周家窊黃土隧道冒頂塌方分析與處治技術(shù)

趙兵，許立，張棟，王雙現(xiàn)，李翼延

(1.三門峽市國(guó)道310南移項(xiàng)目公司，河南 三門峽 472000；2.河南省三門峽市公路局；3.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院)

黃土是中國(guó)工程建設(shè)中常遇的一類特殊土，具有明顯的豎向節(jié)理結(jié)構(gòu)特性。黃土隧道建設(shè)過(guò)程中，豎向節(jié)理及軟弱面易導(dǎo)致地面沉降、支護(hù)結(jié)構(gòu)大變形乃至塌方問(wèn)題，引發(fā)施工安全風(fēng)險(xiǎn)，遲滯施工進(jìn)度、增加工程造價(jià)。

近年來(lái)，黃土隧道建設(shè)如火如荼，施工期間圍巖失穩(wěn)破壞機(jī)制以及塌方預(yù)防等方面的研究成果豐碩。賴金星等分析某淺埋偏壓黃土隧道洞口段塌方原因，提出了超前大管棚聯(lián)合注漿小導(dǎo)管加固方案，對(duì)處治效果進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)及計(jì)算評(píng)價(jià)；趙虎生分析了梨樹(shù)塔濕軟黃土隧道塌方特征及成因，采用地表旋噴樁加固進(jìn)行塌方處理取得了良好效果；徐松芳等分析了大管棚在黃土隧道塌方處理中的應(yīng)用效果，通過(guò)數(shù)值計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究了大管棚在黃土地層的作用機(jī)制。

三門峽市國(guó)道310南移新建工程周家窊黃土隧道，左線隧道于雙向貫通僅余30 m、隧道埋深70 m處的緊急停車帶加寬段施工時(shí)，進(jìn)口一側(cè)掌子面發(fā)生冒頂塌方。該文對(duì)項(xiàng)目塌方案例開(kāi)展原因分析及現(xiàn)場(chǎng)處治方案的探討，提出塌方處掌子面封閉、出口端大管棚及徑向注漿加固并單向掘進(jìn)等綜合處治措施?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)施后效果良好，隧道安全順利貫通，研究成果可為類似大斷面黃土深埋隧道冒頂塌方處治提供借鑒。

1 工程概況

周家窊隧道位于河南省三門峽市陜州區(qū)，是國(guó)道310洛三界至豫陜界段南移新建項(xiàng)目的控制性工程之一。隧道按分離式雙洞四車道設(shè)計(jì)，左洞起訖里程為ZK86+502～ZK87+642，全長(zhǎng)1 140 m，右洞起訖里程為YK86+585～YK87+618，全長(zhǎng)1 033 m。

周家窊隧道穿越區(qū)域?yàn)榫|(zhì)黃土梁區(qū)，隧址區(qū)上覆20～25 m黃土狀粉土，為上更新統(tǒng)新黃土，具Ⅵ級(jí)濕陷性，承載力基本容許值為100～120 kPa；局部夾有黃土狀粉質(zhì)黏土，承載力基本容許值為120～150 kPa；下部為中更新統(tǒng)粉土，中密～密實(shí)狀，承載力基本容許值為140～200 kPa。洞身土層豎向節(jié)理發(fā)育，層理不明顯。

隧道全長(zhǎng)均為Ⅴ級(jí)圍巖，采用3種復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)形式，如圖1所示。即：Ⅴ級(jí)洞口段，Ⅴ級(jí)深埋段和Ⅴ級(jí)緊急停車帶襯砌。分為標(biāo)準(zhǔn)斷面[圖1(a)與圖1(b)]和緊急停車帶加寬斷面[圖1(c)]。

圖1 周家窊隧道復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)類型(單位：cm)

3種復(fù)合式襯砌均設(shè)單層小導(dǎo)管注漿超前支護(hù)，小導(dǎo)管選用長(zhǎng)4.5 m的φ42 mm×4 mm鋼管；此外，拱腳與邊墻底部沿斜向下45°每處各打設(shè)2根長(zhǎng)4 m、φ42 mm×4 mm鎖腳錨管。

2 周家窊隧道塌方概述及原因分析

2.1 塌方概述

自2017年10月開(kāi)工以來(lái)，周家窊隧道左洞采用短臺(tái)階法施工，其中上臺(tái)階單循環(huán)進(jìn)尺0.5 m(一榀拱架)，中下臺(tái)階單循環(huán)進(jìn)尺1 m(兩榀拱架)。仰拱單循環(huán)進(jìn)尺2 m(4榀拱架)；為防止上部初期支護(hù)兩側(cè)拱腳同時(shí)懸空，下半斷面的開(kāi)挖采用左右交錯(cuò)開(kāi)挖；采用42 mm的小導(dǎo)管注漿進(jìn)行超前加固，小導(dǎo)管外插角的10°～15°，按拱部120°范圍布置，超前加固2 m(4榀拱架)一循環(huán)。進(jìn)出口兩端同時(shí)掘進(jìn)，原計(jì)劃左洞于ZK87+128里程處貫通。2019年1月15日，隧道左洞洛三界端(進(jìn)口)上臺(tái)階掌子面施工至緊急停車帶加寬段(ZK87+063～ZK87+132)內(nèi)里程ZK87+102處，當(dāng)晚23：30之后，進(jìn)口端上臺(tái)階開(kāi)挖完畢準(zhǔn)備架立鋼拱架時(shí)，掌子面附近土體出現(xiàn)持續(xù)掉塊，初期支護(hù)發(fā)生開(kāi)裂變形；凌晨24：00左右，現(xiàn)場(chǎng)隨即組織施工人員撤離，用時(shí)約10 min。人員安全撤離后不久，洞外聽(tīng)見(jiàn)持續(xù)6～8 s巨響，事后發(fā)現(xiàn)掌子面滑塌并沿小里程方向連續(xù)塌方至ZK87+080，洞內(nèi)涌進(jìn)土方量約1 600 m3。塌方時(shí)進(jìn)口段仰拱里程為ZK87+63，上中下臺(tái)階分別開(kāi)挖至ZK87+102、ZK87+86、ZK87+72。

塌方段地質(zhì)縱剖面示意如圖2所示。隧道上方地表地形平坦，埋深約70 m。涌進(jìn)隧道內(nèi)的土體主要以松散黃土為主，夾雜有約1.5 m尺度土塊。塌方地段處于果園灌溉區(qū)，土質(zhì)疏松，可能存在水囊空腔，加之降雨影響，塌方后下臺(tái)階仰拱處出現(xiàn)持續(xù)滲水現(xiàn)象，短時(shí)間內(nèi)滲水量可達(dá)2～3 m3/h，并且土體含水率較高，約為20.3%，隧道的上覆荷載增大，是導(dǎo)致塌方的重要原因。洞內(nèi)塌方現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖3。

圖2 左線塌方段地質(zhì)縱剖圖

圖3 ZK87+080塌方情況

盡管隧道埋深約70 m，該塌方仍冒頂至地表，現(xiàn)場(chǎng)陷坑照片如圖4所示。位于左洞ZK87+088～ZK87+100正上方地表，呈直徑約12 m、深度8.5 m的近圓形，坑周四壁陡立，可觀察到垂直裂隙發(fā)育。地表排查發(fā)現(xiàn)ZK87+885、ZK87+090及ZK87+012幾處上方地表位置各有1處直徑8 m、深6 m、內(nèi)有50 cm水深的圓形水窖，3處水窖至左線線路中線的距離分別為21、5.3和12 m。此外，坑洞正西方向約10 m位置為一條灌溉水渠。

圖4 ZK87+088～ZK87+100上方地表陷坑

2.2 塌方原因分析

(1)周家窊隧道洞身穿越黃土地層，黃土豎向節(jié)理發(fā)育，圍巖壓力以豎向壓力為主，側(cè)向壓力小，隧道承載拱效應(yīng)弱。

(2)隧道采用短臺(tái)階法施工，塌方段上臺(tái)階單循環(huán)進(jìn)尺0.5 m(一榀鋼拱架)，恰好處于緊急停車帶加寬段，開(kāi)挖跨度增大，黃土地層松弛壓力隨之增加。

(3)塌方發(fā)生時(shí)，左洞進(jìn)出口兩端掌子面縱向相距約30 m，對(duì)向施工可能存在相互影響；開(kāi)挖卸載進(jìn)一步引起水平向應(yīng)力降低，黃土地層穩(wěn)定性變差。

(4)塌方后沿地表巡查發(fā)現(xiàn)，上方地表存在果園灌溉渠道及長(zhǎng)期通水儲(chǔ)水的水窖，下方地層含水量增加，土體強(qiáng)度降低。

綜上，在多種因素交織影響下，即便隧道埋深較大，開(kāi)挖后支護(hù)結(jié)構(gòu)將承受較大豎向荷載作用，施工稍有不慎易引發(fā)小范圍垮塌，直至連鎖反應(yīng)快速惡化，最終形成埋深70 m條件下直通地表的連續(xù)冒頂塌方。

3 塌方處治方案

隧道冒頂塌方后，經(jīng)各方商議，決定遵循“穩(wěn)定塌體、超前加固、單向掘進(jìn)、地表回填”的總體處治原則，依據(jù)圖5流程對(duì)塌方進(jìn)行洞內(nèi)外綜合處治，具體處治方案如圖6所示。

圖5 塌方處治方案流程圖

圖6 塌方處治方案示意圖

3.1 應(yīng)急處治

為防止塌方進(jìn)一步發(fā)展，對(duì)洞內(nèi)塌方體及地表陷坑進(jìn)行緊急處理，主要措施如下：

(1)塌方臨時(shí)穩(wěn)定后，對(duì)垮塌土體噴射25 cm厚C25早強(qiáng)混凝土封閉，打設(shè)8 m長(zhǎng)注漿鋼管以穩(wěn)固垮塌面坡腳，隨后外運(yùn)土體反壓成兩臺(tái)階狀，并在上臺(tái)階前端施作40 cm厚混凝土擋墻以支撐垮塌土體坡頂后方拱架。

(2)盡快施作進(jìn)口端仰拱及二襯，緊跟至垮塌土體坡腳ZK87+070；抓緊施作出口端仰拱及二襯，跟進(jìn)至下臺(tái)階后方。

(3)地表應(yīng)急處治與洞內(nèi)應(yīng)急處治同時(shí)進(jìn)行。首先對(duì)地表陷坑底部土體進(jìn)行人工整平，并回填20 cm厚素混凝土墊層，隨后在陷坑周圍搭設(shè)防雨棚和安全防護(hù)欄桿，以阻止地表水坑內(nèi)匯聚滲入。

3.2 洞內(nèi)處治

鑒于塌方段ZK87+080～ZK87+102初期支護(hù)已嚴(yán)重變形，從進(jìn)口端處理需進(jìn)行換拱施工，風(fēng)險(xiǎn)較高，加之塌方后進(jìn)出口兩端掌子面僅相距52 m，繼續(xù)采用兩端掘進(jìn)的方式可能導(dǎo)致二次塌方，故決定塌方處保持封閉，由出口端單向掘進(jìn)ZK87+132～ZK87+080段。

如圖6所示，出口端按短臺(tái)階法施工，掘進(jìn)過(guò)程中采用“襯砌支護(hù)加強(qiáng)+超前大管棚+徑向注漿”聯(lián)合加固，嚴(yán)格遵循“短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、早閉合”原則，每開(kāi)挖一鋼支撐間距，立即架設(shè)一榀鋼支撐并噴射混凝土至設(shè)計(jì)厚度，使之形成強(qiáng)度后及時(shí)承載。此外，及時(shí)施作仰拱和二次襯砌，控制掌子面至仰拱距離在25 m內(nèi)，掌子面至二襯距離在70 m內(nèi)。

待出口端單向掘進(jìn)至ZK87+080隧道貫通后，對(duì)ZK87+070～ZK87+080段初支進(jìn)行排查，若侵限不超過(guò)5 cm則立即施作二次襯砌，否則采取換拱處理。換拱位置需保持每天監(jiān)測(cè)，待穩(wěn)定后施作二次襯砌。

3.2.1 襯砌支護(hù)加強(qiáng)

ZK87+132～ZK87+113段襯砌支護(hù)由原Ⅴ級(jí)-深埋型[圖1(b)]更改為Ⅴ級(jí)-洞口型[圖1(a)]。ZK87+113～ZK87+080段襯砌支護(hù)由原Ⅴ級(jí)-緊急停車帶型[圖1(c)]更改為Ⅴ級(jí)-塌方加強(qiáng)型，其支護(hù)參數(shù)具體變更如下：

(1)維持原設(shè)計(jì)內(nèi)輪廓尺寸，中線及防排水設(shè)施不變。

(2)初支混凝土厚度由28 cm增至30 cm；鋼筋網(wǎng)由φ6.5 mm(單層)增至φ8 mm(雙層)，環(huán)×縱間距由原15 mm×15 mm調(diào)整為20 mm×20 mm；型鋼支護(hù)采用H200 mm×200 mm(原設(shè)計(jì)為I20b工字鋼)，間距仍保持50 cm，預(yù)留變形量增大至60 cm。

(3)鎖腳錨桿規(guī)格及打設(shè)方式均不變，鋼管直徑由φ42 mm增至φ76 mm。

(4)二次襯砌環(huán)向主筋直徑由22 mm增至25 mm，模筑混凝土等級(jí)C30，厚度65 cm。

3.2.2 大管棚超前支護(hù)

如圖7所示，出口端按短臺(tái)階法單榀循環(huán)進(jìn)尺施工至ZK87+113后，洞內(nèi)擴(kuò)挖0.5～1 m形成管棚工作室(ZK87+113～ZK87+107，長(zhǎng)6 m)，進(jìn)一步施作套拱(ZK87+109～ZK87+107，長(zhǎng)2 m)。套拱采用C25混凝土，厚度60 cm，拱內(nèi)設(shè)置4榀20a工字鋼(縱向間距50 cm)，底部設(shè)置C15混凝土墊塊基礎(chǔ)，套拱澆筑前在拱部120°范圍布置環(huán)距為40 cm的φ133 mm×4 mm孔口管。

套拱施工完成后開(kāi)始施作大管棚，管棚支護(hù)參數(shù)如表1所示。管棚采用φ108 mm×8 mm熱軋無(wú)縫鋼管，管中增設(shè)3根加強(qiáng)筋，并采用等邊三角形布置，管棚沿孔口管以1°～2°的傾角打入土體，隨后注入水灰比為1∶1的水泥漿液，注漿壓力控制在0.5～1.0 MPa，注漿結(jié)束后管體內(nèi)填滿水泥砂漿以增加管體強(qiáng)度與剛度。

表1 管棚支護(hù)參數(shù)

3.2.3 徑向注漿加固

在ZK87+113～ZK87+080段增設(shè)徑向小導(dǎo)管注漿，加固范圍為臨塌方側(cè)150°內(nèi)，小導(dǎo)管及注漿參數(shù)見(jiàn)表2。徑向注漿在初期支護(hù)完成后緊跟施作，以3 m為一個(gè)段落循環(huán)，小導(dǎo)管管壁鉆注漿孔，孔徑8 mm，孔距10 cm，呈梅花形布置，尾部30 cm不鉆注漿孔作為止?jié){段。注漿材料采用水灰比為1∶1的純水泥漿，在地下水較大時(shí)采用水泥-水玻璃雙液漿(水泥漿/水玻璃體積比1∶0.8)，注漿后采用注水泥砂漿充填導(dǎo)管孔，以增加導(dǎo)管剛度。

表2 徑向注漿小導(dǎo)管參數(shù)

3.3 地表陷坑處治

地表陷坑處治待二襯全部施工完成后實(shí)施。首先拆除應(yīng)急處理時(shí)搭設(shè)的雨棚及防護(hù)欄桿，對(duì)陷坑底面進(jìn)行清渣并澆筑20 cm厚鋼筋混凝土作為隔水層；考慮取材方便及恢復(fù)果園種植功能，分層回填的材料采用三七灰土，其中每層回填土中均設(shè)鋼筋網(wǎng)以增加回填土的整體性；此外，為防止陷坑回填處地表積水下滲，在回填處地表周圍設(shè)置截水溝，回填土頂部設(shè)置1 m厚的黏土隔水層和0.5 m的種植土層，并保證該處地表回填后高出周圍地表不小于50 cm。

4 處治效果

周家窊隧道采用塌方處注漿回填封閉，另一端在“襯砌支護(hù)加強(qiáng)+大管棚+徑向注漿”聯(lián)合加固下單向掘進(jìn)、地表陷坑分層回填的總體方案，共52 m的單向掘進(jìn)段總耗時(shí)7個(gè)月順利貫通，全段初支變形較小無(wú)需換拱施工，圖8為緊急停車帶加寬段正常施工照片。處治完成后，根據(jù)襯砌60 d、地表20 d的監(jiān)測(cè)及后續(xù)觀察量測(cè)，施作貫通后隧道的二次襯砌應(yīng)力應(yīng)變值及地表沉降值趨于穩(wěn)定，說(shuō)明整體處治效果良好。

圖8 ZK87+080～ZK87+102緊急停車帶處治施工照片

5 結(jié)論

通過(guò)洞內(nèi)外綜合治理，周家窊隧道塌方段安全順利貫通，貫通完成2個(gè)月后現(xiàn)場(chǎng)巡查未見(jiàn)不良病害，處治效果良好。得到以下結(jié)論：

(1)“襯砌增強(qiáng)+大管棚+徑向注漿”的聯(lián)合加固方案在周家窊黃土隧道塌方處治中應(yīng)用效果良好，可為類似工程提供參考。

(2)豎向節(jié)理發(fā)育的黃土地層，節(jié)理切割形成豎向軟弱面，在對(duì)向開(kāi)挖的黃土隧道貫通前，因兩端開(kāi)挖面相互影響大更易導(dǎo)致塌方發(fā)生，此時(shí)若一端掌子面塌方嚴(yán)重，宜優(yōu)先考慮采用塌方處掌子面封閉后由對(duì)向端單向掘進(jìn)的處治方案。

(3)大斷面黃土隧道即便埋深大仍存在塌方隱患，施工期間應(yīng)嚴(yán)格遵循“短進(jìn)尺、快封閉、預(yù)加固、強(qiáng)支護(hù)、嚴(yán)治水、勤量測(cè)”的原則，依據(jù)洞內(nèi)受力變形、滲水情況及地表位移等多方面信息反饋，及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)和施工方案。