釣魚臺隧道洞口崩塌成因分析與處治措施研究

張超 吳華 姜同虎

（1.安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽合肥 230088；2.公路交通節能環保技術交通運輸行業研發中心，安徽合肥 230088）

0 引言

作為隧道施工中常見的病害之一，塌方發生的原因和機理較為復雜，一旦發生往往對工程建設造成重大損失。因此，準確分析研究隧道塌方成因，采取有效的預防和處理措施至關重要。

鄭玉欣[1]分析了塌方的主要原因及機理，將塌方歸納成5 種形態，并提出隧道塌方處治方法。王立忠等[2]通過對桑州嶺隧道錨桿加固的理論分析和開挖過程中山體穩定的監測分析，成功預報了掌子面塌方?；粲袢A[3]、馬濤[4]根據工程塌方處治實例，研究得出了管棚注漿法對處治淺埋隧道塌方效果顯著。陳秋南等[5-6]通過對關口埡隧道塌方原因的分析，對比分析了小導管和長大管棚處理方案、小導管預注漿處理后塌方區的監測結果與數值模擬結果，得出了超前小導管預注漿方法處理塌方區效果良好的結論。汪成兵等[7]統計分析了隧道塌方的主要影響因素和幾種常用隧道松動荷載計算方法的適用性，并運用PFC 程序模擬了隧道塌方的過程。李志厚等[8]通過對大風埡口隧道特大塌方事故采取地表與洞內處治相結合并加以洞內排水的綜合處治措施，結合監測和評判結果，綜合分析了該種方法的處治效果。盧義玉等[9]通過對錨噴支護和小導管注漿的機理、參數設計進行研究，得出了錨噴支護和小導管注漿方案能改善圍巖的受力狀態，起到加固圍巖的作用。王華牢等[10]通過對臥龍崗隧道塌方風險等級的評估，制定了完善的風險控制措施。王迎超等[11]通過有限元模擬分析得出雙側壁導坑施工方案優于上弧形導坑施工方案。左清軍等[12]通過對富水軟巖隧道跨越斷層段塌方機制的分析提出了相應的處治措施。高登[13]在上坪格隧道塌方機理的基礎上提出了處治措施，并采用荷載-結構法對處治后塌方段的初期支護和二次襯砌強度進行了驗算。侯艷娟等[14]通過對隧道塌方類型、特點及發生機理的統計分析，得出了隧道塌方是“隧道-圍巖-環境”相互作用的結論。

本文以池祁高速釣魚臺隧道洞口崩塌為例，在分析崩塌成因的基礎上提出了相應處治措施，通過現場監測數據分析驗證了崩塌處治效果。研究成果可為類似隧道塌方的預防和處治提供參考。

1 工程概況

1.1 工程規模

釣魚臺隧道為池祁高速公路雙向四車道隧道，起止樁號：左線ZK48+908-ZK49+330，長422 m，最大埋深約125.6 m；右線YK48+898-YK49+324，長426 m，最大埋深約116.8 m；左、右線凈距13.6～15.7 m，為小凈距隧道。左、右線縱坡均為-0.5%，左右線進、出洞門均采用端墻式。

1.2 工程地質條件

隧址區地形地貌為皖南中低山區，下伏碳酸鹽巖主要為奧陶系、寒武系灰巖，覆蓋層主要為碎石土，碎石土層厚2.2～2.5 m，中等風化角礫狀灰巖呈隱晶質結構，層狀構造，巖性較硬，節理裂隙發育-較發育，巖體較破碎，進出洞口圍巖級別均為Ⅴ級，洞身圍巖級別為Ⅳ級，地質縱斷面如圖1 所示。

圖1 釣魚臺隧道地質縱斷面圖

項目區表層為第四系殘坡積碎石土，下伏基巖寒武系上統西陽山組（?3x）角礫狀灰巖，進口仰坡坡面產狀308°∠25°，巖層產狀25°∠52°；出口仰坡坡面產狀120°∠45°，巖層產狀135°∠48°。

隧道進口位于穿越山咀的西北坡，自然坡度約30°～35°。出口位于穿越山咀的東南坡，出口山坡自然坡度約35°～45°，隧道進、出洞口埋深淺，偏壓，穩定性差。

隧址區地下水水量受大氣降水、地表水的影響，呈季節性變化，多年平均降雨量為1500～1700 mm，年內降雨集中在汛期5-9 月。隧址區地下水類型為碳酸鹽巖裂隙巖溶水，受大氣降水、地表水的影響，呈季節性變化。根據詳勘資料，估算隧道單洞正常涌水量306.44 m3/d，最大涌水量451.83 m3/d。

1.3 隧道支護結構與施工工法

隧道設計時速80 km/h，單洞建筑限界凈寬10.75 m，凈高5 m。

釣魚臺隧道按新奧法原理設計，采用初期支護+二次襯砌聯合支護形式，即由噴射混凝土、工字鋼、錨桿、鋼筋網組成的初期支護和模筑鋼筋混凝土組成，釣魚臺隧道襯砌支護參數見表1。

表1 隧道支護參數表

為確保隧道洞口段施工安全，進、出洞口段設計均采用?108×6 mm 超前大管棚支護，節理發育、巖體破碎地段采用?42×4 mm 超前小導管支護。

隧道洞口段及Ⅴ級圍巖段設計采用環形開挖預留核心土法施工，施工工序如圖2 所示，具體工序為：1.超前支護；2.環形開挖上斷面；3.施作上斷面初期支護；4.開挖上斷面核心土；5.開挖下斷面；6.施作下斷面初期支護；7.仰拱初期支護封閉；8.施作仰拱二次襯砌；9.仰拱回填；10.鋪設環向排水管和防水板；11.整體模筑二次襯砌。

圖2 隧道施工工序示意圖

2 崩塌概況及原因分析

2.1 崩塌概況

釣魚臺隧道出口崩塌發生前，左、右線隧道均已貫通，左線初期支護已完成，右洞上臺階開挖及初期支護已經完成，正進行下臺階開挖及支護，出口右線套拱及管棚均已施作完成。根據監測資料顯示，2020 年5 月17 日至20 日，隧道右線出口段洞內初期支護拱頂沉降變形和收斂位移較大，地表下沉速率增大，已處于緩慢變形階段，施工單位暫停了下臺階掌子面開挖，對已開挖段及時進行了初期支護施工。5 月21 日中午11 時50 分左右，釣魚臺隧道右線出口上方山體突然發生楔形體崩塌（見圖3、圖4），崩塌體將右線YK49+317-YK49+324 段初期支護損壞（見圖5），崩落楔形體及附生樹木順坡面滾落至國道G530 路面，致使交通中斷，未造成人員傷亡。

圖3 楔形體崩塌后洞口上方仰坡照片

圖4 右洞出口楔形體崩塌照片

圖5 右洞洞內初支變形照片

此次山體崩塌范圍位于釣魚臺隧道右線出口套拱處起向上約46 m 處，根據現場調查和測量資料，楔形體崩塌面積約為1152 m2，現場清理出的土石方數量約4533 m3。崩塌造成釣魚臺隧道右線洞口套拱完全損壞，緊鄰套拱4 榀主洞初支鋼拱架發生嚴重變形，洞口下方的混凝土擋墻局部破損。

2.2 崩塌成因分析

根據崩塌現場情況和資料分析，崩塌的成因主要有以下幾個方面：

（1）地質及地形因素

根據出洞口仰坡赤平投影分析（見圖6），J1、J2與坡面呈大角度相交，對邊坡穩定性影響不大；巖層產狀、J3與坡面順傾，但節理傾角大于坡角，對邊坡穩定性影響不大；J1與J2、J3的交線、J2與J3的交線、巖層產狀與J2、J3的交線均位于邊坡內側，對邊坡穩定性影響不大；巖層產狀與J1的交線位于邊坡的外側，易產生楔形體滑塌。出洞口左、右側邊坡及仰坡坡體總體穩定，但風化層厚度較大，穩定性較差，巖層風化界面為其最不利結構面。

圖6 出洞口仰坡處赤平投影圖

隧道出洞口處實際地形整體較陡，節理裂隙發育，洞口施工過程中，結構面切割的巖體在不利結構面組合、重力、水、施工擾動等因素影響下，導致局部形成楔形體崩塌。

（2）水文因素

水是誘發崩塌、滑塌等的外在主要因素。釣魚臺隧道出口施工期間正值江淮梅雨季節，降雨強度較大，根據氣象資料顯示，崩塌發生前曾有過兩次較長時間降雨，累計降雨量180～300 mm，局部超過350 mm，最大小時雨強30～60 mm/h。崩塌體處覆蓋層為碎石土，透水性強，降水下滲后順風化裂隙、構造裂隙等匯集、運動，導致結構面抗剪強度下降，易于產生崩塌。

（3）施工因素

隧道出口原設計設置了洞頂截水溝（M10 漿砌片石），洞口施工前未及時施作洞頂截水溝，導致未被截流的大量降雨沖刷軟弱結構面造成結構面抗剪強度下降。

隧道出口施工過程中未嚴格按照設計及規范要求控制開挖步距，下臺階開挖支護與上臺階開挖支護間隔時間較長，初支未及時封閉成環，未嚴格控制開挖進尺等因素都可能造成隧道洞口變形較大。

隧道出口橋隧相接，橋臺距隧道洞口僅3.5 m，由于橋隧施工工序銜接不合理，受洞內爆破震動和橋臺施工的影響，加劇了洞口段軟弱結構面的松動。

監控量測數據未及時反饋，造成在變形初始階段未能及時根據反饋信息采取有效措施控制洞口變形的發展。

放大天柱山世界地質公園的品牌效應，大力發展天柱山攀巖、漂流、騎行、徒步等野外體育游體驗，同時推進東關游線整改和后山、龍潭河、虎頭崖等景點景區的開發，對景區范圍及核心容量進行擴充，深入開發特色鄉村文化、鄉風民俗等特色旅游資源，加快推進歷史名人、古村落、彈腔、三祖禪宗文化等古皖文化和地域民俗文化資源的挖掘整理和創意開發，并建設薛家崗文化遺址公園、二喬公園、名人故居等文化旅游的特色景點。

3 工程處治措施

3.1 洞內背拱加固

為防止崩塌范圍進一步擴大并確保崩塌處理施工安全，先對釣魚臺隧道出口右線洞內初期支護未變形段YK49+317-YK49+307 范圍內采用I18 工字鋼進行臨時背拱加固，背拱工字鋼與已完工初支混凝土面預留5 cm 的間隙，背拱工字鋼間距60 cm，工字鋼之間用?22 縱向連接鋼筋形成整體，以提高其整體穩定性，背拱與已完工初支混凝土之間鋪設一層彩條布作為隔離層方便后期背拱拆除，背拱與初支混凝土之間可用木楔頂緊密貼，木楔環向間距1.0 m，背拱段設置臨時仰拱及時封閉成環，洞內背拱加固現場施工照片見圖7。

圖7 洞內背拱加固照片

3.2 封閉、加固崩塌體

對右線YK49+317 處采用洞渣進行反壓回填處理，回填體表面噴一層10 cm 厚的C25 早強混凝土封閉處理，并設置2 排泄水孔用于引排地下水，確保洞內初支的穩定。

3.3 崩塌體卸載

待洞內加固處理完成后，按照自上而下的順序逐層清除洞口崩塌體，清理完成后的洞口仰坡坡面采用錨網噴進行防護，且每清理一層崩塌體施作一層錨網噴，其中噴射混凝土厚10 cm，?22 早強砂漿錨桿長4.0 m，間距150 cm×150 cm，?8 mm 鋼筋網間距20 cm×20 cm，確保洞口穩定，提高楔形體崩塌面山體整體穩定性。

3.4 疏排地表水

在崩塌體以外穩定地段及時施作洞頂截水溝，攔截地表水，避免地表水流入崩塌體范圍，防止二次崩塌的發生。

3.5 雙層小導管支護

待洞口崩塌體清理完畢，洞口采用雙層?42×4 mm小導管進行加固處理，小導管長4.0 m，環距40 cm，注漿漿液采用水泥漿。小導管采用?22 環向鋼筋連接，兩層小導管采用?16 網筋連接，C20 噴射混凝土厚5 cm，作為止漿墻（見圖8）。

圖8 雙層小導管支護設計圖

3.6 崩塌段暗洞改成明洞

將右線洞口已崩塌受損段YK49+317-YK49+324 隧道暗洞改為明洞，明洞結構加厚至80 cm，明洞上方采用2.5 m 厚C15 混凝土進行回填加固，洞門型式維持端墻式不變，洞門擋墻采用現澆C20 鋼筋混凝土，起到預防楔形體崩塌和緩沖作用，確保運營期間行車及人員安全。

3.7 洞內開挖及支護

3.8 洞口仰坡永久性防護

待出口明洞及洞門端墻施工完成后，對仰坡采用錨桿框架進行加固，作為洞口仰坡的永久性防護，框架肋間距2 m×2 m，節點錨桿直徑?28 mm、長度8 m。錨桿框架內采用植生袋或植草綠化，提升洞口整體美觀效果。

4 崩塌處治效果分析

通過對崩塌處治前后的支護結構現場監測，收集變形和受力數據，并對監測結果進行分析，以檢驗處治措施的實際效果。主要監測項目有：地表沉降、拱頂下沉、周邊收斂等。隧道出口地表沉降觀測點布置見圖9，隧道洞內拱頂下沉與周邊收斂監測點布置見圖10。

圖9 釣魚臺隧道出口地表沉降觀測點布置示意圖

圖10 拱頂下沉與周邊位移監測點布置圖

4.1 隧道出口地表沉降觀測成果分析

釣魚臺隧道出口端洞口施工過程中，在YK49+316/ZK49+316 位置埋設了地表沉降觀測斷面，覆蓋層厚度為4～11 m。2020 年4 月-5 月正值江淮梅雨季節，此時左洞作為先行洞已經貫通，右線出口施工期間遭遇連續降雨天氣，同時右洞的地質條件較左洞差，因此，右洞上方各測點的沉降量相對較大，根據地表沉降曲線（見圖11），地表沉降最大的范圍位于右洞洞口上方，最大沉降量為17.6 mm，出口端右線洞口的地表沉降呈典型的漏斗狀，地表沉降的形式與圖3、圖4 山體發生的楔形體崩塌較為吻合。

圖11 地表沉降曲線

4.2 拱頂下沉量測成果分析

隧道右洞出口段施工過程中，在YK49+314、YK49+309、YK49+304、YK49+299、YK49+294、YK49+289 斷面處設置了拱頂下沉觀測點。2020 年4 月20 日至6 月7 日，各斷面拱頂下沉量均持續增長，其中5 月10 日至6 月7 日期間拱頂下沉速率最大，6 月7 日至6 月20 日，各斷面拱頂下沉量均有不同程度的減小，6 月21 日以后，拱頂下沉速率明顯降低，拱頂下沉最大值出現在YK49+314 斷面處，最大值為25.6 mm（見圖12）。表明洞口山體崩塌與圍巖變形有較大的相關性。施工過程中，隨著圍巖變形的增大，拱頂下沉量也逐步增大，5 月20 日崩塌發生后，拱頂下沉量達到最大，施工單位按照處治措施對洞口處治過程中，各斷面拱頂下沉量均有不同程度的減小，崩塌處治結束后，圍巖變形處于基本穩定狀態，拱頂下沉速率也明顯降低，拱頂下沉的趨勢與洞口崩塌發生及處治的過程相吻合，說明崩塌處治效果顯著。

圖12 右洞拱頂下沉時程曲線

4.3 周邊位移量測成果分析

圖13、圖14 為釣魚臺隧道右洞YK49+314、YK49+309、YK49+304、YK49+299、YK49+294、YK49+289 斷面處周邊位移時程曲線。由圖可知，隧道右洞收斂位移值最大為16.6 mm，最大值出現在YK49+314 斷面處，各斷面收斂變形在4 月20 日至6 月7 日期間呈上揚趨勢，6 月7 日至21 日各斷面收斂變形均有不同程度的減小，然后收斂變形逐漸趨于穩定，說明隨著崩塌體的卸載和洞內外加固處理，圍巖體內應力發生重新分布，部分彈性變形逐漸消失，直至圍巖收斂變形達到基本穩定狀態，表明處治措施對于維持圍巖的穩定起到了重要作用。

圖13 上臺階收斂位移時程曲線

圖14 下臺階收斂位移時程曲線

5 結論

（1）釣魚臺隧道洞口崩塌是地形、地質、降雨、施工措施不當等多種因素共同作用的結果，其中地形和地質條件是造成洞口崩塌的內因；降雨和施工措施不當等因素是誘發洞口崩塌的外因。

（2）基于崩塌成因分析和隧道洞口實際情況，提出了采用“臨時支護+永久性防護”的綜合處治方案，即采用洞內背拱加固、掌子面反壓回填、崩塌體卸載、洞口雙層小導管支護、接長明洞以及洞頂仰坡錨桿框架防護的方案?，F場巡視及監測數據表明，崩塌處治措施實施后，隧道洞口圍巖結構逐漸趨于穩定，隧道結構變形滿足設計及規范要求。

（3）隧道洞口應盡量避免在雨季進行施工，無法避免時，應先施作洞頂截水溝疏排地表水，做好地表水及地下水的處治工作。洞口施工過程中應加強超前地質預報和監控量測工作，發生圍巖較大變形應及時加強支護并做好預警工作，預防崩塌的發生。