公路隧道塌方突水的預判與預防

云南建工香麗高速公路土建(tǔjiàn)施工第七項目部主講人：李榮文公路(gōnglù)隧道塌方突水的預判與預防共三十八頁目錄(mùlù)一、概念(gàiniàn)的提出二、塌方、突水的預判三、塌方、突水的預防1共三十八頁一、概念(gàiniàn)的提出（一）塌方1．概念(gàiniàn)公路隧道在施工過程中，因二次應力調(diào)整帶來圍巖的抗剪強度降低，圍巖或人工支護結構失去自穩(wěn)自承能力，以致洞內(nèi)一定范圍內(nèi)圍巖變形、失穩(wěn)的現(xiàn)象。2.塌方規(guī)模，見下表一

2共三十八頁3共三十八頁3.塌方時機

經(jīng)多年觀察，隧道塌方從時機上講，下面兩種情況發(fā)生塌方的機率較大，一是開挖面爆破的瞬間，控制再好的爆破對圍巖均有一定的擾動，而這種擾動恰好給爆區(qū)或爆區(qū)周圍處于極限平衡狀態(tài)的圍巖施加一種附加荷載，而這種荷載恰好打破了這一平衡，于是引發(fā)塌方。另一種情況是較大斷面隧道，分塊分層施工，在最下部(xiàbù)塊體開挖完成這一瞬間容易誘發(fā)塌方。以三臺階施工為例，有限元計算的結果（見表二）恰好證實這一點。即假定頂拱下沉量為1，而第三臺階承擔的下沉量在50%，較大的拱頂下沉量必然引發(fā)較大的頂拱松弛區(qū)，從而引發(fā)塌方。4共三十八頁5共三十八頁4.塌方空間位置進出口段：即進出口2B范圍(fànwéi)段（B為隧洞開挖跨度）。淺埋地段：上覆蓋層厚度不足，壓力拱成拱質量差。交叉口段：二次擾動，圍巖松弛加劇。擴大段：斷面增大，塌落拱厚度增大。距掌子面1B或2B范圍之外的洞段：空間效應消失，易發(fā)塌方。6共三十八頁5.塌方原因分析（1）地質因素

圍巖強度：塌方多發(fā)生在強烈風化帶、強烈卸荷松弛帶、斷層破碎及其交匯帶、極軟弱巖層中。圍巖強度越低，塌方規(guī)模越大。

巖體結構:同塊狀、層狀及鑲嵌碎裂結構相比，散體結構、碎裂狀結構最容易發(fā)生塌方。

結構面不利組合：在層狀和塊狀結構中結構面的不利組合是發(fā)生塌方的主要因素，在頂拱組成人字型切割而在邊墻組成傾向洞中陡傾角的楔形體較易失穩(wěn)。

地下水：在硬巖中圍巖穩(wěn)定受地下水影響不大，而在軟巖中，地下水是隧洞塌方的致命因素。

地應力：作為(zuòwéi)大環(huán)境而言，以垂直地應力為主的地區(qū)，隧道頂拱容易失穩(wěn)，以水平地應力為主的地區(qū)，隧道邊墻容易失穩(wěn)。7共三十八頁（2）設計因素支護型式：前期勘探深度不夠或對巖土認識不足，導致設計支護型式與圍巖質量不符，提供的支護抗力不夠，而引發(fā)塌方。支護安全裕度：錨桿長度偏短未穿過圍巖松動圈或錨桿孔、排距偏大而未形成有效的壓力拱，以及大管棚、拱架斷面尺寸(chǐcun)偏小以致剛度偏弱等等，都會帶來圍巖變形失穩(wěn)。8共三十八頁（3）施工因素

初期支護：因材料供應、組織協(xié)調(diào)等原因圍巖揭露后未進行及時支護，任其圍巖松弛、變形而最終帶來圍巖塌方。分層、分塊開挖的隧道，特別要強調(diào)的是初期支護要快速閉合。

開挖方法：擅自加大開挖斷面或排炮進尺，使本來自穩(wěn)性較差圍巖快速產(chǎn)生過大的彎剪應力從而形成塌方。

鉆孔爆破(bàopò)：不按爆破(bàopò)設計鉆孔、裝藥、聯(lián)線，使單響或一次起爆藥量過大，爆破(bàopò)震動速度超規(guī)范（規(guī)范規(guī)定不大于15CM/S）要求，使圍巖損傷過大，而形成較厚的松弛圈，由此誘發(fā)塌方。

輔助措施：有的人對進洞輔助措施認識不足，總認為設計多余，不做或不按設計圖紙施工輔助措施，擅自開挖，最容易引發(fā)掌子面塌方。9共三十八頁

開挖質量：隧洞周邊開挖巖面凹凸不平，起伏差明顯超標，這樣會帶來應力明顯集中，對洞室穩(wěn)定明顯不利。

初期支護(包括輔助措施)質量：初期支護質量好壞對隧道的穩(wěn)定是致命性的。大小管棚及錨桿角度、長度、注漿密實度與設計要求不符，鋼架支撐未與隧洞圍巖密貼，噴射混凝土厚度、強度不足，這些都有可能削弱初期支護對圍巖松弛的抗力。

二襯與掌子面距離：在這里必須強調(diào)的是，公路隧道設計規(guī)范對Ⅳ、Ⅴ級圍巖要求二襯結構是承擔山巖壓力的，公路隧道安全技術規(guī)范明確規(guī)定，二襯距掌子面距離Ⅳ級圍巖不得大于90米，Ⅴ級及以上圍巖不大于70米。這一規(guī)定是僅供參考的，現(xiàn)場實施過程中，即使?jié)M足這一要求，仍然(réngrán)出現(xiàn)塌方，說明施工安排仍然(réngrán)有問題。10共三十八頁（二）突水（泥）1．概念

公路隧道施工過程中，圍巖含水層中的地下水在水頭壓力和其他壓力的綜合作用下，克服隔水層、斷層、裂隙帶等的阻力，以突然的方式涌入隧道的現(xiàn)象，則稱之為突水。

如果地下水攜帶大量的泥沙或飽水的泥沙突然涌入隧道，就稱之為突泥。

突泥可看成突水的衍生現(xiàn)象。因此，突泥的關鍵仍是涌水。沒有地下水作為動力和載體，突泥是不可能發(fā)生的。綜合來看高壓、富水(fùshuǐ)、不良地質三者不利結合，是誘發(fā)突水（泥）的地質導體。11共三十八頁2.突水規(guī)模(guīmó)見下表三12共三十八頁3.突水（泥）空間位置向斜構造(gòuzào)盆地，特別核心部位往往富含地下水，這一點在長而深隧道中大量突水常與它有關。斷層破碎帶、不整合面和侵入接觸帶：常常為含水構造，特別注意的是香麗高速七標隧道中石灰?guī)r與板巖接觸面就是不整合面。在溶性巖層中的溶洞、溶溝、溶槽一旦同隧道軸線相交時，發(fā)生突水（泥）可能極大，并且危害巨大。透水層與隔水層的劃分，＞1×10-6cm/s為透水地層，反之為隔水地層。13共三十八頁4.突水（泥）原因分析（1）含水圍巖能量儲存條件隧道突水（泥）發(fā)生的儲能條件指能夠形成大量地下水及泥沙的地質條件。巖溶、巖體中的各種破碎帶以及向斜構造盆地等部位，具有良好的富水和儲水性能，?？尚纬伤看?、水壓高的地下水體。這些部位往往也是豐富松散團體物質的來源，或本為含有大量的松散團體物質。同時(tóngshí)這些部位也是地下水的良好交換通道，在條件具備時，其中的地下水或與有水力聯(lián)系的其他地下水體挾裹泥、石塊一起涌入隧道內(nèi)。14共三十八頁（2）含水圍巖(wéiyán)能量釋放條件含水圍巖中儲存了大量能量，但隧道突水能否發(fā)生，還取決于隧道能量釋放條件，即控制隧道突水的主要條件為其能量釋放條件，包括水壓及相對隔水層厚度。不同巖體結構和巖性條件的巖體，物理力學性質存在較大差異，隔水層厚度也不盡相同。不同類型圍巖被涌水突破所需的最小突水量見下表四。15共三十八頁圍巖(wéiyán)被沖潰所需的最小突水量（表四）16共三十八頁（3）含水圍巖的穩(wěn)定性隧道開挖直接影響到含水圍巖的穩(wěn)定性，造成隧道突水（泥）。如果直接開挖掉相對隔水層，揭露出的地下水體將產(chǎn)生即發(fā)性突水現(xiàn)象(xiànxiàng)。即使掌子面處存在一定厚度的隔水層，由于施工爆破，或隧道開挖帶來的圍巖松弛和應力集中，圍巖發(fā)生變形破壞，也會使相對隔水層的有效保護厚度相應減少從而增加隧道突水的可能性。17共三十八頁（三）塌方(tāfāng)與突水的關系就同一條隧道而言：1.發(fā)生塌方的可能性大，而發(fā)生突水的可能性小。2.同一部位塌方發(fā)生而突水不一定發(fā)生，發(fā)生突水一般伴隨著塌方。3.塌方是靜態(tài)的，而大的突水是動態(tài)的。18共三十八頁（一）必須(bìxū)強調(diào)的兩點基本認識1.隧道塌方、突水是一種隨機事件

地下工程施工在巖土介質中進行。巖土理論是一種典型的灰色理論，巖土工程本身的復雜性加之人類的探測手段及認知水平有限性，導致現(xiàn)場施工實踐過程中，同巖土相關的信息有的部分是清除的，而有的部分是不清楚的。由于信息存在盲區(qū)，導致我們作出不能完全肯定或完全否定的結論，即塌方或突水既不是必然發(fā)生也不是必然不發(fā)生的事件，而是一種隨機事件。既有可能發(fā)生也有可能不發(fā)生，以及既使有可能發(fā)生，發(fā)生的可能性大小也是波動的。二．塌方(tāfāng)、突水的預判19共三十八頁2.現(xiàn)階段對塌方、突水的預測仍處于定性階段鑒于地下(dìxià)洞室乃至巖土工程自身的復雜性，目前對地下(dìxià)工程塌方、突水的預測仍處于定性階段，就像全人類所面臨的地震一樣。即要對其作出準確的塌方、突水時間判斷是比較困難的，即一般僅能作出塌方、突水的可能性極大、大、較大、較小的結論。也就是說僅能作出塌方、突水在該隧洞樁號段是大概率事件還是小概率事件的結論。20共三十八頁（二）圍巖量測結果1.塌方（1）預留變形量一般情況下，現(xiàn)場實測位移值不應大于隧道預留變形量，當觀測(guāncè)的累計位移值大于預留值得1/3時，就有可能塌方，當大于預留值得2/3時，塌方的可能性就較大。（2）位移速率當觀測圍巖位移速率大于1mm/d，圍巖處于急劇變形狀態(tài)，就有可能發(fā)生塌方。（3）位移速率變化趨勢與前后時段相比，當圍巖位移速率變化上升，即位移加速度大于0時，圍巖處于危險狀態(tài)，塌方的可能性極大。2.突水（泥）涌水量小于1×100m3/d時發(fā)生突水可能性較小。21共三十八頁（三）洞身表征1.地質圍巖

隧道開挖后較軟圍巖或松散地層不斷掉塊，圍巖脫落面和脫落深度不斷增大，是洞室大塌方征兆。無水或干燥洞段無故塵土飛揚或有塵霧，是圍巖內(nèi)部(nèibù)應力調(diào)整的表象，也是塌方的表象。洞口段及淺埋地段地面開裂，且裂縫數(shù)量增加，縫隙加大、加深，地面明顯下沉，則該洞段有可能發(fā)生塌方。2.地質構造

巖層層面及裂隙面（斷層帶）寬度明顯增大或有明顯錯位現(xiàn)象，巖體結構明顯松弛，這些都是有可能塌方的跡象。3.地下水

洞身圍巖出水點頻繁變換位置，出水量加大，由清變濁。流沙地段間隔涌流變成連續(xù)涌流，較大樁號洞身段圍巖明顯潮濕，或突然出現(xiàn)水霧，則極有可能突水、塌方。22共三十八頁4.支護結構

噴射混凝土大面積開裂、脫離巖面甚至塌落，縫間有沙土不斷流出；錨桿墊板松脫(sōnɡtuō)；鋼支撐扭曲變形，邊墻支撐中間鼓出，連接點明顯變形；鋼支撐、鋼筋網(wǎng)格間噴射混凝土剝離、開裂、鋼筋扭曲變形；連接板錯位，連接螺栓變形剪斷，初支結構發(fā)生較大響聲，支撐間沙土或巖塊被擠出；上述現(xiàn)象都是圍巖塌方前的征兆。23共三十八頁

公路隧道工程施工屬于建筑行業(yè)高危作業(yè)之一，有的安全技術規(guī)范提出“零塌方”這一施工理念，但受各種因素影響，地下洞室施工中塌方這一地質災害仍頻頻發(fā)生，給現(xiàn)場施工人員和財產(chǎn)帶來極大的安全威脅，給死者和活著的人帶來永遠的遺憾和痛，對施工企業(yè)而言也是一種挑戰(zhàn)極限的考驗和災難。為此站在對生命的敬畏和對國家安全生產(chǎn)法規(guī)(fǎguī)神圣不可侵害的高度，全體參建人員必須認真貫徹“安全第一，預防為主，綜合治理”的方針，加強現(xiàn)場各項管理，深刻領會“零塌方”這一施工理念的精髓，確保第一線施工人員這一“弱勢群體”的生命安全和財產(chǎn)安全，確保工程順利進行。三．塌方(tāfāng)突水的預防24共三十八頁（一）必須杜絕公路隧道工程施工“三重三輕”現(xiàn)象1、第一個“一重一輕”：即“重開挖，輕支護”。具體表現(xiàn)在開挖班組盲目搶開挖進度，而輕視已成型洞段的初期支護，任其圍巖松弛，最終引發(fā)塌方。2、第二個“一重一輕”：即“重進度，輕安全”。只強調(diào)開挖、初支、二襯的進度管理（包括大小管棚）。不重視工序的安全管理，有的隧道前面開挖后面塌方（關門塌方）或掌子面鉆孔工程中塌方，就說明這一點。3、第三個“一重一輕”：即重表層支護而輕深層支護，具體表現(xiàn)在施工班組認為鋼拱架賺錢，噴混凝土工藝簡單僅樂于做這些。而錨桿、大小管棚操作復雜，費工費時，不注漿或少注漿，錨桿長度不夠、數(shù)量不夠，這些偷工減料現(xiàn)象在公路隧道施工中比較(bǐjiào)普遍，任其深處圍巖松弛，對表層支護產(chǎn)生集中荷載，導致支護結構破壞，最終引發(fā)塌方。25共三十八頁（二）必須處理好公路(gōnglù)隧道施工中“進度、質量、安全”三者的辯證關系。上世紀九十年代初一位中國工程院士對地下洞室施工提出了“十六字”方針，即“均衡生產(chǎn)，筑牢質量，文明施工，確保安全”。歲月匆匆，時間過去二十多年了，筆者認為仍具有現(xiàn)實意義，具體體現(xiàn)在：26共三十八頁1.均衡生產(chǎn)：指科學編制施工進度計劃，均衡組織現(xiàn)場生產(chǎn)，施工進度前緊后松或前松后緊，都會引發(fā)質量、安全事故。2.筑牢質量：質量是工程的生命線，是安全保障的生命線，更是一個企業(yè)生存、發(fā)展的生命線。香麗高速為3P項目，我建工集團收費期限20-30年，筑牢質量防線的意義自然不言而喻。3.文明施工：即類似(lèisì)于公路施工規(guī)范中的標準化施工。文明施工的本質是創(chuàng)造一個干凈、整潔、和諧的施工環(huán)境，讓廣大參建人員擁有愉快的身心積極投入到創(chuàng)造優(yōu)良的進度、質量、安全產(chǎn)品活動中，同時，良好的進度、質量、安全產(chǎn)品又極積推動文明施工的向前發(fā)展。4.確保安全：在當今社會，安全是根紅線，是根高壓線。經(jīng)常發(fā)生安全事故的工地且不說追究什么責任，賠償什么損失，施工隊伍是穩(wěn)不住的，心態(tài)是浮躁的，一支心態(tài)浮躁的隊伍何談保證施工進度及質量呢？27共三十八頁

提高公路隧道施工水平(shuǐpíng)，預防圍巖的過度變形、塌方及突水等地質災害的發(fā)生，確保施工安全，綜合起來要落實好“一個強化”、“二個超前”、“三個到位”，即“一、二、三”預防措施。（一）“一個強化”即強化量測。公路隧道工程是用“新奧法”理論指導施工的，“新奧法”理論異于其他地下洞室施工理論的是,它是“活”的而不是“死”的。即它強調(diào)的是動態(tài)設計、動態(tài)施工，通過對圍巖變形量測數(shù)據(jù)來優(yōu)化設計參數(shù)、調(diào)整施工工藝。這里強調(diào)的是通過量測數(shù)據(jù)的大小、發(fā)展趨勢來判斷圍巖的安全狀態(tài)。為此：四．預防措施28共三十八頁1.必須高度重視圍巖初始值的獲取。隧道開挖后即打破圍巖質點的三向應力狀態(tài)，圍巖即開始變形，一般來說觀測越早越好，觀測點埋晚了圍巖已有一定累積值（歸零），監(jiān)測數(shù)值已失去真實性，自然對圍巖變形指導的意義不大。2.必須高度重視圍巖位移速率變化趨勢。圍巖變形是表面現(xiàn)象，本質是圍巖內(nèi)部應力不斷調(diào)整的結果。有時候用圍巖位移速率大?。ㄍ蛔儯┘白兓厔輥砼袛鄧鷰r安全穩(wěn)定比用累積值有效得多。3.必須按設計規(guī)范要求進行變形量測。隧道開挖初期，圍巖的應力、應變值是急劇變化的，為準確、及時、有效地獲得現(xiàn)場原始的量測數(shù)據(jù)，通過這些數(shù)據(jù)的變化規(guī)律來分析(fēnxī)、推斷隧道圍巖的安全狀況，現(xiàn)場量測工作必須按規(guī)范規(guī)定進行，否則就是一句空話。監(jiān)測頻率見下表四、表五。29共三十八頁30共三十八頁B：為隧洞開挖寬度注：表四、表五中(wǔzhōng)數(shù)據(jù)中若有沖突，按取大值進行。31共三十八頁（二）“兩個超前”分別是超前地質預報和超前支護（包括大小管棚及圍巖預注漿等）。1.超前地質預報采用地質素描、超前水平探孔、地震反射波法等手段探明掌子面前方軟弱層、破碎地層、斷層、節(jié)理密集帶、溶洞、暗河、溶洞管道水、富水斷層及富水地層等，使信息化設計和施工形成有機整體，嚴禁在未探明前方不良地質情況下，盲目開挖。防患于未然，避免地質災害的發(fā)生。2.超前支護斷層破碎帶和軟弱地層及洞口淺埋段，增加注漿的超前大小導管。一是通過注漿加固地層，提高地層的物理力學性質，二是灌滿砂漿(shājiāng)的大小管棚，本身具有一定的縱向剛度，提高了抵抗管棚上覆塌體的能力。富水地層要預先進行注漿加固處理，降低地下水的滲透量，避免滲流長時間帶出巖縫間碎屑物質（潛蝕），從而引發(fā)圍巖變形、塌方。32共三十八頁（三）“三個到位”即開挖工法選擇到位、支護質量保證到位，快速封閉（初支、二襯）準確到位。1.開挖工法選擇到位

開挖工法的選擇基本取決于兩個條件即隧洞地質條件和開挖斷面大小。開挖工法選擇時從簡單到復雜，應盡量減少開挖步驟，避免圍巖多次擾動，現(xiàn)場施工要嚴格執(zhí)行工法，如需調(diào)整，應覆行變更工作程序，不得擅自更改。2.支護質量保證到位

這里要強調(diào)初期支護質量和超前支護質量，隧道前期變形、塌方除取決于