蒼霞山超淺埋隧道松散圍巖多類型塌方處治技術

沈偉

摘 要：蒼霞山隧道為旅游公路超淺埋短隧道，極易發(fā)生塌方冒頂，施工安全和環(huán)境保護難度極大。針對受機械裝備限制和環(huán)境保護控制等難題，提出了塌方處理的基本流程，制定了不同規(guī)模塌方冒頂?shù)奶幹畏桨?。在地表不宜開展大規(guī)模加固作業(yè)的情況下，對于覆蓋層極薄的情況，采取加長雙層小導管可以有效處治塌方冒頂;覆蓋層達到一定厚度時，宜采用傳統(tǒng)礦山法小斷面、短進尺、強支護的方案通過，以實現(xiàn)安全、經濟、高效的目標。通過采取上述方案，隧道得以安全通過塌方段，相關技術措施可供類似工程借鑒參考。

關鍵詞：淺埋隧道;塌方;松散圍巖;礦山法

0 引言

塌方是超淺埋隧道施工經常發(fā)生的事故。超淺埋隧道由于覆蓋層很薄，上覆巖土在開挖后難以形成穩(wěn)定的塌落拱，由此造成地表沉陷和塌方，給施工帶來巨大風險[1，2]。當超淺埋隧道同時兼有復雜地形、軟弱圍巖、超大斷面或其他不良地質時，塌方防控尤其困難。正因為如此，大量學者和工程技術人員對不同類型的超淺埋隧道防塌方問題開展了研究與實踐，例如周光裕[3]以矮子寨隧道為例對陡峭偏壓地形下的淺埋隧道塌方風險進行分析，比選了多種輔助施工方案，從而保證施工安全;賴金星[4]以寶天高速某隧道為例開展了淺埋偏壓黃土隧道塌方處治方法研究和效果分析;崔向陽[5]以貴州兩天窩隧道為例開展了淺埋暗挖隧道下穿巖溶施工方案研究;張長安[6]研究了雙向八車道超大斷面公路隧道穿越極淺埋段的施工方案;甘露[7]以福州市湖東東路南線隧道塌方為例對處治方案及效果進行了分析;鄒金杰[8]介紹了淺埋暗挖法在某隧道塌方治理中的應用。由于淺埋隧道塌方的影響因素和機制極其復雜[9]，在工程實踐中必須充分考慮工程的具體特征和條件，從預支護和預加固方案、開挖工法優(yōu)化、施工監(jiān)控與評估等多種方面著手[10-12]，才能達到安全和經濟的目的。特別是對于部分規(guī)模較小、施工力量薄弱的隧道，尤其要充分考慮工程實際條件，靈活選用簡單實用、易于實施的技術方案，快速決策快速實施，才能達到事半功倍的效果。本文結合湖南瀏陽蒼霞山隧道，介紹紅色旅游區(qū)超淺埋短隧道的塌方處治方案，供類似工程參考。

1 工程概況

1.1 隧道基本情況

蒼霞山隧道是胡耀邦故居和陳列館紅色旅游公路上的一座短隧道，位于湖南省瀏陽市中和鎮(zhèn)附近。隧道起訖樁號為K1+435～K1+610，全長175 m，起點段洞口設計高程192.571 m，地面高程194.308 m，終點段洞口設計高程189.141 m，地面高程191.500 m，中線最大埋深21.2 m。隧道按雙向兩車道三級公路設計，設計速度30 km/h，行車道寬度3×3.5 m，內輪廓凈高9.01 m、凈寬11.62 m。

1.2 地質水文條件

隧址區(qū)屬低山丘陵地貌區(qū)，隧道走向與山脊走向近似垂直，進出口山坡坡度較陡，進口端自然坡度30°～45°、出口端自然坡度25°～40°，植被發(fā)育，水土保持較好。隧道除洞口段和洞身段地表淺層有少量第四系覆蓋層分布外，穿越巖層大部分為全風化和強風化板巖，其中全風化板巖呈褐黃色，可-硬塑狀，原巖結構基本破壞，局部可見原巖結構，巖芯多呈土柱狀，巖夾土狀，局部含少量強風化巖塊。

隧道穿越近東西向山體，山坡溝谷較發(fā)育，在兩端山坡坡腳沖溝中有常年性流水，山體周邊沖溝旱季無水，雨季有水，暴雨時節(jié)水量明顯增加，暴雨情況下可能會爆發(fā)山洪。隧址區(qū)水系發(fā)達，河網密布，雨量充沛（年平均降水量1 500 mm～1 600 mm），且雨量集中出現(xiàn)在四、五、六月，尤以六月雨量最多。加之山坡陡峻，匯流時間短，受地形、水流切割作用的影響，能迅速形成具有沖刷能力的地表徑流。

1.3 塌方預防與處治預設計

蒼霞山隧道全隧道埋深很小，地質條件差，需克服淺埋、斷層帶、崩塌、塌方等困難，在設計階段做了大量塌方預防和處治設計。

在塌方預防方面，根據(jù)具體覆蓋層厚度、地質情況采用大管棚、注漿小導管、地表砂漿錨桿、地表預注漿等輔助施工措施，洞內通過初期支護設置工字鋼拱架，二襯采用鋼筋混凝土等對襯砌結構進行加強，同時，施工中應加強監(jiān)控量測，并強調二次襯砌及時緊跟。

1.3.1 中、小型塌方

對從塌腔口可觀察倒坍壁的穩(wěn)定性，確定是否采用清渣方案，同時根據(jù)塌腔的矢跨比（H/B）采取不同的處治措施。

當塌腔矢跨比H/B<0.7 時，采用WNF 法處治，利用圍巖暫時穩(wěn)定狀態(tài)，邊清渣邊處理，盡快采用噴錨支護加固未塌地層，即“外層初期支護（簡稱W）”，然后沿二次襯砌外輪廓施作鋼筋混凝土殼體，即“內層初期支護（簡稱N）”，同時在殼體和噴錨支護之間采用鋼架連成整體，沿內層初期支護外輪廓外依次設防水層、1 m 厚護拱及1 m 以上的緩沖層，即“防護層（簡稱F）”。

當塌腔矢跨比H/B≥0.7 時，采用WF 法處治，利用圍巖暫時穩(wěn)定狀態(tài)，邊清渣邊處理，盡快采用噴錨支護加固未塌地層，即“外層初期支護（簡稱W）”，然后沿二次襯砌外輪廓施作防水層、1 m 厚護拱及1 m 以上的緩沖層，即“防護層（簡稱F）”。

1.3.2 大型塌方

對于大型塌方，一般不能采用清渣方案，而是采取“注漿+管棚”整體加固方案。設置止?jié){墻，然后充填注漿，充填后施作管棚，在管棚支護下采用短進尺、分步開始施工。

1.3.3 “冒頂”塌方

對于“冒頂”塌方，先處理地表塌方洞口，四周設置截、排水溝，并采用噴錨支護，根據(jù)地表穩(wěn)定性情況決定是否采用地表注漿加固，洞內塌方處治方案可參考大型塌方處理，待洞內處治完畢后對地表塌方口回填加固，一般采用粘性土回填，回填后高出地表0.5 m～1 m。

2 多類型塌方及處治方案

2.1 處治原則與程序

由于圍巖軟弱或松散、不利結構面切割、埋深過淺等原因，不同規(guī)模的塌方是隧道施工常見的問題，蒼霞山隧道也發(fā)生多次不同規(guī)模的塌方。由于該隧道屬于旅游公路隧道，環(huán)境保護要求高，社會影響大，同時由于隧道規(guī)模較小，施工技術和裝備力量相對薄弱，塌方處治既要遵循一般隧道塌方的原則，同時還要考慮該類隧道的特點，主要包括以下幾點：

（1）安全第一原則：安全第一是所有隧道塌方處治需要遵循的第一原則，在出現(xiàn)塌方征兆和發(fā)生塌方后采取控制、加固措施時，都要注意進行安全性分析，評估塌方是否可控，一旦出現(xiàn)不可控的情況，應第一時間撤離人員、設備。

（2）綠色環(huán)保原則：保護環(huán)境，避免大規(guī)模地表作業(yè)造成的植被與景觀破壞，是旅游公路隧道應特別強調的原則。除非萬不得已，應避免大規(guī)模清表、地表注漿、修筑地表便道等作業(yè)。

（3）因地制宜原則：塌方處治要求快速決策、快速實施，因而必須結合現(xiàn)場施工的人員和裝備條件，制定合理的處治方案。對于小規(guī)模的短隧道，必須考慮投入技術人員、作業(yè)工人的技術水平和經驗，以及現(xiàn)場配置的施工作業(yè)設備，因地制宜、實事求是的制定處治方案。

蒼霞山隧道塌方處治基本流程如圖1所示，主要包括塌方控制、塌方段加固、塌方段重新施工等三個階段：

（1）出現(xiàn)塌方征兆后，應立即組織有經驗的技術骨干或專家查勘現(xiàn)場，評估是否可控。如果不可控，則應盡快撤離人員、設備，讓塌方發(fā)生、發(fā)展，待發(fā)展到一定規(guī)模，重新進入可控狀態(tài)時，制定塌方控制措施，避免塌方持續(xù)擴大。如果出現(xiàn)塌方征兆后仍可控，應立即組織采取塌方控制措施，避免塌方發(fā)生或發(fā)展。

（2）采取塌方控制措施時，應同時評估控制措施的實施效果。如果控制措施無效，或者效果有限，則應再次評估是否可控，若可控則調整控制措施或繼續(xù)加強控制措施，不可控則撤離人員、設備。如果控制措施有效，隧道重新進入穩(wěn)定狀態(tài)，則可以實施加固措施。

（3）當隧道在采取控制措施后進入穩(wěn)定狀態(tài)時，應對塌方段和塌方影響段進行加固，只有加固達到足夠的安全狀態(tài)后，方可恢復塌方段掘進施工。加固的目的有二：一是對塌方影響段進行圍巖和結構補強，確保其受到的損傷得以恢復，并為塌方段恢復施工提供條件;二是對于塌方段，應采取措施對塌腔或松散塌體進行加固，以滿足重新開挖的穩(wěn)定要求。

（4）塌方段重新施工：由于塌方段存在塌腔或松散塌體，盡管采取了加固措施，恢復開挖仍需采取短進尺、小擾動、強支護的方式進行，以確保安全。

2.2 中、小塌方處治方案

2.2.1 塌方的發(fā)生

蒼霞山隧道施工至距離進口20 m處（管棚與小導管超前支護搭接處，覆蓋層厚度約5 m），掌子面右側出現(xiàn)一處陡傾節(jié)理面，走向近似垂直于隧道軸線，開挖時出現(xiàn)頂部松散巖塊持續(xù)溜塌，作業(yè)隊清理后，頂部空腔高度約2 m，縱橫向約1 m。

2.2.2 塌方的發(fā)展

清理溜塌巖塊后，作業(yè)隊繼續(xù)進行上臺階底部和拱腳開挖，期間上部溜塌持續(xù)擴大，最終導致塌腔延伸至地表，呈上窄下寬的錐形，頂部開口半徑約1 m，底部橫向寬度約5 m、縱向約2 m，如圖2所示。

2.2.3 塌方的處治

針對錐形塌方冒頂，考慮隧道地處景區(qū)，覆蓋層僅4 m，上覆荷載較小，在洞內采用噴砼封閉塌方體后，用兩榀I20工字鋼作為護拱保護已完成的初期支護，然后采用雙排超前小導管進行加強支護，小導管長度6 m，兩層外插角分別為15°和30°，小導管施做后有效棚護上覆巖體，順利通過塌方段，處治方案如圖3所示。

2.3 大塌方處治方案

2.3.1 塌方的發(fā)生和發(fā)展

蒼霞山隧道施工至距離進口70 m處（覆蓋層厚度約12 m），穿越一處小型斷裂帶時，隧道再次發(fā)生坍塌。塌方首先發(fā)生在掌子面左側，起始階段為松散石塊掉落，隨著作業(yè)隊清理松散土石，塌方不斷擴大，累積清渣超過200 m3，最終造成冒頂。隧道內塌方段縱向長度約6 m、橫向寬度約10 m。塌方漏斗上寬下窄，開口直徑約15 m，高度約10 m。

2.3.2 塌方控制與加固措施

（1）隧道洞內立即停止清渣，并采用棄渣堆填，渣體表面采用5 cm厚噴射混凝土進行封閉，避免滲水沖蝕土石。在掌子面采用型鋼制作護拱保護已經完成的初期支護，型鋼型號為I20，縱向間距50 cm，共設3榀。型鋼與初期支護之間采用木方楔緊，底部落在堅實的巖土上，每榀拱架兩側各設2根小導管鎖腳。

（2）考慮該隧道屬景區(qū)公路，應盡可能減少地表植被破壞，因此不宜修筑便道進行塌腔系統(tǒng)處治，首先向塌腔內拋放鋼管和螺紋鋼形成骨架，再泵送混凝土進行底部回填，每層回填厚度為50 cm～80 cm，共回填三層，在漏斗底部形成左右的保護層，上部采用輕質泡沫混凝土回填，防治塌方漏斗擴展。

（3）塌方得以控制后，因成孔困難，采用機械法將直徑89 mm、直徑42 mm頂入前方塌方松散巖土并進行注漿，鋼管長度實際長度3 m～6 m，處置方案如圖5所示。

2.3.3 塌方段礦山法施工

由于塌方漏斗內的保護層距離開外輪廓還有1 m～2 m的距離，下方巖土體松散，加之工期較緊、作業(yè)設備有限，無法在短期內施做長管棚一次性穿越塌方段。為了確保安全，塌方段施工改用礦山法，上臺階弧形分左右兩側兩次開挖，環(huán)形高度1.6 m，每循環(huán)進尺0.5 m。

具體作業(yè)流程為：

（1）左側弧形段開挖進尺0.3 m，開挖后立即用一組3臺液壓支架進行支撐，支架頂部用木板封閉上部松散巖土體以確保安全。

（2）左側弧形段繼續(xù)掘進0.3 m，并用另外一組3臺液壓支架支撐。

（3）撤除前一組直接支撐在巖土體上的液壓支架，施做該循環(huán)噴射混凝土。

（4）按照（1）～（3）施做右側弧形段，完成一環(huán)開挖和支護。

（5）重復（1）～（4），最終通過塌方段。處治方案如圖5，圖6所示。

采用該方法的好處在于：每次開挖圍巖實際暴露范圍僅為0.3 m，較其他工法大大縮小，且立即采用液壓支架保護，大大增大了施工的安全性;采用液壓支架加木板保護，有效解決了松散巖土體不斷滑落的問題;使用的設備僅為6臺液壓支架，設備簡單，操作簡便;每循環(huán)0.5 m，成功解決了上部無長管棚超前支護帶來的安全問題，縮短了施工工期。

3 結論

本文結合蒼霞山旅游公路隧道，充分考慮工程規(guī)模小、環(huán)保要求高等具體條件，開展了超淺埋隧道不同規(guī)模的塌方冒頂處治工作，主要結論如下：

（1）制定了隧道塌方處治程序。超淺埋隧道出現(xiàn)塌方征兆或發(fā)生塌方后，應首先按照程序進行塌方控制，避免因清渣等不當施工措施，導致塌方擴大，增加處治難度。

（2）在旅游公路隧道等環(huán)保和景觀要求較高的情況下，應盡量避免開展地表作業(yè)，必須進行地表處治時，應盡可能采取簡易、快捷、環(huán)境破壞小的措施。

（3）當?shù)乇聿灰瞬扇〈笠?guī)模預加固等措施時，應結合工程實際作業(yè)條件和裝備，因地制宜地靈活選擇處治方案。覆蓋層極薄時，上覆荷載較小，塌方范圍可控，采取雙層小導管加強超支護是安全、可靠的方案。覆蓋層有一定厚度、塌方規(guī)模較大時，采取傳統(tǒng)礦山法小斷面、短進尺、強支護進行施工，也可達到安全、快速、經濟的目的。

參考文獻：

[1]李志強，楊濤.淺埋黏土層大跨度隧道施工技術與塌方風險分析[J].公路交通科技，2020，37（2）：116-122.

[2]李梓源，王海亮，張旭陽，等.小徑距淺埋隧道塌方成因事故樹分析[J].安全與環(huán)境工程，2017，24（1）：158-161.

[3]周光裕，駱偉，練民.復雜地形陡峭偏壓條件連拱隧道施工技術研究[J].公路工程，2018，43（4）：269-273.

[4]賴金星，邱軍領，牛方園，等.淺埋偏壓黃土隧道塌方處治及效果分析[J].現(xiàn)代隧道技術，2017，54（2）：194-201.

[5]崔向陽，郭鴻雁，江星宏，等.淺埋暗挖隧道下穿巖溶施工方案優(yōu)選[J].地下空間與工程學報，2019，15（S2）：724-728.

[6]張長安，萬利，李振江，等.雙向八車道超大斷面公路隧道穿越極淺埋段方案研究[J].公路交通科技（應用技術版），2019，15（5）：274-276.

[7]甘露，王亞東，劉厚全，等.城市軟弱圍巖淺埋隧道塌方處治及效果分析[J].公路，2017，62（7）：322-326.

[8]鄒金杰，顧鑫杰，章立峰，等.淺埋暗挖原理在西部某隧道冒頂塌方治理中的應用[J].現(xiàn)代隧道技術，2016，53（2）：202-206.

[9]嚴若明，周光裕，唐金，等.淺埋隧道塌方機理上限分析[J].鐵道科學與工程學報，2014，11（5）：96-99.

[10]王維富，梅竹.臺階法在超大斷面淺埋偏壓隧道中的應用研究[J].隧道建設（中英文），2017，37（12）：1578-1584.

[11]李文韜，張擁軍，劉思佳，等.山嶺隧道淺埋偏壓段塌方冒頂分析及工法優(yōu)化[J].公路，2020，65（1）：309-314.

[12]張建軍，馬吉倩.高速公路隧道洞口淺埋段塌方冒頂分析與治理[J].公路工程，2017，42（2）：187-190.