在復雜地質(zhì)條件下的隧道施工中經(jīng)常發(fā)生較大的坍方，危害極大，著(zhù)重闡述隧道坍方產(chǎn)生的原因、處理方法及預防措施。并運用平衡拱理論，指導和制定塌方處理方案，對同類(lèi)隧道施工具有一定的借鑒意義。

　　隨著(zhù)我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，國力的增強、人民生活水平的提高，對交通的要求也越來(lái)越高。近年來(lái)，我國的高速公路、城際鐵路、鐵路客運專(zhuān)線(xiàn)、高速鐵路、城市地鐵、城市軌道交通等得到迅速發(fā)展，隧道及地下工程越來(lái)越多。對于隧道建設而言，通過(guò)近兩個(gè)世紀的探索，形成了多種設計理論和工法，如礦山法、淺埋暗挖法、新奧法、挪威法等，這些設計理論和工法在隧道建設實(shí)踐中發(fā)揮了十分重要的作用；但在具體實(shí)踐中也出現了一些問(wèn)題，尤其是一些坍方事故的發(fā)生，規模較大、造成了生命和財產(chǎn)損失、影響惡劣。這些事故的發(fā)生，血的教訓，警示人們高度關(guān)注和重視隧道及地下工程的施工安全。

　　1.隧道坍方的主要類(lèi)型

　　隧道或地下洞室在施工過(guò)程中發(fā)生的坍方形式是多種多樣的，可以簡(jiǎn)單的列出以下一些形式：

　　1.1根據施工隧道坍方的地點(diǎn)不同劃分。

　　1.1.1洞口段坍方：在進(jìn)洞施工或在進(jìn)洞一段距離（一般為50～200m）后發(fā)生的坍方。這類(lèi)坍方因埋深淺、偏壓、邊坡失穩等原因會(huì )形成洞口滑坡、洞口坍塌，一般會(huì )坍至地表。

　　1.1.2洞內工作面坍方：在開(kāi)挖工作面發(fā)生的坍方。

　　1.1.3洞內工作面后方坍方：距開(kāi)挖工作面一定距離發(fā)生的坍方，這種坍方又被稱(chēng)為“關(guān)門(mén)坍方”，危害極大。

　　1.2因施工目的不同劃分。

　　1.2.1導洞施工發(fā)生的坍方。

　　1.2.2橫洞施工發(fā)生的坍方。

　　1.2.3斜井和豎井施工發(fā)生的坍方。

　　1.2.4開(kāi)挖避車(chē)洞引起的坍方。

　　1.2.5處理欠挖時(shí)引起的坍方。

　　1.3根據坍方規模和形式劃分。

　　1.3.1整體坍方：往往發(fā)生在軟弱圍巖中，從邊墻或拱腳變形增大開(kāi)始，進(jìn)而波及到拱部，從而形成整個(gè)隧道坍塌。

　　1.3.2順層坍方：亦稱(chēng)為“順層滑坍”，當巖層的層面較光滑，層間結合力差，或受節理相交的影響，巖體呈相對破碎狀，在開(kāi)挖后出現順層的滑移現象。

　　1.3.3局部掉塊：嚴格地講，局部掉塊不能歸入坍方范疇，因為它沒(méi)有引起整體失穩。但掉塊可大可小，當大到幾立方米甚至幾十立方米，也稱(chēng)之為坍方。這類(lèi)坍方大都因為節理發(fā)育所致。

　　2.隧道坍方的原因分析

　　造成隧道坍方的因素是多方面的，有的是人為因素，有的是非人為因素，有的是由于經(jīng)驗不足，但都可以歸結為管理原因。大致可以分為兩大類(lèi)，即自然因素和人為因素。

　　2.1自然因素（地質(zhì)因素）。

　　大量工程事實(shí)證明，隧道及地下工程施工安全事故（坍方、塌陷）中起決定性的是地質(zhì)因素。在勘探和施工過(guò)程中對地質(zhì)情況認識不清，造成施工時(shí)出現了坍方：

　　2.1.1在開(kāi)挖的過(guò)程中，圍巖的地質(zhì)條件發(fā)生突變，如從Ⅲ級突然變化到Ⅴ級圍巖，存在巖層分界面、巖土分界面等不利結構。

　　2.1.2在隧道施工范圍內、或隧道周邊出現的斷層、破碎帶、軟弱夾層、結構不利面、巖層的不整合接觸帶等。

　　2.1.3出現了特殊的不良地質(zhì)，如膨脹巖、高地應力、溶洞、涌水等。

　　2.1.4地下水。地下水是使隧道圍巖喪失穩定的重要原因，其影響主要有三個(gè)方面：一是軟化圍巖，軟質(zhì)巖石（土）體受水飽和后，其強度有不同程度的降低。如水浸入泥質(zhì)巖層，能使巖質(zhì)軟化；水浸入無(wú)水石膏或以蒙脫石為主要成份的粘土，地層膨脹而對隧道產(chǎn)生極大的膨脹壓力。二是軟化結構面，泥質(zhì)充填或具有軟弱夾層的軟弱結構面遇水后，即發(fā)生液化變軟或填充物被沖走而降低結構面的抗剪強度，使巖體易于滑動(dòng)。三是承壓水作用，圍巖受到水壓作用后，更易失去穩定。

　　2.2人為因素。

　　2.2.1設計因素。

　　2.2.1.1選線(xiàn)不合理。無(wú)論是公路、鐵路，還是城市地鐵，有時(shí)過(guò)多的考慮到投資等經(jīng)濟因素，線(xiàn)路的選擇和確定不能百分之百從技術(shù)、地質(zhì)、實(shí)際功能需求和可行性來(lái)考慮，出現一些選線(xiàn)不合理的情況。如果線(xiàn)路不合理，隧道穿越地層就有可能由好地層變?yōu)椴涣嫉刭|(zhì)地段，就容易出現隧道坍方。比如南方某線(xiàn)因線(xiàn)位過(guò)低，使一長(cháng)隧道處在溝谷底部，施工時(shí)隧道內地下水長(cháng)流不斷，水量巨大，多次出現突水、涌水和坍方事故，造成工期、成本的巨大損失。另一長(cháng)大隧道，因考慮投資，將線(xiàn)路標高提高，原來(lái)的長(cháng)隧道變短，但隧道通過(guò)的地層由原來(lái)較為穩定的巖層，變?yōu)橥临|(zhì)地層與含水砂層接觸帶，給施工造成極大困難，造成工期、投資得不償失。

　　2.2.1.2洞口的位置選擇不恰當，如位于較大的滑動(dòng)體、斷層之中，或存在偏壓，從而引發(fā)洞口坍方。

　　2.2.1.3設計的支護參數偏小，無(wú)法保證圍巖從開(kāi)挖后到二次襯砌施作這段時(shí)間內的穩定。

　　2.2.1.4針對特殊不良地質(zhì)地段，設計上給出的處理措施不當。

　　2.2.2施工因素。

　　2.2.2.1選擇不正確的開(kāi)挖方法，易引起坍方。

　　一般情況為：開(kāi)挖面積小于100m²隧道：Ⅱ、Ⅲ級圍巖一般采用全斷面法開(kāi)挖，Ⅳ、Ⅴ級圍巖一般采用臺階法開(kāi)挖。

　　開(kāi)挖面積100～200m²隧道：Ⅱ級圍巖采用全斷面法開(kāi)挖，Ⅲ、Ⅳ級圍巖采用臺階法開(kāi)挖、Ⅴ、Ⅵ級圍巖采用CD、CRD法或側壁導坑法進(jìn)行開(kāi)挖。

　　對破碎、軟弱圍巖或大斷面施工，要采取一些輔助措施配合開(kāi)挖：上半斷面采用環(huán)形開(kāi)挖、留核心土，噴射混凝土封閉開(kāi)挖工作面，設臨時(shí)仰拱封閉成環(huán)；設超前錨桿、超前管棚、插板、預注漿加固等措施。隧道滲水或涌水較大情況下，應采取較為保守的施工方法。

　　但施工中經(jīng)常存在：施工方法與地質(zhì)條件不相適應，地質(zhì)條件發(fā)生變化，沒(méi)有及時(shí)改變施工方法，如應該采用半斷面開(kāi)挖而實(shí)際采用了全斷面，應該采用分步開(kāi)挖的而實(shí)際采用了全斷面或半斷面等等；

　　一次開(kāi)挖進(jìn)尺過(guò)長(cháng)也極易導致坍塌事故的發(fā)生，特別是軟弱破碎圍巖地段，上半斷面應一次開(kāi)挖一榀鋼架，下半斷面Ⅳ級圍巖不超過(guò)兩榀鋼架，Ⅴ級圍巖不超過(guò)一榀鋼架。以上情況，致使一次開(kāi)挖跨度過(guò)大或高度過(guò)高，超出了圍巖自身穩定自然拱跨度，使隧道周邊圍巖形成塑性滑移楔體，直接造成坍方或支護結構的剪力破壞；

　　2.2.2.2選擇不正確的施工方案，易引起坍方。

　�。�1）小間距隧道施工。

　　未嚴格按小間距隧道設計規范進(jìn)行施工。后行隧道未在先行隧道的模筑襯砌達到設計強度后進(jìn)行，且后行的隧道開(kāi)挖面未滯后先行隧道模筑襯砌不小于50m的距離。這樣左右線(xiàn)隧道在同一橫斷面上同時(shí)施工或相距較近，會(huì )造成群洞效應，引起坍方。

　　先行隧道開(kāi)挖支護中存在涌水、涌泥、大變形等地段時(shí)，后行隧道必須在先行隧道施作二次襯砌后，且達到設計強度后方能進(jìn)行施工。嚴禁在先行隧道未施作二次襯砌前，后行隧道施作注漿、開(kāi)挖支護作業(yè)，引起先行隧道關(guān)門(mén)坍方。

　�。�2）偏壓隧道施工。

　　隧道建造中存在山體偏壓的情況時(shí)，應先施工深埋一側的隧道，可有效減少中間隔墻圍巖的偏向及側移，明顯降低圍巖塑性區面積，并有益于支護結構的穩定性。如先施工埋深較淺一側，中墻的受力和傾斜均較大，會(huì )增加隧道坍塌的風(fēng)險。偏壓隧道應盡早施作洞口段的仰拱，封閉成環(huán)，使隧道整體受力，以減小隧道的偏壓，支護結構剪切破壞，造成坍塌。

　�。�3）洞室、通道與正洞的交叉處的施工。

　�、�、Ⅴ圍巖洞室、橫通道與正洞的交叉口處的施工應制定專(zhuān)項方案，采取橫梁、套拱等加固方式進(jìn)行開(kāi)挖支護。嚴禁正洞鋼架懸空，引起隧道坍塌。

　�。�4）大變形拆換拱架地段的施工。

　　變形段處理應采取前后夾擊的策略，應先施作變形段前后的仰拱、二次襯砌，待達到砼強度后，再進(jìn)行變形段的處理。變形段拆換鋼架必須逐榀拆除，每次拆換一榀，由上至下，每榀封閉成環(huán)，拆除一段（4－6米），襯砌一段。嚴禁多榀拱部鋼架拆換，嚴禁多榀鋼架不封閉成環(huán)的情況發(fā)生。

　　2.2.2.3施工質(zhì)量問(wèn)題易造成坍塌事故。

　�。�1）施工過(guò)程中存在的工藝操作不符合施工技術(shù)規范要求，施工管理不到位，質(zhì)量意識、安全意識不強也是造成塌方的另一個(gè)重要原因。常發(fā)生的施工質(zhì)量問(wèn)題有錨桿長(cháng)度不足；錨桿砂漿不飽滿(mǎn)或強度尤其早期強度不足；噴砼強度厚度達不到設計要求；鋼支撐未完全由噴射砼包圍密實(shí)、鋼支撐與圍巖之間存在空隙、鋼支撐未置于穩定堅固的基礎上等。以上質(zhì)量問(wèn)題直接造成支護抗力未達到設計要求或圍巖未粘結緊密使無(wú)彎矩結構產(chǎn)生彎矩而導致塌方。

　�。�2）根據局部地質(zhì)狀況，需要采取超前支護（超前錨桿、管棚、注漿、小導管預注漿等）措施而未采取，或雖然已采取但其質(zhì)量和效果未能達到要求。

　�。�3）初期支護未按設計的參數進(jìn)行，如錨桿的長(cháng)度、間距、噴射混凝土厚等，使圍巖的穩定性達不到要求。

　�。�4）隧道的爆破設計有問(wèn)題，造成對圍巖的擾動(dòng)過(guò)大。

　　2.2.3管理因素：監管不到位。

　　2.2.3.1未經(jīng)上級技術(shù)部門(mén)同意，擅自改變施工方法，如開(kāi)挖方式、支護方式等。

　　2.2.3.2不嚴格遵守設計文件、施工組織設計、《隧道施工技術(shù)規范》、《隧道驗收評定標準》的要求和規定組織施工，達不到“均衡生產(chǎn)、有序施工”的要求。

　　2.2.3.3安全、質(zhì)量意識淡薄，在施工中存在僥幸心理、偷工減料、弄虛作假等，造成支護質(zhì)量遠遠達不到設計要求。

　　2.2.3.4由于不合理工期、不合理造價(jià)等宏觀(guān)決策，引起施工過(guò)程中強行追求進(jìn)度，造成支護強度達不到應有的要求，從而引發(fā)坍方。

　　2.2.3.5現階段隧道的開(kāi)挖都以新奧法理論為指導，但在實(shí)際施工中，常存在未能按規定進(jìn)行量測，或信息反饋不及時(shí)，導致決策失誤、措施不力而造成塌方的現象。未通過(guò)施工中對圍巖和支護結構的動(dòng)態(tài)觀(guān)測，合理安排施工程序，修正不合理的設計和進(jìn)行日常施工管理而出現坍方。

　　3.塌方的處理依據

　　塌方的處理必須建立在對塌方正確認識的基礎上，塌方處理方案的制定如同戰斗方案的制定，如果方案不當或失敗，不但導致更大的經(jīng)濟損失，而且可能造成人員傷亡，故一般的處理原則是先鞏固后方，防止塌方擴大，然后以安全的后方為依托或掩護再向前進(jìn)行處理。經(jīng)驗認為塌方發(fā)生后在一定時(shí)間內就會(huì )趨于穩定，形成自然拱，而自然拱的高度、寬度與普氏平衡拱理論計算結果基本相符。

　　3.1普氏平衡拱理論。

　　前蘇聯(lián)學(xué)者M(jìn)？M普洛托雅克諾夫（簡(jiǎn)稱(chēng)普氏）以松散理論為基礎，認為在松散介質(zhì)中開(kāi)挖隧道后，隧道上方將形成拋物線(xiàn)的平衡拱，平衡拱高度h為：

　　h=b/fm（m）

　　式中：b平衡拱的半跨度（m），fm巖石堅固性系數。

　　土層：fm=tgφ；巖石：fm=R/10.

　　其中：φ土的摩擦角；

　　R巖石的抗壓極限強度（MPa），取值應考慮巖石天然層理、裂隙及節理的影響。

　　在隧道側壁穩定時(shí)，即拱部塌方時(shí)，平衡拱寬度就是開(kāi)挖寬度，即b=bt（圖1）

　　當側壁不穩定時(shí)，平衡拱寬度為：b=bt+Ht·tg（45°-φ/2）

　　式中：Ht隧道凈高（m）；bt隧道凈寬之半（m）（圖2）。

　　3.2塌方穩定分析及處理。

　　對塌方后的穩定情況能否做出正確的判斷是制定處理方案的關(guān)鍵，否則，不是冒險就是加大投入。一般情況下塌方發(fā)生后1～2天就基本穩定，除個(gè)別掉小塊外，不再有大的坍塌，這時(shí)可根據工程地質(zhì)資料及試驗結果，確定巖石堅固性系數，再根據開(kāi)挖情況，即可按平衡拱公式確定塌方高度，與現場(chǎng)對照，如果計算與實(shí)際基本相符，則說(shuō)明塌方已經(jīng)基本穩定，否則就要慎重對待。

　　經(jīng)過(guò)平衡拱穩定分析，確定塌方穩定后，即可著(zhù)手進(jìn)行處理，處理坍方的一般步驟如下：

　　3.2.1第一步：坍方較小時(shí)，對塌穴進(jìn)行噴射砼封閉處理。噴砼后，即使塌穴有危石或個(gè)別坍塌亦會(huì )及時(shí)發(fā)現，噴射砼在圍巖面形成一保護層，亦是判斷塌方穩定與否的最有效、最直接的參照或依據。塌穴初噴穩定后，可采用鋼筋網(wǎng)、鋼筋籠對塌穴進(jìn)行噴砼回填。如坍塌較大，坍穴未外露，可直接實(shí)施第二步。

　　3.2.2第二步：對坍塌體進(jìn)行加固處理。

　　在未坍塌隧道地段的坍塌體上施作套拱，施作超前大管棚并注漿對坍塌土體進(jìn)行加固。有條件從地表對坍塌體加固的，可采用地表袖閥管注漿等注漿方式對坍塌體進(jìn)行加固。

　　3.2.3第三步：在超前支護保護下施作初期支護。對坍塌體的開(kāi)挖可優(yōu)先采用CRD法（四步或六步根據斷面大小確定）進(jìn)行開(kāi)挖。施作初期支護時(shí)考慮適當的預留沉降量，即將斷面適當放大。同時(shí)預埋注漿或回填砼的導管。待初支成環(huán)后，即可對坍塌空洞注漿或泵送砼進(jìn)行回填。泵送砼回填時(shí)，應分次進(jìn)行回填，以防止砼自重壓跨初期支護。應根據坍塌體的大小計算回填量，第一次可在初支背后形成30～50cm的護拱，待砼有一定強度后方可進(jìn)行再次回填作業(yè)，直至坍塌體被回填密實(shí)為止。

　　3.2.4第四步：施作永久支護結構--二次襯砌。

　　4.隧道工程坍方的預防及施工安全措施

　　4.1設計階段。

　　4.1.1學(xué)規劃、合理選線(xiàn)。

　　4.1.2嚴格勘探、摸清地質(zhì)。

　　發(fā)生坍方概率較多的是地質(zhì)較差的斷層破碎帶及淺埋偏壓地段，因此摸清地質(zhì)情況是確保隧道及地下工程施工安全最關(guān)鍵、最重要的環(huán)節，很多隧道坍方都是地質(zhì)因素起決定性作用的�？辈靻挝灰�提高勘察精確度，充分探明工程水文地質(zhì)條件，調查周邊環(huán)境情況，確�？辈鞌祿�真實(shí)可靠；在勘察報告中要對復雜地質(zhì)條件和周邊環(huán)境及其可能給工程造成的危險，作出重點(diǎn)說(shuō)明。設計單位要嚴格執行工程建設強制性標準，確保設計質(zhì)量；在地形、地質(zhì)條件復雜，可能發(fā)生滑坡、坍塌的工程中，要在設計方案中作出專(zhuān)門(mén)的安全防護考慮，才能有效預防坍方。

　　4.1.3統籌考慮、精心設計。在每個(gè)設計階段都有相應的具體工作內容和要求，按設計規范要求，精心設計。需要值得注意的是隧道及地下工程還要強調動(dòng)態(tài)設計，即施工設計完后不是一成不變的，要根據施工監測獲得的信息，及時(shí)進(jìn)行數據處理和反饋，修改設計、調整 4.2施工階段。

　　隧道施工應從以下四個(gè)方面采取措施預防坍塌事故的發(fā)生：

　　4.2.1合理的施工方案。

　　對于隧道應認真核對實(shí)際的工程水文、地質(zhì)、地貌、環(huán)境情況。根據現場(chǎng)實(shí)際制定隧道進(jìn)洞專(zhuān)項施工技術(shù)方案。隧道施工專(zhuān)項方案應組織進(jìn)行內部評審，必須由項目領(lǐng)導、技術(shù)部門(mén)、施作人員共同參加，在不同角度進(jìn)行充分研討，達成高度共識，形成符合現場(chǎng)實(shí)際、適合隊伍作業(yè)特點(diǎn)、合理的施工方案。

　　4.2.2鐵的施工紀律。

　　方案一旦確定，作業(yè)層必須不折不扣執行，不得隨意更改。如確需變更，需征得總工同意后方可實(shí)施�，F場(chǎng)施工時(shí)要嚴格控制爆破進(jìn)尺，特別是軟弱破碎圍巖地段，Ⅳ級圍巖不準超過(guò)兩榀鋼架，Ⅴ級不超過(guò)一榀鋼架。盡可能減輕對圍巖的擾動(dòng)，最大限度維持圍巖的原始狀態(tài)。

　　施工步距必須控制在合理的范圍內：仰拱要及時(shí)施作，一次開(kāi)挖長(cháng)度不得超過(guò)1倍洞徑，且及時(shí)封閉成環(huán)。仰拱距掌子面距離Ⅲ級圍巖不超過(guò)90m，Ⅳ級圍巖不超過(guò)50m，Ⅴ級及以上圍巖不超過(guò)40m.

　　現場(chǎng)施工管理人員、安檢或質(zhì)檢工程師應加強對施工技術(shù)標準實(shí)施情況的監督檢查。有權監督現場(chǎng)是否按設計、按標準施工，對違反規定進(jìn)行施工的有權責令停工。凡發(fā)出的關(guān)于防止坍塌、確保安全、確保質(zhì)量等方面的指令，必須認真執行。有不同意見(jiàn)的應先執行而后上報裁決。對拒絕執行指令的人員，要負全部責任并進(jìn)行責任追究。施工中，只有杜絕施工紀律的“自由化”，做到令行禁止，才能?chē)栏癜丛O計和技術(shù)規范進(jìn)行施工，防止隧道的坍塌。

　　4.2.3信息化的施工監測手段。

　　隧道塌方的原因多種多樣，但地質(zhì)因素是決定性的，因此預防隧道塌方的根本措施是加強工程地質(zhì)及水文地質(zhì)工作。包括運用先進(jìn)的科技手段對圍巖穩定性進(jìn)行探測、預報、分析等工作，為設計提供依據、指導現場(chǎng)施工。有效的方法是對洞內應進(jìn)行地質(zhì)超前預測預報，如物探和鉆探等，探明前方的地質(zhì)情況，進(jìn)行分析判斷圍巖等級后指導施工和修改設計，以防突發(fā)性的坍方。

　　監控量測是確保隧道安全施工的一種重要手段。在隧道施工中，成立專(zhuān)業(yè)的監測組，通過(guò)對圍巖和支護的變形、受力等的量測，提供信息指導施工和修改支護參數。尤其對初期支護的監控量測更為重要，及時(shí)發(fā)現問(wèn)題及時(shí)解決，以防初期支護的破壞導致坍方。

　　4.2.4及時(shí)的二次襯砌。

　　二次襯砌使圍巖和支護結構形成一個(gè)整體，從而提高支護體系的安全度。原則上二襯施作，距掌子面Ⅰ、Ⅱ級圍巖不超過(guò)200m，Ⅲ級圍巖不超過(guò)120m，Ⅳ級及以上圍巖不超過(guò)90m，但前方如有險情可及時(shí)跳段進(jìn)行襯砌，靈活掌握。二次襯砌更多的作為隧道的安全儲備，及時(shí)的施作可有效確保隧道安全，避免坍方的發(fā)生。

　　5.結束語(yǔ)

　　隧道坍方往往會(huì )造成人員傷亡和巨大的經(jīng)濟損失，施工過(guò)程中一定要把坍方防治作為一項重要工作來(lái)抓。只要對隧道的客觀(guān)條件，特別是地質(zhì)條件，有充分的認識，嚴格按設計和技術(shù)規范進(jìn)行施工，做到“精心設計，精心施工”，隧道圍巖坍塌，是可以防止的。發(fā)生圍巖坍塌的技術(shù)原因與管理原因并存，但管理原因大于技術(shù)原因。從技術(shù)和管理兩個(gè)方面而言，應在管理上下更大的功夫。在坍方的處理過(guò)程中，要認真分析坍方的原因，制定科學(xué)可行、便于施工的處理方案，及早處理，不留后患。

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