公路隧道塌方機(jī)理的探討

[摘要]為了治理公路隧道塌方，探明隧道塌方的機(jī)理，以上砭隧道為工程依托，在分析其塌方發(fā)生原因的基礎(chǔ)上，歸納總結(jié)公路隧道塌方發(fā)生的機(jī)理。

[關(guān)鍵詞]隧道工程塌方塌方機(jī)理地質(zhì)條件地下水

一、引言

隧道塌方是一種不容回避的現(xiàn)象，除了加強(qiáng)預(yù)防外，如何整治處理、減小損失和挽回進(jìn)度是一個(gè)重要的課題。筆者結(jié)合具體的工程實(shí)例，對(duì)影響塌方的一些常見因素和治理方法進(jìn)行歸納，總結(jié)塌方發(fā)生的機(jī)理，研究塌方的治理方案，在宏觀上和具體工程上都具有十分重要的意義。[1、2]

二、隧道塌方的產(chǎn)生及原因

工程概況

上砭隧道屬于商界高速公路DJN2合同段的雙線單洞三車道隧道工程。左線隧道長755m，右線隧道長714m。該隧道地處秦嶺東段南部山區(qū)，為一切割劇烈的山岳地區(qū)，區(qū)內(nèi)地形起伏較大，總體地勢(shì)西高東低。路線從北向南依次穿越了北秦嶺加里東褶皺帶南部的太白-商縣褶皺束和禮縣-札水華力系褶皺帶兩大構(gòu)造單元，相鄰構(gòu)造單元之間均以區(qū)域斷裂帶為界。

塌方的產(chǎn)生

1．洞口段塌方。上砭隧道右線出口于2006年5月28日完成全部削坡任務(wù)，開始仰坡施工，5月29日－6月24日完成明洞上半斷面土石方開挖，并準(zhǔn)備套拱和長管棚施工。6月24日晚天突降大暴雨，25日上午8點(diǎn)5分左右，洞口上方仰坡部位土石方連同錨網(wǎng)噴支護(hù)整體坍塌。隨后業(yè)主、設(shè)計(jì)、監(jiān)理、施工四方進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)地考察，發(fā)現(xiàn)洞頂上方19m左右有一厚約4.5m的黑灰色斷裂破碎帶和軟弱土體帶等不良地質(zhì)地帶，呈碴土狀，無膠結(jié)。

2．洞身段塌方。上砭隧道左線出口開挖過程中，在開挖面到達(dá)ZK152+986時(shí)，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)圍巖情況較差，洞室穿越風(fēng)化變粒巖，呈灰綠色，節(jié)理和裂隙發(fā)育，巖體破碎，鑲嵌破碎結(jié)構(gòu)。掌子面上方發(fā)生坍塌，塌方體堵塞了整個(gè)隧道斷面。

隧道塌方的原因

上砭隧道右線出口斜坡體前有滑動(dòng)空間，兩側(cè)有切割面，從斜坡的物質(zhì)組成來看，具有松散土層、碎石土、風(fēng)化殼和半成巖土層的斜坡抗剪強(qiáng)度低，容易產(chǎn)生變形面下滑；堅(jiān)硬巖石中由于巖石的抗剪強(qiáng)度較大，能夠經(jīng)受較大的剪切力而不變形滑動(dòng)。但是如果巖體深層存在著滑動(dòng)面，在暴雨之后，由于雨水浸泡滑動(dòng)面，使其抗剪強(qiáng)度大幅度下降而易滑動(dòng)。

上砭隧道左線出口由于圍巖穩(wěn)定性極差，巖體呈碎石壯松散結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性差，洞頂易坍塌，側(cè)壁容易產(chǎn)生失穩(wěn)。塌方段屬于Ⅳ級(jí)圍巖，由于隧道施工前，未能切實(shí)掌握斷層破碎帶的情況，因此設(shè)計(jì)院給出的圍巖級(jí)別為Ⅲ級(jí)。隧道塌方后發(fā)現(xiàn)，在拱頂上部有大約50cm直徑的小洞室，高度大約10m還未能見頂，頂部無支護(hù)的情況下會(huì)產(chǎn)生較大范圍的塌方。

二、隧道塌方的機(jī)理

造成隧道塌方的原因多種多樣，有地質(zhì)上突發(fā)的因素，也有人們認(rèn)識(shí)上的因素，但概括起來，可以歸納為客觀和主觀兩個(gè)主要因素?？陀^因素包括地質(zhì)條件、受力狀況和地下水影響；主觀因素包括設(shè)計(jì)因素和施工因素。[3]

地質(zhì)條件

由地質(zhì)因素引起的塌方，可歸結(jié)于不同的原因，首先是地質(zhì)條件評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性，其次是巖石構(gòu)造因素。如果錯(cuò)誤地評(píng)價(jià)了圍巖分類指標(biāo)而導(dǎo)致塌方，從現(xiàn)象上看似乎由于地質(zhì)條件而引起的，但實(shí)際上應(yīng)歸結(jié)于不正確的設(shè)計(jì)，這種塌方有時(shí)是完全可以避免的。巖石的構(gòu)造因素包括傾斜巖層、褶曲、等。傾斜巖層按軟弱結(jié)構(gòu)面條件，對(duì)隧道塌方產(chǎn)生的影響如表1所示。

褶曲構(gòu)造對(duì)隧道塌方產(chǎn)生的影響：①隧道在向斜層開挖，多出現(xiàn)掉塊和坍塌；②隧道在平行褶曲軸通過，易產(chǎn)生較大偏壓；③向斜構(gòu)造中，一般在軸部多儲(chǔ)存大量地下水，且多有承壓性質(zhì)，施工中常遇較大的突然涌水。

受力狀況

首先，我們分析洞口塌方的受力狀況。洞口仰坡變形破壞主要是在變形過程中產(chǎn)生強(qiáng)烈的松動(dòng)，并在邊坡的坡頂附近產(chǎn)生一系列的拉張裂縫。由于邊坡巖體一般較為破碎，在隧道開挖產(chǎn)生變形破壞后，并不出現(xiàn)清晰的底滑面，而是表現(xiàn)為破壞區(qū)巖體的強(qiáng)烈松動(dòng)變形。邊坡巖體的松動(dòng)變形與隧道開挖所提供的變形空間密切相關(guān)。[3]

其次，我們分析一下隧道內(nèi)洞身塌方的受力狀況。從結(jié)構(gòu)觀點(diǎn)出發(fā)，如把噴層與部分圍巖組合在一起，視作組合梁或承載拱，或把錨桿看作是固定在圍巖中的懸吊桿等。從圍巖與支護(hù)的共同作用觀點(diǎn)出發(fā)，它不僅是把支護(hù)看作是承受來自圍巖的壓力，并反過來也給圍巖以壓力，由此改善圍巖的受力狀態(tài)，從而提高圍巖的承載能力。但是，往往由于支護(hù)時(shí)機(jī)不當(dāng)或支護(hù)強(qiáng)度不夠，滿足不了圍巖穩(wěn)定的需要，不能有效地控制圍巖變形，導(dǎo)致圍巖失穩(wěn)。

設(shè)計(jì)與施工的影響

在隧道工程的預(yù)設(shè)計(jì)中，不僅要研究斷面形式、施工方法以及超前支護(hù)等內(nèi)容外，還應(yīng)研究初期支護(hù)、二次襯砌、仰拱等結(jié)構(gòu)的形式及參數(shù)等。隧道的斷面形式是由隧道所處路線的設(shè)計(jì)要求決定的，而施工方法、超前支護(hù)、支護(hù)結(jié)構(gòu)的方式及參數(shù)，就有了很多的人為因素。

三、結(jié)語

加強(qiáng)隧道工程地質(zhì)工作是避免和防止塌方事故發(fā)生的根本手段，必須從思想上改變“地質(zhì)工作是設(shè)計(jì)人員的任務(wù)，而不是施工人員的事”這一傳統(tǒng)觀念，在施工過程中加強(qiáng)管理，重視地質(zhì)超前預(yù)報(bào)和監(jiān)控量測(cè)工作，不斷培養(yǎng)工程技術(shù)人員在不良地質(zhì)條件下施工的應(yīng)變能力和處理能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]車廣才、杜以昌，淺埋隧道塌方冒頂處理．國防交通工程與技術(shù)，2003，12-14．

[2]蔣月海，白花山右線隧道大塌方事故處理．公路交通技術(shù)，2004(5)，122-126．

[3]朱漢華、孫紅月、楊建輝編著，公路隧道圍巖穩(wěn)定與支護(hù)技術(shù)．科學(xué)出版社，2007年，北京.