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摘要：以秦东黄土隧道塌方为例，分析了隧道塌方的原因，包括工程地质和水文地质、隧道结构断面、隧道支护结构、隧道围岩压力以及隧道施工工艺等，介绍了所采取的处理措施，总结了黄土隧道施工的经验。
这对于相同类型的隧道施工以及塌方事故的预防都具有一定的参考意义：隧道施工具有安全隐患多、施工危险性大的特点，而黄土隧道因缺乏成熟的设计理论和足够的施工经验，安全隐患更多、施工危险性更大。
本文通过对秦东隧道塌方处理实例的分析和总结。
提出了相关的处理方法，以供大断面黄土隧道安全施工借鉴。
1工程概况秦东隧道是郑州至西安铁路客运专线重点隧道工程之一，全长7 684 m，开挖断面面积163 m2，洞室最大宽度15．18 m、最大高度13．32 m，为目前国内黄土隧道之最。
隧道起迄里程：DK333+312～DK340+996，其中隧道进口DK333+390(明暗分界)～DK333+465段采用“双侧壁导坑法”施工。
DK333+465~+500段采用“CRD法”施工。
CRD 法如图1所示。
隧道施工至DK333+487时，DK333+470～DK333+487段中隔壁右侧在无明显征兆的情况下突然坍塌。
塌方后，中隔壁喷射砼局部开裂，部分钢支撑发生变形，左侧相邻段喷射砼开裂，洞顶正上方地面形成一个长22 m、宽16．2 m、深2~5 m的陷坑，且周边地表有多处裂缝。
2地质水文情况2．1地形地貌隧道所经区域主要为黄土台塬区及黄河阶地区两大地貌单元，隧道进口段位于黄河Ⅱ级阶地区。
隧道进口DK333+390(明暗分界)～DK333+500段埋深约7~26 m，中线与山体斜交，具有浅埋、偏压特点。
隧道洞口坡面黄土冲沟较发育，洞顶均为荒地、坡地，植被稀疏。
地下隐藏的古墓较多。
DK333+465正上方上有一弃用的蓄水池。
2．2工程地质黄河Ⅱ级阶地表层为第四系上更新统风积的砂质黄土所覆盖，下伏上更新统冲积砂质黄土。
(1)第四系上更新统风积砂质黄土：厚度10~18 m，坚硬—硬塑，Ⅱ级，δ0=150 kPa。
隧道塌方原因分析及治理措施在建和已建隧道工程中，均出现过不同程度的塌方现象，给建设和运营带来了较大的危害。
因此，分析其原因并及时治理十分重要。
塌方原因1、地质因素地质条件是造成塌方的基本因素。
穿越断裂褶皱带，穿越严重风化的破碎带、堆积层等容易产生塌方。
地下水往往也是重要因素，地下水丰富易造成塌方。
2、设计因素地质勘探需要仔细周密。
掌握资料不够时，应避绕不恰当的位置。
设计过程中未准确判断地质条件，未充分考虑不良地质对隧道的影响。
3、施工因素施工是引起塌方的直接因素，对地质情况掌握不够，从而选择不合适的施工技术，如炸药用量过多、支护不及时不牢靠、围岩暴露时间过长等，或选择了不合适的围岩施工方法，并且又未采取其他补救措施，则会造成围岩塌方。
治理措施1、当遇到塌方时，迅速营救施工人员并加固未塌地段，以防塌方范围扩大，并为清理塌方做准备。
同时，摸清塌方情况，调查塌方范围和塌方后围岩现状，塌落原因及性质、间隙规律、塌方现场情况等。
2、塌方体尚未堵实坑道，基本停止塌落或再一次下榻的间隙时间较长，施工人员尚能进入塌穴观察处理，为小塌方。
塌方体堵塞坑道，规模大，无法观察或塌方继续不停，不断补给，施工人员无法进入塌穴，为大塌方。
3、处理塌方按“小堵塞，大塌穿”及“治塌先治水”的原则进行。
(1)小塌方在隧道施工中较常遇到，在坍塌间隙中，一般需要“先支后清”。
即应先支护塌穴和塌方口，此时，临时支撑可架在塌体上，然后清除塌方，边清边换立柱。
如塌穴较高，可采用多层排架支护，顶层排架与塌穴壁要顶紧，条件适合也可用喷混凝土作临时支护处理塌方。
大塌方则无法支护塌穴，大小无法查清时也不容许查清，以防随清随塌，使塌方范围迅速扩大，因此采取“大塌穿”的办法，即在塌体中穿过去。
穿越塌体用“先护后挖”的施工顺序。
首先加固塌方端部支撑及衬砌后，一般用插板法施工，插板视塌方体石渣软硬可选用木板、钢钎或钢轨等材料，在插板掩护下清渣并及时架立牢固的支撑，扩大时，亦需横向打入插板，随扩大随支撑。
黄土隧道塌方原因分析及预控措施中交一航局铁路工程分公司周杰摘要：本文就黄土本身的特性及施工管理方面的因数分析，浅析黄土隧道塌方的预控措施。
关键词：黄土隧道塌方预控措施一、黄土自身的特性造成黄土隧道塌方的主要因素1.黄土节理黄土常具有各方向的构造节理，有的原生节理呈X型，成对出现，且有一定的连续性。
在隧道开挖时，土体容易顺着节理张松或剪断。
如果此种地层位于隧道顶部，则极易产生“塌顶”；如果位于侧壁，则易出现侧壁掉块，若施工中处理不当，可能会引起较大的塌方。
2.黄土冲沟在黄土冲沟或源边地段施工时，往往由于受冲沟构造和地表水侵蚀影响较严重，当隧道覆盖层较薄或存在较大偏压时，容易发生较大的坍塌或滑坡现象。
3.黄土洞穴与陷穴黄土洞穴与陷穴是黄土地区经常出现的不良地质现象。
当隧道位于其上方时，可能出现基础下沉的危害；当隧道位于其下方时，可能会出现冒顶的危险；当隧道位于其邻侧较近时，则可能因承受较大偏压而出现坍塌。
4.地下水的影响黄土在干燥时一般具有较高的强度和承载力，但当其受水浸湿后，则强度会急骤下降，出现不同程度的湿陷性，产生下沉，极易导致坍塌。
5.湿陷性黄土对隧道最不利的影响是其湿陷性，遇水后黄土的强度显著降低，并产生湿陷性，极易导致隧道基础沉降，引起衬砌开裂等病害。
二、施工管理造成黄土隧道塌方的主要因素1、未能按三台阶法施工目前黄土隧道施工采用的方法一般为三台阶七步流水法和三台阶临时仰拱法，对于湿陷性黄土及富水黄土隧道，需采取三台阶临时仰拱法施做，施工过程中要严格控制施工步距，如果不能严格施工工法，采用长台阶法施工，作业循环时间长,土体暴露时间过长,容易造成仰拱到掌子面之间出现塌陷。
2、未能按设计要求进行超前支护掌子面开挖前应按设计要求进行超前支护，超前小导管或大管棚必须施做，如果未能按照设计要求施做，容易造成掌子面开挖过程中掉块、坍陷现象。
3、仰拱一次开挖过长、未能及时封闭黄土隧道施工中要严格仰拱开挖进尺，一次开挖长度为2--3米，并及时做好初期支护，使仰拱开挖后尽早成环，如果一次开挖过长或开挖后未能及时成环，会造成已开挖仰拱部位不能承受土体压力而塌陷。
湿陷性黄土公路隧道塌方浅析【摘要】本文针对湿陷性黄土隧道的地质特点，研究了湿陷性黄土地质条件下处理隧道塌方的要点，分析了塌方的形成机理，并给出了塌方的处理措施，提出了相应的施工要点，并得出了处理湿陷性黄土隧道塌方的一些建议。
【关键词】湿陷性黄土；公路隧道；塌方；施工方法０．引言西部大开发战略决策的实施，促进了西部地区高等级公路的发展，穿越黄土地区的公路隧道将越来越多。
黄土是第四系堆积的陆相沉积物，其特点是具有大孔隙、有垂直节理和管状孔道，天然含水量时强度较高，能维持很高的垂直边坡，但遇水时土颗粒崩解，表现为较强的湿陷性。
由于黄土分布的广泛性和典型的工程特性，历来受到工程界和学术界的重视。
黄土公路隧道的修建起步较晚，基本借鉴了铁路隧道在此方面已有的科研成果。
这些建设经验的总结，基本体现了我国对黄土隧道的认识水平。
公路隧道由于大跨径、大断面和扁坦状以及防水等级较高，加之黄土强度较低，开挖扰动后变形大以及黄土的水敏感性等特点以及由此引起的施工地质灾害的特殊性。
已建和目前在建的黄土公路隧道都发生了不同程度的施工地质灾害，而研究公路隧道施工灾害预防将在公路隧道建设工程经济及安全生产方面产生极大效益。
本文就湿陷性黄土地区的隧道塌方，给出了相应的施工方法和处理对策。
1.工程概况该黄土隧道穿越部分湿陷性黄土地段，且埋深较浅，为双向行驶分离式双车道隧道。
隧道净空9.25m，限高5m，最大开挖跨度11.9m，最大开挖厚度10.25m，左线长度360m，右线长度393m。
隧道按新奥法设计施工，衬砌设计为曲墙复合式衬砌。
隧道穿越黄土地段时，极易发生塌陷。
2.塌方形成机理洞顶掉块、塌方及冒顶病害规模一般较大，且具突发性。
主要发生在隧道进出口洞段或围岩条件(地层岩性或水文地质条件)发生突变的地段(土石交界面、泥岩夹心或地下水富集地段)。
塌方是隧道围岩的自承能力不足的结果，因此，对于黄土隧道，塌方主要由黄土的类型及其物理力学性质、结构、构造以及渗流场状态决定。
大断面黄土隧道塌方处理摘要通过认真分析某大断面黄土隧道塌方的原因及塌方过程，根据围岩黄土工程的性质和塌方情况，针对不同段落采取不同的方法进行处理，同时在施工过程中做好监控，安全顺利地通过了塌方段，保证了工期及施工质量，可为类似工程提供一定的经验和依据。
关键词黄土隧道；塌方处理；施工监控；施工质量中图分类号：u458.3文献标志码：b文章编号：1000—033x（2012）07—0074—030 引言某已竣工隧道是具有大断面的纯黄土隧道。
该隧道设计为分离式双向六车道，隧道左线起点桩号为lk25+720，终点桩号为lk27+048，全长1328m；右线起点桩号为k25+705，终点桩号为k27+120，全长1415m。
隧道内衬砌轮廓线宽15.02m、高8.30m，按新奥法设计施工，采用复合式衬砌结构，设计时速80km·h—1，建筑限界净宽14.25m，净高5.2m。
该隧道地处毛乌素沙漠和黄土高原过渡地带，地貌以黄土梁峁—沟壑区为主。
所处地段地形变化复杂，地质灾害发育，主要穿越v 级黄土围岩，特殊岩土主要为湿陷性黄土，属于全线控制性工程之一。
采用单侧壁、双侧壁、台阶法进行施工，进、出口同时开挖。
1 塌方情况2011年9月21日12：10时，该隧道出口端开挖区坍塌。
时隔2h，初衬钢拱架自拱腰连接板处折断，拱顶土体继续坍塌。
现场采取临时措施，用弃碴回填塌腔，封堵掌子面。
施作长管棚穿越塌方区，管棚采用φ75×12mm中空注浆自进式锚杆，长度21m，环向间距30～40cm，施作范围为拱腰以上部位，此方案历时20d完毕，之后静置20d恢复开挖。
开挖沿袭双侧壁导洞法，随着掌子面向前推进。
左侧导洞内初期支护的喷射混凝土开始出现裂缝，管棚尾部明显下沉。
现场随即停止掘进，同时在左侧导洞已施作初期支护的变形严重地段敷设临时支撑，加强沉降观测，待沉降速率变小并趋于稳定后重新掘进。
重新掘进10d后，作业人员发现塌方段左侧导洞新施作的初期支护喷射混凝土出现裂缝，伴有崩裂声响，超前锚杆尾部与拱架连接处喷射混凝土出现较大范围环向裂缝；左侧边墙处拱架与喷射混凝土之间出现竖向裂缝，喷射混凝土开始掉皮、剥落；长管棚悬壁部分向下弯曲，观测显示：左侧导洞拱顶、拱腰、拱脚和中隔壁支撑下沉速度最大时达到18mm·h—1，初次衬砌侵入二次衬砌净空最大值达45cm，对应地表出现的陷穴深度达到3m。
文章编号:1004—5716(2000)03—0071—03中图分类号:U458.3 文献标识码:B 黄土隧道塌方处理及原因浅析朱伟(中铁第十五工程局 子长县 717300)摘 要 通过神延铁路W9标段羊马河隧道、翅膀沟隧道四次塌方,较详细地介绍了黄土隧道塌方的处理过程,并对塌方原因做了相应分析。
关键词 黄土隧道 塌方 处理 原因1 工程概况1.1 基本概况 我局中标承包的神延线W标段长9450m,有三座隧道,共长8690m,占标段长度的92%。
其中:羊马河隧道长3810m(神延线第二长隧),关路坡隧道长3159m(神延线第三长隧),翅膀沟隧道长1721m(被设计院称为神延第一烂洞)。
最高围岩类别为Ⅳ类,总长度3900m,占隧道总长的45%;Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类围岩共4790m,占隧道总长的55%。
其中土质隧道地段总长度4000m,占隧道设计长度的46%。
各类围岩的分布情况如下:表1 各类围岩分布情况表围岩类别羊马河隧道关路坡隧道翅膀沟隧道合计Ⅰ16043140343Ⅱ6002912631154Ⅲ700127513183293Ⅳ235015503900合计3810315917218690各类隧道土质地段分布情况如表2:表2 隧道土质地段分布情况表隧道名称长度(m)地质情况ⅠⅡⅢⅠⅡⅢ羊马河隧道进口段110540Q3e o13J2sh+Ss Q2eo13出口段5060710Q3e o13Q3eo13N2e r Q3eo13关路坡隧道进口段43230Q3e o13N2er出口段61485Q3eo13Q2eo13N2e r J2sh+Ss翅膀沟隧道进口段54.5126680Q3eo13Q4d13Q3a16+a13Q2e o13N2er N2er 出口段85.5137638Q3eo13Q2eo13N2e r N2er1.2 工程地质情况神延铁路W9标段位于陕北黄土高原梁峁沟谷区,冲沟发育,植被稀疏,地形起伏较大。
出露地层由老新依次为:第四系全新统冲、洪积黄土质砂粘土;上更新统风积新黄土,冲积圆砾土、卵石土;中更新统老黄土;第三系红粘土以及侏罗系中统砂岩夹页岩,页岩夹砂岩;黄土及红粘土工程性质如下:(Ⅰ)黄土质砂粘土(Q3a13):浅黄色,土质较纯,土体疏松,粉土质为主,砂感,具Ⅱ级非自重湿陷性,半干硬～硬塑。
(Ⅱ)新黄土(Q eo133):淡黄色,土质纯,粉土质为主,裂隙及垂直节理发育,具Ⅱ级自重湿陷性,半干硬～硬塑。
(Ⅲ)老黄土(Q e o132):淡棕红色,有粉感,裂隙及垂直节理发育,半干硬～硬塑,与红粘土接触带上有软塑夹层。
(Ⅳ)红粘土(N2cr):棕红色,粘土质,粘性强,具干湿效应,节理裂隙发育,层状分布,硬塑,弱膨胀性,Ⅲ级硬土,Ⅱ～Ⅲ类围岩。
1.3 水文地质情况1.3.1 地表水主要为季节性水流,受大气降水影响较大。
旱季沟内为地下水出露形成径流,雨季及暴雨季节沟内水量较大。
1.3.2 地下水主要为黄土层间裂隙潜水和基岩裂隙水,黄土层间裂隙潜水主要分布于黄土与红粘土间,含水层为黄土层底部与红粘土接触带处,红粘土为相对隔水层,受大气降水补给,含水层储水和排泄条件差,水量小且不稳定。
资料显示,土质地段含水量呈可塑或潮湿状。
关路坡隧道涌水量为880m3/d,羊马河隧道为560 m3/d。
2 隧道塌方情况2.1 翅膀沟隧道(DK444+744～D K446+465)该隧道长1721m,1999年4月5日按正台阶先墙后拱法进洞施工。
施工严格按照设计要求和施工规范进行操作,遵照短开挖、强支护、早衬砌的原则进行施工。
6月21日塌方前,上半断面开挖至DK446+337,下断面开挖至DK446+342.4及DK446+ 465～DK446+353.6全断面衬砌。
1999年6月21日晚22:30时,翅膀沟隧道上导坑掌子面正进行喷砼施工,下导坑正在立拱架。
突然值班人员注意到DK446+350处护拱有掉块现象,仔细检查后发现右边墙已松动,并有“喀嚓”的响声,就立即通知所有施工人员撤离。
随后右边墙发生坍塌。
指挥人员得到通知后,立刻赶到洞内指挥抢险。
此时塌方面积已经变大,一切措施都无济于事。
22日凌晨,塌至山顶。
抢险人员对DK446+365～353段衬砌加固后,留下观察人员外,其余全部撤离现场。
洞内塌方段长度约13.8m,塌方段施工支护(每m一榀Ⅰ16钢架及锚喷支护)全部被压坏。
山顶塌体直径20m,地表陷坑3～5m。
塌方示意见图1。
塌方原因:塌方段为黄土质砂粘土,粉土状、含水量较大,山顶冲沟陷穴较为发育,山体渗水较发育,山体偏压,隧道经过山体的左山坡,山体较陡,偏压较大。
类似的塌方还有羊马河隧道出口段(DK441+320～DK441 +300),塌方时间为1999年5月18日。
2.2 羊马河隧道(DK437+600～441+410)2.2.1该隧道全长3810m,为神延铁路第二大隧道,合同工期只有17.5个月,该隧道地质条件极差,进口段基底位于软塑状黄土上,承载力低,施工进度极为缓慢,为解决工期矛盾,于1999年5月在大关里沟DK438+182处新增加一个长50.68m斜井,7月份进入正洞施工。
地层为新黄土夹砂层,掌子面时常发生小面积塌方,地表冲沟,陷穴发育,隧道涌水量大,施工至DK438+250处时发现设计地质与实际地质情况不符,原设计为Ⅳ围岩,开挖总第64期2000年第3期 西部探矿工程WEST_CHIN A EXP LO RA T ION EN GI NEER IN Gser ies N o.64M ay2000图1 DK 446+353.6～DK 446+339.8塌方段纵断面示意图后发现全断面为红粘土夹砂层,经变更按Ⅱ类围岩施工,各工序施工操作规范化,完全遵照黄土隧道施工要求,短开挖、强支护、勤量测、早衬砌的原则进行。
2.2.21999年11月8日,羊马河隧道(大关里沟斜井)对D K 438+354～DK 438+359段初期支护进行测量时,发现支护底部出现裂缝,当时现场施工人员立即组织人员架设水平横撑加以处理,但由于土体变形过快,该段右侧边墙部位长约4.0m 的初期支护平行推移整体滑出;之后,工地组织所有人员对两端未塌方地段进行加固处理,但由于地质情况太坏,该段边墙及拱部不断坍塌掉块,发生大规模的塌方,并向两侧延伸,截止晚9时许,塌方仍在延续,塌方长度约为30m ,塌方高度不详(此处覆盖层厚约为90m)经过7d 后,土块才将拱顶塌口封死。
洞内塌方长度31m,初期支护全部被压坏。
塌方示意见图2。
图2 DK 438+349～DK 438+380塌方段纵断面示意图2.2.3原因分析2.2.3.1设计地质与实际不符羊马河隧道该段地质原设计为Ⅳ类围岩,开挖后的地质表现为红粘土,仰拱底部20cm 以下为风化页岩,土石交界处含水量大,上部土体分布有4道砂层,平均厚度60～100cm,一道距仰拱底1.5m ,一道距仰拱底3m ,一道在起拱线部位,在拱顶30cm 处有一道。
2.2.3.2隧道涌水量大在隧道开挖土石交界处含水量大,成股状流出,日出水量为180m 3。
浸泡边墙底部,致使边墙底部土体松软,发生变形,上部砂层剥离掉块发生下滑,将初期支护挤出,形成空间后,砂层不断剥落,黄土不断坍塌,致使塌方扩大。
类似的塌方还有大山沟明洞正洞施工的DK 445+415～DK 445+460段于1999年11月17日塌方。
3 处理方案(以大关里沟DK 438+349～DK 438+380段处理为例)塌方发生后,先后于11月8日、11月12日、11月23日分别会同神延总指、设计院、铁城监理站对塌方地段进行了会勘,形成以下处理方案:3.1 加强对未塌地段支撑,及时量测,未发现变化时加强配筋,首先对未坍塌地段实施钢筋砼衬砌。
对塌方地段先进行上导坑处理,完毕后再进行下导坑处理,每处理完1.2～2.4m ,便立即进行钢筋砼衬砌。
施工中应循序渐进,特别是在下部开挖时,初期支护易发生沉降,应加强顶撑,并布设水平支撑和锁脚锚杆,防止发生再次坍塌。
3.2 坍方地段采用管棚法通过,管棚采用 40mm 小导管全断面布设,环向间距22cm ,施工中适当放大仰角,以防止开挖后下沉,小导管长度为3.0m ,排间搭接长度≮1.0m 。
3.3 初期支护采用Ⅰ16型钢拱架,在塌方的头部和尾部各5.0m 范围内每30cm 一榀,中间地段采用50cm 一榀,型钢拱架应与管棚牢固焊接,型钢拱架制作应保证二次衬砌顶部厚度有1.0m ,即采用Ⅰ类模筑砼衬砌再加大40cm ,并预留10cm 的沉降量,初期支护采用网喷砼25cm 加以封闭。
3.4 初期支护在进行下导施工时,应分步进行。
在上部拱架的底部安设托梁连接成整体,防止沉降,必要时可采用挖井法进行下导支护的施工。
3.5 二次衬砌采用Ⅰ16型钢拱架模筑砼衬砌,型钢布设成双层,外层紧贴初期支护,内层距衬砌内轮廓预留5～8cm 的砼保护层,内外层型钢沿纵向1榀/m 相错布置,连接钢筋采用 22mm,环向间距1根/m 布设两层,两层型钢间布设 22mm 斜拉钢筋以形成整体受力。
为防止砼开裂,在内层型钢表面加挂 12mm 网片,间距为25cm ×25cm 。
仰拱加型钢支撑,并与衬砌型钢拱架连接牢固。
4 具体施工方法(以大关里沟DK 438+349～DK 438+380段处理为例)4.1 确定钢管打入角度钢管打入角度的确定应根据工作平台的搭设高度、施工器具、净空高度和方便施工综合因素而定,我们定为8°～15°。
4.2 钢管的打入方向钢管的打入方向和角度是保证顺利、快速、安全通过塌方段的前题条件,为此采取了工字钢作为固定钢管方位的导向架。
利用支护拱架在工字钢上按间距每20cm 用气焊割出钢管能沿一定角度打入时顺利通过的圆孔,见图3。
图3 保证钢管打入方向装置示意4.3 钢管的打入钢管的打入快慢是决定塌方处理进度的主要决定因素,由于地层为黄土,决定采用风枪打入法。
4.4 管棚支护管棚支护是保证隧道塌方段上方土体不再下沉,因此型钢钢架必须与钢管焊接牢固,在施工中我们采用超前导管,长度为3.0m ,排间搭接长度为1.5m ,保证拱部上部至少有两层钢管作72西 部 探 矿 工 程 M ay 2000N o.3为超前支护保证支护强度,由于导管施工有仰角,故型钢与导管存在空隙,在施工中我们采取短钢管或短型钢废料,将空隙堵塞,并牢固焊接。
见图4。
图4 管棚支护示意图4.5 反打为保证整个开挖段的净空满足要求,必须对开始钢管打入段进行反打,反打要在保证净空的条件下进行,可利用一榀支护拱架作为导向孔支架,反打后,把影响净空的钢管切掉。
4.6 上导坑开挖支护为保证上导坑开挖后稳定及下导坑开挖的安全,要对上导坑加强支护。
