淺埋公路隧道冒頂塌方施工處理技術(shù)

李梓源， 王海亮， 王亞朋

(山東科技大學(xué)礦山災(zāi)害預(yù)防控制教育部重點實驗室,山東 青島 266510)

淺埋公路隧道冒頂塌方施工處理技術(shù)

李梓源， 王海亮， 王亞朋

(山東科技大學(xué)礦山災(zāi)害預(yù)防控制教育部重點實驗室,山東 青島 266510)

為進一步加快淺埋隧道冒頂塌方處理流程，減少安全隱患，結(jié)合某淺埋山嶺公路隧道塌方實例，分別從主觀和客觀兩個角度分析了造成冒頂塌方的多方面原因；從應(yīng)急處理到現(xiàn)場施工兩個處理過程，介紹了利用洞內(nèi)支護與洞外出渣相結(jié)合的高效處理方法。結(jié)果表明：在此次隧道塌方中采取的處理方法有效可行的解決了隧道塌方事故，使隧道施工安全、高效地穿越了塌方段，保證了隧道順利貫通。

淺埋；公路隧道；冒頂塌方；超前小導(dǎo)管；穿孔拱架

近幾年，伴隨我國公路交通的蓬勃發(fā)展，隧道工程的施工場所變得多樣，因而埋深淺、斷面大、地質(zhì)復(fù)雜、施工難度大的隧道大量出現(xiàn)[1-2]。我國是個多山且地貌復(fù)雜國家，山嶺地區(qū)隧道施工中，由于多種原因如圍巖差、圍巖中含水量大、地質(zhì)超前預(yù)報不準確、施工方法與設(shè)計方案不匹配、現(xiàn)場施工不規(guī)范的影響，導(dǎo)致了隧道塌方事故時有發(fā)生。本文結(jié)合某一淺埋山嶺公路隧道的塌方現(xiàn)場實例，對現(xiàn)場塌方處理整體施工工序進行介紹，以為類似的隧道工況處理提供借鑒。

1 工程概況

1.1 水文地質(zhì)情況

某隧道是一個雙洞單線公路隧道，全長530 m，下穿小丘陵，場地地形起伏較大，地勢中間高兩側(cè)低，現(xiàn)有地面標高為約23～67 m，最大高差約44 m，洞口段埋深僅20 m，淺埋暗挖法施工。其主要地貌單元為剝蝕構(gòu)造地貌—剝蝕殘丘，場地主要地貌類型為剝蝕殘丘。

隧道圍巖洞口段以Ⅴ級為主，洞身段為Ⅲ～Ⅳ級。尤其是YK7+930～YK8+080的150 m長度范圍內(nèi)，隧道圍巖主要為強風(fēng)化巖和中風(fēng)化巖，巖體破碎，地下水主要為基巖中的構(gòu)造裂隙水，基巖裂隙含水層的分布在平面和垂向上都表現(xiàn)出較明顯的不均勻性，水面起伏較大，自穩(wěn)能力較差，易塌方。

1.2 開挖、支護情況

隧道開挖方法為鉆爆法，開挖方式為上下臺階式，上臺階高7 m，下臺階高3 m，每日循環(huán)進尺為2.4 m。隧道支護采用新奧法原理設(shè)計和施工：

(1)以錨噴混凝土作為初期支護，具體采用型號為I20b的工字鋼作為初期支護的拱架，鋼拱架縱向間距為80 cm，內(nèi)部敷滿?8 mm(網(wǎng)格間距20 cm×20 cm)的鋼筋網(wǎng)，向內(nèi)噴射配比標號為C20的混凝土。

(2)采用以模筑防水混凝土作為二次襯砌的復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)。

2 塌方情況及原因分析

2.1 塌方情況

塌方發(fā)生在YK8+031～YK8+045段，屬隧道洞口段。塌方開始時，距上臺階開挖掌子面前65 m處右側(cè)初支鋼拱架部分被破壞，不斷有上方圍巖的碎石落入洞內(nèi)；塌方5 h后，在距離開挖掌子面65 m處上導(dǎo)右側(cè)5榀初期支護所立工字鋼拱架全部損壞，出現(xiàn)一個面積為5 m×3 m的洞，并有擴大趨勢，拱頂上方碎石繼續(xù)向洞內(nèi)掉落，逐漸在洞內(nèi)形成一個錐形塌體;塌方9 h后，如圖1，洞內(nèi)完全被一個底部直徑為20 m的錐形塌體覆蓋。此時，塌體基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，經(jīng)粗略估算，塌方方量為1 000 m3。

與此同時，由于隧道為冒頂塌方，故地表上方出現(xiàn)了一個深 6 m、直徑為18.6 m的漏斗形大坑(如圖2所示)，且坑體周圍邊坡不穩(wěn)定。

2.2 塌方原因分析

圖1 穩(wěn)定后洞內(nèi)塌方情況描述圖

圖2 地表塌陷坑與隧道中心線的示意圖(單位：m)

隧道洞口山體表層為堆積土層且?guī)r石風(fēng)化嚴重，破碎的山體表層自穩(wěn)能力差，且處在淺埋地段。從受力的角度來考慮，由于洞口段的開挖破壞了原有山體或周圍圍巖的穩(wěn)定，使隧道上端圍巖內(nèi)部應(yīng)力重新分布[3]。圍巖原有的應(yīng)力平衡被打破，致使隧道上方巖體失穩(wěn)，造成塌方。

(1)地質(zhì)條件。塌方處為隧道洞口段，埋深僅20 m，圍巖級別為Ⅴ級加強，圍巖嚴重風(fēng)化，巖體破碎不完整且穩(wěn)定性較差。加之圍巖內(nèi)部存在裂隙水，水減少了土石間的摩擦系數(shù)，增大了軸向推力，加劇了圍巖的松散變形。

(2)施工方法與設(shè)計方案不統(tǒng)一。作為大斷面山嶺公路隧道，選取CRD法作為隧道開挖的設(shè)計方案，但由于施工方成本受限，將CRD式開挖簡化為上下臺階式，致使上臺階一次起爆斷面面積為70 m2。巖石作為一種脆性損傷材料，存在著大量的微裂隙、微裂紋等缺陷。爆破產(chǎn)生的高壓氣體極易對圍巖內(nèi)部產(chǎn)生氣楔作用，造成圍巖內(nèi)部巖體破碎，故一次起爆斷面面積太大超過圍巖所能承受的最大限度。

(3)超前支護不當(dāng)。上臺階在掘進前沒有超前支護加固措施，即沒有超前錨桿或超前小導(dǎo)管注漿，使拱頂上方圍巖不能形成注漿巖拱，從而無法有效地分擔(dān)拱頂拱架承受的應(yīng)力。

(4)施工操作不當(dāng)。施工管理人員個人主觀意識太強，存在僥幸心理，迷信自己經(jīng)驗，不顧客觀狀況，作出不合實際的決定，也是造成塌方的因素。具體表現(xiàn)之一為施工管理方一次開挖塌方處掌子面右側(cè)下臺階近10 m，沒有及時進行支護，導(dǎo)致上臺階拱架處于懸空狀態(tài)，加之上臺階第一次起爆時，拱頂上方圍巖已松動破碎，故上臺階拱架承受應(yīng)力過大，易造成塌方。

3 塌方處理技術(shù)

隧道在發(fā)生塌方后應(yīng)當(dāng)及時進行治理，既要盡量做到保質(zhì)、快速、經(jīng)濟地處理塌方，高效地通過塌方段；又要保證在塌方處理施工過程中人員和器械的安全[4]。

3.1 應(yīng)急處理

3.1.1 地表應(yīng)急處理

(1)對于暫時穩(wěn)定塌體所作的應(yīng)急處理：在塌陷坑底部260 m2面積內(nèi)向下打入約50根?42 mm、5～6 m長度不等的注漿管，采用多根注漿管向下疊加的方法，利用單液注漿機注入強度為PC32.5的復(fù)合硅酸鹽水泥漿液，注漿深度為13 m。使塌體由松散狀態(tài)快速凝固成為一個整體，保證洞內(nèi)施工的安全。

(2)對于防水所作的應(yīng)急處理：由于剛好是陰雨季節(jié)，故首先在注漿后的塌陷坑上方覆蓋防雨布，并固定至大坑邊坡上；然后在地表塌陷大坑周圍建立起截洪溝，起到引流雨水的作用，以防水匯聚至地表塌陷大坑內(nèi)，滲透進塌方區(qū)，導(dǎo)致塌體內(nèi)部巖體重量增加，巖石之間摩擦系數(shù)降低，造成二次塌方。

3.1.2 洞內(nèi)應(yīng)急處理

(1)新建臨時防護拱架：在樁號YK8+020～YK8+022處，距離錐形塌體1 m，在已有的初支拱架內(nèi)搭建5榀I22b工字鋼，縱向間距為40 cm。目的是提供給塌體前方未被破壞的初支拱架一個向上的支撐力，預(yù)防可能會發(fā)生的拱架變形，并噴射混凝土C25來加固塌方影響段圍巖。

(2)臨時變換二襯順序：在樁號YK7+995～YK8+004處，距離塌體9 m，先于洞口施作一模寬9 m的二襯，保護塌方位置附近拱架不會因受力不均而發(fā)生變形，同樣起到穩(wěn)定前方已立初支拱架的作用。

(3)補做仰拱，再做二襯：在樁號YK8+009～YK8+018處，補做下臺階仰拱，保證上臺階拱架不再處于懸空狀態(tài)，使其受力平衡；并在補作仰拱后，立即補上一模長9 m的二襯，加強塌方處理工作面的安全系數(shù)。

兩模二次襯砌的施作，不僅保護了鄰近塌方段尚未變形的拱架，預(yù)防了可能發(fā)生的變形破壞，而且為后續(xù)的塌方處理提供了一個相對安全的臨時工作面。

3.2 出渣

3.2.1 洞內(nèi)出渣

洞內(nèi)利用機械開挖的方式進行出渣，出渣對象為拱頂上方松散巖渣，出渣的主要目的是使隧道塌方段上方不再有碎石落入洞內(nèi)，保證后續(xù)處理時現(xiàn)場施工人員的安全。

3.2.2 地表出渣

由于地表塌陷大坑距離交通道路僅5 m且與交通道路標高差值很小，交通便利，利于渣石的運輸。故在洞內(nèi)塌體穩(wěn)定之后，利用兩臺挖掘機從地表代替洞內(nèi)進行出渣，出渣到拱架上方為止，使得地表塌陷大坑直徑向四周擴大至30 m，深度達到17 m，很大程度上縮短了出渣的時間，提高了處理塌方的效率。

3.3 加固隧道塌方段上方巖體

由于塌方段拱架上方已被破壞，起不到初期支護的作用，塌方處上方巖石又較為破碎松散，隨時都有可能繼續(xù)向洞內(nèi)散落，所以從地表和洞內(nèi)共同采取措施，對上方巖體進行加固，使其成為一個整體，保護后續(xù)進行塌方工作面處理施工人員的安全。

3.3.1 地表灌漿

當(dāng)處理到塌坑底部接近隧道拱頂部位后，在坑底由下至上鋪設(shè)兩層間隔1 m的?8 mm(網(wǎng)格間距20 cm×20 cm)鋼筋網(wǎng)并分別灌注強度為C25的混凝土，使塌方處上方圍巖聚為一個整體，防止碎石跌落洞內(nèi)，并為地表回填做準備。圖3為鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)并灌漿的施工方法示意圖。

圖3 地表塌坑內(nèi)鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)灌漿示意圖(單位：m)

3.3.2 洞內(nèi)塌方段超前支護

超前預(yù)加固措施可以提高圍巖的物理力學(xué)性能，減小塑性區(qū)半徑，減小洞周位移，在注漿效果較好的情況下形成“曲梁”效應(yīng)[5]，可最大程度地保證塌方處理工作面的安全。

(1)超前小導(dǎo)管的制作。采用?42 mm、長4.5 m的熱軋無縫鋼管，將鋼管的一頭加工成30°左右的圓錐形，方便鉆進施工，鋼管前150 cm長度范圍內(nèi)不鉆孔，鋼管管身其余300 cm長度范圍內(nèi)以梅花形鉆設(shè)?6～10 mm的注漿孔。

(2)超前小導(dǎo)管的布置。沿原有初支拱架輪廓線斜向上15°外插角均勻布孔，將制作好的小導(dǎo)管打入塌方段巖渣，小導(dǎo)管環(huán)向間距為40 cm。在斷面120°范圍內(nèi)打入超前小導(dǎo)管，為注漿做準備。

(3)超前小導(dǎo)管注漿。采用單液注漿機向布置完畢的小導(dǎo)管內(nèi)加壓注漿，以提高塌體的自穩(wěn)能力。注漿材料為復(fù)合硅酸鹽水泥PC32.5，注漿量約為500 m3，28 d后漿液強度將達到32.5 MP。

3.4 二次出渣

3.4.1 三臺階預(yù)留核心土出渣

洞內(nèi)塌方體的出渣分三臺階進行處理。

首先用挖掘機處理塌方體上臺階兩側(cè)土石，預(yù)留出中間部位的核心土，預(yù)留下的核心土可以對塌方體施加一個反向推力，起到反壓的作用，最大限度保護塌方處施工面的作業(yè)安全。整理出施工平臺，并對拱頂外露的不穩(wěn)定碎石進行處理，隨后噴射C25混凝土，封閉塌方段上方圍巖，其作用主要是為重新立拱架提供安全的施工平臺。

3.4.2 臨時蓄水坑

由于施工前期連續(xù)雨天，塌方體內(nèi)部土石潮濕、濕潤，在出渣的同時，不斷有水從塌方體中滲出，水量較大。為方便施工，臨時在靠近塌方體處挖掘一個蓄水坑，用來儲存塌體中滲出的水，等蓄水坑水滿后再用攪拌車的水泵將水抽出，運往洞外。

3.5 重新制作拱架，替換變形拱架

塌方使得隧道上方圍巖應(yīng)力重新分布，尤其對隧道上導(dǎo)拱架產(chǎn)生集中應(yīng)力，塌方段上導(dǎo)拱架右側(cè)整體變形嚴重，需要重新修復(fù)替換。循環(huán)立拱受出渣限制，每循環(huán)出渣1 m，立兩榀型號為I20b工字鋼拱架(每榀間距0.5 m)，在拱架與圍巖之間布設(shè)雙層?8 mm鋼筋網(wǎng)(網(wǎng)格間距15 cm×15 cm)，填充噴射厚度30 cm配比標號為C25的混凝土；且整個斷面在原有基礎(chǔ)上向外擴大40～50 cm，加大預(yù)留沉降量，防止圍巖壓力變化繼續(xù)造成拱架頂部下沉，向洞內(nèi)侵限過大，影響后期二次襯砌的施工。

(1)拱架的制作。在事先制作好的I20b工字鋼拱架上，以40 cm的環(huán)向間距均勻打出直徑為7 cm的圓孔，作為加固預(yù)留穿孔(如圖4)。

圖4 重新制作的工字鋼拱架(單位：cm)

(2)焊接、固定拱架。以50 cm的縱向間距焊接拱架后，將?5 cm的鋼管穿入拱架事先打好的預(yù)留孔中，使拱架之間相互連接成一個整體，用來代替連接筋加強拱架間縱向的固定[6]，最大限度的保證其穩(wěn)定性，起到減少縱向晃動的作用。

(3)將拱頂處拱架立好后，再立兩側(cè)的拱架。在拱架與圍巖間鋪設(shè)雙層?8 mm(網(wǎng)格間距15 cm×15 cm)鋼筋網(wǎng)，并填充噴射30 cm配比標號C25的混凝土。

(4)洞內(nèi)新立拱架頂部及兩側(cè)布置監(jiān)控量測測點，利用拱頂沉降和水平收斂的位移值來反饋上方圍巖變化信息，應(yīng)急變換施工方案，及時指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

3.6 洞內(nèi)上導(dǎo)右邊墻注漿加固

由于塌方主要在拱頂及右邊墻范圍，隧道塌方段右邊墻上方范圍內(nèi)圍巖松散破碎嚴重，所以在塌方處理區(qū)域上臺階右邊墻2 m×3 m的范圍內(nèi)，斜向上密集打入約40根?42 mm的熱軋無縫鋼管所制成的導(dǎo)管，長4.5 m，使用單液注漿法加壓注漿，漿液材料為復(fù)合硅酸鹽水泥PC32.5。

3.7 后續(xù)處理

3.7.1 中、下臺階處理

經(jīng)過20 d的時間，上臺階貫通、注漿完成。隨后開始處理中、下臺階，施工工序與之前處理上臺階大致相同，出渣、清理被埋工字鋼、重新立拱架(與上臺階拱架焊接)、噴漿、小導(dǎo)管注漿加固。

洞內(nèi)塌體處理完畢后，盡快施作塌方段仰拱，使支護拱架成為一個閉合整體。并在仰拱施作完畢后，加快施工防水層，澆筑二次襯砌。

3.7.2 地表塌坑回填

因本塌方為冒頂塌方，故地表會出現(xiàn)塌陷坑。通過對國內(nèi)外塌陷坑回填成功經(jīng)驗的總結(jié)研究，結(jié)合現(xiàn)場塌陷坑及巖移發(fā)展規(guī)律，本工程采用回填方式治理塌陷坑，回填材料主要為塌坑內(nèi)剝落原狀土，塌陷坑堆置采用臺階覆蓋式回填方式，如圖5 。

塌陷坑裂縫的發(fā)展是沿著東北方向發(fā)展的，塌陷坑?xùn)|北部無擴大的趨勢，且根據(jù)現(xiàn)場觀測資料來看，東北部地表相對穩(wěn)定，發(fā)生大規(guī)模塌陷的可能性較低。為此，將塌陷坑?xùn)|北部設(shè)為規(guī)劃治理區(qū)域，按2 m臺階寬度規(guī)劃實施回填治理方案，塌陷坑治理后的單臺階坡面角為41°。

圖5 塌坑回填示意圖(單位:m)

3.8 施工安全注意事項

(1)加強監(jiān)控量測。地表在塌陷坑周圍選取基準點進行地表下沉及位移監(jiān)控量測,防止誘發(fā)其他地質(zhì)災(zāi)害，同時根據(jù)變化情況及時調(diào)整施工方案。洞內(nèi)進行拱頂下沉及水平收斂量測，監(jiān)控量測工作需要緊跟，通過埋設(shè)元器件準確掌握圍巖、支護受力及變形情況，指導(dǎo)施工。開挖通過后，及時對基底進行探測，處理不良地質(zhì)情況，防止拱腳落在松散巖體上[7]。

(2)隧道修復(fù)后應(yīng)及時實施壁后充填和注漿加固,可有效減少巷道變形量,保證巷道支護結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定,且應(yīng)設(shè)法加強隧道底角支護,以控制隧道的底板變形。

(3)施工過程中必須將安全問題放在首位，現(xiàn)場處理人員應(yīng)穿戴好防護用具，嚴格控制進出處理現(xiàn)場人員的數(shù)量，編制考勤表進行系統(tǒng)化管理，將危險系數(shù)降至最低。特別是在處理塌方段上方變形拱架時，更應(yīng)尤其注意。

(4)對地表塌陷坑處設(shè)置警戒線，派專人看守，杜絕非施工人員進入地表塌陷坑，發(fā)生不必要的事故。

4 處理效果

塌方處理過程中，隧道內(nèi)塌方受影響段拱頂及兩側(cè)位移發(fā)生了一定的變化，如表1所示。

表1 隧道洞內(nèi)塌方影響段位移變化表

塌方處理施工歷時約60 d，通過塌方段23 m，塌方處理到33 d時，洞內(nèi)基本不再發(fā)生位移變化，洞內(nèi)變形已穩(wěn)定。隧道洞內(nèi)最大拱頂累計下沉50.7 mm、最大水平累計收斂52.6 mm。說明本方法在通過塌方段的過程中，成功保證了洞內(nèi)穩(wěn)定。整個處理過程安全順利，基本完成預(yù)期處理目標。

5 結(jié)束語

對于淺埋公路隧道，洞口段圍巖一般等級低、風(fēng)化嚴重、巖體較為破碎，所以在開挖施工需要時采用減小一次起爆斷面的開挖方式，盡量減小對圍巖的擾動，而且在施工前利用超前支護可以使隧道上方巖體凝固，形成巖拱，加強對隧道的保護，減少塌方事故的發(fā)生。隧道按照上述處理方法施工，安全、高效地穿越了塌方段，保證了隧道順利貫通。

[1]王萌浩.朱家山隧道1#斜井工區(qū)蘭州端塌方處理施工技術(shù)[J].國防交通工程與技術(shù),2016(2):54-57

[2]孫聯(lián)偉.通過隧道塌方冒頂段施工技術(shù)[J].隧道建設(shè),2009,29(3):329-333

[3]劉建達.公路隧道洞口塌方成因及其處治技術(shù)[J].公路,2014(5):123-126

[4]黃志全,王曉睿.軟弱隧道塌方機理及治理技術(shù)研究[M].北京：科學(xué)出版社,2012

[5]霍 峰.用力學(xué)方法分析隧道超前支護的意義[J].交通世界(建養(yǎng)·機械),2007,159(11):126-127

[6]朱漢華,楊建輝,尚岳全.隧道新奧法原理與發(fā)展[J].隧道建設(shè),2008,28(1)：11-14

[7]韓立軍,李仲輝,王秀玲.U型鋼與噴網(wǎng)支護壁后充填注漿加固[J].山東科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2002,21(1):65-68

Roof-Caving and Collapsing Treating Techniques for Shallow Highway Tunnels

LI Ziyuan, WANG Hailiang， WANG Yapeng

(Key Laboratory of Mine Disaster Prevention and Control, Shandong University of Science & Technology,Qingdao 266510,China)

In order to quicken the roof-caving-and-collapsing-treating process and reduce potential accidents,the various causes of roof-caving and collapsing are analyzed both subjectively and objectively in the paper,with the collapsing accident of a shallow-buried mountainous highway tunnel as a practical example,upon the basis of which the highly effective treating method of combining the inside-tunnel supporting with the outside-tunnel deslagging is introduced from the two angles of the emergency treatment and the site construction.The result shows that the treating method adopted in the course of dealing with the collapsing accident of the tunnel effectively helps solve the problem of the collapsing accident of the tunnel,enables the construction of the tunnel securely and efficiently go through the collapsing section,and ensures the smooth threading-through of the tunnel.

shallow；highway tunnel；roof-caving and collapsing；advanced small tube；perforated arch

2016-04-29

青島巿建委科技項目(JK2013-4)，國家自然科學(xué)基金項目(10672091)

李梓源(1991—)，男，碩士研究生，研究方向為地下空間工程與安全。384725804@qq.com

10.13219/j.gjgyat.2016.06.020

U458.3

B

1672-3953(2016)06-0073-05