隧道高地應力硬巖軟夾層地質塌方處理技術

王玉龍 （中鐵十六局集團第三工程有限公司，浙江 湖州 313000）

1 工程簡介

后山坪隧道位于甘肅省漳縣境內，隧道全長6647m，地處高中山區地貌，地形起伏較大，相對高差約650m。洞身地質構造位于拉子溝左岸基巖斜坡處，破面較陡，基巖裸露，屬于西秦嶺褶皺系中禮縣一柞水冒地槽褶皺帶。工程區域內地層為零星分布的第四系洪積、坡積以及崩積的碎石土，廣泛出露泥盆系上統的砂巖、夾泥巖、頁巖。

圖1 塌方掌子面

圖2 后方初支開裂

施工時采用兩臺階法施工、光爆開挖、噴錨支護。掌子面掘進至DK160+614處時發現圍巖情況發生突變，掉塊現象嚴重，普遍有滲水。出碴完畢后及時用纖維噴混凝土封閉開挖面，在封閉過程中出現大面積滑塌，及時撤離施工人員、機械，幸無人員傷亡，最后形成一個寬約13m，長約6m，高約10～15m的塌腔。損壞鋼拱架6榀，該段初支全部被破壞。后方26m初支受塌方牽引的影響，發生開裂，局部鋼拱架變形扭曲。塌方及后方初支開裂圖如下(圖1、圖2）。

2 塌方原因分析

2.1 地質原因

開挖斷面的拱部全環顯現斜向坡面陡坎，坡面以上地質為灰白色粉末充填物，角礫混雜，呈散狀體，圍巖基本無自穩能力，開挖后即從拱部出現滑塌現象。坡面以下為砂巖夾泥巖，節理裂隙發育，屬于典型的高地應力硬巖軟夾層地質。

2.2 圍巖滲水

隧道開挖時掌子面拱部多處出現滲水，地下水對圍巖具有溶解、浸泡、沖蝕、軟化作用，改變了巖體的物理力學特征，破壞其完整性，加劇了軟、硬巖接觸面的滑動，極大的破壞了圍巖的自穩能力。

2.3 設計原因

該段圍巖設計為Ⅳ級圍巖，采用兩臺階法開挖。如該段設計為Ⅴ級圍巖，采取超前預注漿加固圍巖，三臺階預留核心土開挖，則可避免此次塌方。

2.4 施工原因

施工時開挖進尺較長，裝藥量過多，導致對周邊圍巖擾動過大，破環了圍巖的自穩能力。

3 塌方處理措施

3.1 牽引影響段注漿加固

受前方塌方的擾動，后方影響段初支已開裂，極有可能二次塌方，本著安全第一的原則，為確保施工人員的安全，對影響段支護進行加強，采用4m長φ42注漿小導管注漿加固，間距1.2m×1.2m（環×縱）；初支內輪廓設置Ⅰ18鋼架做套拱，縱向間距0.8m，每榀鋼架設8根φ42鎖腳錨管，長4.0m，與注漿小導管焊接牢固，并在鋼架內圈施做φ22縱向連接鋼筋，環距1.0m；噴射C25混凝土使套拱與原初支面密貼，形成整體，防止后方影響段變形塌方。后方加固圖如下（圖 3、圖 4）。

圖3 后方注漿加固

圖4 后方注漿加固

3.2 塌體與塌腔處理

采用10cm厚C25噴混凝土封閉掌子面塌體，并在塌體上按梅花形預埋小導管注漿加固，間距1.2m×1.2m（環×縱），防止開挖掘進時發生溜塌。對塌方段預埋壓漿管進行塌腔回填，壓注C25混凝土，回填厚度不小于2m，再泵送吹沙處理，厚度不小于2m。施工時應根據塌腔形態及時調整壓漿管位置。對塌腔注漿回填和吹沙處理應分批施作，避免在處理過程中發生因拱部壓力過大出現初支變形或裂縫等情況，在拱部和邊墻及塌體埋設監控量測點，及時觀測。

3.3 拱部施作超前管棚

采用汽車洞外拉碴回填，以形成施作管棚操作平臺，并以套拱為支撐在拱部沿開挖線打入長30mΦ108超前管棚，內設鋼筋籠，環向間距0.4m。超前管棚施工中應嚴格控制鉆機下沉量及左右偏移量。嚴格控制鉆孔角度，管棚不得侵入隧道開挖線內，相鄰的鋼管不得相撞和立交。經常量測孔的斜度，發現誤差超限及時糾正，至終孔仍超限者應封孔，原位重鉆。掌握好開鉆與正常鉆進的壓力和速度，防止斷桿。

3.4 三臺階七步法開挖支護

待管棚壓注混凝土及水泥漿強度達到設計強度85%以上，采用三臺階七步法，預留核心土進行機械配合人工開挖掘進，嚴格禁止爆破施工。施工時配合管棚拱部設置φ42超前小導管，小導管長5m，環向間距0.4m，仰角40～45°，縱向間距2.0m，并壓注水泥漿加固松散圍巖體。在長管棚和小導管的保護下進行清砟施工，每次進尺不大于0.6m，并及時架設型鋼套拱；拱墻設φ42徑向注漿小導管，長度4.0m，間距1.2m×1.0m（環×縱），注漿加固圍巖。鋼架與棚架牢固連接，作為棚架支撐，循環作業一直到原開挖掌子面。

圖5 三臺階七步開挖法示意圖

3.5 塌方通過地段再次加強

對塌方掌子面前方開挖支護參數再次進行加強，增大初支預留變形量，開挖后拱墻設Φ42徑向注漿小導管，長度4.0m，間距1.2m×1.0m（環×縱），注水泥漿以固結周邊松散圍巖。注漿鋼管、錨桿、鋼架間相互焊接牢固，使之成為一個受力整體。

3.6 做好塌方地段的排水

塌方及變形段地下水發育，注漿處理完成后，需對隧道原滲、漏水部位進行排水處理。根據現場實際情況，對滲水點打孔，采用透水軟管將滲水通過初支表面引至專設的集水井待后續施工引排至縱向排水管內，匯集到中心排水溝。施工過程中嚴格控制施工用水，嚴禁施工用水及滲水浸泡邊墻拱腳。

3.7 加強塌方段的圍巖監控

做好施工監控量測工作，通過監控量測數據來分析和判斷支護的穩定性，并及時采取措施，保證施工安全。在該段塌方處理完畢后，在拱頂、拱腰、邊墻共布設5個監控點，每隔3m設置一組測點，每天量測2次。通過半個月的監測，拱頂下沉最大每天下沉量為17.2mm，半個月累計最大下沉量為128mm；水平收斂最大每天收斂量為11.2mm，半個月累計收斂量為91mm，均在允許范圍內。

4 塌方處理效果

此次塌方具有很大的突然性和特殊性，塌方發生后積極采取應對措施，在保證安全的前提下對塌方進行搶險施工。因方案正確，應對及時，在短短的30多天里即順利、安全的渡過塌方段，在施工過程中未出現二次塌方和傷人事件，雖對工期和施工成本造成了影響，但治理措施是可行的，從量測情況來看，隧道的拱頂下沉、水平收斂得到有效控制，支護結構受力趨于穩定。因此可以認為此次塌方處理方案符合實際，施工工藝得當，施工質量滿足要求，塌方處理效果良好，證明該隧道塌方處理方案是成功的。

5 預防塌方的措施

5.1 超前地質預報

超前地質預報是復雜軟弱圍巖隧道超前預判、及時決策、探明、規避突發性地質災害的重要技術手段，是高風險軟弱圍巖長大隧道施工成敗的關鍵。施工中嚴格將超前地質預測預報納入隧道施工工序，堅持“綜合探測、相互驗證、先探后干、有疑必探”的綜合超前地質預測預報原則。做好這項工作不但可以規避化解地質災害的發生，而且為提前制定合理施工預案提供了可靠依據，為隧道實現安全、快速、高效施工提供了可靠的技術保障。

5.2 超前支護及預注漿

超前小導管具有初期支護效果明顯、施工性好、安全性高的特點，在開挖過程中，超前小導管及預注漿將起到良好的抗拉、抗剪作用，增大圍巖結構面的摩擦，加強圍巖的穩定性，有效控制層理間的滑動破壞，預注漿也可以有效的控制地下滲水對圍巖面的破壞，保證施工安全。

5.3 加強圍巖監控量測

對于地質情況較差的軟弱圍巖，應做到多臺階、短進尺，弱爆破，嚴格控制超欠挖，采用三臺階七步開挖法施工，預留核心土，縮小開挖面。對已經開挖支護地段一定要加強圍巖監控量測，如發現變形速率持續不收斂，或初期支護結構有變形跡象，應該及時采取措施，可較好的避免塌方。

6 結語

本次隧道塌方處理方案經實踐證明是成功的，效果明顯，順利安全地渡過了塌方地段。隧道坍塌是最容易造成施工安全事故的原因，而隧道坍塌的處理更是危險作業。因此，只有方案正確、處理及時、組織嚴密、措施得力，才能使隧道塌方搶險順利安全的完成。

隧道塌方處理必須爭分奪秒，及時制定正確合理的處理方案。并且應以人為本，安全第一的原則，正確分析塌方原因和可能的發展趨勢，如可能影響后方已支護段安全，則應先對后方支護段進行加固處理，保證施工人員安全，再對塌方段進行處理。

塌方處理應遵循“管超前、短開挖、非爆破、少擾動、早噴錨、嚴控水、強支護、勤量測、早封閉”的原則。對塌體一般不宜直接清理，不宜進行爆破施工，應采取人工配合機械施工，減少對圍巖的擾動，避免塌腔的擴大。塌方的處理應一次處理到位，避免二次處理。塌方處理過程中應加強監控量測工作，對變形較大或出現異常的部位應及時采取措施。制定并實行塌方應急預案，保證施工人員的安全。從監控量測數據及施工現場情況來看，本次隧道塌方處理是合理、安全、可靠的，對今后同類隧道的塌方處理有一定的借鑒意義。