某項(xiàng)目公路隧道塌方處理技術(shù)分析

姚濤

（中國水利水電第七工程局有限公司，四川成都610213）

0 引言

公路隧道在設(shè)計(jì)中通常是結(jié)合道路全線路統(tǒng)籌考慮，假如穿越地質(zhì)條件復(fù)雜的山體，在開挖施工過程中就可能遇見塌方風(fēng)險(xiǎn)，塌方會給隧道施工造成極大的危害，比如延誤工期、出現(xiàn)比較嚴(yán)重的機(jī)械損失，甚至威脅著施工人員的生命安全。

因此，防塌、治塌工作已經(jīng)成為隧道施工的首要問題，本文結(jié)合某項(xiàng)目公路隧道施工中所遭遇的塌方現(xiàn)象及塌方后治理措施總結(jié)了相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，為類似隧道提供塌方預(yù)防和塌后治理提供參考。

1 工程概況

某項(xiàng)目公路隧道是一條淺埋長隧道大斷面的隧道，為一條雙向分離式隧道，單向長度分別為2016m（左洞起止樁號為Km18+294.5～Km20+310.5）和1995m（ 右洞起止樁號為Km18+279.5～Km20+274.5），總長4011m。開挖的隧道半徑為5.625m，高度為10.05m，成型凈空為9.9m×6.7m（寬×高），最大斷面為106m2，縱坡坡度為2.5%，隧道洞口部分埋深20～30m，最大埋深為180～200m，采用“新奧法”進(jìn)行開挖支護(hù)施工，每條隧道采用雙向掘進(jìn)開挖施工。該項(xiàng)目隧道開挖于2014年11月1日開始施工，由于復(fù)雜的地質(zhì)條件，截至2018年5月29日，實(shí)際開挖3486.6m，V 級圍巖開挖2311.5m，占隧道實(shí)際開挖長度的66.3%，預(yù)測后續(xù)V 級圍巖有524.4m。在3年多的施工中先后處理了大小塌方20 處，施工難度不一。

2 地質(zhì)情況介紹

隧道穿越山體覆蓋層及全風(fēng)化巖體厚度較大，穿越石墨片巖，絹云母片巖，石灰?guī)r及石灰?guī)r溶洞，隧道穿越4 個(gè)斷層帶，斷層帶位于18+560，18+920，19+740，20+000，斷層傾角與隧道軸線夾角約35o，走向與隧道夾角50o，斷層帶內(nèi)為全風(fēng)化片巖及泥質(zhì)材料，受斷層影響，接觸部圍巖強(qiáng)烈破碎，張裂隙發(fā)育，在雨季可見明顯滲水，偶見石英巖脈。

3 塌方處理技術(shù)

在3年來的施工過程中，隧道遇到的塌方相對較多，種類不一，其中具有代表性的塌方有冒頂塌方、軟弱破碎巖石塌方、溶洞塌方、滲水塌方及涌水塌方等五種由地質(zhì)原因引起的塌方，并根據(jù)塌方產(chǎn)生的原因和現(xiàn)場實(shí)際情況制定了以下五種處理技術(shù)：

3.1 冒頂塌方處理技術(shù)

2015年6月30日隧道出口左洞K20+249 掌子面發(fā)生塌方，導(dǎo)致4 榀格柵拱架發(fā)生變形，頂部30cm 厚度的噴射混凝土及雙層Q226 鋼筋網(wǎng)片發(fā)生破壞，掌子面出現(xiàn)黃色黏性土，局部濕潤。觀察塌方部位有繼續(xù)塌方的趨勢，在撤離所有施工人員和設(shè)備之后，塌方范圍開始擴(kuò)大，同一天塌方位置的地表發(fā)生沉陷，地表沉陷沿著隧道軸線范圍約為22m（K20+240～K20+262），垂直隧道軸線范圍約為15m。塌方處距離洞口31m，設(shè)計(jì)平均埋深9.57m[1]。塌方圖片參見圖1。

原因分析：由于隧道K20+240～K20+262 冒頂塌方發(fā)生位置（距離洞口31m）在距離隧道口較近，土體主要為黏性黃土，腐殖土覆蓋部位。由于塌方段位于洞口段，而洞口段通常為堆積層或風(fēng)化嚴(yán)重、破碎的巖體，其自穩(wěn)能力及整體能力均較差，同時(shí)處于淺埋地段，進(jìn)洞后引起洞口頂端的圍巖發(fā)生應(yīng)力重分布，在重力作用下出現(xiàn)下沉或開裂變形。當(dāng)變形發(fā)展到一定程度時(shí)，極限平衡就被打破，導(dǎo)致大面積的整體失穩(wěn)，進(jìn)而發(fā)生塌方。

處理措施：針對這種情況，主要采用移除冒頂部位的土體，改為臨時(shí)邊坡，后期完成二襯混凝土結(jié)構(gòu)之后進(jìn)行再次回填；同時(shí)對塌方附近已完初支面進(jìn)行二次加固，增加初支的剛度，降低施工的安全風(fēng)險(xiǎn)。為了保證二襯混凝土的剛度，需要對二襯混凝土的厚度及鋼筋進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，以確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

3.2 軟弱破碎巖石塌方處理技術(shù)

2015年7月21日，隧道進(jìn)口右洞K18+537.5～K18+539 段準(zhǔn)備進(jìn)行噴射混凝土施工時(shí)，發(fā)生塌方。勘察發(fā)現(xiàn)塌方段圍巖位于斷層破碎帶，巖石為石墨片巖較軟。塌方體堵塞掌子面，塌方體堆積至距離掌子面10m 左右范圍，頂部厚度30cm 的初期支護(hù)噴射混凝土及兩層Q226 網(wǎng)片及拱架發(fā)生破壞，距離掌子面20m 的位置K18+511～K18+521 處出現(xiàn)裂縫，掌子面有局部的滲水現(xiàn)象。塌方體位置設(shè)計(jì)平均埋深47m。塌方圖片參見圖2。

圖2 軟弱破碎巖石塌方圖

原因分析：塌方段位于斷層破碎帶，受構(gòu)造裂隙影響，圍巖極其破碎，呈小塊狀，無自穩(wěn)能力，并且該段圍巖裂隙水較發(fā)育。由于巖石過于破碎且構(gòu)造裂隙發(fā)育，開挖初期支護(hù)以后，巖石無法進(jìn)行應(yīng)力重分布，導(dǎo)致破碎圍巖自重遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)初支承載能力，最終導(dǎo)致塌方。

處理措施：針對這種情況，主要采取裂縫加固、塌方段臨空面封堵、塌方散體注漿、塌方段洞身固結(jié)灌漿、塌腔體回填和掌子面預(yù)固結(jié)灌漿及超前管棚超前支護(hù)措施，塌方段開挖采用預(yù)留核心土三臺階機(jī)械開挖，降低開挖對圍巖的進(jìn)一步擾動[2]。

3.3 溶洞塌方處理技術(shù)

2016年5月10日凌晨3：00，隧道出口右洞K19+902.5 在安裝完成一榀格柵拱架和兩層Q226 網(wǎng)片后，掌子面發(fā)生塌方，并損壞K19+902.5 處安裝好的格柵拱架一榀和安裝的兩層Q226 網(wǎng)片，塌方處有8 塊直徑約為3m 的大塊徑巖石滾落至掌子面，將掌子面堵塞。經(jīng)現(xiàn)場勘探K19+890.4～K19+904 塌方處圍巖破碎，裂隙發(fā)育，并在裂隙之間有泥夾層，出現(xiàn)疑似溶洞，溶洞內(nèi)有大塊徑的石頭并有黃泥夾層，并有較大滲水，局部出現(xiàn)涌泥現(xiàn)象，該位置設(shè)計(jì)埋深為45.67m。隨后進(jìn)行取芯鉆探進(jìn)行驗(yàn)證，觀測鉆取的巖芯溶蝕驗(yàn)證，推斷該處存在溶洞，加強(qiáng)探測后探明該段發(fā)育有充填型溶洞。塌方圖片參見圖3。

圖3 溶洞引起塌方的現(xiàn)場圖片

原因分析：由于洞頂出現(xiàn)溶洞，當(dāng)隧道開挖時(shí)，溶洞內(nèi)部的塊體巖石與巖石之間夾泥的黏聚力不足以支撐體積較大的巖石，導(dǎo)致塊體較大巖石全部承壓在已完的初期支護(hù)上，加之滲水致使溶洞頂部的土體逐漸向下移動，圍巖發(fā)生失穩(wěn)，最終導(dǎo)致塌方。

處理措施：針對這種情況，主要采用“超前帷幕灌漿+超前支護(hù)+加密格柵拱架+加密系統(tǒng)錨桿”綜合技術(shù)。依靠超前注漿和超前在隧道開挖輪廓線外形成較厚的注漿加固圈，提高圍巖自穩(wěn)時(shí)間和強(qiáng)度，并預(yù)留一到兩根超前管棚作為滲流引流通道，同時(shí)在滲水較為嚴(yán)重的已完初支面增設(shè)排水孔，達(dá)到加固圍巖和引流滲水降低滲水壓力的目的[3]。

3.4 滲水塌方處理技術(shù)

2016年7月5日至2016年7月7日連續(xù)降暴雨，2016年7月7日隧道出口右洞K19+870.3 在出渣過程中掌子面頂部發(fā)生坍塌，塌方深度4m，高度約為1m，上部的管棚全部露出，地質(zhì)揭露為松散的黃土，2016年7月8日掌子面開始從頂拱處持續(xù)涌出泥石，并多處出現(xiàn)大量多股水流，管棚被壓斷，K19+876、K19+884 部位的初支面被破壞并開裂沉降，測量實(shí)測初支面下降10cm，且K19+875～K19+870.3 段完成的初支面整體沉降，K19+876 位置出現(xiàn)明顯的裂縫。該部位設(shè)計(jì)地表埋深52.4m。2016年7月8日勘察隧道地表，在出口右洞頂部地表K19+900～K19+880 發(fā)生面積約為4m×5m，深度2～4m 塌陷。 塌方圖片參見圖4。

原因分析：由于連續(xù)降暴雨，導(dǎo)致地表水大量深入隧道內(nèi)部，使遇水軟化的黃土發(fā)生塌方。

處理措施：針對這種情況，主要是采用塌方體表面噴混凝土及內(nèi)部注漿加固、固結(jié)灌漿、掌子面預(yù)灌漿、超前支護(hù)、臺階開挖支護(hù)及管棚施工的聯(lián)合開挖支護(hù)方法進(jìn)行掌子面處理措施，采用裂縫處安裝二次拱架進(jìn)行加固，并噴射30cm 厚MB30 混凝土的處理措施[4]。

3.5 涌水塌方處理技術(shù)

2017年11月11日23∶30，出口右洞在完成上半洞K19+445.6～K19+444.6 初噴后準(zhǔn)備進(jìn)行立拱支護(hù)時(shí)突遇大量地下水涌出，頂拱持續(xù)坍塌，造成一榀拱架垮塌，四榀拱架變形，管棚斷裂，頂拱形成垮塌空腔約5m×6m×5m。塌方體位置的設(shè)計(jì)平均埋深為164m。塌方圖片參見圖5。

圖5 涌水塌方圖

原因分析：由于突遇大量地下水涌出，致使地下水軟化、溶解破碎的巖體，導(dǎo)致巖體黏聚力降低，加劇巖體失穩(wěn)最終導(dǎo)致塌方。

處理措施：針對這種情況，主要采用塌方體混凝土封閉、分層回填混凝土、涌水引流、固結(jié)灌漿、超前小導(dǎo)管、型鋼加強(qiáng)支護(hù)臺階開挖的聯(lián)合方法進(jìn)行處理措施。封閉塌方體防止涌水軟化塌方體，分層回填混凝土防止倒錘形的空腔頂部圍巖進(jìn)一步失穩(wěn)造成塌方擴(kuò)大，涌水引流降低涌水揚(yáng)壓力對圍巖應(yīng)力的擾動造成圍巖失穩(wěn)，固結(jié)灌漿增加巖石的整體性，降低空腔頂部圍巖的塌方風(fēng)險(xiǎn)，由于塌方空腔過大，埋深較深，經(jīng)設(shè)計(jì)驗(yàn)算采用加強(qiáng)的型鋼支護(hù)方式進(jìn)行塌方段的開挖支護(hù)，確保施工安全[5]。

4 塌方預(yù)防技術(shù)

通過上述塌方實(shí)例，可知由地質(zhì)因素引起的塌方是不可預(yù)見的，但是并非不可預(yù)防。通過3年多的項(xiàng)目實(shí)施，也制定了一系列的預(yù)防措施，具體如下：

第一，采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行超前預(yù)報(bào)。

第二，做好掌子面地質(zhì)素描的分析。

第三，加強(qiáng)施工監(jiān)測，包括測量掌子面的變形、頂拱下沉、周邊收斂、圍巖內(nèi)部位移、鋼支撐受力情況的監(jiān)測。

第四，加強(qiáng)滲水觀測和量測，對滲水較大的地段增設(shè)排水孔，做好地下水承壓水和滲水的引流。

第五，有必要的時(shí)候進(jìn)行巖芯取芯檢查。

第六，對季節(jié)性的降雨做好統(tǒng)計(jì)，提前預(yù)防降雨導(dǎo)致的滲水和涌水現(xiàn)象。

第七，施工過程中要嚴(yán)格按照“新奧法”施工原理進(jìn)行開挖。

第八，對于破碎圍巖加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)及改變圍巖屬性，可提前采用掌子面預(yù)固結(jié)灌漿的方式增加圍巖的整體性從而改變圍巖屬性。

5 結(jié)語

綜上所述，對于埋深較淺的大型塌方，為了安全起見，采用開挖的方式較為合理安全。對于洞身埋深較深，主要是采用塌方體固結(jié)、掌子面預(yù)固結(jié)灌漿、混凝土回填腔體、滲水引流、塌方裂縫段固結(jié)灌漿、超前錨桿、超前小導(dǎo)管、超前管棚及型鋼加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)等具體措施進(jìn)行處理。對于塌方預(yù)防主要還是采用超前預(yù)報(bào)、施工監(jiān)測、圍巖條件分析、施工過程嚴(yán)格控制及加強(qiáng)支護(hù)構(gòu)造改變圍巖自身屬性的方式。