大跨度软岩夹层隧道垮塌机制及治理措施探究.doc

1、大跨度软岩夹层隧道垮塌机制及治理措施探究摘要：结合十堰某含软弱夹层高速公路软岩隧道塌方实例，从围岩结构条件、水文地质条件及施工因素三方面对此复合型片岩隧道的塌垮机制进行分析，并结合成因机理对塌方治理提出合理的技术方案，并在实践中取得了较好的效果。 关键词：软岩隧道软弱夹层垮塌机制塌方治理 中图分类号： U45 文献标识码： A 隧道塌方地质灾害是公路软岩隧道较为常见的施工地质灾害之一。在十堰武当片岩隧道群内，由于受多期构造作用的影响，岩体内部石英分布不均，形成了大量软弱绢云母片岩与硬质石英片岩相结合的软弱破碎围岩体，在隧道开挖过程中极易出现大变形，甚至发生坍塌。本文就结合十堰市某大跨度软岩隧道

2、塌方实例，分析此类塌落灾害产生过程及机理，并探究其相应的治理措施，以期对该地区类似围岩隧道进行稳定性分析和灾害防治方面提供借鉴。 1 工程概况 十堰市某武当片岩隧道全长 580 米，最大埋深 100m，左右洞开挖净间距 17. 6 米；隧道建筑界限宽 13.5 米，高 5 米，开挖轮廓线宽 16.72米，有仰拱段高 11.67 米，属于小净距大跨度隧道。 隧道区围岩为武当山群绢云母石英片岩，深变质岩，经受多次地质构造作用影响。整体上为单斜构造，岩层倾角 3287，走向 167，洞轴线平行。围岩条件变化较大，在石英含量与绢云母含量差异较大处出现了软弱夹层现象。另外，该隧道采用了新奥法施工。 2

3、连锁塌方现象 该隧道塌方过程分为两个阶段： K19+420K19+430 段拱顶右侧出现初期支护突发变形，并伴有片状围岩及黄泥垮塌，但拱顶左侧钢架仍与围岩连接。 数分钟后，塌方加剧，拱顶有大块岩体崩落，至 21 时 30 分塌落体将断面封闭，如图 1 所示。K19+400K19+413 段受塌方影响，初期支护局部变形开裂。 图 1 塌方现场 该过程具有典型的连锁施工地质灾害特征。连锁塌方发展过程见图2。 图 2 连锁塌方过程 3 连锁塌方机制分析 通过查阅隧道地质勘察资料，现场勘验围岩地质条件，发现掌子面左右侧围岩条件存在较大差异，加之隧道开挖跨度大，右侧片状碎石在地下水与地表水贯通的情况下首

4、先塌落，带动拱顶处由节理裂隙切割产生的关键块体滑动，从而产生封闭工作面的连锁塌方灾害。 3.1 围岩条件变化 隧道塌方段的上台阶开挖临空面揭示了该处围岩条件：左侧岩层较厚，块状结构，层理面平整光滑；中心线右侧发育一组 X 型剪节理，节理裂隙处伴生有破碎带，围岩呈薄片状，松散易碎；右侧拱肩至拱脚出露一软弱破碎带，绢云母含量高，强度极低，手捏可碎，遇水软化，并带有一定的膨胀性，开挖后围岩呈小片状自然剥落，自稳能力差，易坍塌掉块。 现场围岩压力监测数据（图 3）显示，塌方孕育期左侧块状岩体自稳性较好，支护结构所承受围岩压力未出现明显变化，仅为初始的形变压力；右侧破碎岩体出现松动破坏，使得支护结构承受

5、较大的松动围岩压力，从而导致支护结构两侧出现严重的构造偏压现象，围岩压力最大差值达到 0.1Mpa。偏压产生的应力集中为塌方段围岩及支护结构变形破坏的内部因素。 图 3 隧道断面 K19+450 处围岩压力曲线图 分别对变形始发段 K19+420 及塌方段 K19+400 矿物成分进行 X 衍射分析，试验结果表明：变形始发段围岩粘土矿物含量高达 45%。粘土矿物颗粒细小，亲水性极强，遇水膨胀。由于膨胀过程的不均一性，使得岩体内部产生了不均匀应力，加之部分胶结物的稀释或溶解，导致岩体极易发生碎裂崩解。 塌方段石英含量高达 73%，粘土矿物含量较低，且均为不亲水矿物，致使变形始发段与塌方段形成软弱

6、夹层。该夹层在降雨引起的地下水位的上升的作用下，出现了围岩及结构面的软化，使得岩体抗剪强度降低，在塌方的扰动作用下形成了沿结构面滑塌的连锁塌方灾害。 3.2 水文地质作用 雨季隧址区域内持续降雨，地下水得到了充足的补给。此外，塌方段地表为自然冲沟，成为天然的地表水汇集区。由于隧道开挖及爆破的扰动，雨水通过原生节理及次生损伤节理对基岩裂隙水进行充分补给，在短时间内使得基岩及结构面达到饱水状态，抗剪强度急剧下降，进而成为突发大变形的直接诱因。 隧址区域内地下水主要为基岩裂隙水，隧道开挖前，岩体在三向应力作用下节理裂隙处于闭合状态，地下水与地表水未贯通，岩体结构强度较高。隧道开挖后，围岩卸荷，加之循

7、环爆破振动作用，节理裂隙开始微张，地下水渗入，初期支护出现局部湿斑，围岩软化、膨胀、崩解，围岩强度降低，衬砌结构发生变形。变形产生的空间变化，加大了节理裂隙的张开度，表现为初期支护出现大面积湿斑，甚至线状滴水，如图4、图 5 所示。节理裂隙的逐步贯通导致地表水与地下水的连通，加速了围岩及结构面的软化。围岩在自重应力作用下，产生塌方灾害。 图 4 隧道节理裂隙水揭露情况 a. 初衬渗水 b. 数日后初衬滴水 图 5 隧道地下水发育渐变过程 3.3 施工因素 （1）爆破震动：施工爆破振动会加大软弱围岩的破坏作用，增加了围岩失稳和坍塌的机率；爆破过程中严重的超欠挖现象，更是劣化了围岩的自稳性。同时，

8、循环爆破振动作用会导致围岩中已有裂缝发生累积性扩展，破坏原有岩体内部受力平衡，贯通地下水联通通道，进而诱发塌方。 （2）锚杆失效：塌方断面的围岩组合结构类型，呈现出高度的不均匀性，两段围岩若一味的使用药卷锚杆，使得左侧锚杆的悬挂作用小于对整体围岩的破坏作用；而对于碎石状围岩，长度为 3m 的锚杆未能深入到稳定的围岩中，无法形成有效连接，造成上覆围岩整体失稳。 对于变形量较大的软弱围岩，无论多长的锚杆其悬挂作用是无法体现的。 （3）二次衬砌施工滞后：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和掌子面的约束作用，即使初期支护抗力小于围岩滑移力，亦不会失稳；当开挖距离为 1

9、.53d 时， “空间效应”的影响完全消失，初期支护抗力小于滑移力，易导致支护结构变形破坏。（4）监控量测的局限性：塌方段突发变形时间很短，监测数据未能及时的反映突发变形前围岩的位移及应力变化情况。 4 塌方段治理措施 4.1 总体原则 针对塌方段附近 30m 范围内围岩及支护结构变形进行不间断的监控量测，监测结果及时反馈于现场施工作业，确保施工安全。同时根据塌方影响程度分五段进行处理：K19+384K19+400 进口塌方影响段、K19+400K19+413 进口塌方变形段、K19+413K19+435 塌方段、K19+435K19+450 洞内变形段、K19+450K19+465 洞内影响

10、段，如图 6所示。 图 6 塌方分段处理示意图 4.2 软弱围岩大变形段治理方案 （1）为防止塌方继续扩大，先在 K19+384K19+390 段设置 4 榀间距 2m 井字钢支撑，每榀支撑设竖向支撑 4 道，横向支撑 3 道，竖向支撑采用双拼 I18 工字钢，横撑采用单根 I18 工字钢，每 2 榀支撑之间设置2 道 I16 工字钢纵向连接，形成支架体系，防止支架失稳。 （2）在施作临时钢支撑的同时，检查 K19+366K19+375 段初支净空断面，尽快将台车从洞口移至该段浇筑二次衬砌，为后续塌方变形段加固及塌体穿越创造安全避险空间。 （3）对进口塌方影响段及变形段 K19+380K19+

11、410 进行小导管径向注浆结合药卷锚杆加固，使周围岩体固结稳定。径向注浆从下往上施作，先注 1:0.7 净水泥稀浆保证浆液能渗透至围岩裂隙内，再逐步将水泥浆液水灰比拌稠至 1：0.5。为确保施工安全，注浆加固时要从小里程往大里程渐进注浆，同时钻孔不得越过 K19+405 里程，防止风枪钻孔时振动力对塌方变形段造成影响。每榀钢架拱部加设 20 根 22 长 3 米的药卷锚杆，同时继续观测变形段初期支护拱顶下沉和周边收敛情况。 （4）待压浆强度达到 2.5Mpa 后开始拆除 K19+384K19+390 段井字钢支撑，拆除支撑要逐榀由小里程往大里程进行，每拆除一榀支撑需对剩余支撑进行观测，检查是否

12、存在下沉现象，只有不再下沉方可拆除后续支撑。 （5）支架拆除后立即浇筑 K19+375K19+400 段二次衬砌混凝土，该段二次衬砌厚度为 40cm，按 IVa 级围岩衬砌布设双层钢筋。 （6）继续观测塌方段段围岩变形下沉情况，对该段初期支护裂缝进行复喷处理并施作长 4m D42 中空注浆导管进行加固。 （7）对于洞内变形段：采用小导管径向注浆加固周围岩体，同时加强观测初期支护收敛情况，对变形较大的地段进行换拱处理，换拱处理要逐榀逐段进行。换拱处理完毕后再开挖右侧边墙接下导坑钢架，下导坑钢架要逐榀开挖逐榀支护。下导坑完成支护后，及时完成二衬施工，二衬厚度为 40cm，并按 IVa 级围岩衬砌布

13、置双层钢筋。 4.3 塌方段治理方案 （1）采用 10cm 厚 C20 喷射混凝土封闭塌腔顶部岩面，防止围岩风化掉块。 （2）塌方开挖：由于该段塌方没有将整洞封住，顶部还有较大空腔，且塌体岩块较大，塌体开挖要逐榀开挖逐榀支护，尽量减少爆破作业，避免扰动围岩。 （3）该段支护采用 I20 工字钢（钢架间距 50cm、8 双层钢筋网、22 纵向连接钢筋间距 1.0m） ，拱架拱脚处避免支在虚土松渣上，并设置预制混凝土垫块防止下沉，同时在每侧拱脚处设置两组 4m 长 25 药卷锚杆进行锁脚。 （4）喷射混凝土自下往上分层喷密实，拱部往上空腔厚度超过 50cm的位置采用挂板喷混凝土，混凝土厚度不小于

14、30cm。 （5）二衬施作：为了保证塌方处理段安全，每开挖支护不超过 5m就开始浇筑二衬，二衬采用 V 级围岩二衬参数进行施工，二衬施工时在拱顶部位埋 120 及 89 钢管，为后期塌腔处理预留泵送混凝土及吹砂通道。 4.4 塌腔治理方案 利用二衬内预埋 120 钢管向拱顶泵送混凝土，混凝土厚度不小于2m，再利用高压风将轻质砂吹入塌腔内，将空腔逐层回填密实后再注浆固结，防止塌腔顶部落石将二衬击裂。 4.5 洞内影响段治理方案 对右侧破碎围岩进行注浆固结，稳固围岩。后续开挖严格按照左右分幅开挖下台阶，并跳槽逐榀落底，并及时施作仰拱，封闭成环，提高整体承载能力。将浇筑二衬混凝土时机提前，保证支护刚

15、度。 4.6 塌方治理效果评价 在塌方处理的同时，在塌方段设置沉降和收敛观测点，定期对其进行观测，监控围岩变化，其具体变化过程如图 7 所示。观测数据表明，在塌体开挖初期，沉降和收敛速率较大，但很快趋于稳定。从观测进行的第 40 天起，隧道塌方段收敛速率和沉降速率趋于平缓，分别小于1.0mm/d 和 0.5mm/d。从累计变形与其拟合值对比分析可知，围岩变形已趋于稳定，最终沉降和收敛值分别为 67.3mm、42.5mm，均未超过其允许变形量，表明隧道塌方段治理效果较好，隧道此时已处于稳定状态。 图 7K19+400 断面累计变形图 5 结语 通过上述分析，得出了大断面夹层软岩隧道施工塌方灾害形

16、成机制及治理措施 4 个方面的结论： （1）本隧道塌方为典型的由强降水诱发的施工地质灾害。地下水水位的上升和地表水的侵入，使得围岩软弱夹层迅速软化，抗剪强度急剧下降，破碎石块冲击初期支护结构，诱发拱顶关键块体塌落造成连锁塌方地质灾害。 （2）从地质调查、室内试验等方面分析了隧道突发变形破坏的形成与发展机理，表明围岩条件的差异与变化是隧道结构失稳的内在因素；施工爆破扰动及二次衬砌施作不及时，是致使支护结构突发变形的外在因素；强降雨使得地表水透过原生节理、裂隙及爆破损伤裂隙，对基岩裂隙水进行补给，迅速降低岩石及结构面的抗剪强度，是隧道突发变形的诱导因素。 （3）在施工过程中要根据围岩地质条件变化及

17、时调整支护方法，保证支护强度，结合实地围岩特性充分发挥不同类型锚杆在块状围岩及破碎状围岩中的悬挂作用，及时施作二次衬砌，提高支护结构稳定性和安全性。 （4）对于易出现突发变形或塌方地质灾害大断面软岩隧道，应密切注意隧道掘进过程中出露的围岩地质变化，出现异常应尽早采用强度高、刚度大的支护结构，并争取在最短时间内闭合成环，增强支护结构的可靠性，尽可能避免围岩大变形或塌方的出现。 参考文献： 姜立辉，侯哲生，成国文. 承秦高速公路广东山隧道塌方原因分析及其处治J. 施工技术，2011.12（40）增刊：9698. 钟祖良，刘新荣，吴 强. 流固耦合作用下马垭口隧道塌方机理及其灾害治理研究J. 工程勘

18、察. 2011.07: 1822. 马 亢，徐 进，吴赛钢，张爱辉. 公路隧道局部塌方洞段的围岩稳定性评价J. 岩土工程. 2009.30（10）：2955-2960. 陈秋南，赵明华，周国大跨度软岩夹层隧道垮塌机制及治理措施探究 高建峰 郭克 （中铁十五局集团沙特分公司 河南洛阳 471013） 摘要：结合十堰某含软弱夹层高速公路软岩隧道塌方实例，从围岩结构条件、水文地质条件及施工因素三方面对此复合型片岩隧道的塌垮机制进行分析，并结合成因机理对塌方治理提出合理的技术方案，并在实践中取得了较好的效果。 关键词：软岩隧道软弱夹层垮塌机制塌方治理 中图分类号： U45 文献标识码： A 隧道塌方地质灾害是公路软岩隧道较为常见的施工地质灾害之一。在十堰武当片岩隧道群内，由于受多期构造作用的影响，岩体内部石英分布不均，形成了大量软弱绢云母片岩与硬质石英片岩相结合的软弱破碎围岩体，在隧道开挖过程中极易出现大变形，甚至发生坍塌。本文就结合十堰市某大跨度软岩隧道塌方实例，分析此类塌落灾害产生过程及