佛嶺隧道塌方處治技術

梁文輝，何 飛

（1.山西省交通規劃勘察設計院，山西 太原 030012；2.中國人民解放軍后勤工程學院，重慶 400041）

1 工程背景

1.1 隧道基本情況

佛嶺隧道位于五臺縣陳家莊鄉至盂縣梁家寨間牛道嶺處，設計為左右線分離式。起訖樁號為ZK12+570—ZK21+373（K12+555—K21+360），左右洞全長8803（8805）m，左右洞體最大埋深758.203（761.616）m。

1.2 塌方基本情況

2014年3月15日施工至ZK18+228處掌子面發生大面積塌方，圍巖極為松散破碎，塌方堆積體夾雜大量石屑石粉，同時大量裂隙水從塌方體內流出。經多次噴射混凝土均無法封閉穩定拱頂及掌子面，掌子面后方拱架持續變形，超前支護壓彎破壞。直至2014年3月17日，塌方基本穩定，塌方產生的塌體堆積在掌子面前方10 m范圍內。已施工段拱架變形，拱頂沉降，初支混凝土多處開裂，相鄰隧道無法正常施工，經量測拱架局部變形量達到3～5 cm，并有變形量持續發展的情況。

1.3 地層地質情況描述及塌方原因分析

隧道塌方段圍巖為太古界龍華河群輝理組黑云斜長片麻巖組成，局部夾混合花崗片麻巖，埋深734.884 m。經多方調查，專家分析，造成初支變形和圍巖坍塌的主要原因為地質構造形成的擠壓破碎帶，致使圍巖節理發育，巖層破碎，且在地下水侵蝕作用下圍巖軟化，自穩能力降低。通過超前地質預報，顯示前方28 m范圍內巖層情況與塌方段一致。

圖1 塌方情況

2 塌方處治理論與方案

2.1 塌方處治理論

根據塌方段現場情況，掌子面圍巖無法形成自然拱，在施工擾動及地下水作用下無法穩定[1]。塌方段處治措施主要是防止塌方的繼續擴大，加強區段支護，回填塌腔，提高松散體的整體強度，采用“穩住塌方區、固結塌體、超前加固”分階段處理坍塌區[2]。

圍巖非塌方段適用于新奧法，采用彈塑性理論；塌方段適用于礦山法，采用松散體理論，松弛荷載。塌方段松散破碎，拱頂所受荷載為松弛荷載，施工應采用礦山法進行施工，同時所采用的礦山法是以新奧法原理為基礎的，處治塌方段的要點是“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤量測、速反饋”[3]。注漿形式主要是劈裂注漿，劈裂注漿是利用灌注漿體的壓力，有控制地將地層劈開，注入漿材，并使之互相連接形成連續的漿體帷幕，通過注漿壓力的劈裂擠壓作用，達到加固的目的[4]。

隧道施工中最為廣泛采用的超前支護方法主要有超前注漿大管棚和超前注漿小導管。長管棚的支護效應主要是發揮大管棚鋼管的剛度，而超前注漿小導管的支護效應主要是發揮注漿漿液對圍巖性能的改良，同時，小導管與加固圈形成保護環，在該保護環的支撐下，可有效防止破碎圍巖坍落，保證掘進和支護的安全[5]。

2.2 塌方段處治方案

根據現有的施工方法和經驗，結合現場實際情況，制定以下施工方案：

a）對ZK18+228后方初支開裂變形段采用3.5 m φ42小導管徑向注水泥漿加固，并根據變形發展情況設置附拱。

b）在下島渣體內梅花型布設鋼導管，通過下島排水，降低上島水壓力，前方可見空腔內插入鋼管泵送C25細粒式混凝土固結松散巖石。預埋混凝土輸送鋼管及排水管，靠近掌子面拱架拱腳每側采用4根φ42小導管鎖腳。

c）采用18～20 m長φ89管棚鉆桿，斜向上20°及5°施作雙層管棚，管棚內注水泥漿密實，環向間距40 cm，沿拱頂120°范圍布設。

d）采用3.5 mφ42小導管環向布置，間距35 cm，斜向上30°，對前上方松散巖體注雙液漿固結。

e）為確保施工安全，待注漿固結后施作小范圍探孔，視松渣固結程度采用臺階法向前支設鋼拱架，采用I20工字鋼，每榀間距不超過50 cm，并加大拱架預留變形量，對塌方堆積體不宜大范圍清理，始終保證掌子面前方有塌方渣體進行反壓保護。

f）待塌方段施工完成后，采用激光斷面儀測量拱架侵限情況，對侵限段落局部切割更換。對已施工復工段落，應盡量減少或避免拆除附拱，減小二次塌方風險。

圖2 塌方段超前支護設計圖

3 注漿實施方案

鑒于注漿是治理塌方的關鍵，現將注漿具體實施方案進行表述。

3.1 注漿方案機理

本次超前支護，大管棚所注漿液為水泥砂漿，主要增加長管棚鋼管的剛度。超前小導管注漿主要采用水泥水玻璃漿液，同時根據現場注漿效果適時加入磷化液作為緩凝劑，增加水泥水玻璃漿液的可注性。在采用磷化液作為緩凝劑時，應注意加料順序、攪拌和放置時間。加料順序為：水、緩凝劑、水泥，攪拌時間應不小于5 min，放置時間不宜超過30 min。

通過實驗可得水泥水玻璃性能：

a）當水泥漿濃度較大時，隨著水玻璃濃度的增大，抗壓強度增高；當水泥漿液濃度較小時，隨著水玻璃濃度的增加，抗壓強度降低。

b）濃水泥漿液需要濃水玻璃；稀水泥漿液需要稀水玻璃。

3.2 注漿施工方案

小導管超前注漿采用自進式注漿管，一次成孔輪注法。注漿形式為孔口純壓式注漿，通過注漿機在劈裂壓力作用下，將漿液從孔口壓出，從前往后滲透反壓，最終將漿液滲透至管體四周，達到加固塌方體的作用。為避免注漿時其他導管串漿，對端頭注漿孔用塑料薄膜或透明膠帶纏繞保護。

注漿主要參數：

a）注漿有效范圍為開挖輪廓線外1.5 m（注漿有效范圍）；

b）注漿段長度2 m（循環長度）；

c）注漿方式，全孔一次壓注（劈裂注漿）；d）注漿壓力2 MPa（劈裂壓力）；

e）漿液流量 12 L/min；

f）止漿巖盤30 cm（噴射混凝土封閉30 cm）；

g）所配制漿液配比為：水泥200 kg；水玻璃（硅酸鈉）225 kg；GHP（磷化液）2.6 kg；GOX（磷酸）2.6 kg；XPM（速溶劑）2.4 kg；水 750 kg；

h）布孔沿開挖輪廓線單排輻射布孔，孔底呈雙層重疊；

i）正常情況下，注漿壓力控制于2～2.5 MPa，當注漿量小于1 L/min時停止注漿，換至下一孔。

圖3 注漿工藝流程圖

4 塌方處治效果及結語

a）采用上述方法注漿加固后，掌子面后方變形未塌方段變形得到有效控制，對侵限段落進行局部換拱，及時施作二襯。

b）塌方段注漿處治后，經鉆孔檢驗，拱頂一定范圍內，圍巖穩定性良好，爆破開挖揭露巖面完整，初支完成后變形量小，滿足施工安全要求。

c）采用以新奧法原理為基礎的礦山法進行施工，應與現場實際情況充分結合，找到最合理的施工方法。任何科學技術一經發現或創造出來，就有它的邊界和時限[6]。任何工法技術不是萬能的，應充分考慮空間和時效性。

d）大管棚鋼管的剛度與小導管注漿對圍巖性能的改良相結合，有效地防止破碎圍巖的坍落，保證掘進和支護的安全。

e）注漿過程中，應根據注漿效果調整漿液配比，適時加入速凝劑與緩凝劑，達到最好的注漿效果，減少漿液浪費。