隧道塌方发生时，仅上导坑开挖支护完成，量测项目仅有拱顶下沉布点，间距较大，塌方最初从边墙发生，后来扩大到洞顶，拱顶下沉没有变化，和布点间距较大有关，应加密观测。

6.4 在隧道施工中，必须采用及时正确的施工工艺。正确理解新奥法，特别是监控量测对施工的指导意义，如遇到监控数据发生变化，或地质条件突变时（如遇到岩体破碎软弱、地下潜水较大时），要及时修改支护参数，加强超前支护。严格控制放炮药量，减少对围岩的扰动。隧道一旦出现塌方迹象时，必须尽快制定临时处理方法，短进尺，慢进尺，使支护达到一定的强度时，再进行下一环施工，并组织精干队伍抓紧进行处理，防止塌方蔓延、扩大。

6.5 隧道坍方处理是一项艰难而复杂的作业，处理方法也很多，需根据塌方的规模、部位、具体情况而确定。

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