云南省公路隧道塌方原因及对策分析.doc

云南省公路隧道塌方原因及对策分析 摘要 云南省公路隧道相当部分需要穿越滑坡、断裂破碎带等不良地质，隧道塌方情况时有发生，塌方处治加大了工程资金投入，影响工期，同时对施工人员的生命安全也构成了巨大威胁。隧道塌方的原因较为复杂，只有掌握工程地质条件，充分了解设计意图，严格控制施工方法、施工程序，才能有效地规避隧道塌方的发生。 abstract considerable parts of yunnan highway tunnels need to cross the adverse geology, such as landslide and the fractured zone, tunnel collapse happens occasionally. the collapse treatment increases project funding, which affects time limit for the project, at the same time, threats to the lives and safety of the construction workers. the reasons of tunnel collapse are more complicated, only mastering engineering geological conditions to fully understand the design intent and conduct strict control of construction s, construction procedures, can we effectively avoid the occurrence of the tunnel collapse. 关键词 公路隧道；塌方；新奥法；原因；对策 key words highway tunnel；collapse；new austrian tunneling ；reason；countermeasures 0 引言 近年来，云南省交通建设如火如荼,而云南复杂的地形地质，使大部公路隧道处在滑坡、断裂破碎带、软弱岩层中。在云南省的公路隧道中新奥法已被成功应用，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，提高了隧道施工进度，但是云南省已完成锚喷支护施工的多条公路隧道频频发生发生塌方事故，主要是由于采用了不合理的施工设计和施工措施，加之当地水文地理环境差，显然发生塌方事故是不可避免的。 1 隧道塌方的原因分析 1.1 对新奥法原理认识不足 目前，公路隧道支护设计都以新奥法原理为指导，但实际施工时，现场量测一般都达不到设计要求，且无法实时反馈现场信息，这样会误导上级决策，采取不恰当的施工措施，最终发生塌方事故。 所谓新奥法，就是应用岩体力学理论，以维护和利用围岩的自承能力为基点，采用锚杆和喷射混凝土为主要支护手段，及时地进行支护，对围岩的变形和松弛，使围岩成为支护体系的组成部分，并通过对围岩和支护的监控量测来指导隧道和地下工程设计施工的方法和原理。笔者对该原理的基本要点作了简单的分析，内容如下 ①开挖时必须通过机械开挖或光面爆破和预裂爆破，尽量简化开挖流程，以免扰动围岩；②隧道开挖后，应该尽量运用围岩的自承能力，使其自身支护作用得以充分发挥；③由于围岩具有其自身的特性，应及时施作，同时采用钢支撑、喷射混凝土和锚杆等支护措施，对围岩松弛、变形等结构病害进行控制；④在软弱破碎围岩地段，可提早使断面闭合，以最大限度的发挥其自身的支护作用，确保隧道结构稳固、安全；⑤在围岩及初期支护变形基本稳定后才能开始二次衬砌施工，促使围岩和支护结构形成一个完备的体系，从而使支护体系更加安全可靠；⑥隧道断面周边轮廓应该是圆顺的，以免棱角突变的部位出现应力集中的情况；⑦施工过程中必须实时观察围岩和支护结构，并根据观察结果改进结构设计，适时调整工艺流程。 支护围岩被破坏会引起隧道塌方事故。可从新奥法支护结构设计原理入手来分析事故原因。新奥法支护结构设计其实是使隧道围岩构成塑性滑移楔体，造成支护结构的剪力破坏；支护结构与围岩紧密粘结共同协作，构成无弯矩结构；锚杆和喷砼构成的支护抗力必须与塑性滑移楔体的滑移力相同。 由此可见，只有围岩与支护结构紧密粘结、互相协作，锚喷支护结构才能形成无弯矩结构，而在现场施工时偶尔出现超挖现象，而且出现这种情况以后必须回填才能确保正常施工，由此构成的支护结构无法与围岩粘结密实，或由于围岩表面光滑喷砼也不能与围岩紧密粘结，导致锚喷支护结构不符合设计要求，可能导致塌方事故；只有滑移力小于或等于支护抗力，围岩才能在施工锚喷支护后逐渐收敛至稳定状态。若施工方案不合理，或设计支护抗力小于滑移力，均可能引起塌方事故。 1.2 施工方法和措施不合理 隧道施工所采用的设计思路过于僵化，而施工现场地理环境复杂，显然施工方案与实际情况不符；施工支护不及时，支护结构没有在规定的时间内成环；地层长期暴露在外，使围岩风化或松动；围岩的变形一般都有突变性和连续性的特点，现场施工人员没有及时发现其变形规律。开挖距离如果达不到隧道开挖宽度d，围岩两端的变形就会在二次衬砌砼以及开挖掌子面支撑的共同作用下而逐渐变小，除此以外的变形是多是爆破后由震动引发的突然变形，在这个距离范围内，初期支护抗力容易受到衬砌和开挖面支承的“空间效应”的影响，即使达不到设计要求，也不会对围岩滑移力的稳定性产生较大的影响，如果这个距离达到1.5d～3d，初期支护抗力就会彻底摆脱“空间效应”，但是如果滑移力比初期支护抗力大，就会使围岩变形，最终引发塌方事故。 1.3 施工工艺及操作不规范，工程质量不合格 施工时，若工艺流程与现场条件和施工要求不符，施工人员没有严格的质量安全意识，且不重视现场的管理，就容易发生塌方事故，而且还有可能引发其他质量问题，如锚杆太短；锚杆砂浆不饱满或早期强度达不到设计要求；喷砼的厚度、强度不达标；钢支撑间距超过施工规范；钢支撑基础不稳定，和围岩之间有空隙，或者没有被喷射砼包裹密实等。这可能使支护抗力与施工要求不符，或围岩无法紧密粘结，致使无弯矩结构出现弯矩而引起塌方事故。 2 隧道塌方的处治对策 2.1 塌方的处治依据 塌方属于常见的质量问题。要预防或整治塌方事故的发生，首先要找出认识导致塌方的根源，全面分析其可能造成的危害，根据病源对症下药，制定相应的治理方案，从而最大限度的避免塌方发生。如果整治方案不符合实际情况，就有可能带来巨大的经济损失，甚至对施工人员的生命安全造成威胁。因此，一旦发生塌方事故，首先要采取控制措施，避免事态扩大，在此基础上研究导致塌方的原因，并制定科学的解决方案。根据以往的经验得知，在塌方发生后的一段时间后结构可能形成自然拱，拱的宽度、高度与普氏平衡拱理论的计算结果一般不会产生太大差异，总的来讲，支护结构比较稳定。 前苏联学者mm普洛托季雅克诺夫（简称普氏）根据松散理论的内容，判定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 hb/fm 式中b、fm分别代表平衡拱的半跨度（m）和岩石坚固性系数。 土层fmtg准；岩石fmr/10。 其中准为土的摩擦角； r岩石的抗压极限强度mpa，应根据岩石天然层理、裂隙、节理等取值。 在隧道侧壁稳定时，即拱部塌方时， 平衡拱宽度b与开挖宽度相当，即bbt 当侧壁不稳定时，平衡拱宽度bbthttg（45-准/2） 式中ht、bt分别代表隧道开挖高度（m）和隧道开挖宽度之半（m）。 2.2 塌方的稳定分析 能否制定出科学的塌方处理方案，重点在于是否能正确判定塌方发生后的稳定情况，若没有作出准确的判断就实施整治方案无疑是冒险的举动，严重者会造成更大的破坏或经济损失。塌方发生1～2天后不会发生严重的塌方事故，情况比较稳定，现场工作人员要仔细勘探现场地质地貌，参照试验结果准确判定岩石坚固性系数，再根据开挖时的各个操作细节，通过平衡拱公式来确定塌方高度，最后把计算得出的塌方高度比照着 现场情况，若两者差距较小，则可判定塌方已基本稳定；反之则要进一步研究。 2.3 塌方的处理方法 用平衡拱理论分析塌方趋于稳定后，就可以正式开始整治塌方问题，下面是具体操作步骤①采用径向注浆及架设临时钢支撑等措施对未发生塌方段进行加固处理，防止塌方继续扩大。②清除危石塌方成拱稳定后，新的临空面暴露在空气中，而且还受到地下水的冲击，致使临空面层间粘结力降低，不断有悬石、危石掉落，对现场施工人员的生命安全带来了极大的威胁。因此，施工时一定要做好地质观测工作，及时将危险因素消灭在萌芽状态。③排除危石隐患以后，将c25混凝土喷射在临空面上，喷射厚度保持在5～15cm，尽量减缓围岩在空气中的氧化速率。④搭设作超前支护的工作台架。⑤扩大开挖半径，施作超前支护。超前支护一般采用超前锚杆、超前小导管、超前大管棚或超前钢轨棚。⑥超前预注浆，固结稳定塌坍体。塌坍体中存在着孤石、强风化碎石土等，若无超前注浆固结，则塌渣会在自重作用下失稳，给掘进施工带来隐患。注浆一般采用水泥砂浆、水泥水玻璃浆液或其他水泥类、化学类浆液。⑦出渣。出渣范围主要根据围岩的稳定性、衬砌长度和塌坍体的安全性来划定；⑧对已出渣的临空面、清除危石的临空面或形成洞穴的临空面及时喷射5厘米～15厘米厚c25混凝土进行封闭，尽量减缓围岩在空气中氧化的速率。⑨安设钢支撑，进行喷锚支护，加大初期支护厚度，减小钢支撑间距。钢支撑一般采用型钢支撑或格栅支撑。⑩钢支撑拱脚处设置锁脚锚杆，拱脚下设置纵向托梁，以防止钢支撑拱脚下沉、变形，确保下部开挖时侧壁的稳定；{11}下部开挖后，及时施作下部初期支护，使初期支护封闭成环，提高支护体系的安全度。{12}对初期支护后的洞穴进行回填处理，回填一般采用袋装洞渣、注浆、混凝土或新型回填材料。{13}安设防水层，施作二次衬砌。 3 相关体会 3.1 近年来，很多施工单位开始采用新奥法原理开展隧道施工活动，但在实际工作中，仍有一部分人对无法真正理解其原理和实施方案。从根本上讲，新奥法属动态信息管理，即“设计施工量测设计”的过程。但在实践活动中，只做到了“量测施工”两个步骤，“量测设计”这一流程常被工作人员忽略，而设计的修正在ⅱ、ⅲ类软弱围岩和涌水量大的隧道施工中显得尤为重要。 3.2 在含水软弱围岩部位开挖隧道时，应该“短进尺、弱爆破、紧支护、早成环、勤量测”。业内人士都知道，软弱围岩内部仅仅几个松动的小石块，都可能使围岩出现大面积松动的迹象，进行隧道开挖施工的同时，如果围岩长时间暴露在空气中会被风化，对其自身稳定性能不利。因此，紧支护并及时初喷混凝土这一工艺流程对于开挖工程而言是相当关键的。而早成环，就是使隧道断面能在较短时间内闭合，让隧道结构和围岩减少多次挠动变形，迅速形成整体结构，共同支护来抵御围岩滑移力，这在软弱围岩中尤为重要。 3.3 诸多因素都会导致塌方事故发生，其中起决定作用的是地质因素，所以要从根源上预防隧道塌方事故，首先要做好工程地质勘探和水文地质工作。比如通过科学技术来探测和预报围岩的稳定性，进行周密的分析，并将其作为施工设计的依据，用以指导工程建设。 3.4 处理隧道塌方的方法很多，但确保隧道结构的安全稳定是最重要的，应根据隧道的地质情况、监控量测资料、塌方的规模、现有的机械设备情况及工人的自身素质来确定科学合理的处理方法，进行动态设计，动态施工，确保隧道工程质量达到内实外美。 参考文献 [1]方洁阳，公路、桥梁、隧道工程施工组织、进度控制与施工管理及强制性条文实务.安徽影像出版社，2007. [2]李海玲.最新桥涵隧道工程设计施工验收养护规范与质量验评标准及新技术手册.北京科大电子出版社，2008. [3]史钊.公路桥梁涵洞隧道紧急抢修及检测养护实用手册. 北京科大电子出版社，2008.