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地下洞室施工中的坍方原因浅析与防治方法简介

1 前言
在铁路、公路的越岭隧道,城市地铁及车站、水工隧洞、人防及地下工程洞室开挖中,顶拱及边墙塌落或冒顶统称坍方。坍方不但影响工程进度，造成较大的经济损失，而且直接危及施工安全，影响施工质量。因此在地下洞室施工中，应认真进行地质分析，找准可能引起坍方的原因，并加以认真研究，制定切实可行的支护方案和坍方治理措施是施工中的重要工作。
2 引起坍方的原因
2.1 施工方法不当造成的坍方
2.1.1在编制实施性施工组织设计时，没有认真研究设计单位提供的地质资料，没有认真进行现场地质情况调查分析，对可能存在的断层涌水等危害性较大的地质情况估计不足，未提出相应的技术措施，缺乏技术储备和物质准备，一但发生坍方不能及时处理，使小坍变大坍。
2.1.2在洞室开挖中，没有认真观查和分析围岩地质情况，更没有对地质条件进行超前预报或超前调查，一味追求进度，在地质条件发生变化的情况下，仍按原开挖方法，钻爆方案，支护参数盲目施工导致坍方。
2.1.3实施性施工组织设计确定的开挖方法、钻爆方案、支护参数不尽合理，在施工中没有及时调整造成坍方。
2.1.4施工中管理不力，偷工减料，未按设计安装布置锚杆，锚杆人为裁短、间距加大、灌浆不满，喷射砼厚度不够或标号偏低，岩面未认真清理使砼与围岩结合不紧密，凡此种种造成支护强度不够引起坍方。
2.1.5未认真进行钻爆方案设计，随意爆破，大面积扰动围岩，造成坍方。
2.1.6未开展监控量测工作，对围岩的变形情况不了解，对支护结构是否可靠不知道，不能及时对围岩变形进行约束。
2.2 特殊地质构造引起的坍方
2.2.1地质构造组合不利
当地下洞室通过褶皱构造、断层和节理裂隙发育地带，或在岩层与土层交界处穿越，围岩被分割成中厚层块状结构，层块间多夹有软弱夹层，在爆破震动作用下，往往发生坍方掉块现象，特别当洞室轴线与岩层走向夹角较小时，更容易发生较大的坍方事故，这种小规模的坍掉往往来得突然，危害较大。坍掉部位主要与构造面走向有关，当构造面走向与洞室轴线基本一致且岩层倾角较大时坍方往往发生在拱顶，倾角较大时发生在拱顶和岩层倾向洞室边墙一侧，若多个构造面交汇则拱顶和边墙均可发生。

2.2.2断层带
在较大断层或断层带附近或数条断层交汇处，由于断层附近岩体松散破碎，风化严重，断层中又多夹有断层泥等充填物，因此在断层中开挖洞室很容易发生较大坍方，塌落拱形状多受断裂构造面控制。
2.2.3地下涌水
洞室掘进过程中，若前方有较大的富水断层，施工中突然被打穿或接近断层时，具有一定水头压力的地下水向洞室集中涌出，将断层中的破碎岩体和充填物冲刷掏空，引起断层坍方。
2.2.4岩爆
在有地应力(构造应力)的围岩中开挖洞室，洞室形成后围岩失去约束，应力被突然释放，将岩石从围岩中弹出。
以上各种因素都不是独立存在的，往往都是多种并存，如在褶皱地带经常出现断层、破碎带，而断层、破碎带一般又是地下水富集的地方，因此应予综合分析。
3 坍方的预防措施
3.1 管理措施
3.1.1提高管理者素质
引起洞室开挖坍方的原因虽然很多，但一些人为的原因只要加强管理是可以克服的。笔者就多年的现场感观认为，首先应提高管理者的技术素质，因为在一些工期压力较大的工点，忽视方案研讨、物质储备、岗前培训，片面强调施工进度要求，一旦发生坍方事故，又更加剧了工期压力，这是十分不可取的。
3.1.2加强分包队伍管理
在企业走向市场化的今天，现场管理主要以分包和劳务合作为主，这些合作队伍主要以个人所有制存在，以追求最大的经济效益为目的，信誉较差，而我们自身的管理体制又有待完善，往往存在以包代管，包后不管的现象，给分包队伍偷工减料提供了方便。特别在洞室防坍支护结构的施工中，往往存在侥幸心理，不按设计施作，而管理者却视而不见，作多作少按设计数量验工，甚至不作也验工。这是洞室支护质量存在问题的关键所在，势必造成坍方事故发生。因此加强对自身队伍的约束和对民工队伍的管理十分重要。
3.2 技术措施
3.2.1勤于观测
在地下洞室施工中，加强现场观察是防止洞室坍方的重要手段，在施工中应设专职地质工程师，随时观察工程地质和水文地质的变化情况。特别在围岩风化程度加剧、强度降低、节理走向趋于一致，风钻供水沿节理裂隙漏走、反溢量少，裂隙水突然增多、变化异常、位置不确定，预示前方有断层或特殊情况存在，应做好相应的准备工作。在结构复杂、围岩条件相对较差的洞室开挖施工中，必须加强监控量测工作，配置专门人员负责日常的量测、数据分析归纳、信息反馈，及时掌握围岩的变形情况，以便合理的确定支护施作时间，支护的结构参数。

3.2.2合理分块、缩小进尺
地下洞室的出入口，一般覆盖层较浅，且多为松散的坡积层、地表残积层，在这些不良地质段开挖，须合理分块，缩小断面，减小开挖跨度，以提高围岩自稳能力，必要时尽量采用锹、镐刨挖，必须放爆时采用密打眼、少装药、微振动爆破。
3.2.3及时支护
支护是预防坍方的主要措施，洞室坍方一般来说不是开挖后立即发生，有一段自稳时间，在这段时间中围岩内应力在进行自我调整，如果在围岩初始变形趋于结束及时支护，围岩就不会因暴露时间过久，失去平衡发生坍方。因此及时支护、加强支护是十分重要的防坍手段。支护形式主要以锚、网、喷为主，在断层带一般采用以超前注浆管棚加格栅钢架或型钢拱架支撑为主。锚、网、喷支护参数根据不同的围岩类别，采用工程类比法确定，在实际施工中再根据监控量测信息进行调整。而超前注浆管棚主要根据现场地质情况确定。
3.2.4超前排水
在水文地质条件较差的地下洞室施工中，排水是防坍的主要手段，当围岩突然出现较大渗漏水时首先应了解节理、裂隙、破碎带的产状结构，再根据水文预测情况，在将要穿越的富水带前钻孔排水后，采用超前灌注水泥、水玻璃浆液或其它化学浆液防水，使地下水不致影响到后续施工质量。
3.2.5灌浆固结
在围岩松散、破碎或大断面洞室开挖中，锚喷支护难于形成有效的压力拱时，在这种情况下，如果洞室覆盖层较小，可进行地表灌浆，将洞室顶部破碎围岩固结为整体，以改善围岩的稳定性。如果洞室埋深较大，地表灌浆较难，可在洞室掌子面前沿开挖轮廓线超前钻孔灌浆，将掌子面前破碎围岩体固结后再开挖。
3.2.6冷冻固结
在含有水分的砂土质地层中开挖洞室，可采用大功率冷冻机将地下围岩冻结，冻结的深度和范围根据实际情况决定。但在低温条件下衬砌砼须采取特殊的质量保护措施。
4 坍方治理措施
由于地质构造是千变万化的，地质调查不可能将各种情况都搞清楚，因此要绝对避免坍方事故是十分困难的，当坍方事故发生后须认真研究，采取合理的治理措施，切忌盲目出碴，以防坍穴顶部未稳再次坍方造成人员伤亡。
4.1 治理原则
4.1.1深入坍方现场认真观察，分析坍方原因，弄清坍方规模、类型和发展趋势，认真核对地质构造和地下水文变化情况，在方案未确定之前严禁清坍。
4.1.2在坍方之后，应首先加固坍体四周围岩，托住顶部，防止坍方继续扩大，如果坍方是因为围岩山体滑移或古滑坡复活，应先治理滑移边坡，边坡稳定后再进洞清坍，如果坍方已冒顶，应首先处理地表坍坑，防止地表水进入洞室。
4.1.3有地下水活动的洞室坍方，应先治水后治坍。
4.1.4在坍方治理前应认真组织队伍，加强安全教育，制定并落实安全措施，充分组织
施工机具材料，做到精心组织精心施工。
4.2 治理方法
坍方治理应根据不同的坍方类型、不同的规模以及现有的施工条件，制定合理的治理方案，达到安全经济的目的。
4.2.1对于裂隙扩张造成的坍方，主要是由于洞室形成后，围岩失去约束，加上爆破扰动引起，这种坍方规模小，主要以边墙坍滑和拱顶掉块为主，发生较突然，治理以锚喷为主。
4.2.2中、大型坍方多发生在断层破碎带、褶皱构造及地下水活动剧烈地带，特别当洞室高跨比十分不利时易发生较大坍方，甚至冒顶，这种坍方一般有以下治理方法。
① 挿钎排架法
在开挖轮廓线外按5～8°外挿角度向掌子面前方挿打钢筋或钢钎。挿钎尾端安装钢支撑，形成挿钎棚架，在棚架下出碴，衬砌紧跟开挖面。这种处理方法，衬砌砼整体性较差，在水工洞室中不宜采用。
② 管棚法
根据采用的钢管管径大小，裕称小管棚和大管棚，小管棚的管径42～50mm，大管棚的管径80～110mm，由于坍体十分松散，成孔较困难，小管棚一般采用人工挿打，因此其长度受到限制，施工难度较大，一般大型坍方采用大管棚支护，用导管钻机将钢管钻到设计位置后管内压注坍落度较大的高标号砼，增大钢管抗弯刚度。钢管下面按一定间距安设型钢钢架支撑，形成钢管棚架，然后出碴，喷射砼。这种治理方法可一次衬砌砼4.0～6.0m，减少了衬砌施工缝,能保证施工质量。
③ 砼挑梁法
在洞室顶部衬砌外轮廓线以外，顺洞室轴线开挖小导坑，然后用钢筋混凝土回填，这样布置多根砼挑梁，其前端由坍体前方完整围岩支撑，后端可做一段砼衬砌支撑，挑梁砼达到一定强度后即可在下面出碴。
4.2.3冷冻法
冷冻治坍方法同前述防坍技术措施。
5 结束语
①地下洞室开挖施工中的坍方原因，总结起来就是主观原因和客观原因，主观原因是可以通过不断提高自身素质、改进管理体制克服的。客观原因是可以通过不断调查、认识它达到掌握其变化规律的，总之，人的素质是第一位的。
②确保地下洞室施工安全，防止坍方发生的方法在于：充分调查和分析地质情况；合理选择开挖方法和支护形式；加强施工队伍的现场管理。