淺埋隧道掌子面坍塌原因分析與控制

饒品彪

中鐵二十四局集團(tuán)安徽工程有限公司，安徽 合肥 230000

1 引言

隧道施工中群死群傷的突發(fā)性事件主要有坍塌、冒頂、涌水、突泥、有毒有害氣體突出等，其中坍塌發(fā)生的概率相比其他要大一些，是最為常見的典型事故。一旦發(fā)生，不僅延誤工期、造成經(jīng)濟(jì)損失，甚至?xí){到施工及技術(shù)人員的生命安全。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，發(fā)生在掌子面10m 以內(nèi)的塌方占比44%，因此分析掌子面坍塌的原因?qū)︻A(yù)防隧道坍塌至關(guān)重要［1］。

2 工程概況

華家山隧道為雙線分離式隧道，線間距為25m，隧道右線起訖里程K0+558～K1+322，全長764m，隧道左線起訖里程ZK0+416～ZK1+214，全長798m。隧址區(qū)巖體較為破碎，整體穩(wěn)定性較差，地形起伏較大。隧道內(nèi)發(fā)育構(gòu)造破碎帶2 條。隧道穿越Ⅳ、Ⅴ級圍巖段，地表逕流條件好，地表水除部分滲入地下外，多數(shù)以地表徑流的形式從溝谷排入?yún)^(qū)外水系中。隧址區(qū)內(nèi)地下水主要為基巖裂隙水和松散巖類孔隙水。

3 隧道掌子面坍塌簡要概述

華家山隧道出口端左線上臺階開挖及初支施工里程為ZK1+041，塌方段位于華家山隧道出口左線ZK1+042～ZK1+030（約）段。該段設(shè)計(jì)圍巖級別為Ⅴ級，襯砌類型為Ⅴb，初期支護(hù)為系統(tǒng)錨桿、鋼筋網(wǎng)、鋼架相結(jié)合，其中鋼架間距設(shè)計(jì)80cm 每榀。

2018 年7 月24 日發(fā)現(xiàn)ZK1+044 開始出現(xiàn)節(jié)理發(fā)育、煤矸石、巖層破碎、夾泥、局部出現(xiàn)小掉塊、小量涌水等現(xiàn)象。7月25 日暫停掌子面施工，對掌子面進(jìn)行封閉，觀察掌子面圍巖變化情況，對涌水進(jìn)行疏導(dǎo)。7 月28 日上午11：53，現(xiàn)場主管巡查時(shí)發(fā)現(xiàn)掌子面拱頂有土石塊落下，立即撤到掌子面30m以外，拱頂開始小面積塌方，塌方量345 方，無人員傷亡。7 月29 日凌晨2：00，掌子面再次出現(xiàn)大量坍塌，塌方量1150 方。6：00 開始對初支進(jìn)行加固，防止塌腔再次擴(kuò)張繼而對已完工初支造成破壞，對掌子面再次進(jìn)行全封閉，并反壓回填。

4 掌子面坍塌的原因分析

（1）地質(zhì)條件差。①圍巖等級差，華家山隧道V 級圍巖占比67%～69%，Ⅳ級圍巖占比31%～33%。②隧道埋深淺，開挖后形成的自然拱自穩(wěn)能力差，本次塌方段埋深18～30 米。③存在斷層，工程物探解譯F1 位置在ZK1+143 附近。發(fā)育在奧陶系下統(tǒng)馬家溝組（O1m）灰?guī)r地層中，巖石破碎。斷層走向延伸較長，向南北兩方向未發(fā)現(xiàn)源頭，斷層走向上切割隧道中心線。④節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎，充填泥質(zhì)黏土，破壞了巖體的整體穩(wěn)定性。⑤斷裂帶、泥質(zhì)粉砂巖中鐵質(zhì)氧化物析出孔洞及溶蝕灰?guī)r區(qū)，為地下水活動提供了條件，易于儲水。

（2）地質(zhì)勘察資料與實(shí)際不符，圍巖突變。地質(zhì)勘察資料中節(jié)理發(fā)育段為ZK0+450 段延長3.40m，ZK0+820 段延長3.30m，ZK1+170 段延長2.8m 等3 處。地質(zhì)勘察報(bào)告中顯示ZK0+940～ZK1+140 段處于強(qiáng)-中等溶蝕灰?guī)r，巖體較破碎。實(shí)際施工中發(fā)現(xiàn)塌方段ZK1+042～ZK1+030 節(jié)理發(fā)育，掉落的石塊呈現(xiàn)紫紅色、紅褐色、灰色、黃灰色，泥質(zhì)、砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，中薄層狀構(gòu)造，局部鐵質(zhì)礦物吸出，被黏性土充填，屬于典型的強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖（C2b），且伴隨出現(xiàn)了黑色煤矸石層、巖層破碎、極易產(chǎn)生滑動掉塊，并伴有小量涌水等現(xiàn)象。

（3）質(zhì)量方面控制不到位。①超前支護(hù)不到位，掌子面超前支護(hù)存在空隙，超前小導(dǎo)管數(shù)量不滿足設(shè)計(jì)要求。②初期支護(hù)鋼拱架平均每榀間距84cm，個(gè)別達(dá)到90cm，超過設(shè)計(jì)要求。③鎖腳錨桿平角安裝，不符合力學(xué)要求。

（4）未及時(shí)調(diào)整開挖工藝。因斷面過大、暴露時(shí)間較長，使得掌子面圍巖穩(wěn)定性下降，加上裂隙水的浸潤直接導(dǎo)致掌子面圍巖失去自穩(wěn)能力而塌方。

（5）未及時(shí)增加掌子面圍巖變形的監(jiān)控量測頻次，未能第一時(shí)間反饋拱頂下沉量、周邊收斂量等真實(shí)數(shù)據(jù)。

（6）偶然不利天氣影響。連續(xù)一周的短時(shí)強(qiáng)降雨導(dǎo)致掌子面圍巖受基巖裂隙水浸泡，不斷產(chǎn)生掉塊及坍塌現(xiàn)象，7 月28日中午掌子面拱頂有小石塊落下，隨后拱頂開始大面積塌方，7 月29 日凌晨再次因中雨而塌方。

5 掌子面坍塌的處置措施

（1）坍塌初期緊急處置措施：①將開挖臺車拖出來進(jìn)行切割、場地進(jìn)行平整；②在上下臺階分界處設(shè)置警戒線，禁止無關(guān)人員靠近；③增加監(jiān)控量測點(diǎn)，安排專人監(jiān)測，觀察初支完整情況；④安排專人、專車24 小時(shí)值班，一旦有異常，立即匯報(bào)。

（2）塌方體處置工藝：塌方影響段護(hù)拱加固→反壓回填注漿固結(jié)→拱頂背后空腔澆筑混凝土→坍塌體開挖支護(hù)→掌子面端（掘進(jìn)方向）塌方影響段加固→塌腔回填。

①塌方影響段護(hù)拱加固（見圖1）。先對ZK1+051～ZK1+041 已經(jīng)初期支護(hù)完成段采用I18 工字鋼拱架支撐（護(hù)拱）加固，拱架之間用Φ22 鋼筋連接，環(huán)向間距0.5m，如圖1。拱腳處設(shè)雙鎖腳錨桿，打設(shè)角度為斜向下約45°，錨管與拱架焊接牢固。在護(hù)拱加固完成以后，用Φ42×4mm，4.5m長的徑向小導(dǎo)管注水泥漿加固，水灰比0.5：1，注漿要飽滿，注漿終壓不小于1.5MPa。

圖1 初期支護(hù)安裝護(hù)拱加固

②反壓回填注漿固結(jié)。護(hù)拱段注漿加固完成后，對ZK1+042～ZK1+030 段受塌方影響較大的12 米進(jìn)行反壓土石回填（壓實(shí)度不小于90%），然后采用20cm 厚C25 噴砼+定型鋼筋焊接網(wǎng)對塌方體臨時(shí)封閉。封閉后對回填土體采用水平注漿機(jī)對回填土進(jìn)行注漿加固，注漿深度為12m，間距1.0×1.0m，梅花型布置。注漿采用1：1 水泥漿，水灰比1：1，注漿要飽滿，注漿標(biāo)準(zhǔn)采用注漿壓力和注漿量雙控。

③拱頂背后空腔澆筑混凝土。塌方體封閉固結(jié)后，在塌方體與拱部初支交界處埋入2 根Φ108mm 鋼管（泵送混凝土用）和2 根Φ42mm 鋼管（排氣用），長度均應(yīng)超過拱頂以上5m，通過鋼管在塌體頂部澆筑C30 混凝土，厚度2m。澆筑完成后，保持鋼管暢通，待將來塌腔回填時(shí)繼續(xù)使用。見圖2。

圖2 反壓回填后拱頂背后空腔澆筑混凝土

④坍塌體開挖支護(hù)。拱頂背后空腔澆筑24h 后方可進(jìn)行坍塌體（ZK1+041-ZK1+030）的開挖，開挖前，施做雙排小導(dǎo)管超前支護(hù)并注漿。開挖采用風(fēng)鎬開挖，嚴(yán)禁爆破。采用三臺階法開挖，嚴(yán)控進(jìn)尺，50cm 一個(gè)循環(huán)，每循環(huán)要對掌子面進(jìn)行初噴封閉，初噴厚度8～10cm，開挖后及時(shí)支護(hù)。支護(hù)參數(shù)為25cm 厚C25 噴砼+I22 型工字鋼（榀間距0.5m）+鋼筋焊接網(wǎng)+系統(tǒng)錨桿（Φ25mm×5mm，L=3.5m，縱環(huán)間距0.5×1.0m）。

⑤掌子面端（掘進(jìn)方向）塌方影響段加固。由于塌方段掌子面遇到構(gòu)造破碎帶，地質(zhì)情況發(fā)生了較大的變化，對掘進(jìn)方向塌方影響段（ZK1+030-ZK1+010）進(jìn)行加固，開挖方法采用三臺階法，60cm 一個(gè)循環(huán)，每循環(huán)要對掌子面進(jìn)行初噴封閉，初噴厚度8～10cm，開挖后及時(shí)支護(hù)。支護(hù)參數(shù)為25cm厚C25 噴砼+I22 型工字鋼（榀間距0.6m）+鋼筋焊接網(wǎng)+系統(tǒng)錨桿（Φ25mm×5mm，L=3.5m，縱環(huán)間距0.6×1.0m）。如圖3。

圖3 掌子面端（掘進(jìn)方向）塌方影響段加固

圖4 塌腔回填

⑥塌腔回填。加固完成后，待仰拱和二襯有一定承載能力后，方可進(jìn)行塌腔回填，護(hù)拱上澆筑約2m 厚混凝土，并吹填2m 厚細(xì)砂作緩沖層。如圖4。

6 過程管控措施

（1）加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。專門組織地質(zhì)雷達(dá)探測，檢查初支背后是否存在巖溶、空洞等現(xiàn)象，通過水平鉆孔超前探測確定掌子面前方圍巖是否含水。通過這兩種辦法能掌握30m 范圍內(nèi)的地質(zhì)情況，有助于塌方的處理，防止二次事故的發(fā)生［2］。

（2）預(yù)留初支變形量。掌子面開挖支護(hù)時(shí)，塌方段預(yù)留一定變形量取30cm，防止沉降過大導(dǎo)致初支侵限。

（3）嚴(yán)格落實(shí)按圖施工，按方案施工。采用三臺階法開挖，減小開挖斷面，減少暴露時(shí)長，提高圍巖自穩(wěn)能力。

（4）加強(qiáng)支護(hù)參數(shù)?？s小初支鋼拱架間距，增加超前小導(dǎo)管的布設(shè)密度，確保注漿的質(zhì)量，同時(shí)增設(shè)鎖腳錨桿，可有效提高初支的穩(wěn)定性。

（5）施工過程中加強(qiáng)監(jiān)控量測，通過計(jì)算初支位移速度和位移速度的變化率，判別隧道開挖工作面是否穩(wěn)定，為調(diào)整支護(hù)參數(shù)以及調(diào)整開挖工藝提供依據(jù)。

（6）做好掌子面引排水工作，減少基巖裂隙水、孔隙水、降水對圍巖的侵蝕。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，單獨(dú)穿越破碎帶和單獨(dú)穿越地下水區(qū)段所造成的的塌方占比均為26%，而洞室穿過破碎帶和地下水綜合影響段所造成的塌方占比高達(dá)42%，做好引排水工作對預(yù)防隧道塌方尤為重要［3］［4］。

7 管理措施

落實(shí)隧道坍塌處理專項(xiàng)施工方案交底、安全技術(shù)交底，明確治理期間安全注意事項(xiàng)，提前告知預(yù)防措施。組織現(xiàn)場安全教育，禁止無關(guān)人員進(jìn)入警戒范圍以內(nèi)，避免人員傷亡。落實(shí)領(lǐng)導(dǎo)帶跟班制度，帶領(lǐng)技術(shù)主管、測量人員24 小時(shí)現(xiàn)場盯控。成立應(yīng)急小組，制定應(yīng)急措施并進(jìn)行交底，加強(qiáng)現(xiàn)場安全巡查，一旦發(fā)現(xiàn)異常立即停工撤人，啟動應(yīng)急預(yù)案。另外要加強(qiáng)與建設(shè)單位、設(shè)計(jì)單位的聯(lián)系，及時(shí)反饋施工一線情況［5］。

8 結(jié)束語

淺埋隧道拱頂處于節(jié)理發(fā)育、破碎帶等不良地質(zhì)時(shí)，受強(qiáng)降雨、裂隙水、地表滲水影響易失去自穩(wěn)能力而塌方，需縮小初支鋼拱架間距，并輔以超前小導(dǎo)管注漿。通過加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)動態(tài)掌握圍巖變化情況，結(jié)合監(jiān)控量測反饋的數(shù)據(jù)，盡早地加強(qiáng)初期支護(hù)，嚴(yán)格按照三臺階法開挖，減小掌子面暴露時(shí)長，同時(shí)做好掌子面引排水工作，可有效的避免掌子面坍塌。