浅析隧道坍方的成因及处理措施

隧道在施工过程中发生的坍方形式是多种多样的。大体可按隧道坍方的地点、坍方规模和形式进行分类。

根据隧道坍方的地点可分为：洞口坍方、洞内工作面坍方、洞内滞后工作面坍方。根据坍方规模和形式又可分为：整体坍方、顺层坍方及局部掉块。整体坍方发生在软弱围岩中，从边墙或拱脚变形开始，进而波及到拱部，从而形成整体坍塌；顺层坍方：当岩层的层面较光滑，层间结合力差，或受节理相交的影响，岩体呈相对破碎状，在开挖后出现顺层的滑移现象；局部掉块：这类坍方大都因为节理发育所致。为简单、直观，可将所有坍方形式划分为3大类：洞口坍方（包括洞口段坍方）、洞内石质类坍方、洞内土质类坍方。

1 产生坍方的原因

1.1洞口坍方

由于洞口一般为堆积层或风化严重、破碎的岩体，其自稳能力以及整体稳定性均较差。在浅埋地段，如果在进洞前未对边仰坡采取一定的技术措施，或未能达到设计要求时，在进洞后，必然引起上端围岩应力重分布，在重力作用下出现下沉或开裂变形，当变形过大，会导致大面积的整体失稳，进而发生整体坍塌。

1.2 洞内石质类坍方

隧道或洞室开挖后，使其周边的岩石处于悬空状况，同时发生下沉或收敛变形，以释放内部应力，由于岩石体中存在层理和节理（有时还有软弱夹层），使周边的部分岩块在重力作用下，具有下落和挤出的趋势，如果此时未采取相应的支护措施或所采取的支护措施达不到控制其变形发展的要求时，必然会出现“掉块”现象，当这种“掉块”的数量过大，就造成坍方。这类坍方一般沿结构面形成，坍腔的形状极不规则。

1.3 洞内土质类坍方

土质类隧道或洞室开挖后，由于围岩的C、φ值较低，周边一定范围内发生松弛变形，随着这些变形扩散，围岩的整体强度降低，同时土压增加，进而引发局部的塑性破坏，在围岩（土质体）内部出现空洞导致局部发生坍塌，局部（浅埋时在地表）出现下沉，塑性区进一步扩大，土压力剧增最终导致整体失稳，大面积坍塌。这类坍方表现为：坍体为松散的砂、土（或碎石）混合体，数量较大，坍腔形状较为规则，一般为圆弧形或拱形。

2坍方发生的原因

发生隧道坍方的原因是多方面的，经调查，将坍方的发生原因简单概括为四个方面：地质、设计、施工技术、管理因素。地质因素方面：在开挖的过程中，围岩等级突变、出现较大的断层、破碎带或软弱夹层、特殊的不良地质。设计因素：洞口的位置选择不恰当，如位于较大的滑动体或断层之中，从而引发洞口坍方；设计的支护参数偏小，无法保证围岩从开挖后到二次衬砌施作这段时间内的稳定；针对特殊不良地质地段，设计上给出的处理措施不当。施工技术因素：开挖方法不正确、初期支护未按设计的参数进行，如锚杆的长度、间距、喷射混凝土厚等，使围岩的稳定性达不到要求；隧道的爆破设计对围岩扰动过大；二衬施工不及时；软弱围岩施工时未及时施工仰拱，未形成封闭的环状受力。管理因素方面：安全、质量意识淡薄，在施工中偷工减料、弄虚作假造成支护质量达不到设计要求；

3坍方的技术处理措施

3.1洞口坍方的处理措施

1、中小型坍方首先将坍体自上而下全部清除，根据清除后的坡面情况，决定是否采用刷坡卸载的方法，同时对仰坡面自上而下进行喷锚网加固。其支护参数为：喷射混凝土厚度：8~15cm ；锚杆：φ22mm ，长3~5m ；间距1m*1m~1.5m*1.5m ；钢筋网：φ6mm~φ12mm ；网格间距15cm*15cm~25cm*25cm 。

2、对于大型或特大型坍方，不必全部清除坍体，可采取挖台阶的形式清除一部分，然后进行喷锚网加固，并在仰坡上的适当位置设置浆砌片石挡墙作防护。

3、当坍方是因为洞口附近的山体滑动引起的，且坍方发生后，滑动体尚未稳定，此时必须先加固滑动体，再处理坍方。常用的技术措施主要有三种：①长锚杆，长度须超过滑动面，一般为8~20m ，并严格进行注浆。②预应力锚索，其长度也必须穿过滑动面，一般为12~40m，并严格进行注浆。③抗滑桩进行加固，其长度仍必须穿过滑动面，其断面大小一般为2m*2m~4m*4m。

3.2 洞内岩石类坍方

根据分析，岩石类坍方的围岩级别一般为Ⅱ~Ⅳ 级，岩体以未风化或弱风化的岩层为主，节理较发育，坍体呈破碎的石块状，粘土及砂的含量相对较少，一般不超过30% ，未坍方围岩处于相对稳定的状态。对于中、小型坍方，从坍腔口可观察到在坍壁稳定的情况下，是否可采用清碴的方法，同时根据坍腔的矢跨比（H/B），采取不同的处理措施：

（1）当坍腔的矢跨比H/B＜0.7 时，采用 WFN法进行处理。

利用围岩暂处于基本稳定状态，边清碴边处理，抓紧时间沿坍塌面采用喷锚支护技术加固未坍的地层，使用这种方法的特点是：工序多，处理周期较长，成本较高，但安全可靠。

（2）当坍腔的矢跨比H/B≥0.7时，采用 WF法进行处理，在坍方发生以后，利用围岩的自稳能力，抓紧时间沿坍塌面进行外层初期支护。不设（也难于设）内层初期支护，待洞内二次衬砌完成以后，设置与WNF 法相同的防水层、1m厚的护拱及1m 以上厚度的土石缓冲层。由于设有1m的混凝土护拱及1m以上厚度的土石缓冲层，即使在隧道运营期，发生坍塌，其抗冲击能力仍可确保运营的安全。

2、对于大型坍方，一般不能采取清碴的方法。其理由是，清碴数量太大，时间太长，且处理费过大。而采取Z法，即“注浆+管栅”的整体加固处理方法。其主要内容为：

（1）设止浆墙：采用厚1m 的素混凝土或2m 厚的浆砌片石。

（2）预埋孔口管：直径φ=50~150mm ，长度L=2~3m 。

（3）注浆：似渗透注浆为主，注浆形式可采用全段一次性注浆、分段循环注浆和分段后退式注浆三种。

（4）施作管棚：根据注浆效果选择管棚的参数，当注浆效果很好时，也可以小导管代替管棚。

（5）开挖及支护：根据注浆及管棚的加固效果决定开挖和支护参数大小。

3、当岩石类坍方已坍至隧道上方地表，即“冒顶”时，先处理地表坍口，后处理洞内坍方。地表坍方的处理：遮盖地表坍口，防止雨水渗入；坍口进行喷射混凝土封闭；根据情况，决定是否采用地表注浆加固技术防止坍方的继续发展和扩大；坍口四周施作截、排水沟；待洞内坍方处理完毕后，对地表坍口进行回填，回填一般采用不透水的粘土进行，回填高度应高出原地面0。5~1m ；当坍口数量较大，同时地表坍口附近取土困难时，可不进行回填，而改作坍腔四周刷坡，作成簸箕形。簸箕的底面应保证排水，一般坡度为3%~5% 的斜坡。

3.3洞内土质类坍方

土质类坍方的围岩以砂、土质或强风化的岩石为主，坍方呈土状，含有大量的砂、粘土（≥70% ）以及少量的石屑和圆孤石，坍方范围以外的未坍塌部分呈相对不稳定状态。坍方主要为大型和特大型坍方。

对于土质类坍方的处理，不能采用清碴的方法，而必须采用Z法进行，即“注浆+ 管棚”的方法，其主要内容与W 岩石类坍方中Z 法的内容基本相同。但须注意以下两点：

1、注浆应根据坍体中土质（或砂）的颗粒大小分别采用渗透注浆、劈裂注浆或化学注浆。其选择标准为：d≥1mm时， 渗透注浆，

1mm＞d＞0。1时， 劈裂注浆，d＜0。1时， 化学浆液。（d 为粒径）

2、管棚施工时，因在土质中钻孔、成孔困难，可采用跟管钻机进行。管棚安装完成后应利用管棚再行注浆，并在管棚内安放小钢筋笼并灌注水泥砂浆，以提高刚度。

当土质类坍方坍至地表（这种情况在浅埋时经常发生）时，应先对地表坍口进行处理。