東掌隧道塌方的成因及處理辦法

萬民晶

(山西省交通建設開發投資集團有限公司，山西 太原 030006)

1 工程概況

山西高平—河南新鄉山西段(高陵)高速公路起于高平市河西鎮常樂村，止于陵川縣古郊鄉營盤村，全長62.945 km，是山西省“三縱十一橫十一環”高速公路規劃網中的第十橫，與河南境內在建的新鄉至高平高速公路連接，設計時速80 km。

高陵高速公路的東掌隧道，是一座上下行分離的四車道高速公路隧道，位于陵川縣潞城鄉東掌村西側，隧道右幅全長421 m，最大埋深為46.4 m。進出口洞門均為削竹式。隧道單洞最大開挖寬度達12.3 m，在洞口淺埋段及Ⅳ級～Ⅴ級軟弱圍巖地段采取的超前支護措施包括超前長管棚注漿、超前小導管注漿及超前錨桿等。洞身襯砌采取復合式襯砌形式。

2 隧道地質條件及圍巖類別判定

東掌隧道右幅K39+035～K39+218段原設計描述洞體埋深15.0 m～42.2 m，圍巖由奧陶系中統上馬家溝組(Q2S)灰巖、泥灰巖組成，弱～微風化，隧道洞身均為灰巖，泥灰巖位于洞體以上10 m～15 m，巖體較完整，節理裂隙較發育，呈中厚層狀，地下水出水狀態為潮濕，灰巖 Rc=50 MPa～60 MPa，Kv=0.6～0.65，BQ=390～433，地下水修正系數 K1=0.1，[BQ]=380～423，綜合評定圍巖級別為Ⅲ級。

通過在隧道開挖掘進前采用美國GSSI公司生產的SIR-3000型地質雷達預測綜合評價K39+049～K39+079段30 m洞室開挖巖土工程地質條件發現，K39+060～K39+079段雷達反射波稍強，預計其范圍內圍巖特征節理裂隙發育，呈塊～塊碎狀結構，局部較破碎，且有弱夾層，整體性稍差，建議本段圍巖級別為Ⅳ級。

3 隧道塌方成因分析

隧道開挖掘進施工采取上下兩層導坑法施工，Ⅳ級圍巖初期支護采取Ⅰ14工字鋼加工的鋼拱架，縱向間距1 m，拱頂環向布設間距為40 cm，長度為5.2 m的φ25砂漿超前錨桿，徑向在拱部1/3采用長度2.5 m的φ25砂漿錨桿，間距100 cm×120 cm梅花形布置，拱部1/3以外部位采用長度2.5 m的φ22早強藥卷錨桿，間距100 cm×120 cm梅花形布置，并沿拱架設置25 cm×25 cm的φ8鋼筋網片后噴射21 cm厚C25混凝土完成初期支護。

當右幅掌子面施工掘進至里程K39+065.2～K39+067.2段時，于2009年8月24日下午17:40發生大規模坍塌，拱頂坍塌最深約4.5 m。

從坍塌后的巖層顯示(見圖1)，上導坑掌子面下部圍巖為中厚層結構，石頭呈塊狀，層厚約1.0 m～1.5 m，石塊間夾泥層，泥層厚度約5 cm，巖體穩定性一般。上導坑掌子面上部圍巖也為層狀結構，層厚約0.6 m，石塊間夾泥層，泥層厚度約10 cm，巖體不穩定。拱頂圍巖仍為層狀、塊狀結構，石塊最大粒徑約1.0 m，石塊最小粒徑約0.4 m，最薄層厚度約0.3 m。拱頂裂隙發育，最大約4 cm，石塊間夾粘性土泥層，泥層厚度最大約10 cm。拱頂坍塌嚴重，最深約4 m，最大面積約20 m2，塌落的石塊最重約200 kg，巖體極不穩定。地下水出水狀態為潮濕，使石塊間的泥層被水浸濕呈糊狀稀泥，并沿縫隙跌落，嚴重破壞石塊與石塊的粘結力，最終使石塊之間無粘結力，導致巖體嚴重坍塌。

圖1 東掌隧道塌方斷面圖

綜合分析，巖體呈大塊破碎狀，圍巖自穩性很差，塌方體荷載遠大于超前錨桿的錨固承載力，導致超前支護時超前錨桿無法承受拱頂巖體的壓力，這是引起此次塌方的主要原因。

4 工程處治方法

4.1 排險與支護

K39+065.2～K39+067.2段坍塌后，通過一段時間的靜置觀測，拱頂再未坍塌，在充分調查分析的基礎上，先進行了出渣，及時清理封閉掌子面，隨后按照變更支護方案進行了支護，并對后續掘進施工方案進行了調整。

4.2 初支方案的確定

按照塌落的最大石塊直徑為1 m，重量為200 kg計算，如果不發生混凝土沖切破壞，通過公式d≥kG/RLu計算得出噴射混凝土厚度必須大于20 cm(其中，G為由危石重量引起的作用力;u為危石底面周長;RL為噴射混凝土計算抗拉強度;k為安全系數，可取3～5，此處取4;d為噴射混凝土厚度)，查原設計厚度為21 cm，能滿足支護強度要求，但針對現場坍塌體以及現場超前錨桿的受力狀況分析(見圖1)，認為φ25砂漿錨桿無法確保圍巖穩定，支護安全系數偏低，另外，通過綜合坍塌段巖體的工程地質狀況分析以及應力計算，認為原設計采取初期支護時Ⅰ14鋼拱架無法承受拱頂圍巖塌落及下沉的巖體自重力。為此，在工程施工中，針對坍塌地段采取埋設注漿導管進行拱頂注漿觀測，待坍塌加固區域拱頂不下沉，收斂趨于穩定，及時進行采取掌子面的初期支護，初期支護類型仍為Ⅳ級襯砌結構，但在支護中采用Ⅰ18鋼拱架、雙排φ42超前注漿小導管加強掌子面，確保了該區域的圍巖及初支結構穩定。

4.3 調整的掘進方案

為避免后續段落出現圍巖失穩坍塌的情況發生，在掘進施工中，如果按照先前的上下兩層導坑法施工，在上導坑開挖施工，尤其在下導坑開挖時，爆破會對山體圍巖進行二次擾動形成拱圈受力，使支護變形、下沉，造成大塌方。因此，在后續施工中，采取了“弱爆破、少擾動、早支護、勤量測、緊封閉”的措施(見圖2)，一方面把上導坑開挖法變更為三層臺階法施工，另一方面為達到減振效果，本隧道后續段落Ⅳ級圍巖在雷管段數足夠的情況下采用了中心軸不對稱起爆法，相當于將爆破網絡中的用藥量較大的一圈掘進眼分成了兩次起爆，減少了每段的用藥量。在后續施工中做到了掌子面少擾動，進一步控制了圍巖的變形和松弛，使圍巖成為支護體系的組成部分，確保了較破碎、整體性稍差地段的安全掘進施工，為施工不留任何安全隱患奠定了基礎，至此后未出現任何安全事故。

施工順序：測量→超前錨桿→上部打掘進眼→裝藥→起爆，通風→清幫、找頂→初噴混凝土→出渣→設置錨桿→復噴混凝土→下一循環測量→下部打掘進眼→裝藥→起爆，通風→出渣→初噴混凝土→設置錨桿→復噴混凝土→下一循環測量→仰拱開挖，出渣→澆筑仰拱混凝土→鋪設防排水系統及二襯混凝土→下一循環

5 結語

近年來，我國高速公路發展迅速，特別是山區高速公路越來越多，每年開工和在建的隧道也隨之大增。隧道工程因屬隱蔽工程，地質變化情況難以準確探測，施工中塌方事故屢見不鮮。希望本文能對以后的隧道塌方處理提供些許經驗或者提示。

[1] JTG D70-2004，公路隧道設計規范[S].

[2] JTG F60-2009，公路隧道施工技術規范[S].

[3] 高平至新鄉高速公路高平至陵川段路基第七合同段兩階段施工圖設計(隧道)[Z].山西省交通規劃勘測設計院，2009.

[4] 葉少敏.哈大客運專線淺埋超大斷面隧道塌方處理工法[J].山西建筑，2010，36(9):337-338.