詳解回填處理隧道掌子面塌方方法

楊 波， 任尚強(qiáng)

(1.重慶交通大學(xué)， 重慶 400074； 2.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司， 重慶 400067)

地質(zhì)條件復(fù)雜的隧道,施工中若不關(guān)注掌子面圍巖地質(zhì)變化、不重視超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報，若掌子面及其前方圍巖出現(xiàn)異常，但施工現(xiàn)場未及時作出工程措施回應(yīng)，依舊開挖掘進(jìn)，極可能造成隧道掌子面塌方。一旦發(fā)生塌方，不僅造成工期延誤、經(jīng)濟(jì)損失甚至人員傷亡，塌方處理不當(dāng)還會危及隧道結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性和可靠性。塌方處理后最常見的后遺癥之一便是隧道結(jié)構(gòu)的初期支護(hù)，以免與塌腔面存在脫空區(qū)，甚至是嚴(yán)重的脫空區(qū)。一旦塌體失穩(wěn)，對隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生沖擊荷載，危害很大。因此，脫空處理是隧道建設(shè)各方都重點關(guān)注和思考的問題，以便制定出安全可靠、經(jīng)濟(jì)可行的塌方處理方案。目前，掌子面塌方的情況主要有2種：1) 塌方后的塌腔在較短時間內(nèi)基本穩(wěn)定，現(xiàn)場對塌腔表面先噴射混凝土封閉塌落面，人員可在塌腔下施工作業(yè)；2) 塌方發(fā)生后，短時間內(nèi)塌腔不能穩(wěn)定，作業(yè)人員不能也不敢靠近塌體，這類塌方如何處理？筆者主持的公路隧道設(shè)計項目中，已有2次遭遇此類塌方，現(xiàn)場采用回填方法成功處理了隧道掌子面塌方。為此，本文重點論述采用回填方法處理隧道掌子面塌方的原理、步驟和注意事項等，以供同類工程參考。

1 隧道掌子面塌方常規(guī)處理方法

目前，隧道掌子面塌方處理分為2種情況：一是在塌方發(fā)生后，塌腔能在較快時間內(nèi)自穩(wěn)，通過對塌腔表面進(jìn)行錨噴網(wǎng)加固后，作業(yè)人員能在塌腔下施工。在塌腔下作業(yè)時，架立鋼架、布置鋼架間的縱向連接鋼筋和鋼筋網(wǎng)，在鋼架背側(cè)設(shè)置背板，然后向背板上噴射C25混凝土。二是塌方發(fā)生后，短時間內(nèi)塌腔不能自穩(wěn)，持續(xù)有落石，地下水較發(fā)育，作業(yè)人員在塌腔下作業(yè)存在落石傷人等風(fēng)險。塌方發(fā)生后，須加強(qiáng)已施工段隧道初期支護(hù)的穩(wěn)定狀況監(jiān)測，防止掌子面塌方危及已施作好的初期支護(hù)，以免產(chǎn)生連鎖塌方。施工現(xiàn)場一旦監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常預(yù)警，應(yīng)及時加固隧道初期支護(hù)，防止塌方擴(kuò)大漫延。

根據(jù)規(guī)范[1]要求，2種情況的隧道塌方均需對隧道塌方段初期支護(hù)進(jìn)行加強(qiáng)并延長5 m～10 m。一般處理方法是調(diào)整初期支護(hù)的鋼架型號、加密鋼架間距，加強(qiáng)錨噴網(wǎng)設(shè)計，達(dá)到加強(qiáng)隧道初期支護(hù)的作用，形成護(hù)拱。在拱腳和拱腰設(shè)置鎖腳錨桿或鎖腳鋼管[2]，視塌方高度和塌腔表面的穩(wěn)定情況確定是否設(shè)置河沙緩沖層，以防塌體失穩(wěn)對隧道結(jié)構(gòu)形成沖擊荷載，致使隧道結(jié)構(gòu)破壞。

1.1 自穩(wěn)型塌方處理方法

第1種情況若塌腔不高，一般先對隧道初期支護(hù)加強(qiáng)形成護(hù)拱，再在初期支護(hù)背后吹沙形成60 cm～80 cm的緩沖層[2]。沙緩沖層多用噴射混凝土機(jī)械(干噴機(jī)械)實施，架立鋼架時須預(yù)設(shè)吹沙管。塌方處理方案如圖1所示。

(a) 縱斷面

(b) 橫斷面

第2種情況若塌腔較高，須對塌方段的初期支護(hù)進(jìn)行加強(qiáng)處理，在拱腰、拱腳和墻角設(shè)置鎖角錨桿(管)對鋼拱架進(jìn)行鎖定[2]。這類塌方需在初期支護(hù)架立鋼架時預(yù)設(shè)泵送混凝土管和泵送混凝土厚度控制管和沙緩沖層吹送管。在初期支護(hù)達(dá)到強(qiáng)度后，在其后泵送約1.5 m厚的混凝土形成護(hù)拱，再在護(hù)拱混凝土上吹沙形成60 cm～80 cm的沙緩沖層，防止塌體失穩(wěn)對隧道初期支護(hù)形成沖擊荷載。

1.2 非穩(wěn)定型塌方處理

其原理是隧道拱部回填的混凝土與超前支護(hù)的預(yù)加固、預(yù)支護(hù)的有機(jī)結(jié)合[3]，相當(dāng)于改善隧道拱部巖體的質(zhì)量，使巖體和回填的混凝土結(jié)合更充分，在隧道拱部形成承載拱。在隧道拱腰、拱腳設(shè)置鎖腳錨管進(jìn)行鎖定，進(jìn)一步提高隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定能力。隧道下部回填的洞渣，開挖時也比較容易掘進(jìn)，開挖時短進(jìn)尺，開挖的空間形成懸臂梁，如圖2所示。

這類塌方發(fā)生后，塌腔持續(xù)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，不斷有石塊掉落，且塌腔高度較大(拱頂以上高約5 m～7 m)，地下水較發(fā)育，巖體自身穩(wěn)定能力差，施工作業(yè)人員短時間內(nèi)無法在塌腔下作業(yè)。這種情況適用回填法處理，步驟如下：

1) 處理塌方前，須先確認(rèn)掌子面附近已施作的初期支護(hù)的穩(wěn)定性。必要時增設(shè)臨時支撐，確保作業(yè)人員和機(jī)械設(shè)備的安全。

2) 回填洞渣、堆碼沙袋[4]。因塌體存在落石和再次垮塌的可能，短時間內(nèi)施工人員不能在塌體下作業(yè)。為此，采用挖掘機(jī)和裝載機(jī)回填洞渣，在回填的過程中堆碼沙袋并用挖掘機(jī)反鏟夯實渣體，邊回填邊堆碼沙袋。洞渣回填坡度約為10∶2，洞渣粒度合適，有利于洞渣穩(wěn)定，洞渣中大的孤石應(yīng)剔除?；靥顣r盡量堆高，機(jī)械無法堆高時人工碼沙袋至初期支護(hù)內(nèi)緣并封閉，如圖2所示。

圖2 回填處理塌方縱斷面

3) 在堆碼的沙袋頂部、初期支護(hù)端頭下緣預(yù)埋混凝土澆筑管、檢查管和吹沙管(如需要)，自渣堆頂?shù)皆O(shè)計開挖輪廓線拱頂上方約1.5 m范圍用C15或C20混凝土澆筑。回填的混凝土改善了隧道拱部巖體的質(zhì)量。

4) 在回填洞渣欠穩(wěn)定時，可采用注漿固結(jié)渣堆，防止開挖時造成上部混凝土失穩(wěn)。先對渣堆表面噴射15 cm～20 cm厚C25混凝土封閉后再注漿固結(jié)渣體，注漿管采用Φ42 mm鋼花管，管長5 m，間距1.5 m，梅花型布置，孔深5 m[5]。

5) 在做好預(yù)加固和預(yù)支護(hù)的前提下進(jìn)行開挖作業(yè)[6]。超前支護(hù)宜采用雙層Φ42超前小導(dǎo)管支護(hù)或縮小超前支護(hù)的排距、加長超前支護(hù)的搭接長度對巖體進(jìn)行預(yù)支護(hù)和預(yù)加固，第1排和最后1排超前支護(hù)尤其重要，確保超前支護(hù)施工質(zhì)量，在保護(hù)下進(jìn)行開挖作業(yè)，如圖3所示。

單位：cm

6) 開挖作業(yè)宜采用機(jī)械開挖配合控制爆破技術(shù)，開挖一榀鋼架距離，支護(hù)一榀鋼架，布設(shè)鋼筋網(wǎng)、鋼架間的縱向連接筋后噴射C25混凝土，鋼架腳部用鎖腳錨管(桿)鎖定[5]。

7) 施工過程中堅持“管超前、短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)”施工原則[1]。管超前，即指Φ42超前小導(dǎo)管注漿進(jìn)行預(yù)支護(hù)和預(yù)加固；短進(jìn)尺是指隧道開挖一榀鋼架距離，緊跟開挖支護(hù)一榀鋼架；在超前支護(hù)的保護(hù)下利用機(jī)械開挖或采用弱爆破，強(qiáng)支護(hù)指對隧道的初期支應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)，確保支護(hù)的強(qiáng)度和剛度。

2 回填處理隧道塌方的注意事項

1) 慎重選擇隧道超前支護(hù)方式[6]。自進(jìn)式錨桿、Φ89(或Φ76)中管棚和Φ42雙層超前小導(dǎo)管注漿是3種超前支護(hù)方案。筆者建議采用雙層超前小導(dǎo)管注漿作為超前支護(hù)方案，該方案實施性強(qiáng)，已成功應(yīng)用在2個項目。該類型塌方的處理所需的施工設(shè)備較簡單，可多臺手持式鉆機(jī)同時進(jìn)行鉆孔作業(yè)，靈活調(diào)整超前小導(dǎo)管的縱向步距和超前小導(dǎo)管的搭接長度，加強(qiáng)預(yù)支護(hù)效果。自進(jìn)式錨桿適用于超前支護(hù)鉆孔不能成孔的情況，且自進(jìn)式錨桿價格較高。采用Φ89或Φ76中管棚，鉆孔作業(yè)所需的設(shè)備要求較高、作業(yè)時間也較長，但超前支護(hù)效果較好。

2) 鋼架施工注意預(yù)設(shè)泵送混凝土管、混凝土厚度控制管和沙緩沖層吹送管。通過預(yù)設(shè)的控制管回填混凝土的厚度和吹沙層的厚度。

3) 塌方處理須秉持“弱爆破、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)”原則，并做好隧道拱腳、拱腰鎖腳鋼管(錨桿)[1]的施作。

3 工程應(yīng)用

重慶市云陽縣鐵峰山隧道進(jìn)口右洞施工至樁號K6+645時，由于掌子面工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件復(fù)雜，存在薄煤層且?guī)r體層間結(jié)合差，巖層傾角陡(約80°)，存在大量孤石且地下水發(fā)育，地下水成淋雨狀，存在早年形成的采空區(qū)，發(fā)生順層塌方。

鐵峰山掌子面隧道圍巖級別為Ⅴ級，采用Φ42超前小導(dǎo)管注漿對掌子面前方巖體進(jìn)行預(yù)支護(hù)和預(yù)加固。由于地下水的存在，降低了超前小導(dǎo)管注漿加固巖體的作用。掌子面塌方高度5 m～7 m，縱向長度約10 m。塌方處理采用的方法是前文所述的回填方法，效果良好。

另外，國道321線瀘州至瀘縣段玉蟾山隧道同樣采用上述回填方法處理隧道掌子面塌方，并取得成功。

4 結(jié)論

回填處理隧道掌子面塌方已在國道321線瀘州至瀘縣段玉蟾山隧道、重慶市云陽縣南快高速鐵峰山隧道2個項目得到應(yīng)用，實踐證明該方案可行。

1) 該方案需要的工藝、設(shè)備適應(yīng)性好，方案實施所需的裝載機(jī)和挖掘機(jī)施工現(xiàn)場均有配置，不需要特殊的設(shè)備，節(jié)約處理成本，節(jié)省處理時間，且處理成效良好。

2) 隧道超前支護(hù)采用Φ42雙層超前小導(dǎo)管注漿方式，可多人同時進(jìn)行超前支護(hù)的鉆孔作業(yè)，在鉆孔過程中通過加大外層小導(dǎo)管仰角、加長鉆眼深度，記錄鉆進(jìn)速度、出水濁清和鉆屑情況等掌握前方工程地質(zhì)和水文地質(zhì)情況。該方法效率較高且處理塌方的時間較短，造價也較低，對工期影響較小。