高速公路黃土隧道坍塌冒頂施工技術(shù)及預防措施

摘 要：文章以某高速公路黃土隧道施工中坍塌冒頂施工處理為例，闡述了高速公路黃土隧道施工中發(fā)生坍塌冒頂?shù)氖┕し椒?，提出了相應的施工要點和相應的預防措施，為類似工程的施工提供了參考。

關(guān)鍵詞：高速公路;黃土隧道;坍塌冒頂處理技術(shù)

中圖分類號：U457.5;U458.3

文章編號：2095-624X（2019）06-0145-03

一、工程概況

某高速公路隧道，右線起點里程ZK16+650，終點里程YK18+180，全長1530m，隧道設計車速為80km/h，為雙線分離式隧道，左、右幅間距為36m左右，每幅為單向雙車道。建筑界限凈寬為10.25m，界限高度5m，拱頂高7.03m。

二、工程地質(zhì)條件

隧道洞頂圍巖埋深0～57m，圍巖主要為中更新世離石黃土，稍濕，堅硬，土質(zhì)不均，古土壤層粘粒含量較高，致密，含白色粉末呈團狀或條紋狀;41.1～43.0m段含水量大，有少量滲水，可塑狀;43.0m以下潮濕，松散結(jié)構(gòu)為主。進出口為馬蘭黃土和坡積黃土，大孔隙，疏松，呈松軟結(jié)構(gòu)。洞頂最大埋深57m，洞頂有可見深度在2～10m左右的水沖陷穴數(shù)個，勘察期間未見明顯水位，洞室開挖后易坍塌，進出口處理不當會出現(xiàn)大坍塌，側(cè)壁起拱線處極易小坍塌，淺埋地段易出現(xiàn)地表下沉或坍塌至地表。圍巖基本無自穩(wěn)能力，屬V級圍巖。

三、坍塌冒頂情況

該工程2#隧道左線，于2016年7月8日掌子面K18+150開挖之后進行處理欠挖過程中，發(fā)現(xiàn)掌子面有土塊滑落，現(xiàn)場管理人員立即安排施工人員及機械撤離施工現(xiàn)場，并封閉洞口，派專人24小時值班。19時掌子面涌土量約120m3，凌晨22時掌子涌土量約500m3。期間派專人在洞頂查看，并進行地表觀測，次日6時50分線路正上方K18+120處地面開始塌陷，左側(cè)山體不斷掉塊，10時塌陷停止，形成坍坑，坍坑在隧道中線右側(cè)約3m處，長15m、寬14.5m，深約15m。坍塌前隧道內(nèi)掌子面里程為YK18+150，仰拱里程為K18+170，二襯里程為K18+180。

四、處理方案

對于坍方及其影響段的處理以改善坍體和圍巖的物理力學性能。提高其自穩(wěn)能力為目的，遵循“小塌方，先支后清”“大塌方，先棚后穿”“治塌先治水”的原則，根據(jù)現(xiàn)場條件、施工現(xiàn)狀以及所處段落的地質(zhì)條件分析，采取地表處理與洞內(nèi)處理相結(jié)合的方法進行處理。

（一）洞內(nèi)坍體坡面反壓

a.洞內(nèi)坍體進行反壓形成斜坡道。

b.于坍體坡腳堆碼填土編織袋，確保坡腳穩(wěn)定。

（二）YK18+150-154段初期支護加固

為保證施工安全，先進行YK18+150-154段采用自進式錨桿加固初期支護。自進式錨桿直徑32mm，長6m，1.5m×1.5m梅花形布置。

（三）塌方段開挖及初期支護

采用臺階雙側(cè)壁導坑法開挖YK18+150-YK18+135段。施工時，每級臺階長度不超過3m。臨時鋼架采用I16工字鋼支撐，臨時橫向支撐采用方木支撐。

YK18+152-YK18+155段采用I22b鋼架與φ133鋼管配合用作管棚導向，管棚采用φ108鋼管，長20m，斜插角控制25°，插入3根Φ25鋼筋加強剛度，三根鋼筋成正三角形，管棚注漿采用1∶1水泥凈漿。

K18+150-YK18+140段拱部坍塌體采用長6m， Ф42×4mm小導管超前預加固圍巖，每環(huán)30根，按照50cm×50cm布置、斜插角45°（見圖1）。

K18+150-YK18+135段采用I22b型鋼拱架支護，縱向間距50cm，每榀鋼拱架間采用Ф22鋼筋連接，環(huán)向間距50cm，內(nèi)外側(cè)交叉焊接;C25模筑混凝土一次襯砌70～80cm（變截面），上導坑拱腳處采用擴大拱腳至120cm，并在拱腳上方50cm處增設雙排鎖腳來進行加固，以保證初支的穩(wěn)定性和安全性。二襯為C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，二次襯砌厚45cm，預留量20cm，環(huán)向鋼筋采用Φ22，間距20cm，縱向鋼筋采用Φ14，間距25cm。

具體施工方法（見圖2、圖3）

1.（1）利用上一循環(huán)架立的鋼架施作隧道超前支護。

（2）掌子面打入Ф42mm鋼管注漿對掌子面松散土體進行充分固結(jié)，按照1.5m×1.5m梅花形布置，注漿鋼管施工里程K18+150-K18+140段，每循環(huán)鋼管長6m，漿液采用1∶1水泥凈漿，注漿壓力控制2Mpa以內(nèi)。

（3）開挖①部，每循環(huán)進尺0.5m。

（4）施作①部導坑周邊的一次襯砌和臨時支護，即架立鋼架，每側(cè)設置6根4m長Ф42mm鎖腳鋼管，立模澆筑一次襯砌;架立導坑的臨時鋼架，噴射26cm厚混凝土。

（5）0.5m每道架設方木橫撐。

2.（1）①部支護3m后，開挖②部，每循環(huán)進尺0.5m。

（2）施作②部導坑的一次襯砌，即接長鋼架，立模澆筑砼。

（3）0.5m每道架設方木橫撐。

3.②部支護1m后，開挖③部導坑，施作支護，即接長鋼架（包括導坑的臨時鋼架），每側(cè)設置2根4m長Ф42mm鎖腳鋼管，立模澆筑一次襯砌，臨時側(cè)壁噴射18cm厚混凝土，每0.5m設置一道方木橫撐。

4.③部支護2m后，開挖④部導坑，施作一次襯砌及臨時支護，步驟及工序同 3。

5.④部支護3m后，開挖⑤部。

6.⑤部開挖4m，開挖仰拱，施作仰拱砼及片石砼填充。

7.仰拱初期施作6m后進行二次襯砌施工，二次襯砌跟進后以3m每循環(huán)正常施作。

（四）地表回填

待二襯從此處施工過去后沿坍坑外圍擴挖，去除不穩(wěn)定土體，挖出長25m，寬25m，挖至Q2表層，深度約10m，土坑放坡，坡度為1：0.75，再對土坑壁打設Φ42mm，長度為3.5m的小導管，并掛設Φ8鋼筋網(wǎng)片，然后噴射C25混凝土。坍坑底部放入2層Φ22鋼筋網(wǎng)，20cmx20cm網(wǎng)格，鋼筋層間距50cm，然后澆筑C25混凝土，形成護拱蓋板。

待護拱混凝土強度達到90%后，用土分層回填夯實坍坑至接近地表1.5m處換填50 cm三七灰土作為隔水層，地面1m回填耕植土，并高出地面一定高度，恢復原地表，防止地表水流入隧道內(nèi)。

（五）監(jiān)控量測

認真做好各項施工監(jiān)測，根據(jù)對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析和判斷，對圍巖及支護體系的穩(wěn)定狀態(tài)進行判斷和預測，及時采取措施來確保圍巖和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，以確保施工安全。在該段塌方處理完畢后，在拱頂布設一個測點，并在腰線處左右布設兩個測點。地表處理完成后，在坍坑50m×50m范圍內(nèi)，每10m設置一個地表沉降觀測點，每天做好觀測記錄，通過監(jiān)測來評定所采取的措施和取得的效果。

五、施工安全及注意事項

（1）施工時嚴格按照有關(guān)規(guī)范進行，確保施工安全和質(zhì)量。如發(fā)現(xiàn)異常及時向上級領導匯報，以便及時處理，并立即采用應急預警措施，以確保施工安全。

（2）加強隧道應急物資的儲備，特別是應急型鋼架，確保臨時應急。

（3）施工過程中，采用地質(zhì)超前預報儀和鉆孔等手段加強隧道地質(zhì)的超前預測預報工作。發(fā)現(xiàn)開挖前方有異常情況出現(xiàn)時，及時研究并采取相應的措施;并加強監(jiān)控量測，隨時掌握圍巖的變形情況，以便進行及時處理，同時保證施工安全。在初期支護施工過程中應增加預留拱頂沉降量和收斂量，防止出現(xiàn)坍塌事故。

（4）拱腳處應進行夯實處理，同時支墊砼預制塊。拱架背后必須填補密實，不允許有任何空洞，以免留下安全隱患。

（5）若有侵限段、坍塌段應引起高度重視，嚴格按照施工規(guī)范和交底的要求進行施工，同時對洞內(nèi)外該段進行嚴密觀察量測，設置專人值班，發(fā)現(xiàn)問題及時將人員安全撤離，并快速上報處理。

（6）現(xiàn)場技術(shù)人員應進行跟班作業(yè)，做好記錄及收集影像資料（特別是小導管注漿和鎖腳的焊接質(zhì)量）;加強監(jiān)督檢查，嚴格控制，保證每一工序的施工質(zhì)量，對于上道工序不能達到技術(shù)標準、質(zhì)量要求的，嚴禁進行下道工序的施工，防止安全事故的發(fā)生。

（7）施工過程中要嚴格控制進尺長度。淺埋地段、地質(zhì)條件較差的洞身地段及根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)初支變形量較大的地段，必須嚴格控制每循環(huán)進尺長度為1榀拱架間距，堅決杜絕冒進情況發(fā)生。

（8）施工中要及時封閉仰拱，二襯緊跟，確保施工安全。

（9）加強機械施工安全和用電安全意識并采取措施進行防范。

（10）加強防坍塌應急演練，成立以項目主管領導等組成的應急救援小組，明確分工，責任到人。

六、 隧道坍塌方處理

（一）處理坍塌方的一般步驟和方法

1.防止坍方擴大范圍

①坍方發(fā)生后，首先應防止坍方繼續(xù)擴大，切忌盲目大面積清理坍塌體：在坍方范圍頂部、側(cè)壁上的松散土體及大裂縫，應先行清除或錨固;②對坍方范圍前后原有的支護進行加固，以防止坍方擴大;③在坍塌方范圍內(nèi)架設支撐或噴射混凝土，必要時加設錨桿;④加快襯砌。對坍方兩端應盡快做好局部襯砌，以保證坍塌方不再擴大。

2.處理坍塌的措施

①如坍塌體積較小，且坍方范圍內(nèi)已進行了噴錨，或已架設好較為牢固的構(gòu)件支撐，可由兩端或一端先上后下地逐步清除坍渣，隨挖隨噴射混凝土，架設臨時構(gòu)件支撐支頂，即“小坍方，先支后清”;②如坍塌體積較大，或地表已下沉，或因坍體堵塞，無法進入坍方范圍進行支護時，則可注漿加固坍方體，然后用“穿”的辦法在坍體內(nèi)進行開挖、襯砌，即“大坍方，先棚后穿”;③處理坍塌方的同時，應加強排水，即“治坍先治水”。

（二）處理坍塌常用支護方式

（1）噴錨處理。采用噴錨處理較大型坍方，較之采用架設支撐，更加安全、快速，且省工省料。①由外而內(nèi)、由上而下，逐段邊清邊向巖壁噴射砂漿，然后再噴射混凝土。混凝土宜分層噴射，每層厚5cm左右;② 噴射1～2層混凝土后，可隨即加設錨桿再噴射混凝土;③ 坍渣清除后，隨即做好襯砌。

（2）構(gòu)件支撐處理。①在坍塌體不太高、坍塌洞穴略呈錐形、坍壁不太松散的情況下，使用鋼支撐，支撐材質(zhì)與錨桿焊接;②當坍塌體較高，但坍塌體兩側(cè)壁形狀較整齊，且側(cè)向壓力不大時，可按垂直于隧道中線的方向架設橫向排架。先將坍塌體頂?shù)奶瞧?，鋪上橫梁，再在其上架設排架。排架間距根據(jù)坍穴圍巖情況而定，一般為1～2m。須注意在排架間用剪刀撐撐穩(wěn)，下部橫梁要隨坍渣的清除隨時倒換撐穩(wěn);③當坍塌方較大，且圍巖壓力也較大時，宜在坍方范圍內(nèi)全部用縱向鋼管支撐。先將坍渣頂部適當扒平，沿隧道中線方向平行設置縱向地梁數(shù)根（地梁下鋪設橫梁），于縱向地梁上按照導坑支撐的形式以1m左右的間距架設箱形棚架。以后逐層向上架設至坍方頂部，用楔形木塞緊。隨著坍渣的清除，加設木立柱，并以縱撐撐牢。支撐材質(zhì)可為紅松，最小頭直徑不小于200mm。在其棚護下，再用網(wǎng)錨噴鋼架支護;④當坍塌方直至地表而深度不大時（小于10m），可設置井箍。由地面向下逐步清除坍渣，隨即架設箍架支撐。箍架的形式可為多邊形、矩形或方形，視坍穴的形狀而定，架距不大于1m;當塌方較深時，則可先將進口至坍方體頂面一段箍好，不清理坍渣，而在洞內(nèi)采用穿過坍方體的施工方法;⑤坍塌空成斜孔時，處理方法根據(jù)斜度而定，傾角≤30°時，可按斜井的施工方法進行出渣及支撐;傾角≥35°時，運用井箍支撐及由上而下地清渣。

（三）襯砌措施與回填方法

（1）襯砌施工。坍方體清除過程中，隨著坍方體的清除，襯砌及時跟進，快速成環(huán)、封閉。在坍穴位最高處兩端襯砌接頭處預留回填及進出料孔。如坍塌方范圍的圍巖不穩(wěn)定，在處理坍塌方中有繼續(xù)坍方可能時，可在坍方范圍內(nèi)選擇適當位置做坍體護拱，以掩護施工操作，保證安全。護拱上用碎渣鋪填2m厚左右作為緩沖層，預防可能出現(xiàn)掉塊的沖擊。

（2）坍體回填。坍方體清除后，拱背先用漿砌片石回填2～3m厚，其上再用干砌片石回填，回填高度應盡量填滿坍穴范圍，坍體內(nèi)木撐盡量拆除;坍穴護拱與拱圈間應全部回填密實，坍穴護拱以上回填厚度可根據(jù)具體情況而定，但不小于2m;如坍塌方范圍高大，在坍穴內(nèi)進行回填操作不便時，可選擇適當位置另行開鑿專供回填的坑道;如坍塌方直達地表，除按規(guī)定做好拱部回填外，另用一般土石回填夯實至距地表1～2m，再用粘土回填至略高于地表并向四周傾斜，周圍應做好排水溝。

七、預防坍塌的措施

高速公路黃土隧道冒頂坍塌多發(fā)生在洞口淺埋、偏壓段，施工中以“強支護”為施工原則，作業(yè)時嚴格按照“短進尺、早封閉、勤量測”的標準，特別重視拱腳的加固處理和鎖腳錨桿等重點部位的施工質(zhì)量控制。我們通過分析沉降觀測數(shù)據(jù)，動態(tài)調(diào)整控制預留沉降量，有效地控制圍巖的變形。當原設計不能滿足圍巖安全時應立即調(diào)整加強支護參數(shù)，提高初支支撐的整體性，防止基礎失穩(wěn)，及時跟進仰拱和二襯。重視超前地質(zhì)預報，有效地降低施工階段由于不良地質(zhì)引發(fā)的坍塌冒頂?shù)蕊L險。

參考文獻：

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[2]徐言松，羅家強.隧道坍塌的預防及處理措施[J].黑龍江科技信息，2011（36）：307.

作者簡介：張瑞華（1978—），男，陜西藍田人，工程師，本科，供職于中鐵十五局集團第五工程有限公司，研究方向：隧道工程。