砂層隧道穿越塌方區(qū)施工

張瑞俊

1 概述

關(guān)角隧道為雙洞單線隧道，全長32.6 km，采用鉆爆法施工。隧道通過區(qū)屬青藏高原亞寒帶半干旱氣候區(qū)，根據(jù)天竣縣氣象站(地理坐標(biāo):N37°18′E99°02′，海拔高程:3 417.1 m)資料，年平均氣溫-0.5℃，極端最高氣溫28.0℃，極端最低氣溫-35.8℃，最大月平均日溫差24.7℃，年平均降水量341.6 mm，年最大降水量453.2 mm，年平均蒸發(fā)量1 791.4 mm，最大積雪厚度21 cm，最大凍結(jié)深度299 cm。

隧道進(jìn)口位于布哈河階地后緣，地形開闊，上部為第四系沖、洪積砂質(zhì)黃土、細(xì)砂及粉質(zhì)粘土，厚度較大，進(jìn)口段550 m均以第四系細(xì)砂為主，貧水區(qū)，地質(zhì)條件差，開挖后洞室自穩(wěn)能力極差，極易發(fā)生塌方事故，施工風(fēng)險(xiǎn)較高。

2009年4月28日凌晨2時(shí)許，正洞Ⅱ線DyK280+995前方出現(xiàn)裂縫并迅速擴(kuò)大，5 min左右便發(fā)生坍塌，此后拱部塌腔內(nèi)不斷掉塊，直至2009年4月28日15時(shí)，拱部塌腔高約5 m，沿隧道前進(jìn)方向長度約8 m，寬度10 m。此處隧道塌方區(qū)埋深12 m～19 m，塌方的主要原因是由于現(xiàn)場挖掘機(jī)出渣過程中，對拱部初期支護(hù)的碰撞，導(dǎo)致初期支護(hù)發(fā)生變形，砂層連續(xù)滑塌，導(dǎo)致初期支護(hù)不能承載滑塌粉細(xì)砂的重量，最終導(dǎo)致出現(xiàn)塌方。

2 塌方處理

2.1 塌方情況

此次塌方面積較大，拱頂較高，塌方體體積至少在200 m3以上，拱部極其不穩(wěn)定，局部掉土塊，此次塌方持續(xù)時(shí)間有10 h之多，基本穩(wěn)定后，拱頂形成塌腔，塌方區(qū)向洞口方向已經(jīng)支護(hù)的鋼拱架有4榀變形，故不敢輕易施工。已施工的φ50超前注漿導(dǎo)管及超前管棚全部脫落，在隧道拱頂形成一個(gè)較大的空洞。

此次塌方主要原因是:

上臺(tái)階開挖時(shí)機(jī)械碰撞導(dǎo)致，對中下臺(tái)階的影響較小，上臺(tái)階的操作空間較小，因此對于采用鋼支撐支護(hù)塌方區(qū)的方案不能實(shí)施，原因如下:

1)安全不能保證，拱頂較高，人員無法進(jìn)行施工;

2)內(nèi)部搭設(shè)木排架等施工方案均不能實(shí)行;

3)從地表進(jìn)行開挖，然后上臺(tái)階按照明洞進(jìn)行支護(hù)的方案不能夠滿足環(huán)保的要求，因?yàn)榇颂幩淼赖乇黼`屬高原草原生態(tài)環(huán)境，生態(tài)結(jié)構(gòu)相當(dāng)脆弱。

2.2 塌方處理方案

2.2.1 回填塌腔及鋪墊作業(yè)平臺(tái)

為了保證施工中人員及機(jī)械安全，先利用挖掘機(jī)往滑塌體上盡可能多的回填土，并用人工配合填土或者堆碼砂袋封閉掌子面，回填土及堆碼的砂袋盡可能超出初期支護(hù)界限(目的是在泵送完成混凝土填充后，填充混凝土的內(nèi)輪廓不能侵入隧道初期支護(hù)的輪廓內(nèi)，防止施作初期支護(hù)時(shí)，再次對填充混凝土進(jìn)行鑿出處理)，并預(yù)埋至少兩根輸送泵管，一根用作灌注混凝土，一根作為灌注混凝土高度的觀察孔(基本了解塌腔內(nèi)部填充混凝土的厚度)，要求輸送泵管超出現(xiàn)初期支護(hù)輪廓拱部1.5 m，主要是確保內(nèi)部填充的泵送混凝土厚度基本能夠達(dá)到1.5 m，確保上部掉塊的沖擊力不能將混凝土砸壞，導(dǎo)致后期初期支護(hù)的處理比較麻煩(見圖1)。除此之外還安裝了接近塌方體頂端的預(yù)留φ100噴砂管道，便于最后進(jìn)行剩余空腔的噴砂填充。

圖1 穩(wěn)定塌方區(qū)平面示意圖

填充塌腔的同時(shí)，在塌方段向洞口方向鋪墊作業(yè)平臺(tái)，作業(yè)平臺(tái)采用洞外棄渣鋪墊，鋪墊高度根據(jù)現(xiàn)場施工需要確定?，F(xiàn)場施工時(shí)，利用PC130挖掘機(jī)及小松380裝載機(jī)配合，將洞外運(yùn)至洞內(nèi)的渣體向塌方口及塌腔下部進(jìn)行堆放，確保堆放的渣體對塌腔上部的掉塊有一定的封擋作用，保證掉塊不能沿塌方體斜坡向下滾行，傷害施工人員及對機(jī)械設(shè)備造成威脅。另外堆放渣體填充塌腔下部區(qū)域，有利于下部超前施作鋼軌的下部支撐，確保填充的混凝土對鋼軌的壓力不能導(dǎo)致鋼軌變形較大，確保開挖后初期支護(hù)的凈空要求。

回填渣體施工至距離已施作初期支護(hù)拱頂0.6 m～1 m時(shí)，開始采用人工堆碼砂袋對整個(gè)塌腔口進(jìn)行封堵，封堵過程中，對內(nèi)部空腔內(nèi)塌方體及回填渣體沒有超出初期支護(hù)界限的，用砂袋進(jìn)行拋填，確?；救砍龀跗谥ёo(hù)界限，避免泵送的混凝土侵入。

上述工作于2009年4月29日21時(shí)完成，回填渣體98 m3，堆碼砂袋324個(gè)。

2.2.2 施作初支加強(qiáng)環(huán)

由于DyK280+992～DyK280+995段為管棚洞室，比隧道正常初期支護(hù)斷面周邊要擴(kuò)大40 cm～60 cm，為加強(qiáng)已施工初支，在不侵入二襯限界的情況下，在此段管棚洞室內(nèi)加設(shè)Ⅰ16鋼架(初支加強(qiáng)環(huán))，鋼架間距50 cm，掛φ8鋼筋網(wǎng)，內(nèi)鋼架噴射25 cm厚混凝土，加強(qiáng)此區(qū)域初期支護(hù)強(qiáng)度，防止泵送混凝土填充時(shí)對此區(qū)域的影響。在DyK280+995處設(shè)置兩榀并排Ⅰ16鋼架，鋼架與現(xiàn)初期支護(hù)鋼架間要預(yù)埋鋼軌導(dǎo)向管，導(dǎo)向管采用φ100 mm的鋼管制作，長度1 m，以便對鋼軌穿過，導(dǎo)向管安裝的上仰角度為5°，埋設(shè)導(dǎo)向管26根，兩榀并排的鋼架及導(dǎo)向管共同作為鋼軌的后端支撐體，鋼架間采用22螺紋鋼(環(huán)向間距80 cm)連接牢固，噴射C25混凝土進(jìn)行加固，并與原有初支鋼架連接成整體。上述工作于2009年4月30日22時(shí)完成。

2.2.3 施打超前輕軌

待掌子面封閉、加強(qiáng)支護(hù)、支撐鋼架及導(dǎo)向管施作完成后，施作一環(huán)超前鋼軌(24 kg/m)，鋼軌長度10 m～15 m，鋼軌長度確保能夠插入前方未塌方的砂體內(nèi)，作為鋼軌的前支撐點(diǎn)，環(huán)向間距20 cm，角度與預(yù)埋的導(dǎo)向管的角度一致，超前鋼軌采用挖掘機(jī)頂進(jìn)。鋼軌尾端采用箍筋與并列兩榀工字鋼焊接牢固(見圖2)。超前輕軌在2009年5月2日2時(shí)施工完成。

圖2 插入鋼軌示意圖

2.2.4 灌注C20混凝土

使用混凝土輸送泵通過之前預(yù)埋的輸送泵管泵送混凝土至塌腔內(nèi)，考慮到鋼架的承重能力，分次泵送，嚴(yán)格控制泵送混凝土速度及每次泵送混凝土的方量，每泵送混凝土70 m3時(shí)，停止3 h，待漿液從檢查管溢出時(shí)，則停止施工。由于塌腔高度為5 m，考慮施工及運(yùn)營安全，二襯施作完成后再次噴砂填滿塌腔(見圖3)。

圖3 泵送混凝土示意圖

2.2.5 塌方區(qū)上臺(tái)階開挖及支護(hù)

2009年5月5日，塌腔內(nèi)混凝土凝固后，以每循環(huán)進(jìn)尺0.5 m，嚴(yán)格按照七步臺(tái)階法開挖及設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)支護(hù)，每個(gè)臺(tái)階均加設(shè)臨時(shí)橫支撐。初支鋼架與超前鋼軌之間達(dá)到密實(shí)，若空間小時(shí)，用噴射混凝土噴填密實(shí);若空間過大，初支鋼架與超前鋼軌間用鋼架支撐連接，確保超前鋼軌受力大部分轉(zhuǎn)移至初支鋼架上。隨著開挖進(jìn)尺的不斷推進(jìn)，鋼軌的后端支撐逐漸增強(qiáng)。為確保鋼軌前端的角度問題，填充的混凝土初期支護(hù)輪廓面較大，則進(jìn)行超前導(dǎo)管支護(hù)，設(shè)置雙層φ50小導(dǎo)管，導(dǎo)管長度3.5 m，內(nèi)部注雙液漿，水泥∶水∶水玻璃體積比為1∶1∶1，注漿壓力控制在0.5 MPa～1 MPa之間，確保對松散砂體的局部固結(jié)及積壓，保證了開挖支護(hù)過程中的安全、穩(wěn)定施工。

在2009年5月15日對此段進(jìn)行上臺(tái)階開挖及支護(hù)施工，施工采用上臺(tái)階短進(jìn)尺開挖，開挖采用人工配合機(jī)械開挖，機(jī)械采用PC130挖掘機(jī)，將挖掘機(jī)斗齒進(jìn)行改裝，在挖斗兩側(cè)安裝了兩塊鋼板，起到鏟刀的作用，避免對后端初期支護(hù)的碰撞。開挖后及時(shí)支護(hù)，噴射混凝土26 cm，在5月27日11時(shí)下導(dǎo)施工完成，經(jīng)過量測，拱頂及邊墻沒有發(fā)生位移，5月27日20時(shí)，開始施工仰拱以及C10片石回填，5月30日8時(shí)施工二次襯砌。

2.2.6 噴砂回填剩余空腔

完成二襯施工后，在2009年6月12日，對剩余空腔進(jìn)行噴砂填充，噴砂采用河南耿力生產(chǎn)的干噴機(jī)，砂子規(guī)格采用粒徑小于5 mm的河砂，直至不能噴射為止，共計(jì)噴砂48 m3(見圖4)。

圖4 噴砂填充示意圖

3 塌方處理注意事項(xiàng)

1)回填塌腔時(shí)，要確保塌腔大里程處的密封性，防止填充混凝土?xí)r，將前方未塌方段灌滿混凝土，影響下步施工，同時(shí)要有專人負(fù)責(zé)對塌腔的觀察，防止土層脫落，對施工機(jī)械及人員造成危害。

2)施作加強(qiáng)環(huán)時(shí)，要預(yù)留鋼軌穿越的足夠空間，并確保加強(qiáng)環(huán)的基底牢固，與現(xiàn)有初期支護(hù)進(jìn)行有效連接，確保整體受力良好。

3)采用挖掘機(jī)進(jìn)行頂軌施工時(shí)，挖掘機(jī)挖斗與鋼軌接觸面設(shè)置鋼軌固定裝置，可采用鋼板及鋼管焊接，確保頂軌過程中，安全、準(zhǔn)確的控制鋼軌的方向及位置。

4)填充混凝土?xí)r，要分次進(jìn)行泵送，同時(shí)對初期支護(hù)段(DyK280+992～DyK280+995段)進(jìn)行密切觀察，如出現(xiàn)開裂等現(xiàn)象，立即停止施工，及時(shí)進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。

5)開挖過程中，嚴(yán)格控制臺(tái)階長度及開挖進(jìn)尺，并及時(shí)施作橫向水平支撐，采用先拉中槽，再開挖兩側(cè)的施工方法。開挖后要及時(shí)進(jìn)行初期支護(hù)，并確保初期支護(hù)對鋼軌或填充混凝土體有充分的支撐作用。

4 塌方處理效果

2009年7月25日對于此處塌方段，經(jīng)過自檢，沒有出現(xiàn)任何位移，在業(yè)主的幾次地質(zhì)雷達(dá)監(jiān)測過程中，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部密實(shí)，不存在任何的安全隱患。

經(jīng)過此次塌方處理所總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，這種施工工藝適用于公路隧道或鐵路隧道砂層、黃土及軟弱圍巖的隧道塌方，并且塌方區(qū)域較大，處理時(shí)不能保證施工人員安全以及塌方有變大的趨勢的隧道施工。經(jīng)過在關(guān)角隧道的實(shí)際中證明，這種工法的實(shí)用性較強(qiáng)，用類似的工法，處理了其他幾處小范圍的坍塌，收到較好的效果。

5 結(jié)語

在關(guān)角隧道的幾次隧道塌方中，應(yīng)用此方案進(jìn)行處理，施工進(jìn)展順利，效果很好，得到業(yè)主、監(jiān)理單位以及兄弟單位的好評。

[1]馮衛(wèi)星，吳康保.鐵路隧道設(shè)計(jì)[M］.成都:西南交通大學(xué)出版社，1998.

[2]馮衛(wèi)星，況 勇，陳建軍.隧道坍方案例分析[M］.成都:西南交通大學(xué)出版社，2002.

[3]鐵道部基本建設(shè)總局.鐵路隧道新奧法指南[M］.北京:中國鐵道出版社，1988.

[4]劉永志.鳳凰山隧道塌方處理技術(shù)[J］.山西建筑，2011，37(1):176-177.