山岭隧道施工塌方预警研究

引言

　　随着我国国民经济的发展，对交通设施建设的需求不断增加，高等级的交通干线得到了前所未有的发展。隧道的长度、跨径的不断增加，隧道施工中的施工风险也相应增加，隧道工程施工中大量不确定因素的存在。但是由于公路隧道建设过程中还存在诸多技术问题及其复杂的工程地质条件，在软弱围岩地段，由于超前支护及初期支护不到位或不及时，容易发生失稳造成围岩塌方，在施工现场台架由于刚度不足、使用时间较长，而失稳发生坍塌。所以隧道施工时，塌方事故时常发生。从而研究隧道塌方的预防控制技术的必要性，以便隧道指导隧道施工。
　　国内外对于隧道塌方的研究较多，如陈秋南等对复杂层状岩层隧道塌方进行了分析，并提出了处理方法。郑陈旻对隧道塌方预警预测体系及治理措施研究，归纳总结了隧道塌方按照不同分类划分的类型以及导致隧道塌方的主要影响因素，并对隧道塌方预警预报体系进行了分析。陈洁金等对隧道施工塌方采用模糊层次综合评判法进行风险评估，并而建立塌方风险模糊层次评估模型。宋平建立了隧道塌方预警指标和预警分级标准。不难看出，目前国内对于塌方预警的研究还不是很多。这主要是因为国内钻爆法隧道动态施工体系对于塌方预警的研究与判断指标的建立有难度，从而使得这方面的研究还不足。本文着重从某隧道的工程地质条件入手，通过对隧道的监控量测数据，综合现场对围岩变形情况的跟踪，为隧道塌方事故进行预防和控制研究，为避免塌方事故对隧道施工提出合理的指导性建议。
1　工程概况
　　隧道为构造侵蚀深切中低山地貌区。隧道入洞口、出洞口均位于山体中下部，地势相对较陡，地形坡度250-300。隧道位于石柱向斜北东翼，岩层呈单斜状产出，无断层通过，区域构造稳定。隧址区主要发育有二组构造裂隙：①裂面平直，无充填，裂面宽0.1-12.5px，间距0.2-1.5m，延长大于0.5m；②平直，裂隙宽0.1-15px，间距0.9-2.6m，延长大于1.5m，有少量岩屑充填。
　　隧址区的地层主要为第四系冲洪积粘土及碎石土，下伏基岩为侏罗系上统遂宁组砂岩和泥岩。由于区内地下水接受补给主要为大气降水，地下水流量动态变化大。地下水及地表水对混凝土无腐蚀性。涪陵端洞口处岩性为紫红色薄-中厚层状细粒亚长石砂岩及岩屑长石石英砂岩夹同色粉砂质泥岩及钙质泥岩，基岩裸露，差异性风化明显，表层岩体风化卸荷裂隙较发育，易发生小型崩塌，隧洞开挖，可能发生掉块和洞口坍塌现象。两端洞口无断裂构造，无滑坡、崩塌、泥石流和岩溶等不良地质现象同，稳定性较好。洞身地层为侏罗纪中统上沙溪庙组粉砂质泥岩、砂岩，岩层呈单斜状产出，裂隙不发育。泥岩为相对隔水层，地下水贫乏，层间结合较好，局部见分离现象。岩体中构造裂隙不发育，拱部无支护时可产生坍塌，侧壁基本稳定，爆破震动过大易坍塌。围岩为Ⅴ-Ⅳ级，以Ⅳ级为主。
　　隧道最小埋深约40米，最大埋深约390米。开挖时由于洞内水平层状围岩几乎遍及整个隧道，整个隧道均有小规模塌方风险。
2　隧道塌方预警指标体系的建立
　　预警是对灾害或危险状态的一种预先信息警报或警告。隧道塌方预警体系是指在隧道施工过程中，亚安全或不安全状态下的，发生塌方事故前发生警告的一些控制参数。通过对这些参数即时的工程信息分析与评价，以形成对隧道塌方突发性或是长期性警情的预报。隧道塌方风险预警体系是防范塌方安全事故有效的手段之一。
　　根据隧道的地形条件，这些指标的建立主要是参考一些了设计、施工规范、相关文献资料，以及总结前人数据，判断隧道塌方的指标主要包括拱脚水平相对净空变化、拱顶相对下沉、开挖后掌子面掉块和位移控制基础参数4个控制参数。如下图1


　　2.1　拱脚水平相对净空变化
　　拱脚水平相对净空监控是针对开挖后隧道由于围岩压力的变化，隧道拱圈两侧土压力挤压拱圈，使隧道在压力的作用下，往拱圈内侧有位移变形。隧道拱脚水平相对净空变化控制指如果在隧道拱脚处采集的数据发现超过某一临界值，或根据量测位移预计出的最终变形量将超过最终变形量，意味着隧道有塌方的前兆。本文针对隧道建立拱脚水平相对净空控制参数约定如下表1所示。


　　2.2　拱顶相对下沉量
　　隧道拱顶相对下沉量变化控制指如果在隧道拱顶处采集的数据发现超过某一临界值，或根据量测位移预计出的最终变形量将超过最终变形量，意味着隧道有塌方的前兆。本文针对隧道建立拱顶相对下沉量控制参数约定如下表2所示


　　2.3　开挖后掌子面掉块
　　开挖后掌子面掉块是指在钻爆法施工时，在清除浮石并修挖后掌子面由于岩层稳定性的破化导致隧道在开挖后，掌子面自发的发生掉块的现象。在隧道施工中，掉块现象往往伴随着隧道塌方，但由于掉块难于界定，而且隧道内地质情况复杂，所以很多施工单位对于掉块现象也只能是等其围岩稳定后才进行作业。本文参考相关资料，对山岭隧道提出具体的控制参数约定如表3所示。


　　2.4　位移控制基础参数
　　由于隧道在开挖后，由于受到开挖面的约束，使开挖面附近的围岩不能立即释放其全部瞬时弹性位移这是开挖面推进过程中，由于空间变化所引起的一种围岩变形特性，即围岩变形存在时空效应。而在距开挖面约一倍开挖面宽度时，开挖作业已经有可测量的变形。而在开挖面后方接爱的位移信息与最大位移信息最为接近。考虑到实际操作中，隧道监控量测点的布置与开挖面的距离有关，本文将位移变形速率控制基准确定为根据测点距开挖面的距离，由初期支护极限相对位移要求确定。隧道位移控制基准参数如表4所示。其中，表中的B为隧道开挖断面的宽度，允许值是相对隧道极限相对位移U0而言。


　　在考虑隧道上述4个参数控制的同时，参照规范要求，还应该考虑随着隧道位移变化的速率变化。当净空变化速率持续大于5.0mm/d时，表面围岩处于急剧变化状态，应加强初期支护系统；当水平收敛速度小于0.2mm/d或者拱顶下层速度小于0.15mm/d时，围岩基本稳定。
3　隧道塌方应急预警响应等级
　　应急预警响应的是在隧道发生塌方事故时，最大限度的防止和控制事故蔓延，针对可能发生的事故，能够迅速、有序的采取应急措施，最大限度的降低潜在事故和已发事故给施工人员带来的生命、财产危害。
　　隧道施工过程中，根据监测数据进行实时分析和阶段分析，并参考上级的安全控制参数划分出相应的风险等级进行风险预警，达到保证施工安全的目标。本文参照国内以往的施工习惯和监理作业守则，并查阅了大量文献，建议将隧道塌方预警等级分为四级。
　　1、一级响应:若监测数据处理分析发现达到上述其中一个控制参数指标值的1/3，则应该发出预警警告，通知相关各单位密切注意，但是这个阶段可以正常施工；
　　2、二级响应:当数据指标处于指标参数控制值的1/3到2/3的时候，则认为该隧道工程的风险等级为二级，应该有所行动，实施风险控制相应对策；
　　3、三级响应:若监测数据超过控制参数的2/3的时候，则认为该隧道非常危险，应立即暂停施工并采用关对策，等到风控制参数恢复到等低等级的时候才可以继续施工。
　　4、四级响应:监测数据失效，隧道塌体已经形成，隧道发生塌方。应立即停止施工，安全转移施工人员。
4　隧道塌方控制技术研究　
　　在隧道施工的过程中，隧道围岩将会随着施工进程的发展，在不同的阶段产生不同的变形破坏，因此，可根据第三节隧道施工塌方应急预警等级的分类，对不同的预警等级采用不同的治理措施。
　　4.1　山岭隧道塌方预警一级响应时的治理措施
　　在此阶段时隧道监控数据的变化一般主要是地质条件勘探不全或设计不到位引起的。所以在收到塌方一级响应时，主要是对原有的施工方法进行调整，必要的时候应对原有的结构重新进行衬砌支护设计，并加强对隧道的监控。常用的处理措施有:
　　1、对隧道进行超前支护，加强围岩稳定；
　　2、根据围岩变形进行必要的大管棚支护；
　　3、对隧道岩体进行灌浆处理，提高围岩整体强度；
　　4、使用预应力锚索，增加围岩滑动面的垂直压力从而提高摩阻力和水平抗力，变被动受力为主动抗滑。
　　4.2　山岭隧道塌方预警二级响应时的治理措施
　　在二级响应时，一般由于钻爆法爆破强度不合理，对岩体扰动较大。也可能是在一级响应发生时，应对不合理、不及时，从而导致围岩破坏。总之在二级响应时，由于围岩经过初始沉降，滑动面才开始缓慢形成，因此，该阶段塌方规模一般较小，处理容易。常用的处理措施有:　
　　1、减小爆破强度，尽量降低爆破对隧道围岩的扰动；
　　2、使用普通砂浆锚杆加固处理；
　　3、对已产生的裂缝进行必要的处理对影响结构承载力的主要裂缝区域（如拱部）混凝土，采用粘贴碳纤维布等加固措施，以增强结构强度，提高结构承载力。
　　4.3　山岭隧道塌方预警三级响应时的治理措施
　　三级响应是隧道围岩随着岩体位移的进一步加大，围岩内部裂缝缓慢扩展，围岩进入加速突变阶段发生，滑动面的抗滑力进一步减小，达到一定程度时发生破坏。此类破坏发生时时间较短，监控量测上预警困难，容易对现场施工人员的生命财产构成一定的威胁。常用的处理措施有:
　　1、据特定的原因进行相应的消坡或反压回填;
　　2、进行必要的锚杆或锚索加固;
　　3、及时进行必要的抗滑桩或支撑体系。
　　4.4　山岭隧道塌方预警四级响应时的治理措施
四级响应破坏发生，说明整个隧道围岩结构已经破坏，塌方已经形成。此类破坏产生一般是对隧道围岩的监测不到位，或是施工中存在偷工减料行为。由于整个支护结构可能已经全部损坏，若重新进行防护时费用极高，一般常用的处理措施是对围岩进行全面的灌浆加固，提高整个岩体的力学强度，然后重新进行支护设计。
5　结语
　　1、通过对山岭隧道塌方的研究，确立了山岭道塌方预警体系包括拱脚水平相对净空变化、拱顶相对下沉、开挖后掌子面掉块和位移控制基础参数4个控制参数。
　　2、隧道塌方预警分级根据指标参数下控制参数的关系分为四级响应。
　　3、通过对某山岭隧道施工塌方预警体系的研究，有效的控制了该隧道在施工期间的塌方风险。