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【摘要】隧道塌方严重威胁到施工项目的建设以及人员生命财产安全，有必要对黄土隧道塌方问题进行研究，以便完善隧道开挖施工技术，为隧道塌方处理提供相应借鉴。文章从人为因素、地质原因以及外界环境因素三方面分析了含沙泥岩隧道塌方机理，并对比了几种传统的塌方处理措施。以某塌方隧道为例进行了隧道塌方处理的效果分析，结果表明：合理的处理措施能有效降低塌方事故损失，最大限度的保证施工人员的生命财产安全，降低了事故损失，取得了预期效果，使施工恢复正常。
【关键词】含沙泥岩；隧道塌方；加固处理
引言
一直以来，我国铁路建设存在着较大的地区性差异，东部沿海及中部平原得益于其自身优越的地理条件及我国经济发展策略的支持，其铁路网络日趋完善。随着我国经济的不断发展，国家适时调整宏观战略，铁路网络也不断扩展。但问题也随之涌现，平原地区地势相对较为平缓，地质良好，特殊土存在较少，因此铁路建设费用不高，技术问题也较容易得到解决。但西部山壑众多，华北部分地区土质特殊，东北大部分地区则覆盖有大面积冻土。其中尤以干旱地区黄土土质问题最为突出，这种土的土质疏松，内部空隙较大，混合有较多砂粒及黏土等，工程性质很不稳定，这给铁路修建过程中的隧道开挖带来了众多难以解决的工程技术问题。我国已建隧道工程中，隧道塌方严重危害到铁路及高速公路的施工建设及安全营运。因此，有必要对黄土隧道塌方问题进行研究，以便完善隧道开挖施工技术，提升铁路及高速公路整体服务水平。
1、含沙泥岩隧道塌方机理分析
1.1含沙泥岩隧道塌方分类
含沙泥岩隶属黄土范畴，由自然环境强烈风化而成，砂岩、泥岩互相交错，节理裂隙较为发育，呈半岩半土状，此种土内部胶结作用很差，较为松散，工程性质很不稳定。塌方依据成因主要分为施工塌方、雨水塌方，地震塌方等。依据表现形式还可分为突发性塌方、持续性塌方及规律性塌方等。其中，突发性塌方指伴随隧道开挖作业而不期发生的坍塌。隧道开挖时影响围岩稳定，持续性塌方则是随着围岩松动而发生的连续性塌方，在整个施工过程中可多次发生。隧道开挖使土层受到外界扰动，改变其天然应力平衡状态，迫使其内部进行应力重新分布，围岩应力也随之进行重新分布以保持自身应力平衡，在这一应力改变过程中易发生规律性塌方。
1.2含沙泥岩塌方机理
隧道塌方是隧道施工过程中所面临的首要突出问题，它不仅对施工人员的生命安全造成威胁，且会增加施工成本，延误工期，为了更好的预防及快速高效的治理隧道塌方问题就必须明确具体工程实践中隧道塌方的原因，对症下药，节约治理成本。隧道塌方原因种类繁多，大致可分为三大类，既人为因素、地质原因以及外界环境因素。
1.2.1人为因素
隧道开挖要求具备大量真实地质信息，通常由现场地质勘查而得，辅助已有地方资料，以便了解周边地质历史及条件，明确施工区地质构造，地下水分布以及周围地物地貌情况。但无论是已有资料还是地质勘查工作都无法避免由人为造成的疏漏，施工方法与部分真实地质情况不相适应的情况时有发生，因错估导致爆破药量过多时，爆破振动力过于强大，破坏岩层自身平衡结构，会引起围岩突然变形，最后导致塌方。
1.2.2外界环境因素
自然界中某些不期而至的力量对于建筑物来说无疑是一种负担。强降雨不仅对隧道工程产生强烈冲击力，且短期汇集的雨水来不及下渗，浸泡土层，显著降低土层承载力。并侵蚀围岩，缩短其自稳时间，使其失稳变形。
一些偶发性的地震可轻易破坏山体稳定结构，鉴于目前的地震监控水平，一旦突发地震，无法做出有效的应急措施。如果地震发生在隧道工程施工期间，各项结构物的强度及稳定性还未达标，则更容易引发隧道塌方。
1.2.3地质原因
因隧道塌方的本质为土层承载力不足以抵抗由人为因素或外界环境因素所致的土层滑移力的增加而致，所以地质因素在众多隧道塌方原因中占有决定性地位。受道路选线的限制，有些隧道避免不了要通过工程性质不良的岩体区域，如带有软弱夹层的含沙岩体、含沙破碎带及受地下水长期浸泡而松散脆弱的岩体。这些岩体因其节理裂隙发育，裂隙水含量丰富等原因而导致其自身稳定性不足，在施工过程中经不起强烈的施工扰动以及外界环境的变化，施工稍有不当之处即可引发隧道塌方。
2、含沙泥岩隧道塌方处理措施
2.1土模法
“土模法”充分利用塌方后的松散土体，将土石按不同比例塑造出所需形状，且必须符合沉降值后的土体模型，并对其进行注浆，通常为混凝土浇筑，混凝土强度达标后，拆除土模。应用此种方法时，要求塌方后碴体高度基本达到隧道设计开挖时的洞顶标高。并确保隧道两侧围岩可承受土模体的自重，可经受掉块等动荷载。
处理时，首先结合钢支撑与锚喷网共同支护形成保护网，控制塌方发展，避免出现更大的后续破坏。处理隧道塌方产生的碴体，使之尽量接近隧道开挖时的初始轮廓线，在形成的土模上均匀布设钢筋笼，并进行注浆，通常泵送衬砌标号混凝土，钢筋混凝土强度达标后重新开挖碴体。辅助以系统支护和超前支护，确保施工安全。如图1所示：
图1 土模法示意图
2.2回填法
当隧道塌方后形成的碴体高度小于设计开挖时的洞顶标高时，不易使用土模法。隧道塌腔内不稳定，掉块频繁，施工危险系数高，这时可采用回填法对塌方进行处理。
“回填法”即采用与衬砌同标号的混凝土对塌腔进行回填处理，与土模法类似，处理时，首先结合钢支撑与锚喷网共同支护形成保护网，控制塌方发展，混凝土回填时尽量保证回填密实，待混凝土强度达标后再进行开挖，辅以超前支护及系统支护，如图2所示：
图二回填法示意图
2.3注浆法
隧道塌方后，周围大范围内的土体变得松散。注浆法可有效固结松动区，改善塌方土体物理力学性能，把松散土体重新凝结为整体，提高其抗剪强度，恢复其自稳能力后，即可重新进行隧道开挖。 2.4明挖法
明挖法对隧道工程本身及塌方后的严重情况有一定要求，适用于隧道埋深较浅的情况，同时要确保隧道塌方后地表沉降下陷程度较高，待隧道塌方稳定后，可改暗挖为明挖。明挖法方便操作，危险系数较低。
2.5支护法
当塌方范围较小，塌腔体积不大，塌方情况不严重时，围岩通常还具备较好的自稳能力，这时可通过快速支护法处理塌方。
3、实例分析
此新建铁路联络线位于内蒙古中部及山西省北部，基本呈南—北走向，全长179.842km。此线路途经山壑众多，地形起伏较大，地质较为复杂，含沙破碎带较多，部分路段施工难度较大。此塌方隧道即位于此线路上，里程桩号为DK16+777～DK16+805，地质概况为砂岩夹泥岩，围岩呈松散状，零星分布块石，原定围岩级别为Ⅳ级。
3.1工程概况
隧道施工时，在进行中台阶DK16+800处左幅开挖时开始出现隧道塌方迹象，具体表现为，拱脚处出现渗水，上台初始支护产生开裂，变形，随后DK16+777～DK16+805段初始支护全部压垮，形成塌方，塌方导致地表出现多道裂缝，裂缝局部宽约5～10cm，错台高约5～15cm；塌方影响地表沿线路方向长约34m，横向宽约47m。塌体充满整个隧道断面，洞内塌方量约3400方，塌体坡至DK16+765。
3.2隧道塌方原因分析
从地质因素来看，由于隧道拱部上方为砂岩、泥岩互层，自稳能力很差，节理裂隙发育水平较高，强烈的施工扰动使节理裂隙进一步发展，降低了土层之间的粘结力，使其滑移力显著增大。从外界环境因素来看，近期施工过程都伴随着强降雨，致使地下水渗透，大大增加了围岩中的含水量。隧道在地质及外界自然环境的双重压力下，不堪施工扰动，使围岩慢慢失去了自稳能力，开始渗水、开裂变形，最终导致塌方。
3.3隧道塌方具体处理措施
3.3.1地表处理措施
施工时伴随着强降雨，为减少雨水流入塌方段。待塌方稳定后，采用三七灰土对地表范围内裂缝进行封闭。同时，为减小土体水压力，在塌方体范围内建立临时排水系统，具体做法为在距影响范围边缘外3m设截水沟，做好地表水的引排，控制塌方范围。
3.3.2洞内加固处理措施
为减少塌方对后方初期支护的影响，首先对后方初期支护进行沉降观测，待监测数据稳定后。从DK16+777里程退回5榀拱架，在拱脚处打设φ200mm钢管对口撑。对坍塌体采用厚度20cm C25喷射砼进行封闭，确保坍塌体稳定。
3.3.3塌方处理措施
第一，辅以超前支护，对DK16+777～+ 815段进行超前支护，采用φ108×6㎜大管棚+φ42×3.5㎜超前小导管，环向间距均为30cm。φ108管棚纵向分三环打设，每环有效长12m，外插角5～10°，纵向搭接长不小于3m，小导管外插角30°，单根小导管长5m，小导管及大管棚均设注浆孔。
第二，初期支护全环采用Ⅰ22a钢架，间距0.5m；设置双层φ8钢筋网，尺寸20×20㎝；原设计上台、中台每处锁脚锚管增加至4根，并进行注浆，斜下方打入角度不小于30°； C25喷射混凝土厚29cm。钢架墙脚处设[28a垫槽钢。
第三，边墙采用φ42小导管进行径向注浆加固岩体。二衬复合式衬砌拱墙衬砌厚60cm。上台阶开挖掌子面采用φ42小导管进行注浆加固。上台阶每循环开挖采用C25喷砼封闭掌子面厚10cm。
最后，施工中预留二次补强空间，根据监控量测，及时调整预留变形量。本段塌方处理段原则上采用三台阶临时仰拱法施工，应有相应的支护措施并经过充分论证并后方可实施，以确保安全。
3.4施工中注意事项
（1）由于坍塌段为砂层，塌方后砂层松散，且局部有格栅钢架，对管棚施工造成困难，所以必须选择合适的管棚材料和施工机械。在进行超前支护时要选择合理的管棚进尺长度，管棚注浆时要防止串孔现象，保证施工质量。
（2）在进行初期支护时要预留二次补强空间，适当增加预留拱顶沉降量和收敛量，根据监控量测，及时调整预留变形量。
（3）施工单位应高度重视坍塌段，必须保证钢架的基础必须坚固，避免出现钢架底部悬空现象。对于拱架，必须要求背后没有任何空洞，填补密实。及时将支护结构封闭成环，严格控制工序长度，确保施工安全。
（4）保证施工质量，确保使用的各种工程材料均达到相关质量标准，坚决杜绝检验不合格的工程材料。如果上一道工序检测不合格，达不到质量要求时，坚决不允许下一道工序的实施。
（5）现场人员跟班作业，做好记录，严格控制好每一道工序的施工质量，加强地表、洞内监控量测，并根据监控量测反馈信息及时调整施工措施。防止由于疏忽大意引发的意外伤亡事故，最大限度实现安全施工。
4、结语
本次事故处理最大限度的保证了施工人员的生命财产安全，降低了事故损失，取得了预期效果，使施工恢复正常。但隧道塌方事故不仅影响施工作业的顺利进行，也威胁到施工人员的生命财产安全，预防及事故后的处理措施尤为重要。要根据具体情况，结合实践经验及理论知识采取及时、适当、正确的处理措施。通过以上对含沙泥岩的塌方机理分析和案例应用，合理的处理措施能有效降低塌方事故损失，把隧道结构各项变形量控制在允许范围内，对保障施工人员生命安全，对避免二次事故发生有一定意义。
参考文献
[1] TZ204-2008《铁路隧道工程施工技术指南》
[2]《铁路隧道设计规范》（TB10003-2005）
[3]任文胜.隧道塌方原因分析及处理方案研究[J].山西建筑，2008，34（9）：340-345.
[4] 伍振志，傅志锋，王静，等. 浅埋松软地层开挖中管棚注浆法的加固机制及效果分析[J]. 岩石力学与工程学报，2005，24（6）：1 026–1 028.
[5]剧中林.隧道塌方与处理[J].山西建筑，2002（8）
【关键词】含沙泥岩；隧道塌方；加固处理
引言
一直以来，我国铁路建设存在着较大的地区性差异，东部沿海及中部平原得益于其自身优越的地理条件及我国经济发展策略的支持，其铁路网络日趋完善。随着我国经济的不断发展，国家适时调整宏观战略，铁路网络也不断扩展。但问题也随之涌现，平原地区地势相对较为平缓，地质良好，特殊土存在较少，因此铁路建设费用不高，技术问题也较容易得到解决。但西部山壑众多，华北部分地区土质特殊，东北大部分地区则覆盖有大面积冻土。其中尤以干旱地区黄土土质问题最为突出，这种土的土质疏松，内部空隙较大，混合有较多砂粒及黏土等，工程性质很不稳定，这给铁路修建过程中的隧道开挖带来了众多难以解决的工程技术问题。我国已建隧道工程中，隧道塌方严重危害到铁路及高速公路的施工建设及安全营运。因此，有必要对黄土隧道塌方问题进行研究，以便完善隧道开挖施工技术，提升铁路及高速公路整体服务水平。
1、含沙泥岩隧道塌方机理分析
1.1含沙泥岩隧道塌方分类
含沙泥岩隶属黄土范畴，由自然环境强烈风化而成，砂岩、泥岩互相交错，节理裂隙较为发育，呈半岩半土状，此种土内部胶结作用很差，较为松散，工程性质很不稳定。塌方依据成因主要分为施工塌方、雨水塌方，地震塌方等。依据表现形式还可分为突发性塌方、持续性塌方及规律性塌方等。其中，突发性塌方指伴随隧道开挖作业而不期发生的坍塌。隧道开挖时影响围岩稳定，持续性塌方则是随着围岩松动而发生的连续性塌方，在整个施工过程中可多次发生。隧道开挖使土层受到外界扰动，改变其天然应力平衡状态，迫使其内部进行应力重新分布，围岩应力也随之进行重新分布以保持自身应力平衡，在这一应力改变过程中易发生规律性塌方。
1.2含沙泥岩塌方机理
隧道塌方是隧道施工过程中所面临的首要突出问题，它不仅对施工人员的生命安全造成威胁，且会增加施工成本，延误工期，为了更好的预防及快速高效的治理隧道塌方问题就必须明确具体工程实践中隧道塌方的原因，对症下药，节约治理成本。隧道塌方原因种类繁多，大致可分为三大类，既人为因素、地质原因以及外界环境因素。
1.2.1人为因素
隧道开挖要求具备大量真实地质信息，通常由现场地质勘查而得，辅助已有地方资料，以便了解周边地质历史及条件，明确施工区地质构造，地下水分布以及周围地物地貌情况。但无论是已有资料还是地质勘查工作都无法避免由人为造成的疏漏，施工方法与部分真实地质情况不相适应的情况时有发生，因错估导致爆破药量过多时，爆破振动力过于强大，破坏岩层自身平衡结构，会引起围岩突然变形，最后导致塌方。
1.2.2外界环境因素
自然界中某些不期而至的力量对于建筑物来说无疑是一种负担。强降雨不仅对隧道工程产生强烈冲击力，且短期汇集的雨水来不及下渗，浸泡土层，显著降低土层承载力。并侵蚀围岩，缩短其自稳时间，使其失稳变形。
一些偶发性的地震可轻易破坏山体稳定结构，鉴于目前的地震监控水平，一旦突发地震，无法做出有效的应急措施。如果地震发生在隧道工程施工期间，各项结构物的强度及稳定性还未达标，则更容易引发隧道塌方。
1.2.3地质原因
因隧道塌方的本质为土层承载力不足以抵抗由人为因素或外界环境因素所致的土层滑移力的增加而致，所以地质因素在众多隧道塌方原因中占有决定性地位。受道路选线的限制，有些隧道避免不了要通过工程性质不良的岩体区域，如带有软弱夹层的含沙岩体、含沙破碎带及受地下水长期浸泡而松散脆弱的岩体。这些岩体因其节理裂隙发育，裂隙水含量丰富等原因而导致其自身稳定性不足，在施工过程中经不起强烈的施工扰动以及外界环境的变化，施工稍有不当之处即可引发隧道塌方。
2、含沙泥岩隧道塌方处理措施
2.1土模法
“土模法”充分利用塌方后的松散土体，将土石按不同比例塑造出所需形状，且必须符合沉降值后的土体模型，并对其进行注浆，通常为混凝土浇筑，混凝土强度达标后，拆除土模。应用此种方法时，要求塌方后碴体高度基本达到隧道设计开挖时的洞顶标高。并确保隧道两侧围岩可承受土模体的自重，可经受掉块等动荷载。
处理时，首先结合钢支撑与锚喷网共同支护形成保护网，控制塌方发展，避免出现更大的后续破坏。处理隧道塌方产生的碴体，使之尽量接近隧道开挖时的初始轮廓线，在形成的土模上均匀布设钢筋笼，并进行注浆，通常泵送衬砌标号混凝土，钢筋混凝土强度达标后重新开挖碴体。辅助以系统支护和超前支护，确保施工安全。如图1所示：
图1 土模法示意图
2.2回填法
当隧道塌方后形成的碴体高度小于设计开挖时的洞顶标高时，不易使用土模法。隧道塌腔内不稳定，掉块频繁，施工危险系数高，这时可采用回填法对塌方进行处理。
“回填法”即采用与衬砌同标号的混凝土对塌腔进行回填处理，与土模法类似，处理时，首先结合钢支撑与锚喷网共同支护形成保护网，控制塌方发展，混凝土回填时尽量保证回填密实，待混凝土强度达标后再进行开挖，辅以超前支护及系统支护，如图2所示：
图二回填法示意图
2.3注浆法
隧道塌方后，周围大范围内的土体变得松散。注浆法可有效固结松动区，改善塌方土体物理力学性能，把松散土体重新凝结为整体，提高其抗剪强度，恢复其自稳能力后，即可重新进行隧道开挖。 2.4明挖法
明挖法对隧道工程本身及塌方后的严重情况有一定要求，适用于隧道埋深较浅的情况，同时要确保隧道塌方后地表沉降下陷程度较高，待隧道塌方稳定后，可改暗挖为明挖。明挖法方便操作，危险系数较低。
2.5支护法
当塌方范围较小，塌腔体积不大，塌方情况不严重时，围岩通常还具备较好的自稳能力，这时可通过快速支护法处理塌方。
3、实例分析
此新建铁路联络线位于内蒙古中部及山西省北部，基本呈南—北走向，全长179.842km。此线路途经山壑众多，地形起伏较大，地质较为复杂，含沙破碎带较多，部分路段施工难度较大。此塌方隧道即位于此线路上，里程桩号为DK16+777～DK16+805，地质概况为砂岩夹泥岩，围岩呈松散状，零星分布块石，原定围岩级别为Ⅳ级。
3.1工程概况
隧道施工时，在进行中台阶DK16+800处左幅开挖时开始出现隧道塌方迹象，具体表现为，拱脚处出现渗水，上台初始支护产生开裂，变形，随后DK16+777～DK16+805段初始支护全部压垮，形成塌方，塌方导致地表出现多道裂缝，裂缝局部宽约5～10cm，错台高约5～15cm；塌方影响地表沿线路方向长约34m，横向宽约47m。塌体充满整个隧道断面，洞内塌方量约3400方，塌体坡至DK16+765。
3.2隧道塌方原因分析
从地质因素来看，由于隧道拱部上方为砂岩、泥岩互层，自稳能力很差，节理裂隙发育水平较高，强烈的施工扰动使节理裂隙进一步发展，降低了土层之间的粘结力，使其滑移力显著增大。从外界环境因素来看，近期施工过程都伴随着强降雨，致使地下水渗透，大大增加了围岩中的含水量。隧道在地质及外界自然环境的双重压力下，不堪施工扰动，使围岩慢慢失去了自稳能力，开始渗水、开裂变形，最终导致塌方。
3.3隧道塌方具体处理措施
3.3.1地表处理措施
施工时伴随着强降雨，为减少雨水流入塌方段。待塌方稳定后，采用三七灰土对地表范围内裂缝进行封闭。同时，为减小土体水压力，在塌方体范围内建立临时排水系统，具体做法为在距影响范围边缘外3m设截水沟，做好地表水的引排，控制塌方范围。
3.3.2洞内加固处理措施
为减少塌方对后方初期支护的影响，首先对后方初期支护进行沉降观测，待监测数据稳定后。从DK16+777里程退回5榀拱架，在拱脚处打设φ200mm钢管对口撑。对坍塌体采用厚度20cm C25喷射砼进行封闭，确保坍塌体稳定。
3.3.3塌方处理措施
第一，辅以超前支护，对DK16+777～+ 815段进行超前支护，采用φ108×6㎜大管棚+φ42×3.5㎜超前小导管，环向间距均为30cm。φ108管棚纵向分三环打设，每环有效长12m，外插角5～10°，纵向搭接长不小于3m，小导管外插角30°，单根小导管长5m，小导管及大管棚均设注浆孔。
第二，初期支护全环采用Ⅰ22a钢架，间距0.5m；设置双层φ8钢筋网，尺寸20×20㎝；原设计上台、中台每处锁脚锚管增加至4根，并进行注浆，斜下方打入角度不小于30°； C25喷射混凝土厚29cm。钢架墙脚处设[28a垫槽钢。
第三，边墙采用φ42小导管进行径向注浆加固岩体。二衬复合式衬砌拱墙衬砌厚60cm。上台阶开挖掌子面采用φ42小导管进行注浆加固。上台阶每循环开挖采用C25喷砼封闭掌子面厚10cm。
最后，施工中预留二次补强空间，根据监控量测，及时调整预留变形量。本段塌方处理段原则上采用三台阶临时仰拱法施工，应有相应的支护措施并经过充分论证并后方可实施，以确保安全。
3.4施工中注意事项
（1）由于坍塌段为砂层，塌方后砂层松散，且局部有格栅钢架，对管棚施工造成困难，所以必须选择合适的管棚材料和施工机械。在进行超前支护时要选择合理的管棚进尺长度，管棚注浆时要防止串孔现象，保证施工质量。
（2）在进行初期支护时要预留二次补强空间，适当增加预留拱顶沉降量和收敛量，根据监控量测，及时调整预留变形量。
（3）施工单位应高度重视坍塌段，必须保证钢架的基础必须坚固，避免出现钢架底部悬空现象。对于拱架，必须要求背后没有任何空洞，填补密实。及时将支护结构封闭成环，严格控制工序长度，确保施工安全。
（4）保证施工质量，确保使用的各种工程材料均达到相关质量标准，坚决杜绝检验不合格的工程材料。如果上一道工序检测不合格，达不到质量要求时，坚决不允许下一道工序的实施。
（5）现场人员跟班作业，做好记录，严格控制好每一道工序的施工质量，加强地表、洞内监控量测，并根据监控量测反馈信息及时调整施工措施。防止由于疏忽大意引发的意外伤亡事故，最大限度实现安全施工。
4、结语
本次事故处理最大限度的保证了施工人员的生命财产安全，降低了事故损失，取得了预期效果，使施工恢复正常。但隧道塌方事故不仅影响施工作业的顺利进行，也威胁到施工人员的生命财产安全，预防及事故后的处理措施尤为重要。要根据具体情况，结合实践经验及理论知识采取及时、适当、正确的处理措施。通过以上对含沙泥岩的塌方机理分析和案例应用，合理的处理措施能有效降低塌方事故损失，把隧道结构各项变形量控制在允许范围内，对保障施工人员生命安全，对避免二次事故发生有一定意义。
参考文献
[1] TZ204-2008《铁路隧道工程施工技术指南》
[2]《铁路隧道设计规范》（TB10003-2005）
[3]任文胜.隧道塌方原因分析及处理方案研究[J].山西建筑，2008，34（9）：340-345.
[4] 伍振志，傅志锋，王静，等. 浅埋松软地层开挖中管棚注浆法的加固机制及效果分析[J]. 岩石力学与工程学报，2005，24（6）：1 026–1 028.
[5]剧中林.隧道塌方与处理[J].山西建筑，2002（8）