新莊黃土隧道塌方冒頂處治方案設計

劉 剛

（山西路橋集團國際交通建設有限公司，山西 太原 030006）

隧道施工過程中特別是黃土隧道施工過程中，由于不同的工程地質、水文地質和施工方法不當，致使隧道開挖過程中出現不同類型的塌方，本文通過對新莊黃土隧道塌方冒頂原因的分析，根據塌方的原因制定了詳細的處治方案，并順利通過了塌方段，保證了隧道施工運營過程中的質量、安全，取得了良好的處治效果。

1 隧道工程概況及塌方段工程地質

1.1 隧道工程概況和技術標準

新莊隧道為雙洞分離式兩車道隧道，左洞全長542 m，起始點為 K84+285—K84+827；右洞全長647 m；起始點為 ZK84+186—ZK84+828，隧道的平縱線形、幾何尺寸、凈空斷面和隧道照明均按80 km/h行車速度設計，凈寬10.25 m，凈高5.0 m。以新奧法原理設計和施工，采用復合式襯砌結構，設計荷載采用公路-I級。

1.2 隧道塌方段工程地質、水文地質情況

新莊隧道該施工段處于V級圍巖淺埋段，根據地質鉆探和地質調查，隧址區出露地層由新到老為第三系上新統靜樂組（N2j）粉質黏土，第四系上更新統馬蘭組黃土（Q3m）。

水文地質類型為松散類孔隙水，圍巖巖性結構松散，開挖過程中易產生變形和塌方。

2 新莊隧道塌方經過介紹

隧道從出口掘進，掘進至掌子面ZK84+386，仰拱ZK84+394，二襯ZK84+395時，仰拱至掌子面區段拱架下沉，已經侵占二襯厚度，同時下沉區段對應地表出現裂縫及錯臺；考慮到地表地形及右洞也將要進入該區段，決定采用綜合處治的方案：洞外采用山體卸載并將卸載土體反壓回填至洞身兩側沖溝，洞內加強支護，采用Ⅰ20b鋼拱架，間距60 cm，同時徑向錨管注漿加雙層超前小導管的方案。2013年4月，新莊隧道左洞發生塌方，該隧道左洞掌子面樁號ZK84+366，仰拱和二襯樁號仍為ZK84+394和ZK84+395，下沉量約3 m，鋼拱架扭曲變形、隧道初期支護變形損壞，同時地表出現寬10 m，長10余米，深1～2 m的陷坑。

3 新莊隧道塌方原因分析

a）地形地質不良,該區段隧道洞身兩側均為沖溝，地形較復雜，塌方區段位于土山邊緣，多為上部塌落土體，土體松散。

b）近期雨雪頻繁，再加上正值春融，地表水下滲，客觀上加速了圍巖軟化失穩。

4 新莊隧道塌方處治方案

本隧道塌方區段（ZK84+366—ZK84+395），埋深、長度和塌方量均較大，且位于山體邊緣，拱頂最大（覆蓋層）為60 m，如果采取明開挖施做明洞的方法，隧道長度將減少約90 m，但洞口仰坡最高達12級，開挖總高度達96 m，挖方量達45萬m3，施工期間隨時有邊坡失穩的可能性，即使完成，以后通車后運營風險較大。因此經研究并參考業主專家組意見，決定對塌方冒頂陷穴段進行地面處理后，仍采用暗挖通過的方案。

5 根據現場的塌方情況制定如下處理方案

a）處理塌方的原則 安全第一，穩打穩扎，逐步推進，確保洞內初期支護不會出現二次塌方，嚴格按施工方案進行塌體處治。

b）根據塌方冒頂處的地表及地形情況在洞頂地表陷坑附近設地表截水溝，截水溝做成50 cm×50 cm的土溝，坍穴上部覆蓋防雨布，阻止地表水及雨水進入，以防止地面覆蓋層軟化造成更大的塌方。

c）施做未變形段(ZK84+395—ZK84+405)段臨時鋼拱架，防止塌方體下沉造成二襯開裂，臨時鋼拱架緊貼二襯內緣，采用Ⅰ20a工字鋼，間距1.5 m。

d）洞內塌方段塌腔(ZK84+366—ZK84+395)采用水泥砂礫粉煤灰進行噴灌回填（回填料配合比：50%砂礫、40%～45%粉煤灰、5%～10%低標號水泥，要求對回填料進行現場試驗，抗壓強度不小于5 MPa，要求必須噴灌密實，灌注前用砂袋碼砌ZK84+395—ZK84+400段，碼砌砂袋的作用，一是有利于塌腔回填密實，二是重新開挖時作為上導坑工作平臺。

e）洞內塌方段回填完成后即可進行地表陷坑治理，首先在陷穴頂部四周外側5 m開挖土質截水溝引排地表水，以防地表水流入陷穴；其次對陷穴進行分層回填并夯實，要求壓實度不小于93%，回填夯實完成后，表層施作0.5 m厚二八灰土隔水，并使回填土體高于原地面約0.5 m，土質截水溝作為永久性排水設施保留。

f）地表處治完成后進行洞內開挖，洞內開挖，采用三臺階七步開挖方，開挖時隨挖隨支，必須預留好核心土，必要時設置臨時仰拱。施工時遵循：預加固、管超前、小斷面、短開挖、強支護、早成環、快封閉、勤量測的原則。超前支護用φ42超前小導管，初期支護用 I 20b工字鋼，@=60 cm，φ42系統錨管，L=500 cm，φ6雙層鋼筋網，@=15×15 cm，C25噴射混凝土28 cm，C25模筑鋼筋混凝土50 cm，具體設計圖如下圖。

（a）ZK84+356—ZK84+395 區段支護結構見圖 1[1]。

圖1 ZK84+356—ZK84+395襯砌設計圖

（b）超前小導管施工一定要注意小導管打設的角度，嚴格控制在10°～15°，超前小導管的搭接長度不得小于1 m，注漿材料為水泥水玻璃漿液，水玻璃含量為5%～10%，控制好注漿壓力，注漿壓力為0.5～1.0 MPa，超前小導管支護設計圖如圖2。

圖2 超前小導管支護設計圖

（c）為了有效防止黃土隧道塌方事故的發生，初期支護施工要做到下列規定：錨桿施工應采用干鉆成孔，并采用早強材料錨固；不得在噴射混凝土前用水沖洗開挖面；施工中注意觀察垂直節理，必要時采取措施。泥土密貼，鋼拱架支護設計圖如圖3。

圖3 鋼拱架支護設計圖

（d）二次襯砌鋼筋安裝過程中，注意鋼筋和縱向排水系統的相互干擾，如有干擾，可適當調整排水管的位置，保證鋼筋保護層的厚度符合要求，要保證鋼筋的搭接長度不小于規范要求，二次襯砌配筋設計圖如圖4。

圖4 二次初砌配筋設計圖

g）按以上方法對待塌方區及擾動段完全處理完成后，方可按原設計支護方案進行開挖。

h）在施工過程中必須加強監控量測，獲取準確數據指導施工，必要時修改支護參數，確保施工安全。

i）施工前項目部要根據方案的要求做好施工組織設計，要求施工人員必須細化施工方案，細化每一道工序，按照施工方案實施，保證施工質量。

j）為了有效防止黃土隧道塌方事故的發生，初期支護施工要做到下列規定：錨桿施工應采用干鉆成孔，并采用早強材料錨固；不得在噴射混凝土前用水沖洗開挖面；施工中注意觀察垂直節理，必要時采取措施。

6 結語

用以上開挖方法和支護參數對黃土隧道塌方冒頂進行加固處治后，順利通過了塌方段落，同時通過加密埋設拱頂下沉和周邊位移收斂的監控量測點，獲得了準確的監控量測數據發現拱頂沉降和水平收斂趨于穩定[2]，說明該處理方法達到了預期的效果，為黃土隧道設計、施工積累了寶貴的經驗。