７４ 石油工 程建设 ２０１２年４月 胡文君 ，胡道华 ，马 红２ （１．中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司，四川成都６１００１７；２．中国石油大学（华东）储运与 建筑工程学院，山东青岛２６６５５５） 摘要：通过理论分析及查阅相关规范，针对西气东输二线隧道的特点．同时结合现场实际发生的塌 方情况，提出了专门适用于油气输送管道隧道塌方的界定及分级标准．把隧道塌方按塌方量的大小分 为小塌方、中塌方、大塌方三类，并给出三类塌方的标准处理方案 该标准处理方案应用于在建隧道 塌方处理中，均取得良好的效果，管道安全顺利通过塌方段，实践证明，这种塌方处理方案可供今后 其他类似工程参考 关键词：隧道；塌方；分级标准；处理方案 ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—２２０６．２０１２．０２．０２１ ０ 引言 一定程度时．极限平衡被打破．导致大面积的整体 国家重点工程西气东输二线管道西起霍 尔果斯，南下广州，东至上海．由１条干线及８ 失稳．形成塌方 １．２．２洞内石质类塌方 条支线组成，全长超过８ ０００ ｋｍ，穿越黄河、长 江、黄土地区、江南丘陵等各种地形地貌，共设 置隧道６０余座．其中中国石油集团工程设计有限 责任公司西南分公司ｆＣＰＥ—ＳＷ）设计段的隧道３０ 座 隧道所处位置地质条件复杂．施工时常发生 塌方。 １塌方类型、发生机理及原因 １．１塌方类型 隧道开挖后．周边的岩石处于悬空状态．同时 下沉或收敛变形．以释放其内部应力．由于岩石体 中存在层理和节理（有时还有软弱夹层）．使周边 的部分岩块在重力作用下有下落和挤出的趋势．如 果此时未采取相应的支护措施或所采取的支护措施 达不到控制其变形发展的要求时．必然会出现“掉 块”现象．当“掉块”达到一定数量时，形成塌方。 １．２．３洞内土质类塌方 在施工过程中隧道发生塌方的形式是多种多 土质类隧道开挖后．由于围岩的黏聚力和内摩 擦角较小．周边围岩很快发生松弛变形．随着这些 变形的逐渐扩展．围岩的整体强度降低．同时土压 增加，进而引发局部的塑性破坏，在围岩（土质 样的，可以简单直观地将塌方分为：洞口塌方 （包括洞１３段塌方），洞内石质类塌方，洞内土质 类塌方 １．２塌方的发生机理 １．２．１ 洞口塌方 体）内部出现空洞导致局部发生坍塌，局部（浅埋 时在地表）出现下沉．塑性区进一步扩大．土压力 剧增最终导致整体失稳．大面积坍塌．形成塌方。 １．３引发塌方的因素 隧道塌方的原因是多方面的．通过对西气东输 二线隧道工程的调查及相关文献的查阅＿ｌ】．将引发 塌方的因素概括为以下４个方面。 １．３．１地质因素 由于洞口一般为堆积层或风化严重、破碎的 岩体，其自稳能力以及整体稳定性均较差，同时 又处在浅埋地段．如果在进洞前未对边仰坡采取 一定的技术措施（如刷坡卸载、喷锚支护、注浆 加固等），或采取的技术措施未能达到要求时．进 洞后必然引起上端围岩发生应力重分布．在重力 作用下出现下沉或开裂变形．当这些变形发展到 在勘探和施工过程中对地质情况认识不清，造 第３８卷第２期 胡文君等：西气东输二线隧道塌方原因分析及处理措施研究 ７５ 成施工时塌方。 （１）在开挖过程中．围岩的地质条件突然变 差．如从Ⅲ级围岩突然变化到Ｖ级围岩。 （２）施工过程中出现较大的断层、破碎带或软 弱夹层。 （３）出现了特殊的不良地质，如膨胀岩、高地 应力、溶洞、涌水等。 １．３．２设计因素 （１）洞口位置选择不恰当。如位于较大的滑动 体或断层之中．从而引发洞口塌方 ｆ２）设计的支护参数偏小．无法保证围岩从 开挖后到二次衬砌施工这段时间内的稳定 （３）针对特殊不良地质地段，设计上给出的处 理措施不当 １．３．３施工技术因素 （１）根据局部地质状况，需要采取超前支护 （超前锚杆、管棚、小导管预注浆等）措施而未采 取，或虽然已采取但其质量和效果未能达到要求 （２）初期支护未按设计的参数实行．如锚杆的 长度、间距、喷射混凝土厚度等。用格栅拱时，未 设锁脚锚杆．下部开挖使其失去支承点等 （３）施作二次衬砌的时间太迟，围岩无法承受 应力重分布后带来的直接作用而发生塌方 （４）在软弱围岩的施工中．没有及时施作仰 拱．未形成封闭的环状受力 （５）采用新奥法施工时，没有按时、按量地开 展量测工作，或虽开展了量测工作。但未及时进行 信息反馈．从而造成决策失误 （６）隧道的爆破设计有问题．对围岩的扰动过 大，文献『２１显示爆破对隧道拱形塌方及塌穿型 塌方有一定的影响 １．３．４管理因素 （１）未经上级技术部门同意，擅自改变施工方 法。 （２）不严格按照设计文件、施工组织设计、 《隧道施工技术规范》、 《隧道验收评定标准》的要 求和规定组织施工 （３）在施工中存在侥幸心理、偷工减料、弄虚 作假等．造成支护质量远远达不到设计要求 （４）由于不合理工期、不合理造价等宏观决 策，引起施工过程中强行追求进度，造成支护强度 达不到应有的要求．从而引发塌方 ２塌方的界定及分级标准 ２．１塌方的界定 塌方的界定关系到两个问题：塌方与超挖的问 题：塌方与局部掉块、坍塌在量上的划分问题。 ２．１．１爆破的控制 爆破控制主要包括药量的大小控制、周边眼的 装药结构形式、钻孔的倾角等。光面爆破技术在施 工中已基本成熟．西气东输二线隧道钻眼深度为 ２ ｍ左右。隧道超挖控制在１０～１５ ｃｍ；另外，对 于围岩的地质条件如岩体破碎、节理发育或软弱围 岩地段．其超挖数值相应要大一些。可能达到１５ ～２５ ｃｍ 在这样的条件下．设计代表建议西气东 输二线隧道采用欠挖法施工．即将开挖轮廓线向内 收１０～１５ ｅｍ。 ２．１．２局部掉块的大小问题 由于围岩存在层理、节理和软弱夹层，开挖后 经常出现掉块或局部坍塌的现象 为了保证后续工 作的安全．开挖后要将有可能掉下来的岩块主动敲 下来。掉块的大小与岩层的厚度、节理的间距以及 洞室的宽度有关 西气东输二线的隧道．非控制性 隧道开挖宽度为４．１ ４．６ ｍ．控制性隧道开挖宽度 为５－３ ５．８ ｍ，岩层的厚度一般不大于０．５ ｍ。因 此在一般情况下．被节理切割下来的岩块大小为 ０．００１～０．５ ｒｎ 。少数大于１．０ ｍ。 ２．１．３塌方的界定标准 为了给塌方的界定值一个客观合理的标准。通 过向一些长期从事隧道施工的单位和现场监理人员 咨询、讨论及查阅相关文献。得出了关于塌方的界 定标准：当隧道的坍塌高度ｈ或平均坍塌高度ｈ满 足下列条件之一时，即判定为塌方： ｈ≥１．５ ｍ或ｈ＝Ｑ／（Ｌ Ｘ Ｃ）≥０．７ Ｉ１＂１ 式中 ｐ——纵向总坍塌量／ｍ ； ——坍塌的长度／ｍ： Ｃ——隧道的周长／ｍ．即拱部弧形长度＋两 侧直墙的高度 ２．２塌方高度计算 ２．２．１按规范计算［３１ 隧道塌方是岩体发生松弛破坏的最直接表现． 塌方大小与松弛破坏的高度有必然的联系．而松弛 破坏的高度即塌方高度又与围岩级别有关 规范中 采用的围岩坍塌高度的计算式如下： ｈ：０．４５×２ ～△Ｊ ７６ 石ｔ，ｂ工｛ｊｃ建设 ２０１２年４月 ＝１＋ｉ（Ｂ一５） 式中Ｓ——围岩级别： ——宽度影响系数： ——隧道开挖宽度／ｍ： ——日每增减１ ｍ时的围岩压力增减率： 当Ｂ＜５ ｒｎ时，取 ０．２：Ｂ＞５ ｍ时， 取ｉ＝０．１。 ２．２．２按普氏平衡拱理论计算问 前苏联学者Ｍ Ｍ普洛托雅克诺夫（简称普氏） 以松散理论为基础．把围岩中由裂隙切割形成的岩 块看做散粒体．普氏压力拱理论认为由于隧道开挖 后．岩层应力重新分布．洞顶破碎岩体随时间增长 而逐步坍塌．直至形成一个自然拱后围岩才稳定下 来，隧道上方将形成抛物线型的平衡拱（见图１）。 ＼ Ｉ一一鱼——』， 图１平衡拱宽度示意 平衡拱高度为： ｈ拱＝ｂ／ｆｍ 式中ｈ拱——平衡拱高／ｍ： ６——平衡拱的半跨度／ｍ： 一岩石坚固性系数，对于土层：ｆｍ＝ｔａｎ￣ｂ， 岩石：ｆｍ：Ｒ／ＩＯ，其中 为土的摩擦 角／（ｏ），Ｒ为岩石的抗压极限强度／ ＭＰａ。 在隧道侧壁稳定、拱部塌方时（如图１所示）， 平衡拱跨度就是开挖宽度，有ｂ＝ｂ ，ｂ 为隧道净 宽之半／ｍ．在侧壁不稳定、拱部塌方时（如图２所 示）。平衡拱半跨度为： ｂ＝ｂ ＋ ・ｔａｎ（４５。一＋／２） 式中 日．一隧道净高／ｍ。 ２．３ 西气东输二线隧道塌方高度 本文以西气东输二线隧道工程的标准断面 （３．２ Ｉｎ×３．２ ｍ）为例，按规范公式和普氏平衡拱理 论分别计算Ｖ类围岩的塌方高度。按规范公式计算 Ｖ类围岩的塌方高度为５．９ ｍ．取６ ｍ：按普氏平 ＼／ 、＼ ＼ 、＼、厂 ｌ ｔ ｌ 图２侧壁不稳时平衡拱宽度示意 衡拱理论计算Ｖ类围岩（取软岩的抗压极限强度尺 ＝１０ ＭＰａ）的塌方高度为２．８３ ｍ．取３ ｍ．西气东 输二线隧道塌方高度分别以３ ｍ、６ ｍ作为塌方分 级的限值 ２．４塌方大小的分级标准 由于隧道断面大小的差异，铁路隧道、公路隧 道、水洞隧道塌方的大小分级标准目前没有统一。 本文考虑到西气东输二线隧道断面的实际尺寸及文 献『５１中提到的塌方分级标准，同时结合现场实 际发生的塌方情况．把隧道的塌方按塌方量的大小 分为“小塌方、中塌方、大塌方”三类，分级标准 修正为： （１）小塌方是指塌方高度ｈ≤３ ｍ或塌方量ｑ ＜３０Ｉ１１３的塌方 （２）中塌方是指塌方高度ｈ为３ ６ ｍ或塌方 量ｐ为３０～６０ ｍ 的塌方。 （３）大塌方是指塌方高度ｈ≥６ Ｉｎ或塌方量Ｑ ≥６０ ｍ。的塌方 ３塌方的处理措施 塌方的处理应建立在对塌方正确认识的基础 上．如果制订的塌方处理方案不当．将会导致更大 的经济损失，甚至造成人员伤亡。塌方处理的原 则：先巩固后方．防止塌方扩大，再以安全的后方 为依托向前进行处理。因此对塌方后的稳定情况能 否做出正确的判断是制订处理方案的关键，否则， 不是冒险就是加大投入。一般情况下塌方发生后 １～２ ｄ就基本稳定．确定塌方稳定后，即可着手 进行处理 ３．１小塌方处理措施 处理前应全面掌握塌方的原因，以制订合理的 对策并及时处理．防止小塌方发展成为中塌方或大 塌方 其具体处理方案见图３，处理步骤如下： （１）首先明确塌方影响范围内的初期支护的受 第３８卷第２期 胡文君等：西气东输二线隧道塌方原因分析及处理措施研究 ７７ 锚杆加固 ■ ， 、＼Ｉ象送混凝 填充 初期支护的段落延伸．掌子面稳定后应及时采用工 字钢、径向小导管注浆、钢筋网喷射混凝土等措施 对塌方影响段进行综合加固 杆加固 塌方影响区加固 开 掘进方向 次衬砌 挖 掌 — 底板 戽桁 掌子面封闭 导丁 王！ｌ 子 面 图３小塌方处理方粟示慝 力状态．如影响范围内的初期支护有变形和开裂情 况．应采取增设径向锚杆和挂网喷射混凝土加固措 施．对变形大的地方应考虑采用小导管注浆或增设 工字钢方案 （２）对开挖掌子面进行封闭加固。为防止塌方 的扩大．待塌方体相对稳定后．立即对塌体掌子面 进行加固，一般掌子面可以采用喷锚防护等措施。 （３）对塌腔面进行封闭加固。塌腔表面采用喷 射混凝土封闭．厚度不宜小于１５ ｃｍ．在条件允许 的情况下可以沿塌腔表面打设锚杆或小导管注浆． 稳定塌腔上部围岩 （４）塌方段施工初期支护钢架，挂钢筋网并喷 射混凝土 （５）向塌腔内采用Ｃ２５泵送混凝土填充 根 据围岩情况采用锚杆对泵送混凝土两侧进行加固 ３．２中塌方处理措施 处理前应全面掌握塌方的原因．以制订合理的 对策并及时处理，防止塌方进一步扩大 其具体处 理方案见图４ ／／／／ 塌腔加固、 －水泷砂浆 ＼ … — 一 混凝土泵管 掘进立 沃衬砌 ———● 塌体加 埘１牟 Ｕ 、 底板 图４中塌方处理方案示意 其处理步骤如下： （１）掌子面加固。待塌方体相对稳定后，一般 可以采用止浆墙、中空锚杆或小导管注浆等措施对 掌子面加固。 （２）对塌方影响段加固。为防止塌方向已做好 ｆ３）塌方段的处理宜采用“护拱法”。首先清 除塌腔表面的危岩．如塌腔表面有水．应在塌腔内 出水口安设排水管．将水引至隧道纵向排水沟：然 后对塌腔表面采用喷射混凝土封闭．厚度不宜小于 １５ ｃｍ．有条件可以沿塌腔表面打设锚杆或小导管 注浆．稳定塌腔上部围岩 ｆ４）塌方段的开挖和支护。逐步短进尺开挖塌 方体并设置工字钢．每次１～２榀．当两侧壁有稳 定岩层时，工字钢底部可采用锚杆锁脚．锚杆进人 稳定岩层不小于１．５ ｍ：当两侧壁没有稳定岩层时 应设置３根３ ｍ长的中空注浆锚杆进行锁脚 然后 设钢支撑．并浇筑不小于０．８ ｍ厚的钢筋混凝土护 拱，预留混凝土泵管和注浆管，并以此推进．待通 过塌方体且护拱达到设计强度的８０％后．采用泵 送混凝土填筑塌腔，厚度为２ｍ左右．最后灌注水 泥砂浆作为缓冲层．压力一般不大于１ ＭＰａ。塌方处 理后逐步往前开挖．塌方段的开挖应坚持“短进尺、 少扰动、弱爆破、快封闭、勤量测”的指导方针。 ３．３大塌方处理措施 根据是否贯通地表．将大塌方分为冒顶型大 塌方和非冒顶型大塌方．冒顶型大塌方一般发生 在洞口段．非冒顶型大塌方一般发生在深埋段。 由于ＣＰＥ—ＳＷ设计段所有隧道进出洞口段．均采 用３Ｏ ｍ的管棚超前预加固支护后再开挖的进洞方 式．自开工以来所有隧道的洞口段均未发生塌方． 因此本文主要讨论非冒顶型大塌方 其具体处理方 案见图５ 锚杆加固 前 、 … 塌方影响区加固 掘 底板塌体加固 图５非冒顶型大塌方处理方案示意 处理步骤如下： （１）掌子面加固。待塌方体相对稳定后，应立 ７８ 石油，ｉｔ｛ｊｃ建迁 ２０１２年４月 即采用止浆墙、中空锚杆或小导管注浆等措施对掌 子面加固。 （５）塌方段的开挖和支护。宜采用人工开挖 每循环进尺０．５～１．０ＩＴＩ．设置工字钢时．工字钢底 部可以采用锚杆锁脚．锚杆进入稳定岩层不小于 １．５ ＩＴＩ：当两侧壁没有稳定岩层时．应设置３根３ Ｉｌｌ 长的中空注浆锚杆进行锁脚 塌方段的开挖应坚持 “短进尺、少扰动、弱爆破、快封闭、勤量测”的 指导方针。 ４西气东输二线塌方处理实例 （２）对塌方影响段加固 为防止塌方向已做好 初期支护的段落延伸．掌子面稳定后应及时采用工 字钢、径向小导管注浆、钢筋网喷射混凝土等措施 对塌方影响段进行综合加固 （３）塌方段的处理。塌方段宜采用Ｄ ８９ ｍｍ 的超前管棚进行处理．当管棚注浆对塌体加固效果 不理想时。可以结合超前小导管进行注浆预加固。 （４）空洞填充。对塌方的空洞灌注水泥砂浆或 者吹砂作为缓冲层．压力一般不大于１ ＭＰａ 西气东输二线工程隧道自２００８年５月开工以 来．截止２０１０年６月底，ＣＰＥ—ＳＷ负责段隧道发 生塌方原因及处理方案见表１ 表１西气东输二线隧道塌方原因及处理方案汇总 髓道名穆 里 晕，ｌ 囊： ｌ 鸡 均 毒壤 ４．５ ， ∞ 黪 塌方 类激 处理方案 非冒顶大塌 该段围岩为全风化砂质泥岩夹砂岩，节理裂隙极为发育，裂隙方 老虎坳 Ｋ０＋５５９～ＫＯ＋５５２ 碎带。施工支护不当引起塌方。 荔竹坝 Ｋ０＋９１９～Ｋ０＋９ｌ５ 江屋 Ｋ０＋２５８～Ｋ０＋２５５ ４．５ ９４ 向近似与隧道平行，岩体破碎，掌子面右方有一道约４ ｍ宽的破 大塌方 方处理方案 该段掌子面的围岩裂隙发育，围岩破碎，渗水量大，围岩遇水迅 中塌方处理 ４８ 速软化中塌方 施工时未引起重视造成垮塌。 方案 。２ ２．５ 该段为强风化绢云母板岩．矿物成分以黏土质为主．节理裂隙发 小塌方处理 ２４ 育小塌方 掌子面有渗水。支护不当产生坍塌。 方案 ，大枧水 ＫＯ＋２１Ｏ—Ｋ０＋２０７ １９ 施工时爆破不当造成塌方。 小塌方处理 小塌方 方案 河口林场 Ｋ０司前１ 司前３ 社背＋０７３～ＫＯ＋０７８ ４ ４６ 动面该段为强风化橄榄岩、近似土质。初支完之后在拱部左侧出现滑 中塌方处理 中塌方 导致围岩出现较大面积塌落。 方案 ，Ｋ０＋４３０～ＫＯ＋４４０ Ｋ０＋３０５～Ｋ０＋２９６ Ｋ０＋３５０一Ｋ０＋３４６ ３．５ ６．５ ５ 该段设计文件为Ⅲ围岩。实际为Ｖ围岩．而且掌子面渗水严熏。 非冒顶大塌 ７０ 支护方式不当造成塌方大塌方 方处理方案 。 该段为强风化花岗岩，成砂土状，节理裂隙极其发育。钢支架没 非冒顶大塌 １８Ｏ 有采用锚杆锁脚大塌方 局部失稳造成塌方。 方处理方案 ，１ 该段围岩裂隙极度发育，岩石被切割成小块状，稳定性差。施工 中塌方处理 ４１ 期间连降暴雨中塌方 围岩内含水量剧增，围岩稳定性下降发生塌方。 方案 ，５结束语 技术［Ｍ］．北京：人民交通出版社，２０１０． 塌方是隧道施工过程中出现的严重灾害．人们 已在铁路和公路隧道的施工实践中总结了很多有效 的处理方法．但石油天然气长输管道工程中的隧道 塌方处理方法介绍较少 本文针对西气东输二线隧 ［２］汪成兵，朱合华．隧道塌方机制及其影响因素离散元模拟ｆＪＪ．岩土 工程学报，２００８，（３）：４５０—４５６． 【３】ＴＢ １０００３—２００５，铁路隧道设计规范【Ｓ】． ［４］喻波，王呼佳．压力拱理论及隧道埋深划分方法研究［Ｍ］．北京：中 国铁道出版社．２００８． 道工程．通过理论分析和工程类比，提出了油气输 送管道隧道塌方的分级标准．对不同的塌方类别提 出了不同的处理方案．实践后均取得良好效果，管 【５］贺少辉，叶锋，项彦勇，等．地下工程（修订本）［Ｍ］．北京：北京交通 大学出版社．２００８． 道安全顺利通过塌方段．实践证明这种塌方处理方 案可供今后其他类似工程参考。 参考文献： ［１］林才奎．杨红军，方建勤，等．复杂地质条件下隧道施工安全保障 作者简介：胡文君（１９８０一），男，湖南怀化人，工程师， ２００７年毕业于中国石油大学（华东），硕士，主要从事结构 设计及研究工作。 收稿日期：２０１１－０１—０８
