東皇廟隧道冒頂坍塌事故分析及處理方案探討

王常金

(杭州市交通設施建設處　杭州　310024)

東皇廟隧道冒頂坍塌事故分析及處理方案探討

王常金

(杭州市交通設施建設處杭州310024)

摘要針對東皇廟隧道左洞進洞段掌子面處發生冒頂坍塌事故，分析引起冒頂坍塌的原因，提出冒頂坍塌后的處理方案、坍塌段和影響段的施工方法以及在日常施工中防止冒頂坍塌的技術措施。

關鍵詞隧道冒頂坍塌分析處理

東皇廟隧道是杭新景高速公路浙江省建德壽昌至開化白沙關段工程眾多隧道中的一個，位于建德市航頭鎮，方向北東40°延伸。隧道采用雙洞單向行車雙車道型式，右洞起迄樁號YK135+045～YK136+090，長度1 045m；左洞起迄樁號ZK135+020～ZK136+089，長度1 069m。兩平行隧洞中線相距27.68m。隧道凈高5m,凈寬10.75m，內輪廓半徑5.79m，斷面凈空面積68.37m2。

1地質水文狀況

東皇廟隧道地處山丘地貌，山坡植被發育，以灌木林為主。地貌溝谷發育伴隨沖洪積相地形且陡峭。地質為上覆崩坡積體、圍巖破碎影響帶，成因類型為崩塌-洪積。崩坡積體成分主要為含碎石粉質粘土、含粘性土碎石和塊石。下伏基巖為泥質粉砂巖，物探顯示基巖面起伏：全風化泥質粉砂巖；強風化泥質粉砂巖，紫紅色，節理裂隙發育，可見鐵質浸染，斷面不新鮮，巖心破碎，呈碎塊狀、塊狀。

地下水主要為崩坡積體空隙水和基巖風化裂隙水，儲水量較多；基巖裂隙水主要儲存在全-強風化和中風化基巖的裂隙中，水量較貧；地下水主要補給來源為大氣降水，氣侯影響特征明顯。

2坍塌狀況

東皇廟隧道正在施工之中，右洞已經貫通，左洞進洞段正在采用三臺階法開挖。2014年7月11日晚上10點左右，左洞進洞段ZK136+007處(掌子面處)發生右側拱頂冒頂坍塌事故，塌落體約120m3，塌坑高12 m(隧道頂部至山體表面的垂直高度)。坍塌造成施工臺車及靠近掌子面的兩榀初支工字鋼損壞。因作業人員已下班休息，故無人員傷亡。隧道塌坑橫斷面和縱剖面分別見圖1和圖2。

圖1　隧道塌坑橫斷面圖(單位：m)

圖2　隧道塌坑縱剖面圖

3坍塌原因分析

坍塌前，根據地質情況，該段已定為Ⅴ級圍巖加強段。初期支護為18工字鋼，間距35cm；超前小導管每3m一環。

由于該段開挖掌子面處于崩坡積體內，地層屬多樣性、地層構成主要為崩坍塊體、泥、砂及根植、腐植質，呈多次洪積而成，自然崩坍成因、欠壓密狀，松散孔隙率大，局部巖層理或裂隙有滲水現象，局部裂隙發育處有淋水現象。再加上施工至該段時候，時值多雨天、且雨量較大，施工圍巖呈松散結構喪失自身成拱能力，且正處在山體匯水排洪溝邊，受雨水長時間滲透浸泡，降低了圍巖四周地層強度，破壞了暫時平衡地層。同時在該處前期地質勘探時，有一處取心孔未進行及時封閉，造成雨水下滲，長期保有雨水，降低了圍巖四周地層強度。施工開挖掌子面時，圍巖拱頂出現直徑約2m大孤石，泥砂夾大塊石且遇突發暴雨,洞內滲水嚴重，使洞內上臺階掌子面失穩(ZK136+007)引發小股泥石流，造成隧道右側拱頂冒頂坍塌。

4坍塌段處理

冒頂坍塌事故發生后，除按規定程序進行報告外，必須加強現場警戒和觀察，同時制定處理方案。坍塌段應急處理方法如下:

4.1掌子面加固

待坍塌體相對穩定后，利用洞渣回填反壓，采用15cm厚C20網噴混凝土+42mm×4mm小導管(長6m，間距1.2×1.2m)注漿加固，進行坡面防護；回填反壓土體水平頂面與初期支護頂部間的空隙采用M10水泥砂漿填充不留空隙，以確保對該影響段形成有效支撐；在靠近掌子面13m影響段內，每1m用18號工字鋼架進行臨時加固并加強縱向連接[1](在現狀初期支護表面進行，二襯澆筑前再拆除)；坍塌體防護后的坡面設置仰斜式排水孔，以排除坍塌體內的積水。此項措施的主要目的是穩定掌子面，使掌子面不再失穩。

4.2監控量測

由于坍塌前該段已加強了初期支護，塌方后影響段初支未見裂縫，僅掌子面附近1-2榀鋼拱架出現較大的扭曲變形，故不對該段進行加強處理，但應加強該淺埋段洞內拱頂下沉、周邊收斂等監控量測工作及初期支護開裂、掌子面等的觀察，并經常用激光斷面儀檢查超欠挖情況，以防侵限。一旦出現問題，要及時采取措施。

4.3打設鋼花管

洞內采用無工作室跟管鉆進法打設1環直徑108mm×6mm鋼花管進行注漿[2]。鋼花管環向間距1.2m，單根鋼花管總長16m，布置在拱部120°范圍內，共13根。100cm長直徑mm127×4.5mm孔口管尾端分別焊接在ZK136+004相鄰2榀工字鋼拱架的上下翼緣上作為導向管，鋼花管外插角控制在8°左右。鋼花管孔口段2m范圍內管壁不開孔，作為止漿墻。采用1∶1純水泥漿液，漿液擴散半徑按0.8m考慮，注漿壓力1～2MPa。打設鋼花管的目的，一方面注漿可以使軟弱土體、松散土體及破碎巖體穩定、加固，以提高強度；另一方面鋼花管本身留在土體內部也可以起到加筋的作用。打設鋼花管是隧道施工中解決冒頂的最有效最合理的施工方法。

4.4打設小導管

待鋼花管注漿加固完成達到設計強度后，打設直徑42mm×4mm系統注漿小導管,長度為4m，小導管縱橫間距0.5m×1.0m，梅花型布設。小導管注漿施工工藝簡單，易于操作，施工安全，土層加固見效快，漿液損失少，成本低，是隧道施工中最常用的加固土層的方法之一。

4.5塌坑處理

由于塌方坡率較大，為防止塌方繼續發展，增強塌體的自穩能力，增強施工的安全性，對塌坑周邊5m進行放坡，同時，采用15cm厚C25噴混凝土+雙層A6鋼筋網+砂漿錨桿(長3.5m,間距@1.2×1.2m)加強邊坡防護。

將塌坑內的淤泥全部清除，回填塌坑至離山坡表面約7m并夯實。在塌坑底部，周邊打設一圈直徑42mm×4mm長5m小導管，架設主筋Φ22@200mm鋼筋與周邊直徑42mm×4mm注漿小導管連接，鋼筋綁扎好后澆筑C20混凝土。混凝土應澆至比邊上沖溝高20cm，以防止在坑內積水。表面進行適當回填并復綠。澆筑C20混凝土的主要目的是減少滲水，穩固山體。

5坍塌及影響段施工

待坍塌及影響段地質穩定后，不適宜再在隧道進洞段開挖，應改為隧道出洞段開挖(與原開挖方向相反)。當出洞段開挖至ZK136+027時，由于掌子面距離ZK136+007冒頂較近，進入坍塌及影響段，故不能按常規開挖，而應增加無工作室30m長、直徑108mm×6mm注漿鋼花管超前預支護，與前述進洞段坍塌處理時打入的鋼花管一起共同加固巖土，增加巖土強度。同樣打設系統注漿小導管，錨桿為直徑42mm×4mm，水泥漿液配比同前述。為增強安全系數，原來的三層階開挖法改為雙側壁導坑開挖法，每循環進尺不大于0.5m。

坍塌及影響段拱頂位移及周邊收斂監控量測測點布置間距為5m，每天量測2次。二襯主筋由原來的Φ22@250mm加強為Φ25@200mm。

特別要注意的是在隧道貫通時，采用3榀鋼拱架做臨時護拱，施做30m鋼花管一次性穿過塌方段，鋼花管外插角控制在10°左右，采用先成孔再穿管的施工方法，確保在貫通過程中的施工安全。待鋼花管施工完成后，再開始掌子面的施工。超前支護在ZK136+027至ZK136+017增設10m單層注漿直徑42mm×4mm小導管；在ZK136+017～ZK136+004增設13m雙層注漿直徑42mm×4mm小導管。小導管施工側面圖見圖3。

圖3　小導管施工側面圖

6防止隧道坍塌的技術措施

在隧道日常施工中，應做到以護為主，寧強勿弱，步步為營，穩中求快，嚴格貫徹“管超前，少擾動，早噴錨，強支護，緊封閉，勤測量”的原則。為防止坍塌事故發生，應采取主要技術措施如下：

(1) 拱部開挖按設計嚴格控制進尺，不得超挖，下部開挖沿兩側交錯進行，懸空長度不得超過2榀拱架，不良地質每次1榀，開挖后及時接腿；仰拱開挖每次不得超過4榀，并及時進行封閉。

(2) 拱腳、墻角預留30cm人工開挖，嚴禁挖機代替人工開挖，嚴禁超挖；拱腳、墻角嚴禁被水浸泡，如使用風鉆有水時，要及時引出，不得有積水；拱腳部位打炮眼時應盡量保持水平，如拱腳超挖后拱腳部位應用大石塊填實，不得用虛碴回填。

(3) 如圍巖較差地段需留核心土時，要保證核心土的大小和長度，支護面積不得小于掌子面的1/2，不能為了方便操作而挖掉太多(核心土起到對掌子面的支護作用，挖掉太多對掌子面的支護不足就容易造成坍方)。

(4) 施作超前小導管時，保證相鄰2排小導管搭接長度，搭接不要小于1.5m，以防止因超前小導管打入長度不夠而造成放炮后超前小導管懸空而失去作用；保證超前小導管的間距，該加密的部位及時確定加密方案進行加密。

(5) 保證拱架間距，不得隨意放大，連接筋要與拱架焊接牢固，保證間距；超挖和坍塌部分用混凝土噴滿回填，拱架背后不得留有空洞或填塞其他物質，以免造成隱患。

(6) 實施施工全過程的監控量測工作，并充分利用工程地質超前預報資料，提前預測，如發現開挖前方不良工程地質狀況，應及時制定相應的施工方案，嚴格按方案施工。

(7) 每次開挖爆破完成后，對圍巖狀況及掌子面地質情況應進行仔細觀測，及時支護，使圍巖與初支護及時組成一個承載體系，充分發揮圍巖自身承載能力[3]；盡快完成初期支護和二次環形襯砌的結構封閉，以支撐圍巖。

(8) 施工中設置專職人員觀察圍巖變形情況，進行綜合判別，及早發現險情，采取相應措施：①根據位移速率判斷：速率大于1mm/d時，圍巖處于急劇變形狀態，應加強初期支護；速率變化在0.2～1.0mm/d時，應加強觀測，做好加固的準備；速率小于0.2mm/d時，圍巖基本達到穩定狀態;②根據位移速率變化趨勢判斷：當圍巖位移速率不斷下降時，圍巖處于穩定狀態；當圍巖位移速率變化保持不變時，圍巖尚不穩定，應加強支護；當圍巖位移速率變化上升時，圍巖處于危險狀態，必須立即停止掘進，采取應急措施。

7結語

崩坡積體淺埋段，地質狀況差，且地下水發育，受大氣補給明顯，圍巖穩定性差，施工的主要任務是促使圍巖成拱、穩定，能承受山體壓力，因此，開挖時必須加強地質提前預報和量測，做好超前支護，確保核心土預留規范，嚴格控制施工進尺，及時進行仰拱封閉，同時做好排水體系。一旦出現坍塌事故，應進行認真分析研究，制定出行之有效的處理措施和施工方法。只有這樣，才能保證隧道施工安全、可靠，確保施工質量。

參考文獻

[1]JTGD70-2004 公路隧道設計規范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[2]JTG/TF60-2009 公路隧道施工技術細則[S].北京：人民交通出版社，2009.

[3]JTJ076-95公路工程施工安全技術規程[S].北京：人民交通出版社，1995.

收稿日期：2014-10-05

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.01.044