高速公路黃土隧道坍塌冒頂施工技術及預防措施

摘 要：文章以某高速公路黃土隧道施工中坍塌冒頂施工處理為例，闡述了高速公路黃土隧道施工中發生坍塌冒頂的施工方法，提出了相應的施工要點和相應的預防措施，為類似工程的施工提供了參考。

關鍵詞：高速公路;黃土隧道;坍塌冒頂處理技術

中圖分類號：U457.5;U458.3

文章編號：2095-624X（2019）06-0145-03

一、工程概況

某高速公路隧道，右線起點里程ZK16+650，終點里程YK18+180，全長1530m，隧道設計車速為80km/h，為雙線分離式隧道，左、右幅間距為36m左右，每幅為單向雙車道。建筑界限凈寬為10.25m，界限高度5m，拱頂高7.03m。

二、工程地質條件

隧道洞頂圍巖埋深0～57m，圍巖主要為中更新世離石黃土，稍濕，堅硬，土質不均，古土壤層粘粒含量較高，致密，含白色粉末呈團狀或條紋狀;41.1～43.0m段含水量大，有少量滲水，可塑狀;43.0m以下潮濕，松散結構為主。進出口為馬蘭黃土和坡積黃土，大孔隙，疏松，呈松軟結構。洞頂最大埋深57m，洞頂有可見深度在2～10m左右的水沖陷穴數個，勘察期間未見明顯水位，洞室開挖后易坍塌，進出口處理不當會出現大坍塌，側壁起拱線處極易小坍塌，淺埋地段易出現地表下沉或坍塌至地表。圍巖基本無自穩能力，屬V級圍巖。

三、坍塌冒頂情況

該工程2#隧道左線，于2016年7月8日掌子面K18+150開挖之后進行處理欠挖過程中，發現掌子面有土塊滑落，現場管理人員立即安排施工人員及機械撤離施工現場，并封閉洞口，派專人24小時值班。19時掌子面涌土量約120m3，凌晨22時掌子涌土量約500m3。期間派專人在洞頂查看，并進行地表觀測，次日6時50分線路正上方K18+120處地面開始塌陷，左側山體不斷掉塊，10時塌陷停止，形成坍坑，坍坑在隧道中線右側約3m處，長15m、寬14.5m，深約15m。坍塌前隧道內掌子面里程為YK18+150，仰拱里程為K18+170，二襯里程為K18+180。

四、處理方案

對于坍方及其影響段的處理以改善坍體和圍巖的物理力學性能。提高其自穩能力為目的，遵循“小塌方，先支后清”“大塌方，先棚后穿”“治塌先治水”的原則，根據現場條件、施工現狀以及所處段落的地質條件分析，采取地表處理與洞內處理相結合的方法進行處理。

（一）洞內坍體坡面反壓

a.洞內坍體進行反壓形成斜坡道。

b.于坍體坡腳堆碼填土編織袋，確保坡腳穩定。

（二）YK18+150-154段初期支護加固

為保證施工安全，先進行YK18+150-154段采用自進式錨桿加固初期支護。自進式錨桿直徑32mm，長6m，1.5m×1.5m梅花形布置。

（三）塌方段開挖及初期支護

采用臺階雙側壁導坑法開挖YK18+150-YK18+135段。施工時，每級臺階長度不超過3m。臨時鋼架采用I16工字鋼支撐，臨時橫向支撐采用方木支撐。

YK18+152-YK18+155段采用I22b鋼架與φ133鋼管配合用作管棚導向，管棚采用φ108鋼管，長20m，斜插角控制25°，插入3根Φ25鋼筋加強剛度，三根鋼筋成正三角形，管棚注漿采用1∶1水泥凈漿。

K18+150-YK18+140段拱部坍塌體采用長6m， Ф42×4mm小導管超前預加固圍巖，每環30根，按照50cm×50cm布置、斜插角45°（見圖1）。

K18+150-YK18+135段采用I22b型鋼拱架支護，縱向間距50cm，每榀鋼拱架間采用Ф22鋼筋連接，環向間距50cm，內外側交叉焊接;C25模筑混凝土一次襯砌70～80cm（變截面），上導坑拱腳處采用擴大拱腳至120cm，并在拱腳上方50cm處增設雙排鎖腳來進行加固，以保證初支的穩定性和安全性。二襯為C30鋼筋混凝土結構，二次襯砌厚45cm，預留量20cm，環向鋼筋采用Φ22，間距20cm，縱向鋼筋采用Φ14，間距25cm。

具體施工方法（見圖2、圖3）

1.（1）利用上一循環架立的鋼架施作隧道超前支護。

（2）掌子面打入Ф42mm鋼管注漿對掌子面松散土體進行充分固結，按照1.5m×1.5m梅花形布置，注漿鋼管施工里程K18+150-K18+140段，每循環鋼管長6m，漿液采用1∶1水泥凈漿，注漿壓力控制2Mpa以內。

（3）開挖①部，每循環進尺0.5m。

（4）施作①部導坑周邊的一次襯砌和臨時支護，即架立鋼架，每側設置6根4m長Ф42mm鎖腳鋼管，立模澆筑一次襯砌;架立導坑的臨時鋼架，噴射26cm厚混凝土。

（5）0.5m每道架設方木橫撐。

2.（1）①部支護3m后，開挖②部，每循環進尺0.5m。

（2）施作②部導坑的一次襯砌，即接長鋼架，立模澆筑砼。

（3）0.5m每道架設方木橫撐。

3.②部支護1m后，開挖③部導坑，施作支護，即接長鋼架（包括導坑的臨時鋼架），每側設置2根4m長Ф42mm鎖腳鋼管，立模澆筑一次襯砌，臨時側壁噴射18cm厚混凝土，每0.5m設置一道方木橫撐。

4.③部支護2m后，開挖④部導坑，施作一次襯砌及臨時支護，步驟及工序同 3。

5.④部支護3m后，開挖⑤部。

6.⑤部開挖4m，開挖仰拱，施作仰拱砼及片石砼填充。

7.仰拱初期施作6m后進行二次襯砌施工，二次襯砌跟進后以3m每循環正常施作。

（四）地表回填

待二襯從此處施工過去后沿坍坑外圍擴挖，去除不穩定土體，挖出長25m，寬25m，挖至Q2表層，深度約10m，土坑放坡，坡度為1：0.75，再對土坑壁打設Φ42mm，長度為3.5m的小導管，并掛設Φ8鋼筋網片，然后噴射C25混凝土。坍坑底部放入2層Φ22鋼筋網，20cmx20cm網格，鋼筋層間距50cm，然后澆筑C25混凝土，形成護拱蓋板。

待護拱混凝土強度達到90%后，用土分層回填夯實坍坑至接近地表1.5m處換填50 cm三七灰土作為隔水層，地面1m回填耕植土，并高出地面一定高度，恢復原地表，防止地表水流入隧道內。

（五）監控量測

認真做好各項施工監測，根據對監測數據的分析和判斷，對圍巖及支護體系的穩定狀態進行判斷和預測，及時采取措施來確保圍巖和結構的穩定，以確保施工安全。在該段塌方處理完畢后，在拱頂布設一個測點，并在腰線處左右布設兩個測點。地表處理完成后，在坍坑50m×50m范圍內，每10m設置一個地表沉降觀測點，每天做好觀測記錄，通過監測來評定所采取的措施和取得的效果。

五、施工安全及注意事項

（1）施工時嚴格按照有關規范進行，確保施工安全和質量。如發現異常及時向上級領導匯報，以便及時處理，并立即采用應急預警措施，以確保施工安全。

（2）加強隧道應急物資的儲備，特別是應急型鋼架，確保臨時應急。

（3）施工過程中，采用地質超前預報儀和鉆孔等手段加強隧道地質的超前預測預報工作。發現開挖前方有異常情況出現時，及時研究并采取相應的措施;并加強監控量測，隨時掌握圍巖的變形情況，以便進行及時處理，同時保證施工安全。在初期支護施工過程中應增加預留拱頂沉降量和收斂量，防止出現坍塌事故。

（4）拱腳處應進行夯實處理，同時支墊砼預制塊。拱架背后必須填補密實，不允許有任何空洞，以免留下安全隱患。

（5）若有侵限段、坍塌段應引起高度重視，嚴格按照施工規范和交底的要求進行施工，同時對洞內外該段進行嚴密觀察量測，設置專人值班，發現問題及時將人員安全撤離，并快速上報處理。

（6）現場技術人員應進行跟班作業，做好記錄及收集影像資料（特別是小導管注漿和鎖腳的焊接質量）;加強監督檢查，嚴格控制，保證每一工序的施工質量，對于上道工序不能達到技術標準、質量要求的，嚴禁進行下道工序的施工，防止安全事故的發生。

（7）施工過程中要嚴格控制進尺長度。淺埋地段、地質條件較差的洞身地段及根據監測數據初支變形量較大的地段，必須嚴格控制每循環進尺長度為1榀拱架間距，堅決杜絕冒進情況發生。

（8）施工中要及時封閉仰拱，二襯緊跟，確保施工安全。

（9）加強機械施工安全和用電安全意識并采取措施進行防范。

（10）加強防坍塌應急演練，成立以項目主管領導等組成的應急救援小組，明確分工，責任到人。

六、 隧道坍塌方處理

（一）處理坍塌方的一般步驟和方法

1.防止坍方擴大范圍

①坍方發生后，首先應防止坍方繼續擴大，切忌盲目大面積清理坍塌體：在坍方范圍頂部、側壁上的松散土體及大裂縫，應先行清除或錨固;②對坍方范圍前后原有的支護進行加固，以防止坍方擴大;③在坍塌方范圍內架設支撐或噴射混凝土，必要時加設錨桿;④加快襯砌。對坍方兩端應盡快做好局部襯砌，以保證坍塌方不再擴大。

2.處理坍塌的措施

①如坍塌體積較小，且坍方范圍內已進行了噴錨，或已架設好較為牢固的構件支撐，可由兩端或一端先上后下地逐步清除坍渣，隨挖隨噴射混凝土，架設臨時構件支撐支頂，即“小坍方，先支后清”;②如坍塌體積較大，或地表已下沉，或因坍體堵塞，無法進入坍方范圍進行支護時，則可注漿加固坍方體，然后用“穿”的辦法在坍體內進行開挖、襯砌，即“大坍方，先棚后穿”;③處理坍塌方的同時，應加強排水，即“治坍先治水”。

（二）處理坍塌常用支護方式

（1）噴錨處理。采用噴錨處理較大型坍方，較之采用架設支撐，更加安全、快速，且省工省料。①由外而內、由上而下，逐段邊清邊向巖壁噴射砂漿，然后再噴射混凝土。混凝土宜分層噴射，每層厚5cm左右;② 噴射1～2層混凝土后，可隨即加設錨桿再噴射混凝土;③ 坍渣清除后，隨即做好襯砌。

（2）構件支撐處理。①在坍塌體不太高、坍塌洞穴略呈錐形、坍壁不太松散的情況下，使用鋼支撐，支撐材質與錨桿焊接;②當坍塌體較高，但坍塌體兩側壁形狀較整齊，且側向壓力不大時，可按垂直于隧道中線的方向架設橫向排架。先將坍塌體頂的坍渣扒平，鋪上橫梁，再在其上架設排架。排架間距根據坍穴圍巖情況而定，一般為1～2m。須注意在排架間用剪刀撐撐穩，下部橫梁要隨坍渣的清除隨時倒換撐穩;③當坍塌方較大，且圍巖壓力也較大時，宜在坍方范圍內全部用縱向鋼管支撐。先將坍渣頂部適當扒平，沿隧道中線方向平行設置縱向地梁數根（地梁下鋪設橫梁），于縱向地梁上按照導坑支撐的形式以1m左右的間距架設箱形棚架。以后逐層向上架設至坍方頂部，用楔形木塞緊。隨著坍渣的清除，加設木立柱，并以縱撐撐牢。支撐材質可為紅松，最小頭直徑不小于200mm。在其棚護下，再用網錨噴鋼架支護;④當坍塌方直至地表而深度不大時（小于10m），可設置井箍。由地面向下逐步清除坍渣，隨即架設箍架支撐。箍架的形式可為多邊形、矩形或方形，視坍穴的形狀而定，架距不大于1m;當塌方較深時，則可先將進口至坍方體頂面一段箍好，不清理坍渣，而在洞內采用穿過坍方體的施工方法;⑤坍塌空成斜孔時，處理方法根據斜度而定，傾角≤30°時，可按斜井的施工方法進行出渣及支撐;傾角≥35°時，運用井箍支撐及由上而下地清渣。

（三）襯砌措施與回填方法

（1）襯砌施工。坍方體清除過程中，隨著坍方體的清除，襯砌及時跟進，快速成環、封閉。在坍穴位最高處兩端襯砌接頭處預留回填及進出料孔。如坍塌方范圍的圍巖不穩定，在處理坍塌方中有繼續坍方可能時，可在坍方范圍內選擇適當位置做坍體護拱，以掩護施工操作，保證安全。護拱上用碎渣鋪填2m厚左右作為緩沖層，預防可能出現掉塊的沖擊。

（2）坍體回填。坍方體清除后，拱背先用漿砌片石回填2～3m厚，其上再用干砌片石回填，回填高度應盡量填滿坍穴范圍，坍體內木撐盡量拆除;坍穴護拱與拱圈間應全部回填密實，坍穴護拱以上回填厚度可根據具體情況而定，但不小于2m;如坍塌方范圍高大，在坍穴內進行回填操作不便時，可選擇適當位置另行開鑿專供回填的坑道;如坍塌方直達地表，除按規定做好拱部回填外，另用一般土石回填夯實至距地表1～2m，再用粘土回填至略高于地表并向四周傾斜，周圍應做好排水溝。

七、預防坍塌的措施

高速公路黃土隧道冒頂坍塌多發生在洞口淺埋、偏壓段，施工中以“強支護”為施工原則，作業時嚴格按照“短進尺、早封閉、勤量測”的標準，特別重視拱腳的加固處理和鎖腳錨桿等重點部位的施工質量控制。我們通過分析沉降觀測數據，動態調整控制預留沉降量，有效地控制圍巖的變形。當原設計不能滿足圍巖安全時應立即調整加強支護參數，提高初支支撐的整體性，防止基礎失穩，及時跟進仰拱和二襯。重視超前地質預報，有效地降低施工階段由于不良地質引發的坍塌冒頂等風險。

參考文獻：

[1]孔余江.高速公路隧道坍塌預防及治理措施[J].黑龍江交通科技，2014（4）：135.

[2]徐言松，羅家強.隧道坍塌的預防及處理措施[J].黑龍江科技信息，2011（36）：307.

作者簡介：張瑞華（1978—），男，陜西藍田人，工程師，本科，供職于中鐵十五局集團第五工程有限公司，研究方向：隧道工程。