浅析风化泥岩隧道冒顶治理措施

浅析风化泥岩隧道冒顶治理措施

陈孝松

云南省公路工程监理咨询公司云南昆明650021

摘要：隧道工程项目在公路建设中，非常关键。随着我国经济不断发展，人们对公路运营的需求日益提高，随之而来的隧道工程长度与数量都显著提升，并且隧道工程的规模也在加大。但是，受多种因素的影响，隧道施工过程中，经常出冒顶塌方问题，这些影响因素包括人为、工程项目的水文及地质因素等，在隧道施工中，这个技术难题严重限制了工程质量的提升。本文有效借鉴其他发达地区的成熟治理经验，通过实例，浅要分析了风化泥岩隧道冒顶问题，并提出相应的改进措施，如采取地表注浆加固措施，利用高压旋喷注浆技术，使隧道的淤泥得到进一步巩固，将帷幕注浆设置于隧道掌子面上，以及对注浆小导管提前设置等等，通过这些改进措施的联合应用，有效提升了风化泥岩隧道工程质量，进一步降低了隧道冒顶事故的发生率。

关键词：风化泥岩；隧道冒顶；治理措施

1.前言

在公路隧道工程洞室建设过程中，如果恰巧建设的围岩地带，本身具有较差的自稳能力，在施工中很容易出现塌方开挖灾害问题，甚至出现大隧道的大面积冒顶现象，严重威胁到隧道的正常施工，并可能造成以后运营中的安全隐患，其中隧道塌方事故，在隧道施工过程中比较常见，不但严重影响到工程施工的进度，以及施工安全性，也将造成极为严重的经济损失。目前，对治理隧道冒顶事故改进措施的研究，是隧道工程人员急待解决的首要任务。本文以四川省省道205线黄土梁隧道冒顶事故为实例，对造成事故的相关影响因素进行分析，重点研究了施工开挖后，对施工地带地下水、以及风化泥岩、夹砂岩等影响因素，并提出对应的治理措施和治理方案，以供参考。

2.实例工程的概况

该工程项目主要气候属于半干旱的大陆性质，长年多风少雨，并且寒长暑短，该地区每年的七到九月为集中降雨期。四季区分的并不明显，因地势高低不同，其气侯变化特点也各不相同。隧道工程发生冒顶事故的地区位置，在构造侵蚀型低山陵区地带，该处的地形具有较大的起伏。隧道建设位置的地面标高在2605.8-2698.2m范围内，坡面的相对高差在92.4ｍ。隧道的地形与隧道的轴线直交于出口段位置，以高线小角度形式，相交于隧道的进口段与等高线间。参考相关工程地质调绘资料，以及相关钻探数据可知，隧道工程出现冒顶事故的山坡表层位置，呈第四系的更新粉土层分布，事故地带的基岩属于第三系（N）类型，其泥岩显现为灰黑色。隧道工程施工地带，未经过较大的地表径流，只在雨季时期，经过细小的水流；隧道工程的地下水类型包括两种，即基岩与孔隙裂隙水。经过详细的地质调查，以及钻探测量结果数据可知，施工隧道的岩层，在某些位置出现了裂隙性潜水问题，并且在围岩体的周边，出现小股渗流，以及滴水等问题，对施工产生了较大的影响。

3.风化泥岩隧道冒顶事故原因分析

经过对该隧道工程冒顶事故的详尽分析，我们发现在开挖隧道掌子面过程中，挖至Ｋ5＋186地段时，受此地段风化泥岩的自稳能力不高等因素影响，隧道在顶板位置发生冒顶塌陷事故。通过对施工现场的认真检查，了解到隧道冒顶区域塌方的长宽分别为50.2m，8.26m，隧道的纵深范围在41～46ｍ范围内，大概有3240立方米的方量。事故的冒顶泥岩绝大部分都为流沙形式，向隧道方面渗入，其中风化泥岩层，在坑内范围随处可见。如下图所示。为有效避免隧道发生连续性的次生灾害问题，应当恰当处理好冒顶事故，认真分析隧道冒顶地段的部位及灾害类型，认真分析事故发生的机理及原因，提出治理和改进方法。

3.１工程地质特征分析

事故发生地带均为风化泥岩类型，其中的风化泥岩没有较强的自稳性，隧道工程的上断面，其风化泥岩为中强性质，具有较差的黏结力度，缺乏足够的稳定性。隧道发生冒顶事故的地带，自下而上包括四种类型地质，即湿陷性黄土，有10m，饱和性的粉质黏土有8m左右，中风化泥岩，以及强风化泥岩都处于最下方地段。发生塌方地段的洞内，施工的掌子面的风化泥岩，属中强性质。隧道事故冒顶区上方的1.5至8m范围内均为杂填土。

还包括大量非常松散的混凝土碎块。在1.5-15m范围内均呈现褐黄色，主要都为粉土，存在少量的粉质性黏土。具有极高的含水量，有些位置甚至已经饱和，其中强风化泥岩位于隧道的下方。已经开挖的隧道，有钻孔穿插，在隧道内没有发现钢筋及混凝土等结构性防护物质。此处隧道已发生完全塌陷现象。事故地段的泥岩主要呈青灰色、灰黑、以及黑色等，其中夹砂岩的层面较薄，其泥岩的结构主要是泥质，该地段主要构造为层状，其发育为节理裂隙类型，事故地带的岩石大多呈破碎状态，为碎石形状，其中少量岩石呈短柱形状，一遇到水就会发生软化现象，受风干影响，非常容易发生崩解问题。

图２隧道洞内涌泥

3.2水文地质特征分析

在隧道冒顶塌方事故中，水是最关键的隐患，对隧道的质量产生较大影响，隧道地段的地下水不但会影响中强风化泥岩的强度，还会影响到中强风化泥岩的应力状态；受泥岩结构面中，孔隙水压力增加的影响，其有效的正应力将显著减小。地下水在中强性的风化泥岩当中，会冲刷掉其中的填充物质，并造成夹层的液化现象，导致泥岩结构面上，抗剪稳定性能明显下降；受地下水的物理及化学作用影响，其岩土体强度将显著下降，并迅速降低软岩强度，加速了土体的流动性，并加快其液化速度。相关调研数据表明，在隧道冒顶整体事故中，大约有50%以上，是由地下水因素导致的，地下水因素加快了隧道冒顶塌方的速度，因此，在治理隧道冒顶塌方事故过程中，必须先治理地下水等影响因素。通过对隧道冒顶塌方事故现场的注浆试验可知，事故隧道的轴线左侧位置，具有极为丰富的地下水资源，并且此处的粉质黏土形状，主要呈饱和软塑状态。

3.3人为等影响因素

第一、未充分认识到地质勘察工作的重要性，对于隧道工程施工地段的地下水分布和流量情况，以及地质构造等掌握得不够充分，事故地段为公路的山岭隧道，其地下工程比较典型，在实际施工时，由于未实施完善的地质勘察工作，并且受到地质勘查能力限制，以及受地下水及地质构造等因素影响，进一步加大了冒顶事故的隐患，增加了公路隧道的施工困难。也就是说，导致隧道冒顶塌方事故的另外一个主要原因，就是未进行详细认真的地质勘查。第二、施工前，相关施工和技术人员未全面掌握围岩相关知识，未详细了解事故发生地段围岩实际状况，因此也没有对变更支护的方式方法进行及时转变。技术人员应当在施工过程中，认真比较设计文件与施工监测内容，一旦发现问题要向管理人员及时上报，对隧道的支护形式，以及隧道开挖方式进行变更和调整。本项目隧道施工支撑技术，其原理和依据为新奥法，不过，实际施工过程中，设计与施工人员并未全面掌握新奥法原理的意义。未了解“设计—施工—量测—设计—施工”的本质，没有明确这个动态信息管理模式的实质，在实际施工中，技术人员只注重量测和施工工作，却对量测，设计，施工等关键环节的设计内容不够重视，因此在实际施工中发现地质构造发生变化时，没有及时变更设计图纸内容，并参照执行。第三、在爆破过程中，没有准确掌握装药结构及装药量的控制措施，出现较大的震动，使隧道围岩出现松动现象，围岩的自承载能力明显下降。

4.风化泥岩隧道冒顶治理的基本依据

本次隧道冒顶塌方事故规模比较大，沿着隧道纵向方向，大概有50.2m的距离，冒顶事故地段，地质特征非常复杂，具有非常丰富的地下水，并且该处隧道工程主要为两车道的大断面特点，对冒顶问题的处理具有较大的困难，所以，必须认真制定治理冒顶塌方事故的方案，在制定过程中必须以下述原则及依据为前提。第一、在治理隧道冒顶事故时，为避免发生二次塌方现象，或者发生次生灾害，所以，在治理冒顶事故时，要首先保证施工的安全性，加固和处理事故地段的地表，完成加固施工后，再实施塌方地段暗洞的作业。为确保施工的安全性，要以隧道施工管理与技术两方面为重点进行治理。第二、对围岩的加固措施包括两种，即洞内超前加固技术与地表加固技术。治理冒顶事故的基本原则，即要首先加固冒顶隧道洞顶位置的塌方体，包括其周围松散型的围岩，进一步提升围岩的稳定状态，使围岩的成洞条件得以改善，提升隧道暗洞施工的安全性。第三、由于冒顶事故地段，在洞内左方位具有极为丰富的地下水，并且呈粉质黏土类型，因此处理塌方的困难较大，应当采取联合治理措施，充分结合地下水的排、防、堵、截等治理手段。可将孔，打在排水管的上半断面上，可选择HDPE或者PVC等规格排水管，而且，可将一层土载布包在排水管的外壁上，实现对隧道内部地下水的引导。

5.风化泥岩隧道冒顶治理措施分析

5.1地表加固治理措施

参考对冒顶事故地段的第二次勘察结果，在治理时，考虑使用注浆钢管对地表进行加固，注浆钢管的规格选择为50ｍｍ×4ｍｍ，具体如下图所示，设置1.５ｍ×1.5ｍ为其平面的布置方案，并且布置成梅花形状，可使用水泥浆作业浆液，设置1∶0.９为水泥和水的配比，并在实际施工中，参考具体注浆状况对配比进行及时合理的调整操作。设置地表的注浆压力在0.5～2ＭＰａ范围内，应从低到高，使压力逐步增加，当压力值为2ＭＰａ的时候，要维持压力值，始终不变，等到在单位时间范围内，注浆量显著下降的时候，可完成注浆施工。与此同时，由于隧道事故地段轴线左部分，大多为粉质饱和黏土，注浆作业不会取得理想的效果，可使用高压旋喷桩进行加固。高压旋喷桩的规格要求为，桩长度在3～6ｍ范围，桩直径为60cm左右，在隧道的竖直方向，顺沿其左侧断面位置，布置好轮廓线，并进行开挖，要求桩底的高度与开挖线间的距离，在30cm左右，并且参考实际粉质黏土分界线，以及泥岩等具体位置，进行相应的改进和调整措施。

图３地表加固立面

治理时，对地表进行注浆过程中，应当重视以下几点：第一、在施工时，要考虑到塌坑底部位置，具有较大的起伏，注浆过程中，先确定好孔位置，并测量每一个孔位的高度，在明确每一个注浆管长度，以及注浆孔的位置时，要参考隧道洞身的高度范围，以及孔位的位置实施。第二、连接钢管时，可使用丝扣。第三、要采取重新刷坡措施，重点针对塌坑的坑壁位置，要求坡率的范围在１∶０．５之内，避免注浆时，边坡发生垮塌事故。第四、注浆时，应当对压力数据，以及注浆量进行详细记录，要精确掌握注浆量，控制好注浆的速度，以达到理想的注浆效果，完成注浆，要重点检查是否出现跑浆现象，是否实现了加固和密实。

图4：地表加固平面设置

图5：旋喷桩加固立面布置

5.2洞内临时防护治理措施

为加强施工的安全性，并避免在处理塌方事故时，对已建的初期支护产生干扰，并为隧道超前导管施工，以及超前管棚的施工提供必要基础，可在事故段设置好钢拱架支护，且为临时性的，可使用规格为Ｉ20a的钢拱架，要求具有Ｑ３４５标准的屈服强度，且设置为50ｃｍ的纵向间距。

5.3洞内超前支护治理措施

可在Ｋ5＋185位置的第一环，使用超前小导管，要求长度为５ｍ左右，并且设为30cm的环向间距；在Ｋ5＋185～Ｋ5＋237段位置，可使用超前小导管，要求长度值为4．5ｍ左右，并且环向间距为25ｃｍ左右，呈10°的角度，另外也要设置部分超前导管支护，放在双侧壁导管的段落当中。

5.4洞内围岩加固治理措施

隧道施工中，在Ｋ5＋185～Ｋ5＋237地段内，对围岩的加固处理，可使用径向导管实施，规格为42ｍｍ左右，要求导管的长度为4m，且间距要求50ｃｍ×80ｃｍ，可使用长度达4m的导管，注入水泥浆配比为１∶１。

5.5主洞复合式衬砌设计治理措施

在治理初期支护，采用C25喷射混凝土厚35cm，使用双层钢筋网，钢拱架的标准用Ｉ25a，且其间距为50ｃｍ，设置Ｑ345为型钢的屈服强度值。设置厚度为65cm的二次衬砌，使用的钢筋混凝土规格为C30钢筋混凝土。

6.结束语

通过上述实例可知，在隧道冒顶事故治理中，必须遵循动态设计、施工、和管理理念，有效结合施工与设计，针对施工过程中，发生的隧道初期支护变形问题，地下水问题，围岩问题等，采取相应的技术改进措施，有效提升隧道施工质量。

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