高速鐵路隧道塌方處理技術(shù)探討

譚 恩 鋒

(中鐵隧道局集團(tuán)有限公司杭州公司，浙江 杭州 310030)

據(jù)不完全統(tǒng)計，隧道塌方較大幾率出現(xiàn)在地質(zhì)條件相對較差地段，如洞口段，洞內(nèi)隧道穿越斷層及其破碎帶，或穿越薄層巖體的小曲皺、錯動發(fā)育地段，或穿越各種堆積體，或穿越弱、結(jié)構(gòu)面發(fā)育有泥質(zhì)充填物過多地段，或穿越地層覆蓋過薄并有偏壓地段，而水是造成塌方的重要原因之一，但本篇文章簡要介紹一個極其特殊的案例，在無上述任何條件下發(fā)生了極其嚴(yán)重的塌方。

1 工程概況

1.1 塌方及施工情況、塌方段洞身縱斷面及典型橫斷面

隧道處于浙江省麗水市境內(nèi)，隧址區(qū)為低山丘陵區(qū)(Ⅲb)，地形起伏不平，坡度約30°～40°，相對高差約200 m。進(jìn)口地勢較平緩，出口坡度大。進(jìn)口段植被稀疏，洞身和出口段植被較發(fā)育，多為灌木。

2013年10月27日18:20左右，隧道進(jìn)口DK71+715～DK71+725里程段發(fā)生塌方，塌方從隧道左拱腰至拱頂右側(cè)約2 m處塌落,深度左側(cè)約4 m,右側(cè)及拱頂約1 m；2013年10月28日8：30，DK71+700～DK71+735段發(fā)生第二次塌方，塌方加深至約6 m，12：00隧道向小里程全斷面塌落延伸約至40 m，加深至約10 m；2014年3月14日塌方向小里程延伸至DK71+683～DK71+740,最大深度約12 m,塌方最大斷面DK71+711.6，塌方量約155.46 m3，見圖1，圖2。

塌方發(fā)生時，隧道進(jìn)口已開挖至DK71+740，開挖段初期支護(hù)已施工完成，隧道底板已施工至DK71+657。

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)概況

原設(shè)計DK71+280～DK72+050段圍巖為侏羅系上統(tǒng)磨山群西山頭組J3x流紋質(zhì)含角礫晶屑玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r，弱風(fēng)化，地下水以基巖裂隙水為主，不發(fā)育，無侵蝕性。圍巖級別為Ⅱ級，采用Ⅱ級圍巖復(fù)合式襯砌，二次襯砌采用C35混凝土。

塌方段里程DK71+683～DK71+740，隧道最小埋深約185 m，塌方的圍巖為侏羅系上統(tǒng)磨山群西山頭組J3x流紋質(zhì)含角礫晶屑玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r，弱風(fēng)化，塌體多以巨塊或大塊為主，個別直徑超過4 m，層厚也多大于1 m。巖石塊體雖經(jīng)塌落碰撞但多保持較完整的棱角，巖質(zhì)較硬。地下水為基巖裂隙水，不發(fā)育，地下水無侵蝕性。

2 塌方原因

1)在塌方后的實(shí)地勘測中，可以發(fā)現(xiàn)在隧道拱部上方發(fā)育有兩組節(jié)理，一組水平節(jié)理和另外一組垂直節(jié)理，節(jié)理結(jié)構(gòu)面光滑，局部夾有軟弱夾層，均為不利節(jié)理，兩組節(jié)理切割巖體，易引起拱頂坍塌、掉塊。通過現(xiàn)場勘察主要的塌方體均是沿著隱伏構(gòu)造結(jié)構(gòu)面塌落的，該地質(zhì)災(zāi)害在施工過程中很難預(yù)測。

2)在初步設(shè)計階段，受隧道地質(zhì)鉆探條件的限制，不可避免的出現(xiàn)隧道掘進(jìn)過程中新的地質(zhì)變化，該地質(zhì)條件的變化導(dǎo)致了原設(shè)計支護(hù)結(jié)構(gòu)不能滿足新地質(zhì)條件的支撐要求。

3)Ⅱ級圍巖設(shè)計僅要求進(jìn)行地質(zhì)素描，無其他地質(zhì)超前預(yù)報措施，特別是在隧道的環(huán)向無任何超前預(yù)報措施，對于傳統(tǒng)的超前預(yù)報措施，主要是對掌子面進(jìn)行超前預(yù)報，往往忽視沿隧道中線的徑向方向的預(yù)報，因此無法在施工過程中提前預(yù)防風(fēng)險，進(jìn)而核對修正設(shè)計參數(shù)。

4)掌子面爆破施工產(chǎn)生的地震波反復(fù)作用于節(jié)理面上，應(yīng)力重分配無法完成，因此也無法形成穩(wěn)定的自然拱，最終導(dǎo)致塌方。

5)施工人員經(jīng)驗(yàn)誤導(dǎo)，誤認(rèn)為Ⅱ級圍巖即使毛洞子(即未進(jìn)行噴漿，在浙江范圍內(nèi)低等級公路應(yīng)用較多)也不會有任何問題。

3 施工方案

塌方處理方案遵循“先防護(hù)，后處理，寧強(qiáng)勿弱、不留隱患，確保運(yùn)營安全”的原則；

塌方處理過程按照“鞏固后方、鎖住口部、強(qiáng)支護(hù)處理塌方段”三個階段進(jìn)行。并加強(qiáng)監(jiān)控量測、確保施工安全，施工流程見圖3。

3.1 塌方影響段(DK71+612～DK71+683)處理方案

1)DK71+612～DK71+647段二次襯砌按照Ⅱ級圍巖進(jìn)行加強(qiáng)，采用C35纖維混凝土進(jìn)行加強(qiáng)處理，襯砌厚度為35 cm。

2)DK71+647～DK71+657段初期支護(hù)采用C25噴射混凝土，厚5 cm。拱部設(shè)置帶排氣裝置的注漿錨桿，長3.5 m，梅花形布置，間距1.2 m×1.2 m(環(huán)×縱)。邊墻設(shè)置φ22砂漿錨桿，長3.5 m，梅花形布置，間距1.2 m×1.2 m(環(huán)×縱)。二次襯砌按照Ⅱ級圍巖進(jìn)行加強(qiáng)，采用C35纖維混凝土進(jìn)行加強(qiáng)處理，襯砌厚度為35 cm。

3)DK71+657～DK71+673段采用Ⅰ20工字鋼鋼架臨時支護(hù)，間距1 m，共16榀。初期支護(hù)采用C25噴射混凝土，厚5 cm，拱部設(shè)置帶排氣裝置的注漿錨桿，長3.5 m，間距1.2 m×1.2 m(環(huán)×縱)。邊墻設(shè)置φ22砂漿錨桿，長3.5 m，間距1.2 m×1.2 m(環(huán)×縱)。二次襯砌拱墻采用C40鋼筋混凝土，厚40 cm，環(huán)向鋼筋φ22，間距20 cm，縱向鋼筋φ14，間距25 cm。底板采用C40鋼筋混凝土，厚30 cm～39 cm，環(huán)向鋼筋φ16，間距20 cm，縱向鋼筋φ14，間距20 cm。

在病險水庫除險加固與防汛搶險技術(shù)方面，引進(jìn)了移動式液壓潛水泵、堤壩管涌快速搶護(hù)、水庫庫岸坍滑防治、數(shù)字防汛移動寬帶綜合業(yè)務(wù)平臺等用于病險水庫除險加固和防汛搶險的技術(shù)與設(shè)備，對我國防汛搶險由被動搶險向主動防御轉(zhuǎn)變等起到了積極的作用。其中，移動式液壓潛水軸流泵技術(shù)成果獲得湖北省省委省政府領(lǐng)導(dǎo)的高度評價，并在武漢市、廣州市、天津市等地的防汛搶險中取得了顯著成效。

4)DK71+673～DK71+677段采用Ⅰ20工字鋼鋼架臨時支護(hù)，間距0.5 m，共8榀。初期支護(hù)采用C25噴射混凝土，厚5 cm，拱部設(shè)置帶排氣裝置的注漿錨桿，長3.5 m，間距1.2 m×1.2 m(環(huán)×縱)。邊墻設(shè)置φ22砂漿錨桿，長3.5 m，間距1.2 m×1.2 m(環(huán)×縱)。二次襯砌拱墻采用C40鋼筋混凝土，厚40 cm，環(huán)向鋼筋φ22，間距20 cm，縱向鋼筋φ14，間距25 cm。底板采用C40鋼筋混凝土，厚30 cm～39 cm，環(huán)向鋼筋φ16，間距20 cm，縱向鋼筋φ14，間距20 cm。

5)DK71+677～DK71+683段采用Ⅰ20工字鋼鋼架臨時支護(hù)，間距0.5 m，共12榀。該段拱部及部分邊墻擴(kuò)挖管棚工作室并施作導(dǎo)向墻，施工過程中逐榀拆除鋼架，擴(kuò)挖和支護(hù)，并配合Ⅱ型小導(dǎo)管超前預(yù)支護(hù)。擴(kuò)挖部分初期支護(hù)采用HW175型鋼鋼架，間距0.6 m，并噴射28 cm厚C30網(wǎng)噴纖維混凝土，鋼筋網(wǎng)采用φ8鋼筋，網(wǎng)格間距20 cm×20 cm，拱部設(shè)置帶排氣裝置的注漿錨桿，長4 m，間距1.2 m×1.2 m(環(huán)×縱)，邊墻設(shè)置φ22砂漿錨桿，長4 m，間距1.2 m×1.2 m(環(huán)×縱)。剩余邊墻初期支護(hù)噴射5 cm厚C30網(wǎng)噴纖維混凝土，并設(shè)置φ22砂漿錨桿，長4 m，間距1.2 m×1.2 m(環(huán)×縱)。二次襯砌拱墻采用C40鋼筋混凝土，厚40 cm，環(huán)向鋼筋φ22，間距20 cm，縱向鋼筋φ14，間距25 cm。底板采用C40鋼筋混凝土，厚30 cm～39 cm，環(huán)向鋼筋φ16，間距20 cm，縱向鋼筋φ14，間距20 cm。

3.2 塌方段(DK71+683～DK71+740)處理方案

1)從DK71+683處開始施作止?jié){墻，根據(jù)現(xiàn)場情況止?jié){墻采用C20模筑混凝土臺階法澆筑施工，每臺階高度約2.0 m，里程寬2.0 m，共5個臺階。臺階澆筑混凝土過程中，在混凝土表面設(shè)置間距0.5 m的Ⅰ20型臨時仰拱。并架設(shè)臨時鋼架，鋼架間距0.5 m一榀，臨時鋼架和臨時仰拱焊接牢固。臨時鋼架加固完后進(jìn)行下一臺階的施工和鋼架施工，共施工13榀。止?jié){墻頂端在里程DK71+688處進(jìn)行封堵。

2)通過止?jié){墻向塌體內(nèi)注輕型發(fā)泡混凝土，回填至坍腔填滿。

3)利用DK71+683導(dǎo)向墻施作超前大管棚，管棚采用φ159大管棚，長58 m，管棚內(nèi)套鋼筋籠。管棚施作完畢后進(jìn)行坍塌部位開挖，開挖工法采用三臺階臨時仰拱法，開挖以弱爆破配合鎬頭機(jī)進(jìn)行。初期支護(hù)采用HW175型鋼鋼架，間距50 cm，噴射28 cm厚C30網(wǎng)噴纖維混凝土，鋼筋網(wǎng)采用φ8鋼筋，網(wǎng)格間距20 cm×20 cm，邊墻設(shè)置φ22砂漿錨桿，長4 m，間距1.2 m×1.2 m(環(huán)×縱)。二次襯砌拱墻采用C40鋼筋混凝土，厚60 cm，環(huán)向鋼筋φ25，間距20 cm，縱向鋼筋φ16，間距25 cm。仰拱采用C40鋼筋混凝土，厚70 cm，環(huán)向鋼筋φ25，間距20 cm，縱向鋼筋φ16，間距25 cm。

3.3 塌方后段(DK71+740～DK71+766)處理方案

圍巖情況根據(jù)開挖后現(xiàn)場確定，超前支護(hù)采用Ⅱ型超前小導(dǎo)管。初期支護(hù)采用Ⅰ20a工字鋼鋼架，間距60 cm，噴射28 cm厚C30網(wǎng)噴纖維混凝土，鋼筋網(wǎng)采用φ6鋼筋，網(wǎng)格間距20 cm×20 cm，邊墻設(shè)置φ22砂漿錨桿，長4 m，間距1.2 m×1.2 m(環(huán)×縱)。二次襯砌拱墻采用C35鋼筋混凝土，厚45 cm，環(huán)向鋼筋φ22，間距20 cm，縱向鋼筋φ12，間距25 cm。仰拱采用C35鋼筋混凝土，厚55 cm，環(huán)向鋼筋φ22，間距20 cm，縱向鋼筋φ12，間距25 cm。

塌方體處理剖面圖見圖4。

4 監(jiān)控量測

根據(jù)塌腔情況對塌方影響段進(jìn)行加密測量，臨時鋼架拆除更換過程中，適當(dāng)對拆除鋼架的臨近后方監(jiān)測，對塌方內(nèi)開挖按照Ⅴ級圍巖要求布設(shè)監(jiān)控量測點(diǎn)，間距5 m一個，每斷面5個點(diǎn)。

1)量測頻率及變形管理等級。

量測頻率：由于塌方段特殊性，監(jiān)測頻率為3次/d。

2)量測數(shù)據(jù)的處理與反饋。

及時對現(xiàn)場量測數(shù)據(jù)繪制時態(tài)曲線和空間關(guān)系曲線。

當(dāng)位移—時間曲線趨于平緩時，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、回歸分析，推算最終位移和掌握位移變化規(guī)律。

當(dāng)位移—時間曲線出現(xiàn)反彎點(diǎn)時，表明圍巖和支護(hù)已呈不穩(wěn)定狀態(tài)，此時增加量測頻率、密切監(jiān)視圍巖動態(tài)，并停止施工，及時上報觀測成果，并請業(yè)主、設(shè)計、監(jiān)理各方進(jìn)行現(xiàn)場勘查確定方案。

隧道周邊任意點(diǎn)的相對位移值或回歸分析推算的總相對位移值均小于允許相對位移表所列數(shù)值。當(dāng)位移速率無明顯下降，而此時實(shí)測位移值已接近表列數(shù)值，或噴層表面出現(xiàn)明顯裂縫時，立即采取補(bǔ)強(qiáng)措施，并調(diào)整支護(hù)設(shè)計參數(shù)。

5 結(jié)語

隧道塌方往往會給施工人員的生命和工程造成不可估量的損失，因此在施工過程中必須高度重視監(jiān)控量測和超前地質(zhì)預(yù)報工作，對施工過程中可能出現(xiàn)的局部地段圍巖破碎引起的失穩(wěn)、塌方等都能及時預(yù)測。通過本案例，充分說明了即使是在Ⅱ級圍巖地段，也存在較大的塌方可能，因此在初步設(shè)計階段要盡可能的做好做細(xì)地質(zhì)勘探，同時在施工階段，也必須做好環(huán)向超前預(yù)報(即沿隧道中線的徑向方向)，才可能確保施工安全。

[1] TB 10753—2010，高速鐵路隧道工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2] TB 10424—2010,鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3] 鐵建設(shè)[2010]241號,高速鐵路隧道工程施工技術(shù)指南[Z].

[4] 鐵建設(shè)[2008]105號,鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)指南[Z].