雙連拱隧道淺埋段冒頂塌方原因分析與處治措施

王洪明，王 強(qiáng)，杜維鋒

（中建三局南方公司，廣東 惠州 516000）

隧道塌方事故在隧道施工過(guò)程中較為常見(jiàn)且高發(fā)，易造成安全事故、工期延誤、經(jīng)濟(jì)損失等后果，隧道塌方事故的預(yù)防與處治成為隧道施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。洞口淺埋段為冒頂塌方事故多發(fā)的部位，而雙連拱隧道由于其力學(xué)體系的特殊性，在冒頂塌方處理過(guò)程中亦有其區(qū)別于一般隧道的特點(diǎn)。

1 工程概況

某隧道采用雙連拱曲中墻結(jié)構(gòu)形式，總長(zhǎng)223m，雙向6 車道，左洞凈寬16.0m、斷面面積約為192m2，右洞凈寬13.75m、斷面面積約為135m2。隧道按新奧法原理進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工，采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)。

隧道地處剝蝕丘陵地貌區(qū)，標(biāo)高約為33.0～81.0m，覆土厚度1～48m，洞口地形坡角一般在15～30°，上部第四系殘坡積粉質(zhì)黏土覆蓋較薄，下伏基巖主要為全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖，巖石節(jié)理、裂隙發(fā)育。地下水主要為基巖裂隙水，地下水水量較小，水量受季節(jié)變化影響，施工過(guò)程中地表水極易滲入施工中的隧道中，產(chǎn)生冒頂現(xiàn)象。

2 事故情況

準(zhǔn)備開(kāi)挖左洞K5+151～K5+153 段下臺(tái)階時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)施工管理人員發(fā)現(xiàn)該段初支出現(xiàn)開(kāi)裂、下沉，伴有拱頂上方土體從錯(cuò)縫中滑出，隧道外洞頂排水溝外側(cè)土體發(fā)生滑移，土釘護(hù)坡出現(xiàn)開(kāi)裂，最終出現(xiàn)冒頂塌方，經(jīng)核實(shí)，無(wú)作業(yè)人員傷亡。經(jīng)測(cè)量，塌穴直徑約7m，中心距離暗挖洞口約16m，洞頂覆土2.9～8m，塌穴前后初支侵線段長(zhǎng)度分別為2m、5m。

3 事故原因

（1）洞口段圍巖主要為第四系殘坡積土、強(qiáng)風(fēng)化及全風(fēng)化粉砂巖，為松散結(jié)構(gòu)，隧道巖石節(jié)理、裂隙發(fā)育，且事故發(fā)生部位覆土厚度較薄。事故時(shí)正處于當(dāng)?shù)赜昙酒陂g，且事故發(fā)生前一周內(nèi)連日降雨，出口段土體含水量處于飽和狀態(tài)。在降雨滲入作用下，全、強(qiáng)風(fēng)化巖體內(nèi)部水壓力增大，沿節(jié)理、裂隙面產(chǎn)生卸荷作用，風(fēng)化巖遇水強(qiáng)度明顯下降。

（2）大管棚中間連接處較薄弱，設(shè)計(jì)管棚之間連接采用φ114、壁厚5mm 的管棚連接套進(jìn)行連接，管內(nèi)無(wú)縱向連接鋼筋，此種連接方式抗剪切能力較弱，造成冒頂塌方部位管棚斷裂。

（3）上臺(tái)階初支完成后長(zhǎng)時(shí)間擱置，未及時(shí)封閉成環(huán)，下臺(tái)階開(kāi)挖后未及時(shí)施作邊墻，拱腳工字鋼處于懸空狀態(tài)。

4 處治措施

4.1 應(yīng)急措施

（1）地表水截流。在塌方體地表附近開(kāi)挖臨時(shí)截水溝，地表開(kāi)裂部位采用水泥砂漿進(jìn)行灌縫，避免地表徑流進(jìn)入塌方體。塌方體頂部采用彩條布覆蓋，作為臨時(shí)防雨棚罩，減少降雨對(duì)塌方體的影響。

（2）未塌方段落加固。對(duì)塌體后方已施拱部初支但未做仰拱的段落，設(shè)置臨時(shí)仰拱進(jìn)行加固，以實(shí)現(xiàn)初支封閉成環(huán)，避免塌方段落進(jìn)一步擴(kuò)張。左側(cè)鋼拱架拱腳通過(guò)縱向工字鋼進(jìn)行連接，橫向工字鋼對(duì)撐至中隔墻，鄰近塌方段部位采用“K”字形角撐避開(kāi)塌方土體，如圖1 所示。

（3）塌方體加固。對(duì)洞內(nèi)塌方土體進(jìn)行反壓，噴射混凝土進(jìn)行封閉，并對(duì)塌方土體進(jìn)行注漿處理，增強(qiáng)塌方土體穩(wěn)定性。

圖1 “K”字形角撐示意圖

（4）二襯跳倉(cāng)。將二襯臺(tái)車推至臨時(shí)仰拱加固段后方，優(yōu)先進(jìn)行該段二襯施工，強(qiáng)化未塌方段落支護(hù)參數(shù)，作為未塌方段支護(hù)儲(chǔ)備。

4.2 塌方段處理

（1）設(shè)置混凝土護(hù)拱。對(duì)塌穴巖壁噴射鋼纖維混凝土進(jìn)行封閉處理，提供安全的作業(yè)環(huán)境。在初支輪廓線以外設(shè)置混凝土護(hù)拱，環(huán)向采用工字鋼拼接而成，并采用縱向鋼筋連接成整體，頂部鋪設(shè)一層鋼筋網(wǎng)片。護(hù)拱右側(cè)落于中隔墻頂部，左側(cè)采用鎖腳鋼插管固定。

（2）拱部初支恢復(fù)。在護(hù)拱的支護(hù)下，分上、中、下三個(gè)臺(tái)階分步開(kāi)挖并恢復(fù)初支結(jié)構(gòu)，拱架加密至每榀40cm，開(kāi)挖與支護(hù)逐榀進(jìn)行，即開(kāi)挖一榀、支護(hù)一榀，確保土體穩(wěn)定。為保證護(hù)拱在開(kāi)挖過(guò)程中的支護(hù)可靠性，在塌方段左側(cè)初支輪廓外側(cè)設(shè)置一道混凝土條形基礎(chǔ)，將護(hù)拱左側(cè)通過(guò)工字鋼支腿焊接在條形基礎(chǔ)頂面，如圖2 所示。

圖2 冒頂塌方段處理示意圖

（3）仰拱及二襯跟進(jìn)。仰拱施工緊跟拱部初支，仰拱長(zhǎng)度縮短至2m 一板。同時(shí)，在保證作業(yè)空間的前提下，二襯緊隨仰拱施工。

4.3 初支侵線段處理

（1）設(shè)置臨時(shí)支撐。在上臺(tái)階與原初支之間分別設(shè)置臨時(shí)豎撐Ⅰ和臨時(shí)斜撐Ⅱ，臨時(shí)支撐根據(jù)原初支間距每榀設(shè)置一道，頂部與原初支拱架進(jìn)行焊接，底部落于鋼板上，縱向設(shè)置兩道工字鋼橫梁形成整體，如圖3 所示。

（2）左側(cè)換拱。逐榀拆除原侵線初支A 段，接左側(cè)中腿工字鋼a，中腿上端與護(hù)拱拱架連接，下端采用雙排鎖腳錨桿固定。中腿安裝完成后，掛網(wǎng)、噴射混凝土，隨后拆除臨時(shí)支撐Ⅱ和原初支B 段，并噴射混凝土。按照上述順序逐榀完成左側(cè)上臺(tái)階初支換拱。上臺(tái)階初支換拱完成后，逐榀開(kāi)挖下臺(tái)階，完成左側(cè)下腿工字鋼b 段安裝，隨后按每3m 一板施作左幅仰拱。

（3）右側(cè)換拱。左幅仰拱完成后，逐榀拆除臨時(shí)支撐Ⅰ和原初支C 段，并噴射混凝土，完成右側(cè)上臺(tái)階換拱。最后開(kāi)挖右幅下部土體，完成右幅仰拱施作。

4.4 塌穴處理

圖3 初支侵線段處理示意圖

在完成冒頂塌方段和初支侵線段仰拱后，對(duì)護(hù)拱頂部2m 范圍進(jìn)行回填，穩(wěn)定塌穴四周土體，降低地表水對(duì)塌方部位的影響。為減小頂部荷載，采用氣泡輕質(zhì)土進(jìn)行回填。待上述部位二襯結(jié)構(gòu)施工完成后，頂部回填素土并恢復(fù)綠化。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)實(shí)際案例的總結(jié)，在隧道冒頂塌方處理過(guò)程中需注意如下幾點(diǎn)：（1）事故發(fā)生后要建立警戒區(qū)，避免無(wú)關(guān)人員進(jìn)入，有序開(kāi)展塌方處理工作；（2）應(yīng)采取措施控制好地表水對(duì)塌方部位的影響，做好對(duì)塌方部位及周邊影響段落的加固，避免發(fā)生二次坍塌；（3）第一時(shí)間建立測(cè)量監(jiān)控體系，掌握地表沉降、周邊收斂、初支應(yīng)力等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化情況，及時(shí)反饋相關(guān)信息，以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)事故處理；（4）根據(jù)地質(zhì)、水文情況及現(xiàn)場(chǎng)塌方體形態(tài)，制定科學(xué)合理的處理方案，應(yīng)采用對(duì)土體擾動(dòng)較少的方法，處理措施應(yīng)以保障作業(yè)人員安全為第一要?jiǎng)?wù)。