论文大鞍口隧道塌方原因分析与处理学士学位论文.doc

隧道塌方原因分析与处理*（福建省第二公路工程有限公司）提要：从不良地质、地形地貌及地下水等方面分析了隧道塌方的原因，从“新奥法”及“普氏平衡拱理论”论述了处理隧道塌方的依据，并提供了具体的塌方实例处理方案，可为类似工程提供参考。主题词：隧道 塌方原因 处理依据 实例1、塌方原因分析隧道开挖时，因土压等作用和地层出现临空面后的应力调整，在软弱围岩内产生裂缝或破坏，或者是由于围岩内有的层理和节理等松弛、剥离，使岩石和泥砂等发生大量塌落的现象，称之为塌方。它是和剥落相类似的现象，但塌落的规模比剥落大。塌方过程大致为：开挖围岩塑性变形支护过大变形支护局部破坏支护与围岩破坏失稳塌方。隧道开挖时、开挖后、施工支护后，甚至在衬砌之后，都可能发生隧道塌方。11 不良地质隧道穿过断层及其破碎带，或在薄层岩体的小曲褶 、错动发育地段，一经开挖，潜在应力释放快、围岩失稳，小则引起围岩掉块、塌落，大则引起塌方。当通过各种堆积体时，由于结构松散，颗粒间无胶结或胶结差，开挖后多引起坍塌。12 地形、地貌因素1）隧道穿越地层覆盖过薄地段；2）隧道穿越地表水源如水塘、水库、沟槽、冲沟等地段；3）隧道穿越地面构造物，而且埋深浅如城市地铁隧道，城市过街隧道等；4）影响隧道洞口安全与隧道洞身稳定的不良地质和特殊地层崩坍、错落、岩堆、滑坡、人为坑洞、泥石流、断层、流砂、膨胀岩、岩溶、岩爆等，这些都是常常引起塌方的地质条件。13 地下水因素水是造成塌方的重要原因之一。地下水的软化、浸泡、 冲蚀、溶解等作用加剧岩体的失稳和塌落。岩层软硬相间或有软弱夹层的岩体，地下水的作用下，软弱面的强度大为降低，因而发生滑塌。14 其它原因隧道设计方面的原因：质地调查不细、设计方案不适合围岩，支护强度、刚度不够。施工过程中存在的工艺操作、施工方法、施工技术、施工工艺等不符合施工技术规范要求，施工管理不到位，质量意识、安全意识不强也是造成塌方的另外一个重要原因。2、塌方的处理依据21 理解新奥法的基本要点 1）洞室开挖后，应使围岩自身承担主要的支护作用，而衬砌只是对围岩进行加固，使成为一个整体而共同发生作用。因此，须最大限度地保持围岩的固有强度，以发挥围岩的自承能力。如及时喷混凝土封闭岩壁，就能有效地防止围岩松弛，而不使其强度大幅度降低，同时也不存在因顶替支撑而使围岩变形松弛。总之应使围岩经常处于三轴应力约束状态，最为理想。 2）预计围岩有较大变形和松弛时，应对开挖面施作保护层，而且应在恰当的时候敷设，过早或过迟均不利。其刚度不能太大或太小，又必须是能与围岩密贴，而要做成薄层柔性，允许有一定变形，以使围岩释放应力时起卸载作用，尽量不使其有弯矩破坏的可能。3）衬砌需要加强的区段,不是增大混凝土的厚度,而是加钢筋网、钢支撑和锚杆。4）为正确掌握和评价围岩与支护的时间特性，可在进行室内试验的同时，在现场进行量测。量测内容为衬砌内的应力、围岩与衬砌间的接触应力以及围岩的变位，据以确定围岩的稳定时间、变形速度和围岩分类等最重要的参数，以便适应地质情况的变化，及时变更设计和施工。量测监控是新奥法的基本特征，量测的重点是围岩和支护的力学特征随时间的变化动态。衬砌的做法和施作时间是依据围岩变位量测决定的。 5）岩层内的渗透水压力，必须采取排水措施来降低。22 普氏平衡拱理论 前苏联学者MM普洛托雅克诺夫（简称普氏）以松散理论为基础，认为在松散介质中开挖隧道后，隧道上方将形成抛物线的平衡拱，平衡拱高度h为： h= b /fm(m) 式中：b 平衡拱的半跨度（m），fm 岩石坚固性系数。 土层：fm=tg ；岩石：fm=R/10 。 其中： 土的摩擦角； R 岩石的抗压极限强度(MPa)，取值应考虑岩石天然层理、裂隙及节理的影响。 在隧道侧壁稳定时（假定坑道两帮岩体稳定（ f2），而坑道顶部岩体不稳定，会发生冒落而形成自然平衡拱，即拱部塌方时，平衡拱宽度就是开挖宽度，即b=bt（图自然平衡拱力学模型1）当侧壁不稳定时，平衡拱宽度为：b=bt+Htg（45-/2）， 式中：H 隧道净高（m）； bt 隧道净宽之半（m）（图2）。23 塌方稳定分析及处理塌方的处理必须建立在对塌方正确认识的基础上，对塌方后的稳定情况能否做出正确的判断是制定处理方案的关键，如果方案不当或失败，不但导致更大的经济损失，而且可能造成人员伤亡。一般的处理原则是先巩固，防扩展，后处理的原则，要求处理塌方宁早勿迟，宁强勿弱。实践证实塌方发生后在一定时间内就会趋于稳定，形成自然拱，而自然拱的高度、宽度与普氏平衡拱理论计算结果基本相符，以普氏平衡理论和“新奥法”原理为依据来指导塌方处理，经实践证明是行之有效的。对一般塌方可直接进行塌体处理，而对塌体破碎松散、影响范围大的塌方一般分为初期处理与塌体处理两部分。1）初期处理的目的是为了防止塌体的继续发展，一般分步采取如下措施： 封闭塌体、设置3060cm厚止浆墙，加固塌体后方。普氏平衡理论在塌方处理中的重要性在于：表明在一定的地质条件下，塌方高度与开挖宽度成正比，即只要开挖宽度不变，就不会有新的坍塌，应用其塌方高度计算公式计算塌方高度的目的在于，初步判断目前塌方高度是否已达到对应目前宽度的理论计算值，进而判断塌方是否已趋于稳定。由于围岩并不象普氏理论假设的那样为均质，所以，实际塌方轮廓也不是理想的抛物线形。在定性做出塌方稳定的判断后，也不能排除个别小石块的松动吊落的可能。因此，就有应用“新奥法”原理处理塌方的另一重要步骤：及时对塌穴作喷射混凝土处理，此步骤的重要性不在于喷射混凝土本身强度对塌穴的支护作用，而在于形成平衡拱的围岩本身具有一定的自稳能力，但由于围岩的不均质，可能有小石块松动掉落，进而引发较大的坍塌，而喷混凝土附着在围岩表面上，围岩变形就会及时反映在喷射混凝土表面上，为准确判断围岩稳定提供强有力的依据。在塌方后方5m10m范围内采用钢支撑及小导管注浆进行加固。 如塌方踏至地表，则应对塌方漏斗地表进行截水处理。待洞内处理完毕后，采用土石夯填到略高出原地面，待土下沉稳定后，用M7.5浆砌片石铺砌，铺砌厚度高出原地面，以防止地下水流入塌腔。2）塌体处理塌体处理一般是在初期处理完毕后或塌方暂时进行。常用的方法有管棚、小导管注浆法、预留核心土开挖法、二次衬砌加强法及回填法等，并在处理过程中加强监控量测工作，用量测信息动态指导施工。 预留核心土开挖法。“新奥法”原理要求软岩地段或塌方段施工始终坚持“弱爆破、短进尺、强支护、早封闭、勤量测、紧衬砌”的原则。预留核心土开挖，环形开挖进尺不应过长，以0.51.0m为宜，以人工配合挖掘机为主，辅助弱爆破，出渣采用挖掘机或装载机装，自卸汽车运输；每循环进尺为一榀拱架间距，这样就在不扰动围岩的情况下安全顺利地通过塌方体。 二次衬砌加强及回填法。因为塌方段衬砌荷载比为塌方前增大，所以衬砌要加强，加强衬砌应优先考虑采用提高混凝土标号和在衬砌内加钢筋或型钢或钢轨，以及近一步采取加固稳定塌穴以减少衬砌荷载等措施。回填材料避免采用松散材料，尽可能使用回填本身具有自承能力且高度要求为6m。3、塌方及处理实例大鞍口隧道的塌方过程与处理方案 31 隧道简介 大鞍口隧道位于大川头镇头道沟村二组与三歪村之间，北东-南西向展布。隧道左线长990m、右线长955.6m，设计隧道宽度10.25m，净高5.0m。围岩级别洞口段为级、洞身段为级。32隧道工程地质及水文地质条件 设计洞口段为强风化构造角砾岩，碎屑泥质结构，碎屑呈棱角状、眼球状。挤压、褶皱明显，遇上软化，岩体破碎。隧道顶板围岩主要为弱风化变粒岩，节理裂隙较发育，洞体围岩完整性、整体性较差，岩体破碎较破碎。本区属大陆性北温带气候，68月降雨量最大，隧道洞口两侧沟谷中有地下水溢出，为基岩裂隙水及第四系孔隙水，水量呈季节性变化。隧道开挖可产生滴水及渗水现象。 33塌方情况大鞍口隧道左线上台阶于2010年6月份贯通，在 7月12日拆换K104+135初期支护时（由于围岩变形过大，初期支护侵入二衬界限12cm，二衬厚度不足），拱顶右上侧围岩出现掉落、坍塌，坍塌约56m3，次日早坍塌口环向约3.5m,纵向约2.5m，拱顶围岩继续掉落、坍塌，至中午坍塌口与堆至拱顶，坍塌体纵向长28m，K104+110K104+130拱顶初期支护混凝土有剥落现象，边墙部位出现纵向裂缝。7月21日，发生冒顶。经对塌方的原因进行调查分析，其原因为：实际地质与设计的地质不吻合，原设计的初期支护强度较弱。原设计地地址为弱风化变粒岩，节理裂隙较发育，隧道顶板、洞体围岩完整性、稳定性较差，岩体破碎较破碎，围岩级别为级。经实际开挖后掌子面岩性为全-强风化变粒岩，颜色杂，岩石大部分已风化呈土状，手可捻碎，遇水易崩解，期间夹有少量强风化岩块。局部出现断层，多出现在两侧拱腰处，可见黑色-灰黑色-灰白色断层泥及断层角砾、断层檫痕。34处理方案1）初期处理 塌方后方通化端K104+110K104+130段20米设置临时环向闭合的钢拱架进行支撑，采用I16工字钢，间距0.4m一榀，工字钢架间设20的纵向连接钢筋，其环向间距1m；然后对新设立的拱架背面进行喷射砼，保证钢拱架与旧的初期支护面密贴，形成整体共同受力。 进、出口两端的塌方体坡面喷射30cm厚的C25早强混凝土封闭，其中设置一层8钢筋网，间距20cm*20cm。 地表塌穴周围临时设置截水沟。 加强塌陷区及其周边5米10米的地表沉降观测，若变形收敛情况及时向有关各方汇报。2）塌体处理按如下顺序和注浆加强方案处理塌方。洞周松散塌体和软弱围岩注浆加固，加强超前预支护、初期支护和二次衬砌的强度，具体如下： 塌体体后方丹东段K104+075-K104+132.5大变形段采用505mm热轧无缝钢管对隧道周边围岩系统注浆加固。注浆深度范围：开挖轮廓线外5米，单根注浆管长5米，1.0m1.0m梅花型布置。环向设置范围：拱部和侧墙。 K104+132.5-K104+135塌方段采用505mm热轧无缝钢管对洞周松散塌体和软弱围岩注浆加固，塌方段注浆分别从进出口两个方向实施。注浆深度范围：开挖轮廓线外5米，塌方两侧各设置一环，环向间距40cm，分45和70两种外插角间隔打设，45外插角的单根注浆管长4米，70外插角的单根注浆管长6米。环向设置范围：拱部和侧墙。 K104+075-K104+135段初期支护钢拱架采用20a工字钢，间距0.5m，喷射C25早强砼厚度26cm，开挖一榀就及时支护一榀进行穿越塌体掘进。 提高二次衬砌的支护强度，由原设计级衬砌类型调整为的衬砌类型。35实施效果 经初期对坍塌体进行喷射混凝土封闭及对初期支护变形部分设置临时钢支撑后，经量测结果显示变形明显减小并趋于稳定。对塌体处理按“新奥法”为原理指导施工至塌方完全处理完毕，整个处理过程再无发生坍塌现象,且无任何安全事故发生。4、结束语 1）由于隧道地质条件复杂，在开挖施工过程中出现塌方现象有所难免，准确分析事故原因，并及时采取一系列有效措施，有效控制塌方；2）加深对“新奥法”的理解，坚持按“新奥法”原则施工，“新奥法”施工原则应贯穿至日常施工各环节，贯穿到每道工序、每个工班、每位职工；3）做好抢险过程中的安全防护工作，确保抢险人员和机具的安全。