桃樹坪隧道穿越富水粉細砂地層塌方處治施工技術

張學文

(中國鐵建大橋工程局集團有限公司蘭渝鐵路工程指揮部， 甘肅 蘭州 730070)

0 引言

隧道施工中出現的圍巖變形、滑塌現象是經常要解決的主要問題之一，特別是對于富水軟弱圍巖隧道，出現變形乃至塌方的現象較多。許多專家學者就如何有效控制軟弱圍巖變形、滑塌以及快速施工技術方面做了大量的研究總結，提出了許多合理化、建設性的技術指導和施工建議，文獻[1-2]就軟弱圍巖隧道變形控制技術進行了全面詳細的研究總結； 文獻[3-4]對高地應力軟弱圍巖隧道的變形控制也做了詳細的總結和論述。但是由于隧道地質條件千差萬別，軟弱圍巖隧道施工因受諸多未知因素的影響致使發生變形甚至塌方事故的概率非常高，對于隧道施工者來說隧道塌方處治也是必須要面對和解決的重點難題之一。由于塌方處治受地質、原施工方案等條件的限制，如何安全、快速完成塌方處治是施工技術的難點也是項目成敗的關鍵。文獻[5-7]對各自不同的軟弱圍巖隧道塌方處治技術、方法以及塌方處治效果做了詳細的研究和總結，但是針對富水粉細砂層地質，相關的研究并不多。本文就如何借助傳統的工藝工法，通過合理配置、優化、創新來處治塌方，以桃樹坪隧道3#斜井正洞塌方處治的成功案例為背景，對富水粉細砂層圍巖隧道的塌方處治方案、施工技術進行詳細總結論述。

1 隧道基本情況

蘭渝鐵路桃樹坪隧道工程被譽為“國內罕見，世界難題”，是蘭渝線在建項目中最復雜、施工難度最大的隧道之一。隧道進口位于蘭州東站出站端，出口位于榆中縣方家泉村，起訖里程為DK3+430～DK6+655，全長3 225 m，設計為雙線隧道。隧道地勢上進口低，出口高，地形起伏大，最小埋深僅6 m，地表溝谷發育，下切較深。由于隧道圍巖差，施工難度太大，增設了0#—4#共5個斜井輔助施工，先后有5家單位參與了施工會戰。

桃樹坪隧道3#斜井工區正洞圍巖主要為上第三系富水粉細砂層，為Ⅵ級圍巖。正洞出水量大，日排水量約為900～1 100 m3； 砂層致密、潔凈，局部夾有不規則的卵石及鈣質膠結層、塊。根據現場對粉細砂的取樣試驗，測得含泥量為5%～10%，孔隙率為22%～26%，孔隙比為0.36～0.4，密度為2.63 g/cm3，滲透系數為10-3～10-4cm/s，水平和垂直滲透系數相差很小，未成巖，無膠結，稍有擾動即成松散粉狀結構，在富水時呈流塑狀，基本無自穩能力，極易發生溜塌，進而造成隧道初期支護變形、沉降以及塌方事故。

2 隧道塌方經過

2014年5月20日上午8時50分左右，桃樹坪隧道3#斜井正洞重慶方向采用雙導洞法進行DK5+488～+491段仰拱分塊開挖施工，在進行4部底邊墻向下接腿時， DK5+488邊墻腳出現涌水、涌砂，并隨之出現鋼架外鼓和環向開裂、初期支護噴射混凝土表面開裂掉塊、鋼架受力發出異響等現象，現場立即暫停施工，并將人員全部撤離至安全地帶，10時20分發生塌方(見圖1)，沒有造成人員傷亡。

圖1 隧道塌方照片

3 塌方原因分析及塌方影響范圍的確定

3.1 塌方原因分析

根據對現場塌方過程的觀察和各部位進展情況的綜合分析，本次塌方主要跟圍巖本身的特性及結構構造有關。隧道采用雙導洞超前法施工[8]，DK5+485～+519段隧道拱、墻的開挖支護已全部完成，并沒有滲水出現。在準備施工DK5+488～+491段仰拱，開挖右拱腳時突發涌水涌砂引起塌方，塌方之后隧道拱頂大面積出水，而且出水量較大。根據塌方段施工揭示的地質情況可確定隧道右邊墻腳外側2～3 m存有積水穴，拱部輪廓線3～5 m存在10 m左右寬度的地下水暗流通道跨過隧道。塌方起因分析斷面示意圖見圖2。

圖2 塌方起因分析斷面示意圖(單位： cm)

前期雙導洞超前降水時，真空降水井管超前斜向下30°～45°外插布置，3、4部降水管恰好沒能伸入到積水穴范圍。隧道施工嚴格采用分塊、短進尺、快封閉的原則進行，開挖后及時完成了初期支護背后施工擾動層的回填注漿加固，注漿加固層厚度基本為輪廓線外0.5～1.0 m，所以在前期隧道拱墻沒有出現滲水現象。仰拱施工開挖右邊墻腳時，先擾動破壞了積水穴發生涌水涌砂，引起初期支護背后砂體流動、滑塌，進而擾動破壞了拱頂圍巖的穩定，使得地下暗流水浸入，拱部受擾動的松散砂層遇水惡化呈流塑狀迅速外流，造成圍巖大面積的流動、失穩滑塌，導致塌方事故的發生。后期塌方段施工時發現隧道拱部縱向15 m長度范圍一直大面積出水，且出水量相當大，因此確定拱頂存在地下暗流。

3.2 塌方影響范圍的確定

由于塌方主要原因是DK5+488～+491段右拱腳突然涌水涌砂、拱腳開裂失穩，根據中部核心土預留位置初步推斷完全塌方段為DK5+487～+495， DK5+495～+519段受影響發生沉降變形。

根據后期塌方處理情況來看，基本跟預估相符，實際塌方范圍為DK5+487～+495(長8 m)，此段初期支護完全破壞。受影響變形侵限范圍為DK5+495～DK5+515(長20 m)，主要分2部分： 1)DK5+495～+500段破壞嚴重，拱、墻初期支護鋼架環向沉降變形開裂嚴重，鋼架收斂侵入凈空約1.2～0.5 m，需要全斷面換拱處理； 2)DK5+500～+515段拱頂沉降嚴重，變形沉降達0.5～0.2 m(施工預留變形量為35 cm)，其中DK5+500～+505段需要拱部及右邊墻換拱， DK5+505～+515段需要拱部換拱處理。隧道塌方位置及管棚設計見圖3。

圖3 塌方位置分析及管棚設計縱向示意圖

4 塌方處理

4.1 塌方初期應急處理措施

塌方發生后，對現場采取了以下應急處理措施：

1)立即設置警戒線，并安排專人24 h值班，嚴禁閑雜人等靠近，防止次生災害發生；

2)坍塌初步穩定后，從塌體坡腳堆碼砂袋施作反壓平臺穩定掌子面，防止進一步滑塌。反壓平臺高度為5 m，長度至少為10.0 m，全隧寬度堆碼(見圖4)；

3)對上部塌體網噴C25混凝土進行封閉處理；

4)對塌方口至二次襯砌端頭區段監控量測點進行加密，加大量測頻次，持續監測，及時掌握圍巖動態，指導施工作業[9]，防止次生災害發生，確保施工作業安全。

圖4 反壓砂袋施工照

4.2 塌方段施工

4.2.1 整體方案確定

根據現場施工情況，組織專家進行會勘論證，確定了按 “先加固、再處理、襯砌緊跟、穩步推進”的施工原則，以“雙層大管棚+小導管超前注漿”作為超前支護[10]，考慮有效結合原雙導洞超前的施工工法，采用“雙側壁”分三臺階開挖塌方段(見圖5)。

圖5 雙側壁導坑法施工橫斷面圖(單位： cm)

Fig. 5 Horizontal cross-section of double-side drift method construction(unit: cm)

整體方案措施： 1)對塌體碼砂袋反壓完畢后，錨噴封閉滑塌面并注漿加固； 2)對DK5+480～+486段拱部進行徑向注漿加固，在DK5+486.5處大角度施工第1環大管棚，通過注漿回填塌方造成的拱部空洞并對拱部松散塌體進行穩固，第1環管棚起到錨、棚、固的作用； 3)對DK5+486.5～+489塌方段采用雙側壁工法分臺階開挖并徑向注漿加固； 4)在DK5+489處施作第2環大管棚，使大管棚一次性跨過塌方體，充分起到超前棚護及預加固作用； 5)利用超前管棚，采用雙側壁法順序開挖拆換DK5+489～+500塌方段及嚴重變形段； 6)順序對DK5+500～+515侵限變形段進行拆換處理； 7)及時同步進行回填注漿和二次支護加固； 8)進行仰拱二次襯砌施工，完成隧道施工； 9)開挖過程各部采用“真空輕型井點降水+集水坑集排水”法進行降排水[11]。

4.2.2 雙層大管棚施工

大管棚施工工藝是在軟弱圍巖的隧道施工及塌方段處治中最常使用的傳統施工方法，大管棚超前注漿預加固控制圍巖沉降能力較強，且效果明顯[12-13]。

根據坍塌體情況分析設計施作2環φ108大管棚，考慮頂部塌體主要為粉細砂夾雜有砂卵石，雖然松散但沒有明顯空腔，因此在DK5+486.5處施作第1環大管棚，管棚長20 m，外插角為20°～30°，注雙液漿，管棚大角度外插，通過注漿對頂部塌體進行有效的固結，同時能起到錨固和超前棚護的雙重作用； 第2環管棚在DK5+489處施作，管棚長30 m，外插角為5°～10°，注水泥砂漿，管棚一次性跨過塌方段進行超前棚護，保障了后續開挖、換拱的安全順利進行。2環大管棚均在拱部180°布置，間距30 cm，內設鋼筋籠(見圖3)。

4.2.2.1 施工準備

對塌體進行碼砂袋反壓完畢后錨噴封閉滑塌面并注漿加固，同時對DK5+480～+486段初期支護背后進行補注漿加固；在DK5+485～486.5段上斷面恢復雙側壁支護體系，側壁與臨時仰拱采用I20b鋼架， 每0.5 m布置1榀，與正洞鋼架逐榀連接到位；側壁墻腳設置縱向槽鋼托梁加強連接；在5部搭設施工操作平臺，施作管棚導向定位鋼架，按設計要求布設φ130 mm導向鋼管，做好管棚施工準備工作(見圖6)。

圖6 大管棚施工照

4.2.2.2 管棚施工工藝

根據粉細砂地層經擾動即成松散粉狀結構的特點，由于塌體中間有部分卵礫石，成孔困難，選用跟管鉆進工藝施工管棚，將套管及鉆桿同時鉆入，成孔后取出內鉆桿，頂進管棚，拔出外套管。管棚跟管鉆進工藝流程見圖7。

4.2.2.3 管棚制作及鉆孔施工

1)管棚制作。采用外徑φ108 mm、壁厚6 mm的熱軋無縫鋼管，按設計管節長度對鋼管進行分節切割，端頭套絲，絲扣長15 cm，全部加工為正絲；管節長度規格為4 m和2 m； 連接套管在工廠定制加工，長度為30 cm。

2)管棚施工步驟如下。

①施工導向架。按照測量放樣點設導向鋼管，自左向右順序對應各孔編號； 搭設鉆機平臺，確保平臺穩固，防止施鉆時鉆機產生擺動、位移影響鉆孔質量和人身安全。

圖7 管棚跟管鉆進施工工藝流程圖

② 鉆機就位。選用YG-80跟管鉆機(全液壓驅動動力頭式鉆機)，鉆機要與導向管方向平行，精確核定鉆機位置，確保鉆機鉆桿軸線與孔口管軸線相吻合。

③ 跟管鉆孔。鉆孔由高孔位向低孔位順序進行，開鉆時低速低壓，鉆進中隨時測量鉆機、鉆桿的偏斜度，發現偏斜超標及時糾正調整。每鉆進0.3～0.5 m用高壓風吹孔排粉清理一次，并清洗鉆桿，以保持孔內清潔，跟管鉆進達設計深度后清孔退鉆。

注意事項： 吹孔時中心鉆具的上提距離需嚴加控制，禁止在鉆進過程中向上起拔中心鉆具或來回倒桿。在鉆頭接觸到礫石層后，先回轉，待正常后，再開風沖動鉆進。

④ 管棚頂進。在套管內逐節推進φ108管棚，為滿足相鄰鋼管接頭至少錯開1 m且與同一橫斷面內的接頭數不大于50%的相關要求，分單序孔和雙序孔配置管節，單序孔全部為4 m管節；雙序孔內第1段、最后一段用2 m管節，其余段均采用4 m管節。

⑤ 管棚安設完成后，逐節拔出套管，管棚內安設鋼筋籠。

⑥ 插管封孔。鋼管內插入注漿管和排氣管，排氣管應深入孔底； 孔口安裝止漿閥與溢漿孔，對預留管口進行保護后，對孔口空隙采用砂漿封堵密實，準備注漿施工。

4.2.2.4 管棚注漿

第1環大管棚注水泥-水玻璃雙液漿，最大限度地固結頂部松散塌體及封堵滲水； 第2環大管棚注水泥砂漿。注漿按由低到高、由下往上的順序交錯進行，過程中必須多次循環補注，注漿壓力保持在0.5～1 MPa，孔口溢漿孔開始冒漿后停止注漿。漿液嚴格按照設計配合比現場均勻拌制，隨拌隨用。

4.2.3 塌方、變形段開挖施工

采用雙側壁分三臺階開挖施工，遵循“重降水、強支護、快挖、快支、快封閉”的施工原則，用小管棚配合大管棚加強超前支護，循環進尺0.5 m，小管棚隨鋼架每榀設置，并注漿加固，充分利用9部大核心土結合臨時支護體系保證支護強度與施工安全。

4.2.3.1 施工步序(見圖5、圖8)

1)利用上一循環架立鋼架施作小管棚超前支護，開挖1部土體；及時施作初期支護及臨時支護，打設鋼架鎖腳錨管。1部施工2～3 m后，開挖2部，接長鋼架，施作初期支護及臨時支護。

2)重復上一步驟，開挖3部、4部土體，施作初期支護及臨時支護。

3)利用上一循環架立鋼架施作小管棚，進行超前支護； 開挖5部土體，及時施作初期支護。

4)5部施工2～3 m后，削挖6部土體，安設臨時仰拱，上斷面封閉成環。

5)6部施工2～3 m后，開挖7部土體，接長鋼架，施作初期支護及臨時支護，封閉成環； 7部施工2～3 m后，開挖8部土體，接長鋼架，施作初期支護及臨時支護，封閉成環。

6)拖后1～2 m及時進行二次支護和回填注漿。

7)8部施工3～5 m且二次支護和回填注漿完成后，可開挖9部土體(大核心土)，9部開挖隨仰拱同循環推進，每循環超前仰拱1～2 m即可，開挖后及時安設臨時仰拱，使之封閉成環。

8)按照左、右、中順序分塊施作5部仰拱初期支護，接長側壁鋼架，落底至仰拱初期支護鋼架上，澆筑仰拱及填充混凝土，仰拱每循環進尺2 m。

9)仰拱澆筑完成后可拆除側壁及臨時仰拱，一次拆除長度不大于6 m，利用襯砌模板臺車一次性完成6部二次襯砌的灌筑。二次襯砌每板6 m。

(a) (b)

注意事項： 各部按出水情況采用真空輕型井點降水后再開挖施工； 6、9部土體保留對增強臨時支護作用明顯，嚴禁超挖；施工過程中應加強監控量測，及時分析掌握圍巖收斂變化情況。

4.2.3.2 支護參數

1)塌方開挖預留變形量為35 cm。

2)初期支護。全環設I25a鋼架，間距為0.5 m； 每處接頭部位設置4根φ42錨管，長4.0 m；全環設置φ22連接筋，“Z”字型連接，環向間距為1.0 m；布設雙層20 cm×20 cm規格的φ8鋼筋網片； 全環噴射33 cm厚的C30混凝土。鋼架每榀設置φ42超前小導管，外插角為5°～10°，拱部環向間距為10 cm ，邊墻間距為20 cm，長度為2.6 m。

3)臨時支護。側壁及臨時仰拱均采用I20b鋼架，間距為0.5 m； 每處接頭部位設置4根長4.0 m的φ42鎖腳錨管。均設置φ22連接筋，“Z”字型連接，環向間距為1.0 m。布設單層20 cm×20 cm規格的φ8鋼筋網片； 全環噴射28 cm厚的C30混凝土。側壁鋼架每榀設置φ42超前小導管，外插角為5°～10°，環向間距為20 cm ，長度為2.0 m。

4)徑向注漿。對初期支護背后進行回填注漿施工，拱墻設置φ42注漿小導管，長度為4.0 m，環縱間距為1.5 m×1.5 m。

5)二次支護。拱墻設I20a鋼架，間距為0.5 m，拱墻掛設20 cm×20 cm規格的φ8鋼筋網片，拱墻設置φ22連接筋，環向間距為1.0 m； 每榀設置16根φ42錨管，長4.0 m；拱墻噴射25 cm厚的C25混凝土。

4.2.3.3 施工降排水

各部的施工過程均采用“真空輕型井點降水+集水坑集排水”的方法進行降排水。

真空降水采用7.5 kW的V6型真空泵，連接φ32PPR降水井管。V6型真空泵的運行使各個井管周圍形成負壓，將粉細砂圍巖中的水抽排出來，降水施工時真空負壓需控制在-0.06 MPa以下，抽出的水匯集到集水坑，再用大功率水泵集中抽排到洞外。

每臺V6型真空泵連接2節φ80集水主管，每節主管長4.0 m，布置8～12個帶閘閥的φ32節管，通過φ32鋼絲軟管跟井管連接，每臺真空泵可連接16～24孔管井。井管采用φ32PPR管加工，井管長度為4～5 m，管頭為50～80 cm長的鉆孔外包裹100目雙層濾網，采用高壓風或高壓水直接沖孔插管施工。塌方段拱部出水量大，降水井管在初期支護鋼架設立完成但未噴混凝土之前在拱部超前布設，等初期支護噴射混凝土完成后再連接主管進行超前降水，確保下一環的開挖順利進行。

每個部位的管井及V6型真空泵數量需根據各部位出水情況來設置。

4.2.3.4 回填注漿

徑向回填注漿是增強支護體系的關鍵工序，由于塌方段出水嚴重，注漿采用水泥-水玻璃雙液漿，水泥漿的水灰比為1∶1，水玻璃玻美度為30～40 °Bé，水泥-水玻璃體積比為1∶0.3～1∶1。注漿過程中必須多次循環補注，確保回填密實，注漿壓力控制在0.2～0.5 MPa為宜。通過徑向注漿可將初期支護和圍巖固結到一起，使超前導管、徑向注漿管、初期支護鋼架與初期支護背后的松散砂體固結成一個完整的混凝土受力殼，增強了隧道的支護強度和周邊圍巖的整體穩定性。

4.2.3.5 仰拱及二次襯砌施工

仰拱施工為關鍵工序，采用短進尺，分部、分塊開挖支護，一次性澆筑完成。仰拱開挖按左、右、中的順序分塊進行，左、右塊開挖循環進尺為0.5～1 m，先開挖左右塊接長側壁鋼架，與仰拱鋼架螺栓連接分塊封閉成環；待左、右側掘進完成2 m后即可開挖一循環中部，完成整體仰拱初期支護；然后綁扎仰拱鋼筋，完成仰拱及填充的混凝土澆筑。仰拱施工必須保留側壁及臨時支護，根據量測，待初期支護變形穩定后，按二次襯砌循環進尺長度拆除側壁及臨時支護，隨后進行二次襯砌施工。

嚴格控制仰拱、二次襯砌的循環進尺與步距[14-15]。仰拱循環進尺為2 m，二次襯砌循環進尺為6 m。仰拱滯后9部(大核心土)1～2 m，二次襯砌緊跟仰拱施作，采用6 m襯砌臺車拱墻一次性整體灌注。

為縮短仰拱與二次襯砌間的步距，利用襯砌臺車加工伸縮長度3 m的操作平臺，借助平臺進行拆除臨時支護、掛設土工布防水板及鋼筋綁扎等施工作業。

5 塌方處治效果

5.1 塌方處治施工要點

1)雙層大管棚對塌方處治起到很重要的作用，特別是第1環管棚。由于粉細砂地層的特殊性，坍塌后的砂體變松散，但是沒有明顯的空腔，所以大管棚采用20°～30°外插，通過注漿可對頂部松散塌體進行有效固結和錨固。管棚不僅起到超前棚護的作用，而且對固結后的坍塌體起到很好的錨固作用，一定程度上解決了粉細砂塌體難自穩、持續流塌的問題。第2環管棚采用小外插角一次性跨過塌方段進行超前棚護，確保后續開挖、換拱施工安全順利完成。

2)雖然采用雙側壁法開挖塌體，但并沒有完全按照標準的雙側壁工法施工。合理融入臺階法、保留大核心土法，先上斷面封閉成環開挖推進，后跟進下半斷面，這樣既能快速探明塌方的范圍情況，提高了施工效率，又能有效地保障施工安全。開挖過程通過充分保留6部、9部大核心土，使核心土體跟側壁、臨時支撐有效地結合在一起共同受力，有效地控制了圍巖的收斂變形，保證了施工安全性。

3)采用雙側壁法處治塌方，處治完成后可直接過渡到雙導洞超前法施工正常段，減少了工法轉換對施工的影響，保證了施工安全，提高了施工進度和效率，節約了施工成本。

4)塌方后拱部發生大量出水，結合前期的施工降水經驗，對拱部充分采用真空輕型井點降水并取得成效，保障了塌體的順利開挖。而且各部支護完成后及時注漿回填、多循環補注，很好地加強了圍巖的穩固和支護的效果，有效地控制了圍巖的收斂變形。

5.2 塌方處治施工效果

桃樹坪隧道施工過程中各工區都出現過不同程度的變形、坍塌情況，相對來說本次塌方處治的進度、效果是最好的。桃樹坪隧道3#斜井正洞采用優化改進后的“真空降水+雙層大管棚+小管棚+雙側壁”方案處治塌方， 共30 m的塌方變形段耗時6個半月安全順利完成處治，雖然表面看進度并不快，但相比桃樹坪隧道5家參建單位月平均8～12 m的施工進尺來分析是相當成功的。

施工實踐證明，優化改進后的“真空降水+雙層大管棚+小管棚+雙側壁”法對處治富水粉細砂層圍巖塌方是比較成功的，針對坍塌后的富水粉細砂層地質的特殊性，很好地穩固了坍塌松散體，有效地控制了圍巖的再次變形，提高了施工效率，保障了隧道施工安全及工程質量。

6 結論與討論

軟弱圍巖隧道施工發生初期支護變形、坍塌的幾率相當大，塌方處治難度極大，處理不當極易引發次生災害，形成惡性循環。特別對于富水粉細砂圍巖(Ⅵ圍巖)隧道，發生坍塌后松散的砂體將會持續流塌、無法自穩，塌方漏斗持續擴大，會引起整個地表的大型塌陷事故，所以塌方處治難度極大。采用優化改進后的 “真空降水+雙層大管棚+小管棚+雙側壁”法處治富水砂層圍巖塌方是一種相當有效的處理方法，整個施工方案是在傳統施工工藝的基礎上，結合實際圍巖狀況打破常規，進行了大膽、合理的優化改進，如大角度大管棚、拱頂超前真空降水、臺階法施工雙側壁、充分保留核心土(9部)、分部快速封閉成環、及時回填注漿等，這一系列措施對處理富水粉細砂圍巖隧道塌方非常實用，很好地解決了富水粉細砂塌體的排水、穩固以及塌方處治過程中圍巖二次變形、開挖困難等問題，實施效果明顯。既保障了施工安全質量，又充分利用了傳統工藝在施工中操作熟練度高、易組織、成本低等優點，提高了塌方處治效率和施工進度。桃樹坪隧道3#斜井正洞塌方處治的成功可為同類型隧道施工提供技術參考和借鑒，下一步的研究可針對支護參數方面進行優化，進一步提高施工效率，減少支護成本。

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