不良地質隧道洞口段冒頂坍塌處理及預防措施

劉文元 靳海娟 吳遠鵬

(1.黃河上游水電開發(fā)有限責任公司，青海 西寧 810000；2.渭南市瑞泉中學，陜西 渭南 714000； 3.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安 710065)

公路隧道施工過程中，由于受勘察手段的制約，要準確無誤地搞清隧道巖性和圍巖分類難度是很大的，隧道坍塌問題也成為困擾隧道工程施工的一大難題。其中一種事故為不良地質隧道洞口段冒頂坍塌，影響大，處理難度大、時間長，易在地表造成二次事故。分析類似事故的發(fā)生原因，總結處理及預防方法是很有必要的。

預防隧道坍塌事故發(fā)生，需要在隧道的地質勘探預報、監(jiān)控測量、現(xiàn)場管理、安全監(jiān)管等方面采用一系列的措施，對隧道工程中可能發(fā)生的相關問題都要引起高度的重視。

1 工程概況

某水電站為大渡河干流規(guī)劃的第6個梯級電站，8號公路為石家溝料場塊石料運輸?shù)缆贰?號路隧道入口位于德勝臺地，出口位于石家溝料場下游，隧道設計起點 K0+681.335，終點 K2+406.28長度1 724.945 m。設計速度20 km/h,水電場內三級道路，設計荷載公路Ⅱ級，采用雙向行車道寬度為8.0 m，道路限高4.5 m，隧道內輪廓斷面為城門洞型式。

2020年7月11日，8-2號隧道施工開挖至掌子面樁號為K0+707.4 m，圍巖類別為Ⅴ類，隧道埋深17.8 m時，發(fā)生塌方冒頂。首先掌子面出現(xiàn)掉塊，而后拱頂腰部左側和右側開始大面積掉碴，拱頂開始掉碴(從已經(jīng)施工完成的小導管之間掉落)，核心擋土也開始滑落，之后塌落導致拱頂和拱部小導管脫落，洞外洞頂開始塌陷，洞內徹底被塌方石渣掩埋。持續(xù)時間12 min。塌方在隧道頂部地表形成約10 m(隧道軸向)×8 m(橫向)的坑洞。隧道洞內頂部垮塌長度沿軸向約3 m，垮塌堆積體約600 m，見圖1，圖2。

2 坍塌原因分析

1)不良地質影響。該段巖性為薄層狀變質細砂巖和炭質千枚巖互層，巖體傾倒變形劇烈，巖體破碎，全風化巖體，圍巖類別為Ⅴ類，表層堆積有崩坡積塊碎石土，巖體屬弱風化上帶，穩(wěn)定性差。

2)地下水影響。塌方發(fā)生時正值雨季，地表水豐富且沿破碎巖縫、節(jié)理裂隙中滲流。松散巖體受滲水作用迅速軟化，巖體抗剪強度大大降低，巖石為全風化巖層，雨季含水量增大，不能支撐上部巖體重量從而導致隧道發(fā)生重力坍塌。

3)施工因素。因巖層十分破碎，自穩(wěn)性差，開挖都是利用反鏟短進尺，未進行任何爆破，因此不存在對圍巖有較大的擾動。施工采用預留核心土開挖方法，核心土預留尺寸不夠，軸向長度不足2 m，未起到穩(wěn)定掌子面的作用，才會隨著掌子面失穩(wěn)一起坍塌。超前支護設計采用小導管注漿，經(jīng)現(xiàn)場調查發(fā)現(xiàn)，垮塌體沒有和水泥漿液形成膠結體，反映出施工注漿不嚴，技術參數(shù)控制不到位。

3 處理方案

方案內容主要為截水溝、管棚、鋼拱架及噴護、混凝土襯砌、系統(tǒng)錨桿、素土回填等。方案施工工序如下：

1)截水溝。在距隧道頂部地表坑洞上部約5 m處設置一道臨時截水溝，截水溝尺寸30 cm×30 cm，采用C20混凝土澆筑，壁厚15 cm。

2)對洞內垮塌堆積體表面進行C20混凝土噴混封閉，噴混厚20 cm。

3)管棚：根據(jù)塌方情況隧道樁號K0+706 m處頂部150°范圍內布設管棚。a.超前大管棚采用φ108 mm×8 mm熱軋無縫鋼管，單根鋼管長度為1.5 m～3 m，單根管棚12 m。b.鋼管接頭采用絲扣連接，絲扣螺紋段長度6.5 cm絲扣連接，相鄰鋼管接頭錯開1 m以上，隧道縱向同一截面內接頭數(shù)不大于50%。c.鋼花管上鉆注漿孔，孔徑12 mm，孔徑距20 cm，呈梅花形布置，鋼管尾部(孔底段)1.5 m不鉆花孔作為止?jié){段。d.管距：環(huán)向間距35 cm。e.超前大管棚施工時，鉆孔外偏角為10°，可根據(jù)實際情況作調整。f.注漿材料：水泥砂漿，水灰比為0.5∶1。全孔一次性注漿，注漿初壓為0.5 MPa～1 MPa，終壓為1.5 MPa。

4)注漿完畢24 h后進行堆渣清除及開挖作業(yè)，單循環(huán)進尺控制在50 cm～80 cm。

5)鋼拱架：Ⅰ18工字鋼布設間距調整為50 cm，取消管棚段φ42超前小導管(L=4.5 m)。鋼拱架采用Ⅰ18工字鋼，布設間距50 cm。在安裝鋼拱架前，對掌子面及拱頂素噴10 cm厚C20混凝土進行封閉處理，減少作業(yè)風險。

6)系統(tǒng)錨桿：K0+684.335～K0+725段圍巖為Ⅴ級圍巖，系統(tǒng)錨桿采用φ22@3 m×1.5 m，L=3 m及φ28@3 m×1.5 m，L=6 m砂漿錨桿。經(jīng)調整系統(tǒng)錨桿由原砂漿錨桿調整為自進式錨桿，長度及錨桿直徑不變。

7)混凝土襯砌：為了確保洞口段已施工洞身的穩(wěn)定，要求及時實施洞口段二次襯砌混凝土，混凝土襯砌厚度30 cm，襯砌范圍K0+681.335～K0+706共24.665 m。

8)素土回填：洞內掌子面穩(wěn)定、進尺正常后，地表坑洞采用素土回填并人工稍作夯實，并高于原地面一定高度，防止汛期雨水滲入塌腔不利于穩(wěn)定。

9)監(jiān)控量測：在坑洞附近布置4個監(jiān)測樁，對地表及10 kV電線桿進行沉降監(jiān)測；在洞內每隔5 m一個斷面分別在拱頂、兩側邊墻布設3個監(jiān)測點，監(jiān)測拱頂位移及水平收斂情況。

4 預防措施

坍塌冒頂事故會對隧道工程建設造成巨大的影響，嚴重影響工期增加投資，因此在隧道施工當中必須認真做好坍塌冒頂事故的預防工作，結合施工中存在的問題，在施工過程中可以從以下幾個方面做好預防工作:

1)設計方案應保證可靠性。路線方案的確定應該在充分的地質地形資料分析的基礎上進行，在保證道路線型指標的前提下，選擇合適的進洞點。初步設計階段，應該對進洞點區(qū)域進行詳細的現(xiàn)場調查，勘明地質巖性和隱患缺陷，調查隧道附近地表的構筑物及其受影響情況。8號路初擬方案現(xiàn)場定測后，隧道進口頂部有兩個高壓線桿，且邊坡巖性為崩坡積碎石土完整性差，經(jīng)調整，將隧道洞口位置向大渡河下游方向平移50 m，邊坡基巖出露，避開高壓線桿及不良地質，在設計的角度保證了方案實施的可行性。

2)做好洞頂?shù)乇淼呐潘５叵滤绊懯撬淼捞绊數(shù)囊粋€重要因素，隧道施工過程中要注意地下水的控制。洞內設置完善的排水設施，有利于洞室圍巖和初期支護的穩(wěn)定，有利于洞室開挖和出渣，確保施工安全和運行安全。洞內主要通過預埋盲管，設置縱向排水溝，防水層等措施排水。同時，應完善地表的排水措施，避免地表積水和大量雨水沿洞頂?shù)亓芽p下滲，短時間內大量地下水的涌入，導致圍巖松軟，內摩擦角和抗剪切強度減小，易造成圍巖失穩(wěn)，進而坍塌或冒頂。洞頂?shù)乇碇饕ㄟ^截水溝進行排水，確保坡面的雨水能順利排出。

3)控制各環(huán)節(jié)施工質量。新奧法施工過程中，嚴格控制施工工序、按照設計參數(shù)進行開挖支護施工是預防事故發(fā)生的關鍵。不良地質施工時需要實施超前支護措施，如超前錨桿、注漿小導管、大管棚等。注漿錨桿可以將松軟巖體進行串聯(lián)，鋼管具有一定的剛度，一端搭在拱架上，一端打入巖體中，可以承受松軟巖體的豎向自重應力，以上措施均可提高巖體的完整性和抗剪切能力。小導管和管棚可以向開挖掌子面前方巖體中注入水泥漿液，注漿的質量控制是超前支護的關鍵，水泥漿液將掌子面前方一定范圍的松軟巖體膠結成一個整體，洞室開挖時圍巖穩(wěn)定性增加，大大減小坍塌發(fā)生的幾率。針對不同的巖體應設置不同的施工參數(shù)，漿液配比、注漿壓力、注漿時間等均應嚴格控制。

根據(jù)地質情況選用合適的施工工藝，不良地質條件下公路隧道，一般采用臺階法、預留核心土法或中隔壁法進行施工。工法的參數(shù)應該嚴格按照規(guī)范要求來擬定：臺階法應使上下臺階的長度滿足規(guī)范要求，預留核心土工法中核心土的尺寸及周邊開挖順序應符合要求。不良地質段單循環(huán)進尺一般為1.5 m～2 m。初期支護施工完成后，應待變形基本穩(wěn)定后，及時施作二襯。8號路隧道冒頂事故調查發(fā)現(xiàn)，施工單位采用預留核心土工法施工，但核心土的尺寸較小，加之土體松軟，核心土受到影響很容易坍塌，掌子面兩側開挖時，未對稱均勻開挖，導致掌子面失穩(wěn)，工法失效。

洞室開挖成型至二次襯砌完成前，應該加強成型洞室的監(jiān)控量測。監(jiān)測洞頂?shù)乇淼某两担磧榷粗艿氖諗俊⒍错敵两档取Ｃ芮嘘P注監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化，用以指導后續(xù)隧道的施工，確保施工和運行安全。

5 結語

隧道施工過程中主要是要預防隧道坍塌和冒頂?shù)仁鹿实某霈F(xiàn)，根據(jù)地質資料，慎重設計路線方案，確定合適的隧道支護措施，對于軟弱圍巖路段，重點加強超前支護、注漿質量、開挖、襯砌施工等關鍵工序的施工質量，使施工質量管理體系化，防范于未然，減少隧道坍塌等質量事故的發(fā)生。