隧道塌方原因与处理——以大山塘隧道为例陈亚林（广东省地质勘查局704地质大队，湛江 524018）摘要根据新奥法支护结构设计原则对隧道塌方原因进行了分析，认为未能充分利用新奥法原理指导施工，或所采取的施工方法不当，以及施工过程的不规范行为是造成隧道塌方的主要原因。
并以大山塘隧道的塌方处理方案为例，运用平衡拱理论，指导和制定塌方处理方案，对同类围岩隧道施工具有一定的借鉴意义。
关键词新奥法塌方软弱围岩平衡拱隧道由于新奥法在隧道工程中的成功应用，当前已被我国作为隧道结构设计和施工的重要方法。
虽然锚喷支护的应用为隧道大面积开挖施工创造了有利条件，隧道施工进度也大大加快了，然而已施工锚喷支护的隧道发生塌方的事故仍经常发生，其原因主要是存在不良的地质及水文地质条件、设计考虑不周、采取的施工方法和措施不当所造成。
1 隧道塌方的原因分析1．1 对新奥法理论认识不足现阶段隧道的开挖都以新奥法理论为指导，但在实际施工中，常存在未能按规定进行量测，或信息反馈不及时，导致决策失误、措施不力而造成塌方的现象。
所谓新奥法1，其基本要点是：(1)开挖作业宜采用对围岩扰动较少的控制爆破技术和较少的开挖步骤，避免过度破坏岩体的稳定；(2)隧道的开挖应尽量利用围岩的自承能力，充分发挥围岩自身的支护作用；(3)根据围岩特征，采用不同的支护类型和参数，及时施作密贴于围岩的柔性支护如钢拱架、喷射混凝土和锚杆等，以控制围岩的变形和松弛；(4)在软弱破碎围岩地段，使断面及早闭合，以有效地发挥支护体系的作用，保证隧道的稳定性；(5)二次衬砌原则上是在围岩和初期支护变形基本稳定的条件下修筑，使围岩和支护结本文2005年11月收到，12月改回。
构形成一个整体，从而提高了支护体系的安全度；(6)尽量使隧道断面周边轮廓圆顺，避免棱角突变处应力集中；(7)通过施工中对围岩和支护结构的动态观测，合理安排施工程序，修正不合理的设计和进行日常施工管理[1]。
分析隧道塌方也即分析已支护围岩受破坏的原因，就必须理解新奥法支护结构设计原理，新奥法支护结构设计原则为：（1）隧道围岩形成塑性滑移楔体，造成支护结构的剪力破坏；（2）支护结构与围岩粘结紧密，两者共同工作，形成无弯矩结构；（3）由锚杆、钢支撑、喷砼等所提供的支护抗力，应与塑性滑移楔体的滑移力相平衡[2]。
从（2）可知，锚喷支护结构要成为无弯矩结构，其前提是支护结构与围岩二者共同工作，二者须粘结紧密，而实际施工中往往因为超挖严重而进行回填，这样支护结构就不能有效地与围岩粘结紧密或因为围岩表面光滑喷砼也无法有效与围岩粘结紧密，由于上述原因，锚喷支护结构违背设计原则，存在塌方隐患；从（3）可知围岩在施工锚喷支护后不断收敛而最终趋于稳定的前提是支护抗力大于或等于滑移力。
如果设计支护抗力小于滑移力或由于施工方法不当造成支护抗力小于滑移力皆可导致塌方。
1．2 采用施工方法和措施不当施工中经常存在：施工方法与地质条件不相适应，地质条件发生变化，没有及时改变施工方法；施工支护不及时；地层暴露过久，引起围岩松动、风化；忽略了围岩的变形规律，围岩的变形同时具有连续变形和突然变形的特征。
当开挖距离小于D（D为隧道开挖宽度）时，围岩两端由于受到二次衬砌砼和开挖掌子面支撑的约束作用，连续变形很小，主要是爆破后的受震动影响的突然变形，而且在这个距离范围内由于衬砌和开挖面支承的“空间效应”的影响，即使初期支护抗力不足围岩滑移力亦不至于失稳，当这个距离为1.5D～3D时，“空间效应”的影响完全消失，初期支护抗力小于滑移力的问题即刻暴露出来，围岩急剧变形，极易引起塌方。
1．3 施工工艺及操作欠规范，工程质量不合格施工过程中存在的工艺操作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一个重要原因，常发生的施工质量问题有锚杆长度不足；锚杆砂浆不饱满或强度尤其早期强度不足；喷砼强度厚度达不到设计要求；钢支撑未完全由喷射砼包围密实或钢支撑与围岩之间存在空隙及钢支撑未置于稳定坚固的基础上等。
以上质量问题直接造成支护抗力未达到设计要求或围岩未粘结紧密使无弯矩结构产生弯矩而导致塌方。
2 塌方的处理依据塌方的处理必须建立在对塌方正确认识的基础上，塌方处理方案的制定如同战斗方案的制定，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，故一般的处理原则是先巩固后方，防止塌方扩大，然后以安全的后方为依托或掩护再向前进行处理。
经验认为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。
2．1 普氏平衡拱理论前苏联学者M·M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 /f m(m)式中：b平衡拱的半跨度（m），f m岩石坚固性系数。
土层：f m=tgφ；岩石：f m=R/10 。
其中：φ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，即拱部塌方时，平衡拱宽度就是开挖宽度，即b=b t（图1）图1平衡拱宽度示意图当侧壁不稳定时，平衡拱宽度为：b=b t+H t·tg（45°-φ/2）式中：H t隧道净高（m）；b t隧道净宽之半（m）（图2）。
2．2 塌方稳定分析及处理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，否则，不是冒险就是加大投入。
一般情况下塌方发生后1～2天就基本稳定，除个别掉小块外，不再有大的坍塌，这时可根据工程地质图2侧壁不稳时平衡拱资料及试验结果，确定岩石坚固性系数，再根据开挖情况，即可按平宽度示意图衡拱公式确定塌方高度，与现场对照，如果计算与实际基本相符，则说明塌方已经基本稳定，否则就要慎重对待。
经过平衡拱稳定分析，确定塌方稳定后，即可着手进行处理，第一关键步骤就是对塌穴进行喷射砼处理。
喷砼后，即使塌穴有危石或个别坍塌亦会及时发现，喷射砼在围岩面形成一保护层，亦是判断塌方稳定与否的最有效、最直接的参照或依据。
之后即可出渣，出渣范围依据即将准备衬砌的范围确定，为了安全，不宜太长，边出渣边对侧壁进行支护。
塌方段的永久支护结构及施工顺序的确定是最后一个关键，通常塌方段的支护结构从上至下依次为回填、护拱、衬砌，直观上施作护拱然后在护拱保护下施作衬砌是安全的，而实质上施作护拱本身就极为困难而且危险极大。
实践证明先施作衬砌，然后施作护拱及回填是既安全又经济的办法，但这种方法有一个前提，就是开挖宽度不再扩大（极个别除外），衬砌的加强可采取增加钢轨或型钢及提高砼标号的方法来实现。
衬砌浇筑后，平衡拱的拱脚就受到约束，塌方就更进一步稳定了，往后的施工就更安全了。
3 塌方及处理实例—大山塘隧道的塌方过程与处理方法3．1 隧道简介大山塘隧道是西南大通道（重庆—湛江）广西境内寨任二级公路的重点工程之一，位于广西河池市西北约50 km处的大山塘山上。
山体呈SN走向，两侧山坡坡度为30～58°不等，山坡植被良好，隧道呈近EW走向横穿山体，最大埋深68 m，丹池大断裂于附近通过，整座隧道处于沟谷、围岩软弱以及地下水丰富地段，且洞口段属浅埋偏压类型。
隧道全长410 m，设计隧道宽度10.5 m，净高 5.0 m。
设计Ⅱ类围岩155 m,Ⅲ类围岩125 m，Ⅳ类围岩130 m。
3．2 隧道工程地质及水文地质条件据开挖后实际情况观察，地质围岩为强至中风化炭质页岩、粉砂质页岩夹泥质页岩，岩石抗压极限强度5.2～6.0 MPa，受大断裂构造影响，岩层褶皱构造强烈，隧道地层出现小挤压和压扭断层，节理发育，裂隙纵横交错，层理产状不规则，岩层风化严重，局部呈软弱夹层产出，岩石经开挖暴露后极易风化变软，若初喷砼不及时，开挖面常有掉块造成超挖现象。
地下水位较低，没有发现有大股地下水出露，但地下水沿节理裂隙渗漏现象普遍，水质对混凝土无侵蚀性。
3．3 塌方过程隧道在施工过程中,发生一次较大的坍塌，坍塌方量约800 m3。
塌方段距洞口82 m，属Ⅲ类围岩，距开挖面17.3 m，为 1.76倍开挖宽度，属“空间效应”失效范围，此段围岩为中─强风化炭质页岩，受地质构造作用影响岩层节理极发育，岩石较松散破碎，初支后的砼表面有不规则裂缝出现，地下水不断渗漏，经监控量测结果表明围岩及初支有不稳定趋势，即围岩滑移力在不断加大，来不及二次衬砌砼施工而塌方已发生，坍塌物均为松散块状片石，大部分块径为10～25 cm，少量为35～46 cm，塌方稳定后测量，坍塌高度为11.71 m，与平衡拱理论计算高度相吻合。
3．4 处理方案用平衡拱理论分析坍塌趋于稳定后，即着手对塌方进行处理，步骤如下。
（1）清除个别危石：塌方成拱稳定后，新形成的临空面在空气、地下水的共同作用下，会迅速风化变软，层间粘结力迅速减弱，产生危石、悬石不断掉块等现象，危害施工安全，必须认真观察并清除。
（2）对已清除危石后的临空面进行喷射5～15 cm厚C25砼进行封闭，以减少空气对围岩的氧化作用。
（3）出渣，出渣范围视围岩稳定性、坍塌体安全性以及依据衬砌长度确定；（4）拱脚处设置Φ22 mm锁脚锚杆，长3.50 m，间距1.00 m，以确保下部开挖时侧壁的稳定；(5)衬砌厚增加至80 cm，且于二次衬砌砼中增设50 kg/m钢轨作拱架予以补强，间距1.00 m，拱架纵向联结用18 kg/m钢轨焊接牢固，环向间距1.00 m，防排水结构与原设计相同，与已施工段粘接密实。
（6）衬砌外轮廓施作C20砼护拱，护拱厚80 cm，施作护拱前于防水板顶面铺设一层塑料膜，以保护防水板防水作用及土工布渗导水作用不致破坏。
（7）护拱以上塌空区采用袋装弃渣回填至满，拱顶较高段回填最小厚度不小于 2.0 m （图3）。
3．5 实施及效果对坍塌洞穴临空面进行喷射砼后，塌穴掉块现象停止了，第一次施作衬砌砼长为 1.50 m，而且选择在白天进行，主要是防止施工方案有不完善之处，或出现意外时施工人员能躲避较为及时。
第一次衬砌后，经观测塌穴基本无变形，所以往后的衬砌长度加大至 4.50 m，另外，隧道右侧部图 3 隧道坍塌处理断面图分初期支护尚未破坏，二次衬砌厚度仍按原设计50 cm执行，其余地方按80 cm实施，部分拱脚塌方破坏后扩大，在起拱线以上 1.0 m范围内与二次衬砌同时浇注砼回填，待二衬砼达到强度后及时施工护拱砼及洞穴回填施工。
塌方段处理后，在继续掘进时，以格栅超前锚杆作为延长加强支护 5.0 m，格栅间距为0.5～0.8 m/榀，穿过塌方段4～5 m后，再衬砌 3 m拱圈。
至此塌方完全处理完毕，整个处理过程再无发生坍塌现象,且无任何安全事故发生。