禾村隧道冒頂成因解析與處理

黃清明

(南平武沙高速公路有限責任公司，南平 353000)

0 前言

由于地質條件復雜、圍巖差，設計階段工期緊及受到其他條件限制， 無法做到對隧道地質圍巖變化進行精確判斷，再加上施工階段對圍巖擾動大、監控量測不及時、施工工藝及操作不恰當、初期支護未能及時跟上等成因，都極易造成隧道冒頂等病害發生。

1 隧道工程概況

南平聯絡線高速公路禾村隧道， 左、 右線間隔距離22～25m。隧道最大埋置深度約80m。隧道設計速度80km/h。隧道處于閩西南拗陷帶東緣政和-大埔深大斷裂帶東側，受區域性地質構造影響， 隧道區內有一條不規則斷裂構造發育帶及兩條節理密集帶。由于隧道進口段地形較陡，巖層產狀255～2750∠280，進洞口與坡向一致，且受F02斷層影響，出現巖體破碎，斷層呈坡外傾斜趨勢，整體穩定性差，隧道施工可能會造成山體的順坡向滑動，對隧道進口的影響較大。 隧道結構形式主要按新奧法Ⅴ級圍巖深埋設計，初期支護采用噴、錨、網、鋼支撐支護，其中初期支護和C30 防水二次襯砌之間， 采用拱墻鋪設防水板+無紡土工布的復合式襯砌。

2 現場坍塌經過

隧道左洞上斷面開挖掘進至ZK1+849 進行掌子面施工作業時，掌子面巖隙及小導管內有渾濁水流出，且流量急劇增加，待全部人員從隧道撤出后不久，出現掌子面快速崩裂及其頂部坍塌， 大量涌水伴隨著松散巖體涌至洞外(見圖1、圖2)。

3 冒頂成因分析

(1)本隧道在地理位置上處于閩西南拗陷帶東緣政和-大埔深大斷裂帶東側，受區域性地質構造影響，隧道區有一條不規則的斷裂構造發育帶及兩條節理密集帶。

(2) 進洞口段由于地形較陡， 巖層產狀255～275∠280，進洞口與坡向一致，且受斷層影響，巖體極破碎，斷層傾向坡外，整體穩定性差。

圖1 隧道塌方體

圖2 地表塌陷

(3)電站發電水渠經過隧道洞頂，且離隧道洞頂最近位置不足4m。由于此段地理位置的地質常年受到水渠水滲透影響并積累，對隧道圍巖腐蝕性較大，地表土質飽水量充足，形成自載重、自穩能力差，極易發生坍塌。

(4)施工過程中再加上開挖擾動、清理洞渣也會導致掌子面失穩。

4 冒頂段處理的重點、難點

該隧道上端圍巖破損， 且具有遇水浸泡后物理力學性能呈急劇下降并逢水崩散、 軟化且膨脹并帶流動變形等特性；冒頂位置地勢呈傾斜狀，且地表水豐富；電站發電水渠經過隧道洞頂，且離隧道洞頂位置距離近；這些危險因素都使得拱頂支護困難。在臨近周邊施工的擾動下，可能造成隧道圍巖及支護結構的二次塌方。

5 處理方案及施工注意事項

依據隧道冒頂成因，并與現場實際和規范相結合，提出了以下處理方案及施工注意事項：

(1)在洞頂塌坑的周圍施作臨時排水溝，距離塌坑位置5m 左右(可根據現場實際情況調整距離)，避免地表水流向塌腔繼續滲入洞內(圖3)。

圖3 進口墻左洞塌方處理縱斷面示意圖

(2)洞內加固：首先，對掌子面進行回填，上臺階段落從掌子面拱頂位置按照1∶1.5 的坡率回填至上下臺階交界面，然后下臺階回填一個工作坡面(保證施工工作面)；其次，對回填體和塌方體立即進行封閉，放坡坡面回填先采用20cm 厚C20 噴射混凝土封閉塌方體表面， 并對洞內塌方體施做L=6mφ50mm 水平方向小導管、1.2m×1.2m呈梅花型布置注漿固結；先施作一排小導管，在今后的繼續掘進過程中要求繼續施作， 施作的每個循環間距搭接2m，直至塌方段落結束。 在第一排小導管施工完成并達到強度后， 在上下臺階交界位置5m 范圍內垂直回填坡面向塌方體內進行注漿固結(注漿參數同水平方向小導管)，以保證可以承受冒頂塌坑回填的荷載；已經初支段落15m 范圍(ZK1+835～ZK1+850 段落) 要求采用小導管(L=6m，φ50mm 小導管)進行徑向加固，小導管采用間距0.8m×0.8m 梅花型布置，其加固區域為90°洞軸線左右范圍。 施工中應特別注意在塌方體注漿的同時在掌子面上臺階底面左右兩側預留排水管，以保證排水順暢，在后續的施工過程中， 排水管可利用三通接頭連接至縱向排水管；同時，在洞內加固和地表回填未完成前，建議不要清理開挖臺車和洞口位置的塌方體。 同時，左洞的中加巖柱加固要核查原先的施工情況，若做得不到位的情況下要重新進行補加固， 可以與徑向小導管加固同時進行(圖4)。

圖4 洞內塌方體超前支護斷面圖

(3)地表回填：地表回填必需在洞內加固處理完成后方可進行，地表回填采用5%水泥穩定土；根據現場地勢，在塌坑位置先行回填一個排水坡， 排水坡坡度為5%(大樁號至小樁號方向)，保證塌坑不積水；塌坑的回填要按照原地表回填至水渠頂部位置， 鑒于原地表自然坡面較陡，要求在回填起坡點位置(仰坡頂和塌坑靠近仰坡頂位置范圍)打雙排φ108mm 鋼花管注漿鎖口，兩排鋼花管距離1m，每根距離0.8m，垂直地表打入，入土深度按照距離拱頂2 米控制。 回填需采用小型夯實機具進行碾壓密實，地表進行綠化。

(4)塌腔邊坡的處理：在確保施工安全的情況下，可將塌腔邊坡采用7cm 厚C20 噴射混凝土臨時封閉；隨著地表回填的進度， 要求在塌腔邊坡頂部向下4m 范圍內的坡面進行加固，采用φ22mm 普通砂漿錨桿，間距按梅花型1.2m×1.2m 布置，同時增設20cm×20cmφ8mm 鋼筋網，然后再噴射8cm 厚的C20 噴射混凝土，要特別注意在錨噴的坡面范圍內增設泄水孔，確保山體水可以排出；塌腔邊坡的永久支護采用地梁錨索。

(5)洞頂水渠處理：在地表回填至水渠頂標高后，可著手進行水渠的恢復工作， 塌方段的水渠恢復采用鋼筋混凝土水渠，外鋪防水板；未塌落的水渠要求鋪設防水板，要切實做好防水板的搭接以及防水板和原水渠連接時的封閉工作，確保水渠水不下滲。

(6)左洞繼續掘進：只有上述5 點全部完成后方可繼續掘進， 在準備繼續掘進前要求對塌方體上端采用雙排L=6m，φ50mm 小導管進行注漿加固， 小導管環向間距20cm，單數根外插角15°、雙數根外插角50°，小導管鋪助鋼拱架的間距采用每2.5m 一個循環，小導管注漿范圍為以拱頂為中心左右各施作90°， 雙排小導管注漿的施作必需超過塌方段落， 同時與原狀圍巖搭接長度為5m；塌方段落和搭接5m 范圍必需采用JZDK-1 支護型式(圖5)，同時初支鋼拱架間距采用0.5m，二襯混凝土標號由原設計C25 提高為C30；采用單側壁上下臺階法

圖5 JZDK-1 型復合支護型式設計圖

開挖并按(CD 法)施作，要特別注意施工安全，嚴格要求短進尺、及時支護并盡早成環；同時要繼續加強監控量測工作，加密其檢測頻率，盡量做到用準確的量測數據來指導現場施工。開挖時要特別注意預留好變形量，同時在掘進過程中若發現雙排小導管施工輔助措施注漿效果不好，可在拱頂6m 范圍內采用徑向小導管注漿固結，小導管采用梅花型0.8m×0.8m 布置，長度為6m，徑向小導管注漿范圍以拱頂為中心左右各擴散90°進行施作(圖6)。

圖6 隧道左洞進口掌子面ZK1+850 冒頂處理方案示意圖

(7)左洞洞口已經施工初支但未施工二襯的段落局部存在侵限，在施工二襯前要求施工方提供斷面，侵限的部位若侵入二襯不多則局部加固， 若侵入二襯較多必需進行換拱處理。

(8)右洞的掘進按照原設計圖紙，但要求切實做好中加巖柱加固、施工輔助措施、鋼拱架的接頭部位的焊接、螺栓連接及鋼拱架的落底(采用上下臺階施工段落鋼拱架必需采取措施確保落底以控制沉降)等工作；同時掌子面暫停施工時，必需做好施工輔助措施，必要時根據實際地質情況做好臨時封閉和排水工作。

(9)現場對小導管注漿材料、壓力及配合比的控制：為了保證水泥漿液擴散到土體中一定范圍， 采用C30 細粒水泥漿作為注漿材料，注漿壓力控制在2.0～3.5MPa。徑向小導管注漿流程次序為：先拱墻，再拱部；小導管注漿結束標準： 壓力逐步升高并達到設計終壓后， 再繼續注漿15min 以上，進漿量一般控制在20～30L/min 以內，實際注漿量由現場施工試驗確定。

現場小導管注漿施作嚴格按照圖7 流程圖進行：

圖7 小導管注漿施作流程圖

6 洞內位移及受力監控技術

對拱頂、拱腰及拱腳位置進行重點監控，并根據隧道冒頂位置處理后的監控數據分析(圖8)——隧道冒頂沉降位移及收斂值沒有超過預留沉降量40cm 的警戒值；另外， 受處理塌方段的鋼拱架的應力也沒有超出強度極限值，這證明本文的處理方案是可行合理的，值得類似工程借鑒。

圖8 拱頂、拱腰及拱腳位置監控數據分析圖

7 小結

隧道冒頂是常見的工程事故，在處理冒頂過程中，不但需要考慮處理方案的可行性， 還要根據現場情況通盤考慮配套機械設備、班組人員技術能力、處理費用以及影響工期等因素。 從禾村隧道冒頂的處理結果得出下列體會：

(1)隧道施工時應加強地質調查及地質超前預報工作，尤其是在易塌方冒頂段應補打地質鉆孔， 保證圖紙地質的描述和現場情況相符合。

(2)隧道施工中在圍巖破碎段要降低對圍巖的擾動次數，減少爆破藥量，嚴格控制進尺，在冒頂段的處理過程中要保證施工質量，尤其是洞內注漿固結，及初期鋼架支護必須嚴控質量。

(3)施工作業應根據監控量測數據和現場情況，進行動態設計及時調整初期支護施工，并遵循“寧強勿弱”的加固措施，保證隧道作業安全。實踐證明采用“洞外回填、洞內注漿”處理冒頂是可行的一種方法。