钓鱼台隧道洞口崩塌成因分析与处治措施研究.pdf

文章编号：1007-2993（2024）01-0058-07钓鱼台隧道洞口崩塌成因分析与处治措施研究钓鱼台隧道洞口崩塌成因分析与处治措施研究张超1，2吴华1，2姜同虎1，2（1.安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽合肥230088；2.公路交通节能环保技术交通运输行业研发中心，安徽合肥230088）【摘要】对池祁高速钓鱼台隧道洞口大型崩塌的成因进行了深入分析，提出了相应的崩塌处治措施，并通过现场监测分析对崩塌处治效果进行了验证。研究结果表明，钓鱼台隧道洞口崩塌是地形、地质、降雨、施工措施不当等多种因素共同作用的结果，其中地形和地质条件是形成崩塌的内因，降雨和施工措施不当等因素是诱发崩塌的外因。基于以上影响因素并结合隧道洞口实际情况，提出了“临时支护+永久性防护”的综合处治方案，即采用洞内背拱加固、掌子面反压回填、崩塌体卸载、洞口双层小导管支护、接长明洞以及洞顶仰坡锚杆框架防护的方案。现场巡视与监测数据表明，隧道洞口崩塌处治措施得当，工程效果显著，实现了预期目的。【关键词】公路隧道；洞口崩塌；处治措施；监控量测【中图分类号】U458 【文献标识码】Adoi:10.3969/j.issn.1007-2993.2024.01.010Cause Analysis and Treatment Measures for the Collapse at the Entrance ofDiaoyutai TunnelZhang Chao1，2Wu Hua1，2Jiang Tonghu1，2(1.Anhui Transport Consulting&Design Institute Co.,Ltd.,Hefei 230088,Anhui,China；2.Road Traffic Energy Saving and Environ-mental Protection Technology Transportation Industry R&D Center,Hefei 230088,Anhui,China)【Abstract】An in-depth analysis was conducted on the causes of the collapse at the entrance of the Diaoyutai Tunnel on the Chi-Qi Expressway,and corresponding measures for dealing with the collapse were proposed.The effectiveness of the collapse treatmentwas verified through on-site monitoring and analysis.The research results indicate that the collapse of the Diaoyutai Tunnel entrance isthe result of a combination of various factors such as terrain,geology,rainfall,and improper construction measures.Among them,ter-rain and geological conditions are the internal factors that cause the collapse,while rainfall and improper construction measures are theexternal factors that induce the collapse.Based on the above influencing factors and combined with the actual situation of the tunnel en-trance,a comprehensive treatment plan of temporary support+permanent protection has been proposed,which includes reinforcementof the tunnel arch,backfilling of the tunnel face with back pressure,unloading of the collapsed body,double layer small conduit sup-port at the entrance,extension of the open cut tunnel,and protection of the roof and forward slope anchor rod frame.The on-site inspec-tion and monitoring data indicate that the treatment measures for tunnel entrance collapse are appropriate,and the engineering effect issignificant,achieving the expected purpose.【Key words】highway tunnel；tunnel entrance collapse；treatment measures；monitoring measurement 0 引言作为隧道施工中常见的病害之一，塌方发生的原因和机理较为复杂，一旦发生往往对工程建设造成重大损失。因此，准确分析研究隧道塌方成因，采取有效的预防和处理措施至关重要。郑玉欣1分析了塌方的主要原因及机理，将塌方归纳成 5 种形态，并提出隧道塌方处治方法。王立忠等2通过对桑州岭隧道锚杆加固的理论分析和开挖过程中山体稳定的监测分析，成功预报了掌子面塌方。霍玉华3、马涛4根据工程塌方处治实例，研究得出了管棚注浆法对处治浅埋隧道塌方效果显著。陈秋南等56通过对关口垭隧道塌方原因的分析，对 作者简介：张 超，男，1989 年生，汉族，安徽六安人，硕士，高级工程师，主要从事隧道及地下工程设计与研究工作。E-mail：chao_ 第 38 卷第 1 期岩土工程技术Vol.38 No.12024 年2 月Geotechnical Engineering TechniqueFeb，2024比分析了小导管和长大管棚处理方案、小导管预注浆处理后塌方区的监测结果与数值模拟结果，得出了超前小导管预注浆方法处理塌方区效果良好的结论。汪成兵等7统计分析了隧道塌方的主要影响因素和几种常用隧道松动荷载计算方法的适用性，并运用PFC 程序模拟了隧道塌方的过程。李志厚等8通过对大风垭口隧道特大塌方事故采取地表与洞内处治相结合并加以洞内排水的综合处治措施，结合监测和评判结果，综合分析了该种方法的处治效果。卢义玉等9通过对锚喷支护和小导管注浆的机理、参数设计进行研究，得出了锚喷支护和小导管注浆方案能改善围岩的受力状态，起到加固围岩的作用。王华牢等10通过对卧龙岗隧道塌方风险等级的评估，制定了完善的风险控制措施。王迎超等11通过有限元模拟分析得出双侧壁导坑施工方案优于上弧形导坑施工方案。左清军等12通过对富水软岩隧道跨越断层段塌方机制的分析提出了相应的处治措施。高登13在上坪格隧道塌方机理的基础上提出了处治措施，并采用荷载结构法对处治后塌方段的初期支护和二次衬砌强度进行了验算。侯艳娟等14通过对隧道塌方类型、特点及发生机理的统计分析，得出了隧道塌方是“隧道围岩环境”相互作用的结论。本文以池祁高速钓鱼台隧道洞口崩塌为例，在分析崩塌成因的基础上提出了相应处治措施，通过现场监测数据分析验证了崩塌处治效果。研究成果可为类似隧道塌方的预防和处治提供参考。1 工程概况 1.1 工程规模钓鱼台隧道为池祁高速公路双向四车道隧道，起止桩号：左线 ZK48+908ZK49+330，长 422 m，最大埋深约 125.6 m；右线 YK48+898YK49+324，长 426 m，最 大 埋 深 约 116.8 m；左、右 线 净 距13.615.7 m，为小净距隧道。左、右线纵坡均为0.5%，左右线进、出洞门均采用端墙式。1.2 工程地质条件隧址区地形地貌为皖南中低山区，下伏碳酸盐岩主要为奥陶系、寒武系灰岩，覆盖层主要为碎石土，碎石土层厚 2.22.5 m，中等风化角砾状灰岩呈隐晶质结构，层状构造，岩性较硬，节理裂隙发育较发育，岩体较破碎，进出洞口围岩级别均为级，洞身围岩级别为级，地质纵断面如图 1 所示。V 级围岩(97 m)钓鱼台隧道右线进口进口出口国道 G530河道el+el 碎石土2552(134328)2552(134328)13548(473849)YK48+898YK49+324IV 级围岩(200 m)F4b 衬砌(180 m)V 级围岩(129 m)F5q 衬砌(57 m)P5b 衬砌(50 m)F5b 衬砌(90 m)F5a 衬砌(49 m)Q3x 中等风化角砾状灰岩钓鱼台隧道右线出口 图 1 钓鱼台隧道地质纵断面图 项目区表层为第四系残坡积碎石土，下伏基岩寒武系上统西阳山组（3x）角砾状灰岩，进口仰坡坡面产状 30825，岩层产状 2552；出口仰坡坡面产状 12045，岩层产状 13548。隧道进口位于穿越山咀的西北坡，自然坡度约3035。出口位于穿越山咀的东南坡，出口山坡自然坡度约 3545，隧道进、出洞口埋深浅，偏压，稳定性差。隧址区地下水水量受大气降水、地表水的影响，呈季节性变化，多年平均降雨量为 15001700 mm，年内降雨集中在汛期 59 月。隧址区地下水类型为碳酸盐岩裂隙岩溶水，受大气降水、地表水的影响，呈季节性变化。根据详勘资料，估算隧道单洞正常涌水量 306.44 m3/d，最大涌水量 451.83 m3/d。1.3 隧道支护结构与施工工法隧道设计时速 80 km/h，单洞建筑限界净宽张超等：钓鱼台隧道洞口崩塌成因分析与处治措施研究5910.75 m，净高 5 m。钓鱼台隧道按新奥法原理设计，采用初期支护+二次衬砌联合支护形式，即由喷射混凝土、工字钢、锚杆、钢筋网组成的初期支护和模筑钢筋混凝土组成，钓鱼台隧道衬砌支护参数见表 1。表 1 隧道支护参数表围岩级别衬砌类型代号初期支护二次衬砌备注C25喷射砼厚度/cm模筑仰拱/cm系统锚杆钢支撑拱墙仰拱型号长度/cm间距/cm型号纵距/cm厚度/cm厚度/cm级F5q26262535060工字钢I20a605050洞口浅埋严重偏压F5a24242535060工字钢I18604545洞口或轻微偏压F5b242535080工字钢I18804545深埋级F4b2025300100格栅H1201004040深埋 为确保隧道洞口段施工安全，进、出洞口段设计均采用 1086 mm 超前大管棚支护，节理发育、岩体破碎地段采用 424 mm 超前小导管支护。隧道洞口段及级围岩段设计采用环形开挖预留核心土法施工，施工工序如图 2 所示，具体工序为：1.超前支护；2.环形开挖上断面；3.施作上断面初期支护；4.开挖上断面核心土；5.开挖下断面；6.施作下断面初期支护；7.仰拱初期支护封闭；8.施作仰拱二次衬砌；9.仰拱回填；10.铺设环向排水管和防水板；11.整体模筑二次衬砌。(a)施工工序横向示意图(b)施工工序纵向示意图初期支护二次衬砌二次衬砌2461324135-15-25-15-2仰拱栈桥1.0B 图 2 隧道施工工序示意图 2 崩塌概况及原因分析 2.1 崩塌概况钓鱼台隧道出口崩塌发生前，左、右线隧道均已贯通，左线初期支护已完成，右洞上台阶开挖及初期支护已经完成，正进行下台阶开挖及支护，出口右线套拱及管棚均已施作完成。根据监测资料显示，2020 年 5 月 17 日至 20 日，隧道右线出口段洞内初期支护拱顶沉降变形和收敛位移较大，地表下沉速率增大，已处于缓慢变形阶段，施工单位暂停了下台阶掌子面开挖，对已开挖段及时进行了初期支护施工。5 月 21 日中午 11 时 50 分左右，钓鱼台隧道右线出口上方山体突然发生楔形体崩塌（见图 3、图 4），崩塌体将右线 YK49+317YK49+324 段初期支护损坏（见图 5），崩落楔形体及附生树木顺坡面滚落至国道 G530 路面，致使交通中断，未造成人员伤亡。崩塌体 图 3 楔形体崩塌后洞口上方仰坡照片 右洞 图 4 右洞出口楔形体崩塌照片 图 5 右洞洞内初支变形照片 此次山体崩塌范围位于钓鱼台隧道右线出口套拱处起向上约 46 m 处，根据现场调查和测量资料，60岩土工程技术2024 年第 1 期楔形体崩塌面积约为 1152 m2，现场清理出的土石方数量约 4533 m3。崩塌造成钓鱼台隧道右线洞口套拱完全损坏，紧邻套拱 4 榀主洞初支钢拱架发生严重变形，洞口下方的混凝土挡墙局部破损。2.2 崩塌成因分析根据崩塌现场情况和资料分析，崩塌的成因主要有以下几个方面：（1）地质及地形因素根据出洞口仰坡赤平投影分析（见图 6），J1、J2与坡面呈大角度相交，对边坡稳定性影响不大；岩层产状、J3与坡面顺倾，但节理倾角大于坡角，对边坡稳定性影响不大；J1与 J2、J3的交线、J2与 J3的交线、岩层产状与 J2、J3的交线均位于边坡内侧，对边坡稳定性影响不大；岩层产状与 J1的交线位于边坡的外侧，易产生楔形体滑塌。出洞口左、右侧边坡及仰坡坡体总体稳定，但风化层厚度较大，稳定性较差，岩层风化界面为其最不利结构面。仰坡坡面产状岩层产状出洞口主要节理产状及开挖坡面赤平投影仰坡坡面产状 12013515210120图例边坡节理4548728070岩层产状J3WNESJ2J1J3J2J1 图 6 出洞口仰坡处赤平投影图 隧道出洞口处实际地形整体较陡，节理裂隙发育，洞口施工过程中，结构面切割的岩体在不利结构面组合、重力、水、施工扰动等因素影响下，导致局部形成楔形体崩塌。（2）水文因素水是诱发崩塌、滑塌等的外在主要因素。钓鱼台隧道出口施工期间正值江淮梅雨季节，降雨强度较大，根据气象资料显示，崩塌发生前曾有过两次较长时间降雨，累计降雨量 180300 mm，局部超过 350mm，最大小时雨强 3060 mm/h。崩塌体处覆盖层为碎石土，透水性强，降水下渗后顺风化裂隙、构造裂隙等汇集、运动，导致结构面抗剪强度下降，易于产生崩塌。（3）施工因素隧道出口原设计设置了洞顶截水沟（M10 浆砌片石），洞口施工前未及时施作洞顶截水沟，导致未被截流的大量降雨冲刷软弱结构面造成结构面抗剪强度下降。隧道出口施工过程中未严格按照设计及规范要求控制开挖步距，下台阶开挖支护与上台阶开挖支护间隔时间较长，初支未及时封闭成环，未严格控制开挖进尺等因素都可能造成隧道洞口变形较大。隧道出口桥隧相接，桥台距隧道洞口仅 3.5 m，由于桥隧施工工序衔接不合理，受洞内爆破震动和桥台施工的影响，加剧了洞口段软弱结构面的松动。监控量测数据未及时反馈，造成在变形初始阶段未能及时根据反馈信息采取有效措施控制洞口变形的发展。3 工程处治措施 3.1 洞内背拱加固为防止崩塌范围进一步扩大并确保崩塌处理施工安全，先对钓鱼台隧道出口右线洞内初期支护未变形段 YK49+317YK49+307 范围内采用 I18 工字钢进行临时背拱加固，背拱工字钢与已完工初支混凝土面预留 5 cm 的间隙，背拱工字钢间距 60 cm，工字钢之间用 22 纵向连接钢筋形成整体，以提高其整体稳定性，背拱与已完工初支混凝土之间铺设一层彩条布作为隔离层方便后期背拱拆除，背拱与初支混凝土之间可用木楔顶紧密贴，木楔环向间距 1.0 m，背拱段设置临时仰拱及时封闭成环，洞内背拱加固现场施工照片见图 7。图 7 洞内背拱加固照片 3.2 封闭、加固崩塌体对右线 YK49+317 处采用洞渣进行反压回填处理，回填体表面喷一层 10 cm 厚的 C25 早强混凝土封闭处理，并设置 2 排泄水孔用于引排地下水，确保洞内初支的稳定。3.3 崩塌体卸载待洞内加固处理完成后，按照自上而下的顺序逐层清除洞口崩塌体，清理完成后的洞口仰坡坡面采用锚网喷进行防护，且每清理一层崩塌体施作一层锚张超等：钓鱼台隧道洞口崩塌成因分析与处治措施研究61网喷，其中喷射混凝土厚 10 cm，22 早强砂浆锚杆长 4.0 m，间距 150 cm150 cm，8 mm 钢筋网间距20 cm20 cm，确保洞口稳定，提高楔形体崩塌面山体整体稳定性。3.4 疏排地表水在崩塌体以外稳定地段及时施作洞顶截水沟，拦截地表水，避免地表水流入崩塌体范围，防止二次崩塌的发生。3.5 双层小导管支护待洞口崩塌体清理完毕，洞口采用双层 424 mm小导管进行加固处理，小导管长 4.0 m，环距 40 cm，注浆浆液采用水泥浆。小导管采用 22 环向钢筋连接，两层小导管采用 16 网筋连接，C20 喷射混凝土厚 5 cm，作为止浆墙（见图 8）。初支衬砌C22 环向连接筋424 mm 超前小导管C22 环向连接筋C22 环向连接筋C16 网筋120000 图 8 双层小导管支护设计图 3.6 崩塌段暗洞改成明洞将右线洞口已崩塌受损段 YK49+317YK49+324 隧道暗洞改为明洞，明洞结构加厚至 80 cm，明洞上方采用 2.5 m 厚 C15 混凝土进行回填加固，洞门型式维持端墙式不变，洞门挡墙采用现浇 C20 钢筋混凝土，起到预防楔形体崩塌和缓冲作用，确保运营期间行车及人员安全。3.7 洞内开挖及支护对于洞口崩塌段，严格按照设计要求采用环形开挖预留核心土法施工，严格遵循“先支护、后开挖、短进尺、弱爆破、快封闭、勤量测”的施工原则，初期支护仰拱及二衬及时跟进，洞内初支及二衬施工至临时背拱加固处时，严格按照工序要求拆除背拱并及时施作仰拱和二衬，以确保出口洞内结构及洞外边仰坡的稳定。3.8 洞口仰坡永久性防护待出口明洞及洞门端墙施工完成后，对仰坡采用锚杆框架进行加固，作为洞口仰坡的永久性防护，框架肋间距 2 m2 m，节点锚杆直径 28 mm、长度 8m。锚杆框架内采用植生袋或植草绿化，提升洞口整体美观效果。4 崩塌处治效果分析通过对崩塌处治前后的支护结构现场监测，收集变形和受力数据，并对监测结果进行分析，以检验处治措施的实际效果。主要监测项目有：地表沉降、拱顶下沉、周边收敛等。隧道出口地表沉降观测点布置见图 9，隧道洞内拱顶下沉与周边收敛监测点布置见图 10。水准点水准点覆盖层厚 4.4 m覆盖层厚 9.3 m右洞左洞测点地面线1234567891011121314151645454545 图 9 钓鱼台隧道出口地表沉降观测点布置示意图 4.1 隧道出口地表沉降观测成果分析钓 鱼 台 隧 道 出 口 端 洞 口 施 工 过 程 中，在YK49+316/ZK49+316 位置埋设了地表沉降观测断面，覆盖层厚度为 411 m。2020 年 4 月5 月正值江淮梅雨季节，此时左洞作为先行洞已经贯通，右线出口施工期间遭遇连续降雨天气，同时右洞的地质条件较左洞差，因此，右洞上方各测点的沉降量相对较大，根据地表沉降曲线（见图 11），地表沉降最大的范围位于右洞洞口上方，最大沉降量为 17.6 mm，出口端右线洞口的地表沉降呈典型的漏斗状，地表沉降的形式与图 3、图 4 山体发生的楔形体崩塌较为吻合。4.2 拱顶下沉量测成果分析隧道右洞出口段施工过程中，在 YK49+314、YK49+309、YK49+304、YK49+299、YK49+294、YK49+289 断面处设置了拱顶下沉观测点。2020 年4 月 20 日至 6 月 7 日，各断面拱顶下沉量均持续增长，其中 5 月 10 日至 6 月 7 日期间拱顶下沉速率最大，6 月 7 日至 6 月 20 日，各断面拱顶下沉量均有不62岩土工程技术2024 年第 1 期同程度的减小，6 月 21 日以后，拱顶下沉速率明显降低，拱顶下沉最大值出现在 YK49+314 断面处，最大值为 25.6 mm（见图 12）。表明洞口山体崩塌与围岩变形有较大的相关性。施工过程中，随着围岩变形的增大，拱顶下沉量也逐步增大，5 月 20 日崩塌发生后，拱顶下沉量达到最大，施工单位按照处治措施对洞口处治过程中，各断面拱顶下沉量均有不同程度的减小，崩塌处治结束后，围岩变形处于基本稳定状态，拱顶下沉速率也明显降低，拱顶下沉的趋势与洞口崩塌发生及处治的过程相吻合，说明崩塌处治效果显著。4.3 周边位移量测成果分析图 13、图 14 为钓鱼台隧道右洞 YK49+314、YK49+309、YK49+304、YK49+299、YK49+294、YK49+289 断面处周边位移时程曲线。由图可知，隧道右洞收敛位移值最大为 16.6 mm，最大值出现在YK49+314 断面处，各断面收敛变形在 4 月 20 日至6 月 7 日期间呈上扬趋势，6 月 7 日至 21 日各断面收敛变形均有不同程度的减小，然后收敛变形逐渐趋于稳定，说明随着崩塌体的卸载和洞内外加固处理，围岩体内应力发生重新分布，部分弹性变形逐渐消失，直至围岩收敛变形达到基本稳定状态，表明处治措施对于维持围岩的稳定起到了重要作用。010 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 1200369121518212427303336拱顶下沉值/mm时间/dYK49+314YK49+309YK49+304YK49+299YK49+294YK49+289 图 12 右洞拱顶下沉时程曲线 YK49+314YK49+309YK49+304YK49+299YK49+294YK49+289010 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 1200246810121416182022时间/d收敛位移值/mm 图 13 上台阶收敛位移时程曲线 010 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 12002468101214161820时间/dYK49+314YK49+309YK49+304YK49+299YK49+294YK49+289收敛位移值/mm 图 14 下台阶收敛位移时程曲线 5 结论（1）钓鱼台隧道洞口崩塌是地形、地质、降雨、施工措施不当等多种因素共同作用的结果，其中地形和地质条件是造成洞口崩塌的内因；降雨和施工措施不当等因素是诱发洞口崩塌的外因。（2）基于崩塌成因分析和隧道洞口实际情况，提出了采用“临时支护+永久性防护”的综合处治方案，拱顶下沉测点起拱线施工基面收敛测点收敛测点收敛测点收敛测点FABAB 图 10 拱顶下沉与周边位移监测点布置图 201816141210864200123456789 10 11 12 13 14 15 16测点序号沉降值/mm2020-04-202020-04-262020-05-032020-05-102020-05-172020-05-20 图 11 地表沉降曲线张超等：钓鱼台隧道洞口崩塌成因分析与处治措施研究63即采用洞内背拱加固、掌子面反压回填、崩塌体卸载、洞口双层小导管支护、接长明洞以及洞顶仰坡锚杆框架防护的方案。现场巡视及监测数据表明，崩塌处治措施实施后，隧道洞口围岩结构逐渐趋于稳定，隧道结构变形满足设计及规范要求。（3）隧道洞口应尽量避免在雨季进行施工，无法避免时，应先施作洞顶截水沟疏排地表水，做好地表水及地下水的处治工作。洞口施工过程中应加强超前地质预报和监控量测工作，发生围岩较大变形应及时加强支护并做好预警工作，预防崩塌的发生。参考文献 郑玉欣.隧道施工塌方机理分析及处治技术J.铁道工程学报，1999，6（2）：69-72.1 王立忠，胡亚元，王柏林，等.崩塌松散围岩隧道施工稳定分析与监控J.岩石力学与工程学报，2003，22（4）：589-594.2 霍玉华.浅埋公路隧道施工塌方事故的预防与整治技术研究J.中国安全科学学报，2005，15（7）：84-87.3 马涛.浅埋隧道塌方处治方法研究J.岩石力学与工程学报，2006，25（S2）：3976-3981.4 陈秋南，张永兴，刘新荣，等.隧道塌方区加固后的施工监测与仿真分析J.岩石力学与工程学报，2006，5 25（1）：158-161.陈秋南，赵明华，周国华，等.复杂层状岩层隧道塌方原因分析与加固后信息化施工技术J.岩土力学，2009，30（3）：650-653.6 汪成兵，朱合华.隧道塌方机制及其影响因素离散元模拟J.岩土工程学报，2008，30（3）：450-456.7 李志厚，杨晓华，来弘鹏，等.公路隧道特大塌方成因分析及综合处治方法研究J.工程地质学报，2008，16（6）：806-812.8 卢义玉，陈凌云，冯卫强，等.锚喷支护及小导管注浆再隧道塌方段中的应用J.重庆大学学报，2009，32（5）：572-576.9 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