公路隧道軟弱圍巖段施工塌方處治與防治

諶業江 劉希玉

（1.中國公路工程咨詢集團有限公司，北京 100082；2.西安鐵路工程有限公司，西安 710000)

1 引言

公路隧道塌方是隧道施工中常見問題， 塌方處理方面有了比較成熟的處理措施。 容易引起塌方的隧道段落為淺埋段，易于塌方的圍巖主要在斷層破碎帶、松散碎石土層、節理裂隙發育的破碎巖層，這些是公路山嶺隧道常見的圍巖， 其處理方法在很多手冊以及論文都有較好的論述， 對于軟弱風化嚴重的頁巖圍巖隧道采用常規的施工方法難以滿足施工質量和進度要求， 本文通過對該類圍巖塌方處理和預防進行實例分析， 總結提出一些較好的解決辦法，作為參考。

2 軟弱風化嚴重的頁巖圍巖特點

軟弱風化嚴重的頁巖圍巖的穩定性介于黏土圍巖和松散碎石土圍巖之間， 黏土圍巖整體穩定好于軟弱風化嚴重的頁巖圍巖， 軟弱風化嚴重的頁巖圍巖的穩定性好于松散碎石土圍巖。雖沒有碎石土松散，但也沒有黏土粘聚力好。開挖后掌子面可以直立穩定性好，隨時間延長圍巖水分逐漸蒸發，大約在3h 后，圍巖隨著水分的散失粘聚力急劇下降，變得松散，風化加重，圍巖巖土開始慢慢剝落，剝落物為較細小的頁巖，含部分泥巖。 它的基本特點為開挖時圍巖穩定性較好，開挖3h 后隨時間延長穩定性逐步降低，不及時進行支護很容易出現塌方。

3 軟弱風化嚴重的頁巖圍巖隧道施工難點

隧道在軟弱圍巖段掘進過程中， 圍巖穩定性差，圍巖容易變形，圍巖的形變壓力較大，變形過大容易導致坍塌。 軟弱圍巖隧道施工對工程施工工藝、現場管理要求較高，否則很容易出現塌方。坍塌的危害性非常大，不僅對工期、成本造成影響，還嚴重威脅施工作業人員的生命安全。

4 工程案例

4.1 工程概況

本隧道為短隧道， 位于甘肅省定西市漳縣殪虎橋鄉石關村北，臨近G212 國道。 隧道采用分離式，洞頂最大埋深81m。 隧道左洞長480m，隧道右洞長573m。

本隧道隧址區地貌類型屬于構造剝蝕地中山地貌區，處于華北地臺區的陜甘寧盆地分區東南部，覆蓋層以第四系全新統及更新統的碎、塊石，右線進口段局部分布第四系上更新統風積黃土； 下伏二疊系上統石關群（P2cs）的肉紅色灰巖，右洞進口段局部揭露二疊系上統石關群（P2bs）深灰色頁巖。通過F14、F16 兩條斷裂帶。施工過程中圍巖破碎、易風化，且遇水易軟化，大塊石較多。圍巖級別全部為V 級。 巖體含水豐富，掌子面及初期支護表面有明顯滲水。

襯砌類型為SVf，初期支護徑向錨桿為SD32 自進式中空注漿錨桿L=6.0m （縱）60×100 （環）；Φ8 鋼筋網15×15cm 單層；鋼拱架為I20a 工字鋼，縱向間距60cm；二次襯砌拱部、拱墻55cm（C30 鋼筋砼）；超前支護為Φ42 鋼花管長度為3.5m。

4.2 塌方情況

2018 年9 月5 日開挖至YK189+931 時掌子面發生塌方（圖1），塌方巖體為強風化破碎頁，穩定性較差，巖體潮濕。 塌腔穩定后，塌腔長度約5m，塌腔靠拱頂左側，估計塌方方量約為150m3。 塌腔圍巖穩定后，現場及時用袋裝碎石土對塌方掌子面進行反壓， 并噴射10cm 厚混凝土進行掌子面封閉。

圖1 塌方照片

4.3 塌方原因分析

圍巖為軟弱風化嚴重的頁巖，主要為碎礫石頁巖、風化頁巖、黃褐色粘質土，自穩能力差，開挖裸露后快速風化、圍巖在過程中受到撓動，圍巖隨著水分的散失粘聚力急劇下降，變得松散，圍巖巖土開始剝落失穩，進而坍塌。

已施工完的初期支護沒有明顯變形， 初期支護強度完全滿足承載能力， 關鍵施工要點就是在圍巖巖土開始剝落之前要快速封閉圍巖， 完成初期支護對圍巖形變壓力提供支撐反力。

4.4 塌方處治方案

采用管棚強支護方式通過塌方體。 施工步驟如下：（1）對塌方掌子面用袋裝碎石土進行反壓，并實施10cm厚噴射C25 混凝土封閉。（2）對臨近塌方段的初期支護加設護拱作為臨時支撐，防止初支變形。（3）套拱施工，塌方體前掌子面位置設置I20a 鋼拱架，間距50cm，縱向設置5 榀，套拱拱腳落實在中導拱腳位置，加強鎖腳錨管施工質量， 墊實拱腳。 （4） 塌方體拱部120°范圍內施工長10mΦ89 的自進式管棚，管棚長度超過塌方體5m；管棚注漿采用水泥水玻璃雙漿液，擬定注漿參數：水泥漿水灰比1:2，添加水泥漿液體積5%水玻璃；水玻璃濃度：35 波美度；水玻璃模數：2.4；注漿以注漿量為主要控制參數，難以注入漿液時，提高注漿壓力，一般注漿壓力范圍0.5～2MPa。 （5）開挖掘進之間，先鉆孔探明有沒有空腔，空腔位置。 先注水泥漿，保證水泥漿厚度0.5m，頂上空腔用摻10%水泥的水泥粉煤灰混合料填充。 （6）在塌方范圍內用φ42 的鋼花管注漿加固圍巖， 將徑向鋼花管對圍巖進行注漿，并保證注漿量填充管棚上方至少3m 的松散土，起到護拱的作用。 （7）注漿完成后開始掘進施工，開挖完成后及時進行圍巖噴射混凝土4cm，穩定圍巖，立拱架，打徑向錨管注漿，一定要保住注漿量，確保注漿質量。（8）塌方處理過程中, 洞內塌方段落及前后10m 范圍內加強監控量測。 短進尺早封閉，盡快施做仰拱，根據監控量測的結果，適時施做二襯。

5 軟弱風化嚴重的頁巖圍巖隧道塌方防治

5.1 加強超前支護

單層超前小導管變為雙層超前小導管，增加長度，加強超前剛性支撐，提高預加固強度，增大承載力。 自拱腰至拱頂環向間距中對中35cm 對稱施工，安裝鋼管；安裝止漿閥，使用M30 水泥砂漿對鋼管及周邊圍巖裂隙進行填充，提高圍巖及鋼管整體強度；以此施工方法完成圍巖預加固。

5.2 加強初期支護

設計中采用I20a 型鋼拱架，縱向間距60cm，在施工中調整為縱向間距50cm，同時將長3mФ42×4mm 鎖腳錨桿改為長5mФ89×5mm 鎖腳鋼管，并填充M30 水泥砂漿，提高鋼管與巖體摩擦力及鋼管本身的變形能力， 從而提高初期支護整體承載力。

5.3 優化開挖施工方法

依據該圍巖特點， 總結關鍵施工要點就是在圍巖巖土開始剝落之前要快速封閉圍巖， 完成初期支護對圍巖形變壓力提供支撐反力。 在常規施工CD 法基礎上進行優化改進為簡易CD 法（圖2）。

圖2 簡易CD 法施工圖

簡易CD 法采用三臺階方法施工， 即分為上臺階左右側、中臺階、下臺階左右側和仰拱開挖施工。 上臺階分成左右兩側施工，為短臺階，左右側錯開長度為3～5m，中間增加了中隔墻， 縱向間距與初期支護型鋼拱架間距一致，型鋼可比初期支護型鋼小一個型號，中隔墻采用I16型鋼長度2.5m，頂部、底部使用I16 型鋼縱向將中隔墻型鋼與支護的I20a 型鋼進行剛性連接，增加開挖腔體的整體性，連接完成后，施做鎖腳，噴射混凝土。開挖施工方法優化后，縮短每環施工時間，在短時間內完成初期支護施工，有效減小圍巖擾動以及加快掌子面支護及封閉，防止圍巖坍塌。 在上臺階施工完成3～5m 后，開始施工中臺階③（停止上臺階施工），中臺階施工按預留核心土方式施工，將上臺階初支全部接長至中臺階后，再開始下一循環的上臺階施工。 下臺階與上臺階間距為10～15m，④和⑤部分錯開施工，錯開間距3～5m，有效減小下臺階和上臺階施工干擾，最后開挖⑥部分施工仰拱。

圖3 現場實際照片

5.4 施工效果

監控量測對拱頂沉降、周邊收斂項目進行實時監測。根據現場地質及變形變化情況布設監測點， 在施工段按縱向間距5m 進行布點，同一斷面布設拱頂1 點，拱腰左右側各1 點，在每天同一時間對監測點進行量測，對沉降及收斂數據進行整理分析，預留量為30cm。 開始1～3 天拱頂和周邊收斂變形速度較快的變形值為2～3cm/d，最終的變形值都在25cm 以內。施工質量可靠，變形量較小，比傳統CD 法節省1/3 的時間。

6 結論

隧道軟弱圍巖段施工時的坍塌病害防治已經成為了當前隧道施工不可避免的一個難題。 在進行隧道軟弱圍巖段施工時，及時預防圍巖大變形防止圍巖坍塌，要注意遵循“短開挖、少撓動、超支護、強支護”的原則。在具體施工過程中應根據實際情況采用相應措施組合處理， 本文提供的超前強支護、 縮短初期支護間距以及改進優化的簡易CD 功法， 在軟弱風化嚴重的頁巖圍巖隧道施工中得到較好的應用，是平衡工期、成本、安全的較好的施工方法。