隧道高地應(yīng)力硬巖軟夾層地質(zhì)塌方處理技術(shù)

王玉龍 （中鐵十六局集團第三工程有限公司，浙江 湖州 313000）

1 工程簡介

后山坪隧道位于甘肅省漳縣境內(nèi)，隧道全長6647m，地處高中山區(qū)地貌，地形起伏較大，相對高差約650m。洞身地質(zhì)構(gòu)造位于拉子溝左岸基巖斜坡處，破面較陡，基巖裸露，屬于西秦嶺褶皺系中禮縣一柞水冒地槽褶皺帶。工程區(qū)域內(nèi)地層為零星分布的第四系洪積、坡積以及崩積的碎石土，廣泛出露泥盆系上統(tǒng)的砂巖、夾泥巖、頁巖。

圖1 塌方掌子面

圖2 后方初支開裂

施工時采用兩臺階法施工、光爆開挖、噴錨支護。掌子面掘進至DK160+614處時發(fā)現(xiàn)圍巖情況發(fā)生突變，掉塊現(xiàn)象嚴重，普遍有滲水。出碴完畢后及時用纖維噴混凝土封閉開挖面，在封閉過程中出現(xiàn)大面積滑塌，及時撤離施工人員、機械，幸無人員傷亡，最后形成一個寬約13m，長約6m，高約10～15m的塌腔。損壞鋼拱架6榀，該段初支全部被破壞。后方26m初支受塌方牽引的影響，發(fā)生開裂，局部鋼拱架變形扭曲。塌方及后方初支開裂圖如下(圖1、圖2）。

2 塌方原因分析

2.1 地質(zhì)原因

開挖斷面的拱部全環(huán)顯現(xiàn)斜向坡面陡坎，坡面以上地質(zhì)為灰白色粉末充填物，角礫混雜，呈散狀體，圍巖基本無自穩(wěn)能力，開挖后即從拱部出現(xiàn)滑塌現(xiàn)象。坡面以下為砂巖夾泥巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，屬于典型的高地應(yīng)力硬巖軟夾層地質(zhì)。

2.2 圍巖滲水

隧道開挖時掌子面拱部多處出現(xiàn)滲水，地下水對圍巖具有溶解、浸泡、沖蝕、軟化作用，改變了巖體的物理力學特征，破壞其完整性，加劇了軟、硬巖接觸面的滑動，極大的破壞了圍巖的自穩(wěn)能力。

2.3 設(shè)計原因

該段圍巖設(shè)計為Ⅳ級圍巖，采用兩臺階法開挖。如該段設(shè)計為Ⅴ級圍巖，采取超前預(yù)注漿加固圍巖，三臺階預(yù)留核心土開挖，則可避免此次塌方。

2.4 施工原因

施工時開挖進尺較長，裝藥量過多，導(dǎo)致對周邊圍巖擾動過大，破環(huán)了圍巖的自穩(wěn)能力。

3 塌方處理措施

3.1 牽引影響段注漿加固

受前方塌方的擾動，后方影響段初支已開裂，極有可能二次塌方，本著安全第一的原則，為確保施工人員的安全，對影響段支護進行加強，采用4m長φ42注漿小導(dǎo)管注漿加固，間距1.2m×1.2m（環(huán)×縱）；初支內(nèi)輪廓設(shè)置Ⅰ18鋼架做套拱，縱向間距0.8m，每榀鋼架設(shè)8根φ42鎖腳錨管，長4.0m，與注漿小導(dǎo)管焊接牢固，并在鋼架內(nèi)圈施做φ22縱向連接鋼筋，環(huán)距1.0m；噴射C25混凝土使套拱與原初支面密貼，形成整體，防止后方影響段變形塌方。后方加固圖如下（圖 3、圖 4）。

圖3 后方注漿加固

圖4 后方注漿加固

3.2 塌體與塌腔處理

采用10cm厚C25噴混凝土封閉掌子面塌體，并在塌體上按梅花形預(yù)埋小導(dǎo)管注漿加固，間距1.2m×1.2m（環(huán)×縱），防止開挖掘進時發(fā)生溜塌。對塌方段預(yù)埋壓漿管進行塌腔回填，壓注C25混凝土，回填厚度不小于2m，再泵送吹沙處理，厚度不小于2m。施工時應(yīng)根據(jù)塌腔形態(tài)及時調(diào)整壓漿管位置。對塌腔注漿回填和吹沙處理應(yīng)分批施作，避免在處理過程中發(fā)生因拱部壓力過大出現(xiàn)初支變形或裂縫等情況，在拱部和邊墻及塌體埋設(shè)監(jiān)控量測點，及時觀測。

3.3 拱部施作超前管棚

采用汽車洞外拉碴回填，以形成施作管棚操作平臺，并以套拱為支撐在拱部沿開挖線打入長30mΦ108超前管棚，內(nèi)設(shè)鋼筋籠，環(huán)向間距0.4m。超前管棚施工中應(yīng)嚴格控制鉆機下沉量及左右偏移量。嚴格控制鉆孔角度，管棚不得侵入隧道開挖線內(nèi)，相鄰的鋼管不得相撞和立交。經(jīng)常量測孔的斜度，發(fā)現(xiàn)誤差超限及時糾正，至終孔仍超限者應(yīng)封孔，原位重鉆。掌握好開鉆與正常鉆進的壓力和速度，防止斷桿。

3.4 三臺階七步法開挖支護

待管棚壓注混凝土及水泥漿強度達到設(shè)計強度85%以上，采用三臺階七步法，預(yù)留核心土進行機械配合人工開挖掘進，嚴格禁止爆破施工。施工時配合管棚拱部設(shè)置φ42超前小導(dǎo)管，小導(dǎo)管長5m，環(huán)向間距0.4m，仰角40～45°，縱向間距2.0m，并壓注水泥漿加固松散圍巖體。在長管棚和小導(dǎo)管的保護下進行清砟施工，每次進尺不大于0.6m，并及時架設(shè)型鋼套拱；拱墻設(shè)φ42徑向注漿小導(dǎo)管，長度4.0m，間距1.2m×1.0m（環(huán)×縱），注漿加固圍巖。鋼架與棚架牢固連接，作為棚架支撐，循環(huán)作業(yè)一直到原開挖掌子面。

圖5 三臺階七步開挖法示意圖

3.5 塌方通過地段再次加強

對塌方掌子面前方開挖支護參數(shù)再次進行加強，增大初支預(yù)留變形量，開挖后拱墻設(shè)Φ42徑向注漿小導(dǎo)管，長度4.0m，間距1.2m×1.0m（環(huán)×縱），注水泥漿以固結(jié)周邊松散圍巖。注漿鋼管、錨桿、鋼架間相互焊接牢固，使之成為一個受力整體。

3.6 做好塌方地段的排水

塌方及變形段地下水發(fā)育，注漿處理完成后，需對隧道原滲、漏水部位進行排水處理。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，對滲水點打孔，采用透水軟管將滲水通過初支表面引至專設(shè)的集水井待后續(xù)施工引排至縱向排水管內(nèi)，匯集到中心排水溝。施工過程中嚴格控制施工用水，嚴禁施工用水及滲水浸泡邊墻拱腳。

3.7 加強塌方段的圍巖監(jiān)控

做好施工監(jiān)控量測工作，通過監(jiān)控量測數(shù)據(jù)來分析和判斷支護的穩(wěn)定性，并及時采取措施，保證施工安全。在該段塌方處理完畢后，在拱頂、拱腰、邊墻共布設(shè)5個監(jiān)控點，每隔3m設(shè)置一組測點，每天量測2次。通過半個月的監(jiān)測，拱頂下沉最大每天下沉量為17.2mm，半個月累計最大下沉量為128mm；水平收斂最大每天收斂量為11.2mm，半個月累計收斂量為91mm，均在允許范圍內(nèi)。

4 塌方處理效果

此次塌方具有很大的突然性和特殊性，塌方發(fā)生后積極采取應(yīng)對措施，在保證安全的前提下對塌方進行搶險施工。因方案正確，應(yīng)對及時，在短短的30多天里即順利、安全的渡過塌方段，在施工過程中未出現(xiàn)二次塌方和傷人事件，雖對工期和施工成本造成了影響，但治理措施是可行的，從量測情況來看，隧道的拱頂下沉、水平收斂得到有效控制，支護結(jié)構(gòu)受力趨于穩(wěn)定。因此可以認為此次塌方處理方案符合實際，施工工藝得當，施工質(zhì)量滿足要求，塌方處理效果良好，證明該隧道塌方處理方案是成功的。

5 預(yù)防塌方的措施

5.1 超前地質(zhì)預(yù)報

超前地質(zhì)預(yù)報是復(fù)雜軟弱圍巖隧道超前預(yù)判、及時決策、探明、規(guī)避突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害的重要技術(shù)手段，是高風險軟弱圍巖長大隧道施工成敗的關(guān)鍵。施工中嚴格將超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報納入隧道施工工序，堅持“綜合探測、相互驗證、先探后干、有疑必探”的綜合超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報原則。做好這項工作不但可以規(guī)避化解地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，而且為提前制定合理施工預(yù)案提供了可靠依據(jù)，為隧道實現(xiàn)安全、快速、高效施工提供了可靠的技術(shù)保障。

5.2 超前支護及預(yù)注漿

超前小導(dǎo)管具有初期支護效果明顯、施工性好、安全性高的特點，在開挖過程中，超前小導(dǎo)管及預(yù)注漿將起到良好的抗拉、抗剪作用，增大圍巖結(jié)構(gòu)面的摩擦，加強圍巖的穩(wěn)定性，有效控制層理間的滑動破壞，預(yù)注漿也可以有效的控制地下滲水對圍巖面的破壞，保證施工安全。

5.3 加強圍巖監(jiān)控量測

對于地質(zhì)情況較差的軟弱圍巖，應(yīng)做到多臺階、短進尺，弱爆破，嚴格控制超欠挖，采用三臺階七步開挖法施工，預(yù)留核心土，縮小開挖面。對已經(jīng)開挖支護地段一定要加強圍巖監(jiān)控量測，如發(fā)現(xiàn)變形速率持續(xù)不收斂，或初期支護結(jié)構(gòu)有變形跡象，應(yīng)該及時采取措施，可較好的避免塌方。

6 結(jié)語

本次隧道塌方處理方案經(jīng)實踐證明是成功的，效果明顯，順利安全地渡過了塌方地段。隧道坍塌是最容易造成施工安全事故的原因，而隧道坍塌的處理更是危險作業(yè)。因此，只有方案正確、處理及時、組織嚴密、措施得力，才能使隧道塌方搶險順利安全的完成。

隧道塌方處理必須爭分奪秒，及時制定正確合理的處理方案。并且應(yīng)以人為本，安全第一的原則，正確分析塌方原因和可能的發(fā)展趨勢，如可能影響后方已支護段安全，則應(yīng)先對后方支護段進行加固處理，保證施工人員安全，再對塌方段進行處理。

塌方處理應(yīng)遵循“管超前、短開挖、非爆破、少擾動、早噴錨、嚴控水、強支護、勤量測、早封閉”的原則。對塌體一般不宜直接清理，不宜進行爆破施工，應(yīng)采取人工配合機械施工，減少對圍巖的擾動，避免塌腔的擴大。塌方的處理應(yīng)一次處理到位，避免二次處理。塌方處理過程中應(yīng)加強監(jiān)控量測工作，對變形較大或出現(xiàn)異常的部位應(yīng)及時采取措施。制定并實行塌方應(yīng)急預(yù)案，保證施工人員的安全。從監(jiān)控量測數(shù)據(jù)及施工現(xiàn)場情況來看，本次隧道塌方處理是合理、安全、可靠的，對今后同類隧道的塌方處理有一定的借鑒意義。