第３９卷第３Ｏ期 ２ ０ １ ３年１ ０月 山 西 建 筑 ＳＨＡＮＸＩ ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ Ｖ０１．３９ Ｎｏ．３０ Ｏｃｔ．２０１３ ・１７３・ 文章编号：１００９－６８２５（２０１３）３０—０１７３－０３ 谈喀斯特地质隧道塌方成因及处理方法 刘生承 （中工国际工程股份有限公司，北京１０００８０） 摘要：针对隧道坍塌在不同的地形和地质条件下各具不同特征，结合隧道工程实践，对喀斯特地质隧道塌方成因进行了分析，并 阐述了具体的塌方处理方法，以避免隧道塌方事故的发生。 关键词：隧道，塌方，成因，处理方法 中图分类号：Ｕ４５８．３ １ 工程概况及地质条件 １．１ 工程概况 本隧道位于贵州凯里南一贵定北区间，铁路客专双线隧道， 左右线间距５ ｍ，设计为１８．５％ｏ的单面下坡，隧道全长４０５。洞身 浅埋段地表无建筑物，最大拱顶埋深约４５ ｍ。 １．２地形概况 隧道位于云贵高原侵蚀构造中低山区地貌，最大埋深约 ４５ ｍ。地面高程６８０ ｍ一７２５ ｍ，相对高差约５０ ｍ，自然坡度２０。～ ３０。，局部陡峻，植被发育。 １．３地层岩性 测区缓坡地带覆盖第四系全新统坡残积层（ ）红黏土， 下伏基岩为寒武系中上统娄山关群（ｅ ｏ１）白云岩，地层由新到老 分述如下： ⑥． 红黏土（Ｑｄｌ＋ ）：灰褐色，硬塑状，质地均匀，厚０ ｍ一４ ｍ， 主要分布于浅埋段沟槽及缓坡上。属Ⅱ级普通土，Ｄ组填料，局 部具有弱膨胀性，不宜直接做填料。 ⑦ 白云岩（∈ｏ１）：灰白色，中厚层状，细晶结构，节理裂隙发 育，强风化带（Ｗ３）厚５ ｍ一１６ ｍ，岩质软，岩芯破碎呈碎屑状，属 Ⅳ级软石，Ｂ组填料；弱风化带（Ｗ２）岩质新鲜且硬，锤击不易碎， 岩芯以碎屑状为主，夹少量块状，属Ｖ级次坚石，Ａ组填料。 １．４地质构造及地震动参数 １）地质构造。隧道区地质构造简单，岩层单斜，无大的断裂 构造形迹。 ２）地震动参数。根据《中国地震动峰值加速度区划图》 （１／４００万）和《中国地震动反应谱特征周期区划图》（１／４００万）， 测区地震动峰值加速度为０．０５ｇ，地震动反应谱特征周期为０．３５ ８。 １．５水文地质特征 １．５．１ 地表水 测区地表水以山间沟水为主，水量较小，雨季时沟内水量增 加明显，普遍在２ Ｌ／ｓ一３ Ｌ／ｓ。故隧道穿越区地表水不发育，主要 以季节性水流为主。 １．５．２地下水特征 本区地下水类型主要为第四系松散土层孔隙水、基岩裂隙 水、岩溶水。 １）第四系松散土层孔隙水。主要赋存于坡面及槽谷中的第 四系坡洪积、残坡积层中，一般厚０ ｍ～４ ｍ。该层富水性差，水量 贫乏，受大气降雨补给。２）基岩裂隙水。基岩孔裂隙水主要分布 于基岩孔裂隙中，其水量大小主要受含孔裂隙岩层分布面积及孔 裂隙率大小控制。３）岩溶水。测区岩性以白云岩为主，钻探揭示 收稿日期：２０１３—０８—０８ 作者简介：刘生承（１９６６－），男，工程师 文献标识码：Ａ 局部岩芯上见溶孔，该段岩溶弱发育，局部中等发育，岩溶形态主 要为溶隙、溶孔。可溶岩岩溶水较不发育，主要受大气降雨及地 表水补给，向地势低洼处排泄。 ２隧道塌方原因分析 本隧道在开挖２８０ ｍ后发生坍塌，该坍塌段为全隧道最浅埋 段，埋深３ ｍ左右，地表为突变段、由浅埋到较浅埋的突变，较浅 埋长１８ ｍ。塌方规模不断扩大，最终形成形状为线路横向５ ｍ 多，纵向７ ｍ多，高度３ ｍ左右的空腔。开挖面围岩与原设计差别 较大，从地表到开挖洞顶坍塌看，为薄层残坡积红黏土覆盖，由于 当地近段时间雨水较多，土层含水量较大。 经分析该隧道塌方主要有以下几个原因。 ２．１ 未预测地质变化 地质条件变化快，没有及时进行超前地质预报，没有有效掌 握围岩变化情况，所以隧道开挖时释放了围岩的应力，围岩会产 生大的位移，致使出现塌方。 ２．２ 降雨量大 隧道在施工该段落时，正值凯里地区雨季期，本段落为第四 系全新统坡残积层（ＱｄＩ＋ ）红黏土，且处在冲沟处，受雨水浸泡， 泥土呈饱和状态，自稳性急剧降低，最终滑落，出现塌方。 ２．３设计资料准备不足 铁路隧道工程设计方法主要有工程类比法、理论计算法及现 场监控法等，这些方法又以工程类比法运用得最为广泛。在设计 过程中若对围岩判断不准或情况不明，从而设计的支护类型与实 际要求不相适应，也是导致施工中产生围岩失稳坍塌等异常现象 的原因，且设计中的地质勘查资料详细与否也是造成施工塌方事 故产生的主导因素之一。该隧道属于山岭隧道，勘测有一定难 度，所以不能完全的评价围岩，致使设计与实际出现偏差。 ２．４施工因素 施工项目部管理缺位，现场技术人员施工经验不足，没有对 地表和洞内有效的进行监控量测。 目前我国从事铁路隧道施工的企业众多，施工能力良莠不 齐，不规范施工现象屡见不鲜。例如在对地质情况掌握不准确的 情况下，就凭借设计图纸和个人经验确定施工方案；施工现场组 织混乱，工序衔接不紧；选择了不适合围岩条件的施工方法等等。 这些不规范的施工往往直接引发隧道施工塌方事故。本隧道就 是由于施工单位盲目追求进度，没有按照短台阶法施工，没有观 察到围岩的微弱变化，致使没有预防措施。 ３塌方处理方法 ３．１ 掌子面处理 ・１７４・ 第３９卷第３０期 ２ ０ １ ３年１ ０月 山 西 建 筑 暂停掌子面开挖作业，对塌腔进行喷射混凝土封闭，待对局 棚导管内增设钢筋笼，钢筋笼由４根主筋和固定环组成，主筋采 部坍塌体及塌方空洞处理后再进行下一循环掘进作业。 ３．２塌方段处理 ３．２．１ 塌穴上方的处理 用直径１８的螺纹钢筋，固定环采用短关节，将其与钢筋焊接，按 １ ｍ间距设置。穿越前方浅埋突变点不少于１０ ｍ，在围岩最薄弱 处加强用大管棚支护，对围岩形成可靠保护。 首先对塌穴喷混凝土封闭，在塌穴上方搭设彩条塑料棚，在 ３．２．８塌方段前方的施工 采用三台阶预留核心土开挖方法，开挖采用机械和人工相配 塌穴周围挖临时排水沟，排水沟用砂浆抹面，防止雨水浸泡洞顶 土层和进入隧道，对隧道的泥质围岩浸泡，而使围岩失稳坍塌。 ３．２．２ 对坍塌段落后方进行加固 合，支护采用Ｉ ２２ａ工字钢，间距０．６ ｍ，一榀一支护，拱部１４０。范 围内设 ５×７中空注浆锚杆，边墙采用，１，２２的砂浆锚杆，长４ ｉｎ， 螺母。Ｉ ２２ａ工字钢敷设钢筋网片，钢筋网片 为了防止坍塌进一步扩大，对坍塌段落后方５ ｍ进行加固， 锚杆尾端设锚垫板、 ｅｍ。每拱脚处设上下两排 加固措施采用４ ｍ长ｄ／￣４２小导管，从拱部１８０。即圆心到拱部１４０。 采用 ８的钢筋，网格１５ ａｍ×１５１，４２×３．５ ＣｌＩＩ锁脚锚管，锁脚锚管长４．５ ｍ，锁脚锚管向下角度分 处，环纵向间距１ １１１梅花形布置，小导管外部０．５ ｍ不钻孑Ｌ，３．５ ｍ ，钻孔。安设小导管后用锚固剂对孔周围堵塞，堵塞长度不少于 ２０ ｅｍ，小导管管口焊接阀门止浆，为了防止围岩因水泥间软化， 采用水玻璃和水泥浆双液浆，根据现场情况试配水玻璃和水泥浆 的比例为０．６：１，注浆压力为初压０．５ ＭＰａ，终压１．５ ＭＰａ，持荷不 少于１０ ｒａｉｎ。 ３．２．３ 工字钢临时加强支撑 塌方段落后方采用Ｉ ２０ａ工字钢对已施工的初期支护进行临 时支撑，钢架纵向间距０．６ ｍ，施工固定短锚杆、纵向连接钢筋。 局部不密贴处采用楔形垫块塞紧，两侧底脚处各加设Ｉ １８横向工 字钢连接临时仰拱支撑，增加刚性，确保后期回填加固增加荷载 时的安全稳定。后期稳定后开挖时进行拆除。 ３．２．４ 塌方体周围的加固处理 对塌方体周围打设纤维锚杆，锚杆长４ ｍ。施工方法打设 ５锚杆孔，锚杆孔注砂浆后，安设纤维锚杆。主要是增强围岩稳 定性，防止塌穴继续扩大，给开挖掘进创造施工条件。 ３．２．５塌方段的穿越 首先对洞内塌穴出运渣土反压回填，防止塌穴失稳继续扩 大。采用机械和人工配合的方法进行开挖，开挖采用三台阶预留 核心土的方法，开挖进尺０．６ ｍ，安设Ｉ ２２工字钢，工字钢连接钢 筋采用ｄｐ２２螺纹钢筋，环向间距０．５ ｍ和拱架可靠焊接，钢架内 外设双层钢筋网片，网片采用 ８的钢筋，网格间距１５ ｃｍ×１５ ｃｍ 以增强钢架稳定性，由于上部是空腔，无法施工中空注浆锚杆，在 能打设锚杆处打设ｔ１￣４２小导管，每榀钢架每边不少于６根，小导 管成对在拱架前后两侧布设，并在小导管端用Ｕ形筋和钢架及小 导管可靠焊接，小导管采用双液浆注浆，喷混凝土采用湿喷工艺， 在塌腔处拱架内预留环向盲管。 ３．２．６塌穴的回填处理 拱架喷混凝土完成后，强度达到１００％，在其上方灌注１ ｍ厚 的Ｃ３０混凝土，在混凝土外侧敷设两层土工布，土工布中间敷设 防水板，土工布和防水板外侧敷设环向盲管，环向盲管用土工布 包裹，环向盲管穿过拱架喷混凝土敷设在洞内。土工布和防水板 上填不少于５０ ｅｍ透水性较好的材料，其上填碎石土，最上层填不 少于５０ ｅｍ的粘性土作为封水层，每层填土厚度不超过１５ ｃｍ，夯 实采用小型机具或人工。为防止雨季地表径流冲刷，在冲沟平台 处满铺３０ ｅｍ浆砌片石，浆砌片石ＭＩＯ砂浆砌筑。 ３．２．７ 塌方段前方的超前预加固 塌方段处理完成后，在掌子面处，沿隧道外侧按设计轮廓线 打设 １０８壁厚６ ｍｍ的大管棚，大管棚５０根，间距４０ ｅｍ，长度 ２５ ｍ，大管棚环向分三排、径向２０ ｃｍ一个孔，孔径１５ ｍｍ呈梅花 形钻孔。注浆采用水泥浆，水灰比为１：ｌ，注浆压力初压０．５ ＭＰａ， 终压２．０ ＭＰａ。为提高导管抗弯能力，在ｄｐｌ０８壁厚６ ｍｍ的大管 别为２０。，４０。，锁脚锚管采用水泥浆注浆，水灰比为１：１，注浆压力 初压０．５ ＭＰａ，终压１．５ ＭＰａ，持荷不少于１０ ｍｉｎ。喷混凝土采用 湿喷工艺，喷混凝土为Ｃ３０混凝土，１ ｄ的强度不低于１２ ＭＰａ。 锁腰小导管施作：对塌方前段施工的每榀拱腰即１８０。处拱脚 增设两层锁腰小导管，每层２根，层问距约０．５ ｍ，长度４．５ ｍ。每 处共计４根，与钢架焊接牢固，小导管采用水泥浆注浆。在大管 棚范围内的拱部布设小导管，小导管布设为环向间距４０ ｃｍ， ５０根，每根３．５ ｍ，角度３０。一３５。，纵向间距１．５ ｍ，搭接不少于 １ ｍ，注浆采用水泥浆和水玻璃双液浆。注浆小导管采用 ２× ３．５ ｍｍ钢管，参考设计图纸制作超前小导管，前端呈锥状，长度为 ３．５ ｍ，尾端预留５０ ａｍ无孔段，孔径８，间距１５ ａｍ，呈梅花形布置。 ３．２．９监控量测 洞外地表和洞内埋设监控量测点，洞外地表沿线路中线左右 对称埋设沉降观测点，埋设点符合规范要求，间距１ Ｉｎ一点，每侧 １６ ｉｎ，纵向三排，每排间距５ ｍ；洞内埋设沉降观测标，拱顶一点， １４０。两侧各一点，初期时要每个工作班进行量测一次，并安排专 人进行准确记录，通过沉降曲线来判断地表下沉和围岩周边收敛 以及拱顶沉降情况，待沉降稳定后再进行每天量测一次，这样才 能确保塌方段和前方施工安全及隧道运营的安全。 ３．２．１０二次衬砌加强 原设计为二次衬砌５０ ｃｍ厚 ２２双层Ｃ３０钢筋混凝土，现增 加为二次衬砌６０ ｅｍ厚（１）２５双层Ｃ３０钢筋混凝土，以保证隧道后 期运营安全。 ４处理塌方段和前方浅埋施工注意事项 １）对塌方塌穴段施工前，先把洞顶塌穴覆盖，塌穴周围做好 排水系统，防止雨水及地表径流水流入洞内，软化洞内围岩，洞外 地表和洞内埋设观测点，观测地表是否沉降和在处理过程中初期 支护是否变形，根据现场实际情况酌情考虑处理方案。 ２）该段落下台阶落底施工时，应缩短下部掘进循环进尺，左 右错开或跳槽施工。边墙工字钢续接时确保螺栓连接牢固。 ３）塌穴回填注意透水性材料必须合格，埋设环向盲管要引入 洞内，最外层应填不少于５０ ｃｍ粘土封水层并要夯填密实。 ４）大管棚和小导管严格按要求施工，注浆要有专人负责，保 证注浆饱满并做好施工记录。 ５结语 在处理此隧道的塌方中，虽然遇到了困难，但也从中总结了 一些经验： １）洞身施工应严格按照“短进尺，弱爆破，快封闭，强支护，勤 量测”的原则，严格控制循环进尺和爆破震动速度。 ２）加强地质超前预报，做好取芯工作，准确判断围岩状况，根 据围岩情况，制定施工措施，提前预测易坍塌段落，并加强施作超 第３９卷第３Ｏ期 ２ ０ ｌ ３年１ ０月 山 西 建 筑 Ｖｏｌ＿３９ ＮＯ．３０ ＳＨＡＮＸＩ ＡＲＣＨＩ ＩＥＣＴＵＲＥ Ｏｃｔ．２０１３ ・１７５・ 文章编号：１００９－６８２５（２０１３）３０—０１７５—０３ 由爆破引起的隧道围岩热传导问题研究 郑林辉 陈昊 黄振 （１．重庆６０７勘察实业总公司，重庆４０００５６； ２．重庆市地勘局南江水文地质工程地质队，重庆４０１ １２１； ３．重庆交通大学，重庆４０００７４） 摘要：以隧道爆破开挖为背景，采用传热学分析方法，将爆破高温视为内热源，构建了围岩在有内热源情况下的二维非稳态导热 微分方程，并结合提出的边界条件和初始条件，形成了相应定解问题，通过对二郎山隧道爆破施工的分析，进而得出了一些有益的 结论。 关键词：传热学，温度场，数值方法，围岩，隧道 中图分类号：Ｕ４５２．１ 文献标识码：Ａ Ｏ 引言 的强度、岩石的性质和炮孔尺寸等 ；夏祥等根据实际监测资料， 近年来，我国在地下空间开采方面取得了长足进步，地下工 运用离散元方法模拟了节理岩体距爆源不同位置处质点的振动 程施工方法主要有明挖法、盖挖法、新奥法和钻爆法等，其中，钻 速度和频率的变化特征，由此确定了岩体质点最大振动速度和振 爆法仍然是非常重要且常采用的方法之一。因而，针对钻爆法的 动主频率随爆源距离的衰减规律 。在大部分学者都致力于爆 国内外研究成果颇多，如：王德胜等对柱状装药爆炸的应力场进 破理论研究的同时，也有一批学者针对隧道传热做研究，如：武伟 行了研究，确定了合理的爆破技术参数，将爆破参数运用于实际 等以无限长隧道模型为基础，综合考虑车站与隧道传热，建立了 爆破中…，虽然取得了较好的爆破效果，但给出的爆破参数仍然 相应的传热方程，并与现有计算方法做对比，指出了现有理论的 带有主观性，因而有其弊端；闫长斌等对基于岩体爆破累积损伤 不足 ；胡增辉等通过对围岩物理力学参数做修正，利用ＦＬＡＣ３Ｄ 效应的Ｈｏｃｋ－Ｂｒｏｗｎ准则公式作了修正，建立了可以表征岩体爆破 程序模拟了隧道围岩传热能力及其温度场的演化规律，得到了地 累积损伤效应、岩体爆破扰动状态及其力学参数弱化程度的ｍ 铁围岩的热套厚度、传热稳定时间及传热量的大小 ；张国柱等 和ｓ的取值方法拉 ；左双英等对隧道爆破开挖围岩动力损伤效应 采用叠加原理及贝塞尔特征函数的正交和展开定理，得到了寒区 作了数值模拟，预估了岩体开裂深度及爆破损伤影响范围，探讨 隧道围岩径向温度的理论解，与实测数据相比，吻合度较好 ；巫 了爆破诱发的质点振动衰减特征及围岩损伤分布规律 Ｊ，与实际 锡勇，王鹰研究了高温渣罐车通过隧道时，因高温热源的传热影 较吻合，但在一些关键部位仍存在数值上的差异；祝文化等对爆 响而使隧道内温度场发生变化，隧道内动态热源的热传递问题， 破荷载作用下岩体损伤破坏的分形作了研究，发现用分形维数来 并结合实例计算出了隧道内温度分布情况 ，得出的结论虽在实 描述岩石的损伤克服了其他定义方法涉及过多岩石特性参数的 际中作用不大，但对于理论研究有一定参考价值。 不便，为研究岩石的损伤程度及演化方程探索了一条新的途 上述研究成果虽然各有针对性，但基本没有将爆破与导热问 径Ｈ ；李启发对爆破地震波作用下边坡稳定性做了分析，发现边 题联系起来考虑，这也就是为什么现有爆破理论与实际总有偏差 坡稳定性影响因素与爆炸能量、爆炸地震波传播形式及边坡自身 的原因之一。基于此，本文将从传热学方面着手，初步探究爆破 性质有关，结论与实际相符 ；宗琦运用爆破冲击波理论，讨论了 过程中围岩体内热量传递方式，构建其温度场，以期能对爆破理 炮孔柱状装药爆破时的岩石粉碎区及其形成时间、爆腔半径及其 论有一个新认识。 扩胀规律，发现影响粉碎区半径和爆腔半径的主要因素是冲击波 １ 热传导方程的建立 前支护。 ４）加强过程控制，理清各级职责，建立健全各项规章制度，把 ３）坚持“随挖随支护和先喷后锚”的原则，即锚喷支护或钢支 问题消灭在萌芽状态，防止事故发生。 撑支护必须紧跟开挖工作面，根据围岩情况采用不同开挖方法， ５）要选择有实力的协作队伍，加强对协作队伍的管理，严禁 通风和找顶后及时对岩面进行初喷混凝土，尽快封闭围岩，及时 包而不管，以包代管。 控制围岩的初期变形。及时施作锚杆，挂钢筋网，架设钢支撑，最 参考文献： 后复喷混凝土达到设计厚度，在喷锚作业期间必须有专人观察围 ［１］ 贾 亮，高阳坡．隧道塌方处理技术方案［Ｊ］．山西建筑， 岩变化。 ２０１１，３７（３）：１７５．１７６． Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ ｏｎ Ｋａｒｓｔ ｔｕｎｎｅｌ ｃｏｌｌａｐｓｅ ｃａｕｓｅｓ ａｎｄ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄｓ ＬＩＵ Ｓｈｅｎｇ－ｃｈｅｎｇ （Ｃｈｉｎａ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｌｉｇｈｔ ｏｆ ｖａｒｉｏｕｓ ｔｕｎｎｅｌ ｃｏｌｌａｐｓｅ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｆｅａｔｕｒｅｓ，ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｕｎｎｅｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｐｒａｃｔｉｃｅ，ｔｈｅ ａｒｔｉｃｌｅ ａｎａｌｙｚｅｓ Ｋａｒｓｔ ｔｕｎｎｅｌ ｃｏｌｌａｐｓｅ ｃａｕｓｅｓ，ａｎｄ ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ｔｉｓ ｓｐｅｃｉｉｆｃ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄｓ，ｗｉｔｈ ａ ｖｉｅｗ ｔｏ ａｖｏｉｄ ｔｕｎｎｅｌ ｃｏｌｌａｐｓｅ ａｃｃｉｄｅｎｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｕｎｎｅｌ，ｃｏｌｌａｐｓｅ，ｃａｕｓｅ，ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ 收稿日期：２０１３－０８—１５ 作者简介：郑林辉（１９８８．），男，助理工程师； 陈昊（１９８７．），男，助理工程师；黄振（１９８９一），男，在读硕士