下洋2號隧道洞身塌方掉拱處理施工技術

陳志強

（中鐵一局集團有限公司，陜西 西 安 7 14000）

1 工程概況

泉三高速公路下洋2號隧道左線長662 m，起訖里程ZK103+790~ZK104+452，位于地震基本烈度Ⅵ度區(qū)。隧道處于構造剝蝕中低山地貌單元，隧道軸線經(jīng)過地段最大高程為740 m，線路橫穿一近東西向展布山梁，隧址區(qū)地形起伏較大，隧道進出口兩端地形較陡，坡度30°~45°，最陡可達60°。隧址區(qū)線路兩側(cè)溝谷發(fā)育，以隧道中部山嶺為分水嶺，兩側(cè)均有常年流水，附近溝谷有地下水出露，隧道線狀流水或涌水主要為基巖裂隙水和地表滲水。隧道洞身段通過多條小型構造破碎帶，洞身段巖石為弱~微風化炭質(zhì)泥巖、粉砂巖，大部地段含碳，圍巖破碎，膠結性差，結構松散，隧道開挖時，易出現(xiàn)線狀流水或涌水，易引起冒頂坍塌，施工時應引起足夠的重視，及時加強支護及防排水措施，防止洞室坍塌及涌水。

2 隧道設計

道路等級為雙向四車道高速公路，設計時速80 km/h，路面設計荷載為公路Ⅰ級，行車道寬度為2×3.75 m（單洞）。

隧道結構按新奧法設計，采用復合式襯砌，以錨桿、濕噴混凝土（鋼筋掛網(wǎng)）、鋼拱架等為初期支護，大管棚、超前注漿小導管、超前錨桿等為施工輔助措施，充分調(diào)動和發(fā)揮圍巖的自穩(wěn)能力，在監(jiān)控量測信息的指導下施作初期支護和二次模筑襯砌。

3 坍塌情況

下洋2號隧道左線ZK103+990~ZK103+997段因煤炭地質(zhì)原因，加之開挖仰拱和對存在欠挖但已初支完畢的仰拱進行返工的過程中操作不當，于2007年5月24日7時右側(cè)墻初支鋼拱架失穩(wěn)內(nèi)移開裂，并與拱部初支鋼拱架一起坍塌。該塌方影響縱向長度為25 m（ZK103+990~ZK104+015），塌落環(huán)向長度從右側(cè)拱腳至過拱頂向左3 m，塌落及變形工字鋼拱架共33榀，左側(cè)壁其余部分無變化。所幸塌方發(fā)生時，施工人員及施工機具及時撤離至安全地帶。塌方使正常的開挖掘進施工一度中斷達3個月之久。

4 坍塌原因

4.1 地質(zhì)原因

塌方段原設計為Ⅲ級圍巖，實際屬于Ⅴ級圍巖，工程地質(zhì)條件屬二選石炭系炭質(zhì)泥巖，洞身及其周邊圍巖均為煤矸石和泥質(zhì)頁巖夾層細砂巖，圍巖破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，地下水發(fā)育，并伴有大量裂隙水從側(cè)墻與拱部滲出，形成松散的流動體，圍巖自穩(wěn)性較差，頂板及側(cè)壁不穩(wěn)定，開挖易塌，初支結構受力較大，導致側(cè)墻與拱部失穩(wěn)、坍塌，是造成塌方的主要原因。

4.2 連帶因素

該塌方段上斷面開挖施工過程中曾出現(xiàn)過幾次小塌方，與之臨近的ZK103+984處2007年1月30日曾發(fā)生過較大塌方。上述塌方造成周邊圍巖基本失去自穩(wěn)能力，致使初支結構受力較大，圍巖已難經(jīng)受住再次撓動，對后續(xù)仰拱開挖時頂板及側(cè)壁穩(wěn)定性產(chǎn)生極為不利的影響，是造成塌方的重要原因。

4.3 其他因素

對于圍巖類別的降低并伴有大量裂隙水從側(cè)墻與拱部滲出可能造成坍塌的隱患，在施工仰拱時本應引起足夠的重視，及時加強支護及防排水措施，防止洞室坍塌及涌水，然而由于疏忽了上述隱患，在開挖仰拱和對存在欠挖但已初支完畢的仰拱進行返工的過程中操作不當，導致已施工好的右側(cè)壁邊墻與拱部掉拱、初期支護開裂坍塌，是造成塌方的人為原因。

5 塌方處理方案

（1）先加固ZK103+975~ZK103+990段初支，采用I18工字鋼環(huán)向加固15榀，間距1.0 m，打設Φ50鎖腳錨管并注漿（錨管長度為3.0 m），按環(huán)向間距1.0 m焊接φ25縱向連接筋，防止塌方向前發(fā)展。

（2）將二襯臺車推至ZK103+960~ZK103+951段澆注二襯砼；同時將φ500鋼管逃生通道從該二襯頭一直安置到塌方尾部，確保安全逃生。

（3）再加固ZK104+015~ZK104+030段初支，采用I18工字鋼環(huán)向加固15 m，間距0.75 m，打設鎖腳錨管并注漿（錨管長度為3.0 m），縱向連接筋間距1.0 m，避免塌方繼續(xù)發(fā)展。

（4）拉碴回填塌方段，回填至上下斷面交界高度位置處，并進行壓實，噴射C20砼20 cm厚封閉虛碴面，施工時注意安全。

（5）對塌方段左側(cè)打設Φ50鎖腳錨管并注漿飽滿，每榀共打設3對（6根），對左側(cè)壁進行初支補強。

（6）對ZK103+990~ZK104+015段塌腔進行注漿加固，避免塌腔坍塌擴大。

（7）從ZK103+990右側(cè)起施作第1環(huán)Φ50超前導管，開始換拱，換拱必須確保安全，逐榀進行換置，先換至上斷面，換拱是處理塌方的關鍵工序，應高度重視各個環(huán)節(jié)，確保換拱順利通過，各工序如下：①根據(jù)實際情況，往小里程緊鄰ZK103+990的第2榀已初支拱架未發(fā)生裂縫、沉降與變形等不利變化，先將此榀拱架拱頂向左側(cè)3 m、向右側(cè)9 m，環(huán)向共12 m范圍內(nèi)噴射砼用風鎬鑿開，露出I18a工字鋼肋部，按環(huán)向間距25 cm對型鋼肋部燒孔48個，施做48根φ50超前注漿鋼管，鋼管長5.0 m/根，并注漿至飽滿，之后對此榀拱架進行30 cm厚C20砼復噴，恢復支護，形成棚架式支護體系。塌方段以后每榀照此施作1環(huán)超前導管。②根據(jù)左側(cè)壁未發(fā)生裂縫變化的實際情況，先將過拱頂左側(cè)第一個拱架連接頭用風鎬鑿開，卸掉螺栓。③在對進行換拱的拱架與下一品需換拱的拱架間的初支砼面上用電鉆打孔，孔深20cm，環(huán)向孔間距為1 m，然后裝微量炸藥進行爆破，達到露出縱向連接筋的效果。④在已露出的縱向連接筋上面關木模，形成保護平臺，防止掉碴傷人，然后割除縱向連接筋。⑤用挖掘機拆除已被分離的該榀拱架，在現(xiàn)場加工成品拱架，成品拱架應已焊好縱向連接筋（環(huán)向間距50 cm）及雙層鋼筋網(wǎng)片，用挖掘機將成品拱架安裝就位。⑥在右側(cè)拱腳處縱向安裝工字鋼，將成品拱架拱腳直接落在該工字鋼上面。⑦工人站在左側(cè)安全初支下面噴射C20砼，外露出與下一榀拱架縱向連接頭。⑧對已換置好拱架右側(cè)采用一根2 m長的工字鋼進行斜向支撐，并加橫向支撐（一端頂住左側(cè)壁，一端頂住已換拱架側(cè)壁），避免右側(cè)再次塌方對拱架造成偏壓變形。⑨按照上述步驟逐榀進行上斷面換拱。

（8）進行右側(cè)下斷面換拱及仰拱施工，要求逐榀拆除、逐榀施工，逐榀施工仰拱及填充，下斷面型鋼拱架插入仰拱偶腳處圍巖內(nèi)1 m，確保仰拱開挖時不暴露出拱腳，而仰拱拱架安裝時采用與下斷面拱架進行側(cè)面焊接。

（9）左側(cè)仰拱及填充和右側(cè)同時施工，及時封閉成環(huán)。

（10）施作塌方段二襯前，對右側(cè)塌腔分次泵送砂漿進行充填密實。

（11）塌方段ZK103+990～ZK104+015段二襯加設鋼筋，二襯砼標號提高到C30。

6 塌方搶險施工工藝

6.1 施工設計（見圖1、圖2、圖3）

圖1 塌方搶險處理洞身俯視示意圖

圖2 Ⅰ-Ⅰ（Ⅲ-Ⅲ）剖面圖

圖3 Ⅱ-Ⅱ剖面圖

6.2 超前導管（錨管）設計參數(shù)

（1）注漿材料為水泥漿，水泥漿水灰比1∶1。當?shù)叵滤^大時，注漿材料采用水泥-水玻璃漿液，水泥漿與水玻璃體積比1:0.5，水玻璃濃度35波美度，水玻璃模數(shù)為2.4。

（2）注漿壓力：初壓力 0.5 MPa～1.0 MPa，終壓力 2.0 MPa～3.0 MPa，終壓力持續(xù)30 min。

（3）超前導管（錨管）采用φ50熱扎無縫鋼管，壁厚4 mm，管節(jié)長度鎖腳錨管3.0 m、左側(cè)壁注漿管5.0 m、超前導管5.0 m，管口段1.2 m鋼管不開孔，其余部分按15 cm間距交錯設置注漿孔，孔徑8 mm，鋼管頭部10 cm長度加工成錐形的導向帽。超前導管搭接長度4.2 m，外插角為10°孔口處設置止?jié){塞，止?jié){塞應能承受最大注漿壓力。

6.3 搶塌方施工工藝

6.3.1 超前小導管的制作與安裝

超前導管接長采用“V”型對焊。在塌體松散部分安裝超前導管直接采用挖掘機撞擊推入至設計位置，原巖部分及塌體較硬部分則采用鑿巖鉆機鉆孔，鉆孔直徑60 mm，之后人工下管至設計位置，見圖4。

圖4 Φ50注漿小導管大樣圖

6.3.2 注漿

按施工配合比要求配制單液漿，視具體情況，如果地下水位較大時，配制雙液漿，采用雙液注漿機進行注漿，嚴格控制水灰比及注漿壓力（初壓力與終壓力），注漿開始應采用較大的水灰比，之后逐漸變小，注漿壓力逐漸增大，達到終壓時應繼續(xù)注漿30min，直至飽滿為止。注漿應從底孔位向高孔位的順序進行，使?jié){液能快速分散至塌體及周邊圍巖內(nèi)，充滿塌體及周邊圍巖間之裂縫、起到固結塌體及周邊圍巖之目的。

6.3.3 成品鋼拱架制作

在現(xiàn)場加工制作成品拱架，成品拱架應已焊好縱向連接筋（環(huán)向間距50 cm）及雙層鋼筋網(wǎng)片。6.3.4 上斷面換拱施工

換拱每循環(huán)進尺僅限于1榀的間距，采用電鉆打淺孔，微量炸藥爆破塌腔變形初支砼，露出并分離工字鋼拱架、縱向連接筋及鋼筋網(wǎng)片，用挖掘機拆除已被分離部分，之后采用人工或風鎬開挖固結體，開挖斷面應有30 cm的預留沉降量，并對開挖面立即初噴5 cm厚砼，緊跟施作系統(tǒng)錨桿，用挖掘機將成品拱架安裝就位，施作Φ50鎖腳注漿錨管，復噴砼覆蓋鋼拱架，完成初支。如此循環(huán)，上斷面塌體貫通后，轉(zhuǎn)入塌體下斷面換拱施工。

6.3.5 下斷面換拱施工

右側(cè)下斷面換拱也是每循環(huán)進尺僅限于1榀的間距，采取逐榀拆除、開挖固結體、初噴、施作系統(tǒng)錨桿、安裝鋼拱架和掛網(wǎng)支撐、復噴施工。下斷面型鋼拱架插入仰拱偶腳處圍巖面1 m深度，仰拱拱架安裝時采用與下斷面拱架進行側(cè)面焊接，確保仰拱開挖時不暴露出拱腳。如此循環(huán)，下斷面塌體貫通后，轉(zhuǎn)入塌體仰拱施工。

6.3.6 仰拱施工

左右半幅仰拱同時施工，仰拱施工同樣每循環(huán)進尺僅限于1榀的間距，逐榀完成開挖、初噴、施作系統(tǒng)錨桿、安裝鋼拱架和掛網(wǎng)支撐、復噴施工，并逐榀完成仰拱現(xiàn)澆砼與填充，及時封閉成環(huán)。

6.3.6 塌腔充填

在施作二襯前，對右側(cè)塌腔分次泵送砂漿充填密實，恢復初支背后拱形受力體系，消除安全隱患。

6.3.7 二襯施工

按設計要求綁扎塌方段二襯鋼筋網(wǎng)，及時施作二襯，使二襯作為一個受力結構，確保整個塌方段安全。

6.2 搶塌方施工工藝流程圖

見圖5。

6.3 搶塌方處理時間和效果

塌方搶險從2007年5月26日至8月30日結束，整個施工期間安全無事故。塌方段前后端初支得到及時加固，塌方不再延伸發(fā)展；塌方段左側(cè)壁經(jīng)過錨管注漿、初支補強后，保持了穩(wěn)定、無變化。塌腔經(jīng)過注漿固結，換拱開挖后情況表明，塌體已基本固結成為一個整體，邊墻及拱部圍巖具備了一定的自穩(wěn)能力，為上下斷面換拱開挖及初支施工、仰拱開挖及初支施工，全斷面順利封閉成環(huán)奠定了堅實的基礎。塌方段初支系統(tǒng)全斷面封閉成環(huán)后，經(jīng)過監(jiān)控量測的周邊收斂及拱頂下沉時態(tài)曲線圖表資料分析顯示，水平收斂速度小于0.15mm/d、拱頂位移速度小于0.1mm/d，圍巖已基本穩(wěn)定，塌方搶險施工順利完成，達到預期目的。

7 搶塌方處理總結和體會

（1）隧道施工中，我們雖然按設計及規(guī)范施工，對炭質(zhì)圍巖及地質(zhì)條件的變化有一定認識，施工中也積極采取了一些措施，但實踐證明我們的認識和方法還存在不足，尤其對炭質(zhì)圍巖的復雜不利性沒有得到充分的重視，所采取的措施仍需改進加強。

圖5 工藝流程圖

（2）科學謹慎的施工力度不夠，雖然對炭質(zhì)圍巖的施工反復強調(diào)“管超前，嚴注漿，短開挖，強支護，勤量測，早封閉”的原則，但在實際施工中卻因盲目搶進度而忽視了炭質(zhì)圍巖的危害性，未能及時調(diào)整施工方法和工序，導致?lián)p失。

（3）該塌方搶險期間未發(fā)生一起事故，大塌方的成功處理確保了隧道施工安全，也保證了將來隧道運營安全，這得益于行之有效的處理方法和科學合理的施工組織管理，為今后類似塌方處理施工積累了寶貴的經(jīng)驗。