Study on Causes of Collapse in Large-Span Tunnels and Treatment Measures
聂田 NIE Tian
（武汉工程大学，武汉 430070）
（Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430070，China）
摘要：结合西华隧道的具体工程实践，多角度分析大跨径隧道塌方事故的原因，根据现场监控量测结果掌握隧道坍塌的初步特征，为今后预防和处理隧道塌方事故和进一步的理论分析提供借鉴。
Abstract: Combining with the specific engineering practice of tunnel, this paper analyzes the causes of landslide accidents in long-span tunnels from multiple angles, and grasps the preliminary characteristics of tunnel collapse based on the results of site monitoring and measurement, providing a basis for future prevention and treatment of tunnel collapse accidents and further theoretical analysis.
关键词：隧道；坍塌事故；监控量测
Key words: tunnel；collapse accident；monitoring and measurement
中图分类号：U458.3 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）01-0096-03
1 工程设计简述
1.1 工程概况
某山岭隧道地处福建省西南部，洞身穿越地段多为林地，隧道采用分离式，为双线双洞隧道，隧道净跨度16m，净高5m，进口均为削竹式，出口均为端墙式；右线设计里程桩号为YK158+688～YK159+448，长760m；左线设计里程桩号ZK158+693～ZK159+525，长832m，隧道埋深属中隧道。按照新奥法原则隧道施工开挖采用CD法，洞身衬砌采用复合式衬砌，初期支护以喷锚支护为主。
1.2 水文地质条件
该隧道属越岭隧道，隧址区进口右侧、出口左、右两侧见有地表水，局部见有面状渗水，上游山坡汇水面积小，流量小，施钻期间流量0.1～1L/s。地下水主要为基岩风化裂隙水，受断裂、层理、节理等地质构造控制，受大气降水补给，向当地沟谷排泄。围岩岩体大多较破碎-较完整，隧道总体富水性差，亦未见富水构造。
2 现场塌方情况
在进行开挖过程中，围岩应力状态发生改变，掌子面上方地表出现塌陷。地表塌陷的范围为长4.8m、宽6m、高4～5m。桩号里程ZK158+710—ZK158+715，总体上呈上小下大的形状，塌方体内主要以粉质黏土为主。由图1中可以明显看出掌子面混凝土大面积开裂甚至剥落，围岩上部荷载集中于钢筋拱架上，临时钢拱架强度和刚度难以抵抗较大的变形而向外挤出。随着破坏的逐渐发展，围岩应力重新分布，破坏面逐步贯通，导致塌方的形成。
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3 现场监控量测
隧道施工监控量测是新奥法设计与施工的理论核心，贯穿施工的全过程。在隧道施工阶段，通过使用各种量测仪表采集数据，分析推算隧道围岩的稳定状态，并优化和调整支护结构参数，确保施工的合理性和安全性。
3.1 隧道地表测点布置
地表沉降量测点设置在洞口段ZK158+696断面处示意图见图3，隧道中线附近量测点适当加密，横向间距一般为1～2m，隧道中线两侧量测范围不小于H0+B，测点横向间距为2-3m。测点均按普通水准点埋设，每断面施设9个测点，测点采用C30混凝土模筑固定，保证测点的强度和稳定性，监测范围在隧道开挖影响范围以外（开挖范围影响计算见公式1）。
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隧道开挖影响范围开挖公式
D=B+2×h×tan（45°-φ/2） （1）
D—开挖影响范围；B—隧道开挖宽度；h—隧道开挖高度；φ—围岩内摩擦角。
3.2 隧道拱顶及周边位移测点布置
拱顶沉降和周边收敛量测点布置在ZK158+695、ZK158+698、ZK158+703、ZK158+708、ZK158+713五个断面处，相邻断面间距5m，拱顶下沉测点和净空变化测点应布置在同一断面上。测点均按普通水准点埋设，每断面施设8个测点，每分部一条水平测线，两条斜测线。（CD法测点布置见图4）
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3.3 监控量测数据分析
通过水准仪、收敛计等高精度仪器收集隧道坍塌前ZK158+708、ZK158+713断面拱顶下沉量、周边收敛量及ZK158+696断面地表下沉量，对数据进行分析处理，并绘制得到沉降量-时间曲线图，沉降速度-时间曲线图。采用对数模型用回归分析归纳位移趋变化势，分析速率变化趋势。
U=Alg（1+t）+B （2）
U－变形值；
B－回归系数；
t－测点的观测时间（d）。
从图5中可以看出隧道上方洞口段地表在开挖初期基本处于稳定状态，隧道轴线附近沉降大，沉降量达160mm，隧道两侧测点沉降相对较小，图形整体趋势近似抛物线。洞口注浆管棚加固效果良好。由图6和图9可以看出隧道拱顶变形量较大，均达到100mm，变形速率在8月10日-8月20日急剧增大，纠其原因主要掌子面围岩瞬时变形，初期支护失稳，松散地层向下压缩。图7、图8、图10、图11反映形似的规律，收敛沉降速率在隧道坍塌前后5天最大，拱脚强度不足，上部荷载过大，拱脚和拱脚有向外测移动的趋势。
4 塌方原因分析
4.1 设计因素
设计主要以工程类比法为主，理论计算法为辅。由于隧道地形复杂且路线长或局部地质资料不足，导致现场实际围岩等级与设计严重不相符。隧道塌方段（ZK158+708—ZK158+715）原设计段围岩等级为Ⅲ级，而实际围岩级别应为Ⅴ级。设计采用的初期支护方案及支护参数也不能保证结构强度和施工安全的要求。
4.2 地质因素
隧道洞身围岩以粉质粘土为主、局部夹杂强风化石英岩，围岩强度低稳定性差，呈碎碎裂松散结构，总体岩体裂隙较发育，局部夹劣煤，综合围岩级别以Ⅴ级为主，拱部无支护时可产生大坍塌。地下水较贫乏，开挖时主要呈淋雨状或点滴状出水，隧道裂隙水较多。
4.3 施工因素
现场施工人员未严格遵循隧道施工的相关标准及设计图纸要求进行施工，导致隧道初期支护和喷射强度不够，掌子面结构不够稳定；施工现场管理人员没有严格的对施工人员进行技术交底，在监控量测单位提交监控量测简报指出隧道变形量黄色预警后，没有引起足够的重视，没有采取临时加固措施，也未能及时调整隧道施工的各项技术参数，导致隧道工程质量事故。
5 塌方处治
5.1 初期加固处理
为确保施工人员的安全，对塌方体后方已施工的初期支护进行临时加固，加固段落为ZK158+700—ZK158+708，共8m，采用10榀I20b工字型型钢拱架，纵向间距为 80cm。注浆加固采用环向间距50cm、纵向间距1m长度为3m的冷轧无缝超前小导管（塌方体右侧上方），以外插角打入拱部围岩，呈梅花形布置。注浆材料采用体积比1:1水泥水玻璃双液浆，同时掺入适量的速凝剂。注浆前先通过实验确定合适的注浆压力，确保注浆加固效果。
5.2 塌方体处理
对塌方体采用袋装沙土进行反压回填，并夯压密实，防止塌方体进一步扩大，保证塌体稳定和后期施工的安全。采用10cm厚C30贫混凝土封闭塌方体表面，塌方处做好防排水设施，保持掌子面干燥，防止地表水及降水深入塌方区，避免积水浸泡导致塌方段围岩强度进一步降低或突泥涌水。
5.3 塌腔回填处理
超前小导管施工稳定后塌方体拱架上方泵送60cm厚的C30混凝土，采用轻质材料回填坍腔。
6 结论
①隧道设计应尽可能收集丰富的地质资料，同时还应结合现场监控量测及超前地质预报结果，及时反馈修正设计，综合定性和定量两方面确定围岩级别。
②根据监控量测必测项目数据，及时合理地调整钢拱架间距、超前小导管直径、注浆压力、喷射混凝土强度等各项施工技术参数，确保施工安全和质量。
③塌方体处理遵循了“先加固、防扩展、后处理、稳通过”的处理原则，采用超前小导管注浆加固、钢拱架临时支撑加固地层稳定性，为后续施工安全提供可靠的保障。
④塌方体处理完成后，及时加密量测频率、减小量测断面间距，确定合理地开挖进尺，减少对围岩的扰动，避免事故发生。
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