羊泉隧道塌方形成原因分析及治理

楊忠 聶席明

摘 要：文章重點介紹了青蘭高速陜西境項目羊泉隧道塌方的過程及原因分析，闡述了塌方的治理和治理過程中出現的問題以及最終的解決方案，分析總結了富水黃土隧道設計應注意的問題及開挖施工的技術關鍵，以期供同行參考。

關鍵詞：羊泉隧道塌方治理

1項目概況

1.1項目概況

青蘭線陜西境項目羊泉隧道隧址位于陜西省富縣羊泉鎮羊東村南約1公里處，為曲線型特長隧道，分別于公路測設里程ZK121+360～ZK124+470、YK121+381～YK124+457段穿越山體，分為左、右線，左線最大埋深約139米，右線最大埋深約137米。

1.2地形地貌

隧道穿越區為黃土塬梁峁工程地質區的黃土塬工程地質亞區，山體近南北走向，地勢總體南低北高，隧道與山脊近于直交，垂直隧道軸向兩側低，中部高而平緩。地面標高介于1044.52～1198.15m，相對高差約153.63m。

1.3隧道工程地質概況

隧址區分布的地層有第四系上更新統風積黃、中更新統風積黃土。新黃土，具自重濕陷性，其強度較低，但多位于隧道頂部，對隧道圍巖穩定性影響輕微。無褶皺，無斷裂。主要發育有兩組構造節理，產狀分別為167～181°∠80～87°，263～265°∠80～95°，線密度1～2條/m，均為剪節理，延伸較長，節理見有鈣泥質充填。近地表巖體中風化裂隙較發育。

1.4設計概況

隧道建筑限界凈寬-13.00米（0.75m檢修道＋0.5m左側側向寬度＋2×3.75m行車道＋3.5m緊急停車帶＋0.75m檢修道），凈空限界高度5.0米。襯砌斷面內輪廓采用三心圓，緊急停車帶長度為40m。

塌方段均按IV級設計圍巖，超前支護為4米長φ25超前砂漿錨桿，間距40cm；支護形式為掛網錨噴支護，鋼筋網為φ8型20X20；徑向錨桿為間距100X100的3米長φ22砂漿錨桿；噴射砼為20號22cm厚；支護采用間距為75cm的I20；二襯為厚度45cm的25號素混凝土。

2塌方發生過程及原因分析

2.1右洞YK122+544~YK122+572塌方發生過程

2010年2月7日，該隧道掌子面開挖至YK122+572時，正值大雪天氣和春節長假，為確保隧道安全，將仰拱開挖及閉合回填施工至YK122+544，保證仰拱回填和掌子面的距離不超過30米后隧道施工基本停滯。2月20日YK122+545處4榀拱架右側拱腳處出現較大鼓出及錯動變形；從2月20日至3月4日期間，逐步采取了臨時仰拱配合鋼拱架扇形支撐5道（分布于二襯端頭向大樁號10米范圍內），支撐方木垛二處（見照片）；3月4日凌晨4：00出現在二襯及支護的交界處右側出現長約7米的塌方；塌方發生后采用反壓核心土及環形開挖，雙側壁導坑開挖，但收效甚微；至4月29日出現塌頂及洞內涌泥，涌泥長度達30米長；這個階段塌體內的破壞形式（后期的開挖探明）表現為支護嚴重下沉2米左右，右側壁圍巖支護錯斷并擠出近2米，搶險臨時支護的鋼拱架嚴重扭曲，方木垛因錯動而推倒。

2.2塌方的原因分析

主要原因是覆蓋塬面大雪消融后大量的水份滲入地下造成隧道開挖滲水量加大，另外因開挖進度僅僅達到75cm/天，造成掌子面及支護暴露段水文地質惡化加劇，施工過程的拱頂下沉增至6cm/天以上，累計沉降量達到70~90cm，拱腳也因水文地質惡化出現承載力不足而失穩。

3塌方的治理

塌方治理共分三個階段，即大核心土環形開挖法；雙側壁導坑開挖法；全斷面超前預注漿加固圍巖法。

3.1大核心土環形開挖法

對塌落的虛方土體進行反壓回填，人工形成長約13米，寬約10米，高約7米的超大核心土。并對核心土進行小導管注漿、掛網噴護等加固，以形成一個穩定的人工掌子面。然后以間距為30~40cm的I22人工向前開挖，歷時15天后因滲水不能排出，三方面原因導致方案失敗，其一，核心土泡軟局部失穩；其二，向前開挖4榀且立好的鋼拱架因拱腳泡軟，拱腳承載力過低后造成拱頂變形過大；其三，洞頂塌方松散土體荷載過大造成拱腳大的下沉和拱頂變形。

3.2雙側壁導坑開挖法

為了解決拱腳排水及環形開挖易失穩問題，3月19日決定將方案調整為雙側壁導坑開挖法。首先將原來的核心土進一步加固，并對拱頂開口進行回填加固并小導管注漿及掛職網噴護。然后先進行左側的導坑開挖，導抗尺寸按寬1米，高2.5米進行控制，每次開挖進尺為1榀，即30~40cm。至3月22日，在右邊部導坑還未來得及開挖時，拱部軟土涌出，方案失敗。究其失敗原因，主要包括：其一，拱頂塌方后形成滲水通路，滲水除沿已支護成型的洞壁下滲至拱腳處外，還有一部分水滯留開拱頂的松散土體中，長時間浸泡造成了拱頂土體泥化，使拱頂的的壓力不斷增大，但處理措施卻不能很快穿過塌方體，所以穿過難度隨著時間推移也在不斷增加；其二，在黃土隧道出現塌方時，塌方處理時拱腳處治須采取異常的加固措施方可保證施工的鋼拱架支護沒有大的下沉。其三，單層I22鋼支護不能承受來自拱頂的巨大壓力，須采取雙層鋼拱架支護，尤其是在塌方處理時間長的情況下更應采取更強的支護。

4二種治理方案的效果分析及其它輔助技術措施

大核心土環形開挖法及雙側壁導坑開挖法效果分析。從實際處理塌方的效果分析，大核心土環形開挖法及雙側壁導坑開挖法可以通過塌方段，但這兩種方法的風險較大，風險主要來自技術工作人員對水文地質情況的正確把握及治理時機的把握，如塌體出現泥化將使這兩種方案失去有效性。另外施工工隊的施工水平也起著至關重要的作用。羊泉隧道左洞進口及左洞出口也遇到類似的問題，其中左洞進口使用第一種方法取得了成功；左洞出口使用管拱配合側壁導坑法也獲得了成功。兩種方案筆者認為關鍵之關鍵是要把握住二點：其一，準備及土體加固工作要“快字出頭”，即“清泥要快，反壓要快，掌子面圍巖加固要快，開挖支護要快”，盡量做到在松散土體泥化前完成普通的加固注漿，利用塌方后形成的土塊之間的孔隙注漿充填形成土體的支撐骨架，并迅速開挖通過；其二，開挖支護施工過程，一定要做到“拱腳蹬得住，拱頂頂得住”。

5結語

結合青蘭高速陜西境項目羊泉隧道右洞進口塌方和治理過程以及治理過程及效果可得出以下重要結論：

5.1延安地區中更新統風積黃土（Q2eol）富水黃土隧道圍巖等級判定所依據的含水量參數要在勘探的基礎上增加4~6%，在塬體蓄水體積大且土體滲透系數高時時應取上限。

5.2延安地區中更新統風積黃土（Q2eol）在富水情況下，容易因開挖施工形成沿掌子面前進方向的連續井點效應并造成水文地質惡化。尤其當隧道開挖施工過慢（進度小于75cm/天）或停滯時水文地質惡化加劇，施工過程的拱頂下沉可增大至6cm/天以上，拱腳也會出現承載力不足而失穩的情況。所以要避免塌方出現，首先從進度安排上要保證一旦隧道開工就要連續不停地開挖施工，且每天開挖進度至少在1.5米以上（根據支護設計保證開挖達到2榀以上）。

5.3在拱頂累積沉降量大于45cm時，須從拱腳的強支撐上采取有效措施，而不能從增大預留沉降量來解決施工過程中的侵限問題。

5.4大核心土環形開挖法及雙側壁導坑開挖法處理塌方也是可行的方案，兩種方案成功與否的風險主要來自技術工作人員和工隊對水文地質情況的正確把握及治理時機的把握，成功的關鍵在快。

5.5全斷面超前預注漿加固圍巖法是一種安全可靠的方法，但此方案的缺點是耗時長，成本高。每個循環（30~40米）加固完成歷時45天左右。