鐵路隧道軟弱圍巖段施工塌方的處治技術

高東鵬

（中交一公局西南工程有限公司，四川 成都 610000）

1 工程概況

該文以新越西隧道作為研究案例，該隧道總長度設計為6218m，隧道進洞部位的土層比較陡峭，且附近堆滿巖土，為了保障施工過程中的安全，施工單位對斷面結構采取支護措施，使用8 根加固樁，由于施工場地有限，因此導致施工便道布設難度比較大，隧道進洞口區(qū)域承擔著正洞部分的施工。該項目施工過程中的難點主要體現(xiàn)在隧道通風方面；隧道的出口附近的土層屬于是礫石土，土方開挖前需要設置φ60mm 旋噴樁對地層進行加固，存在較大的安全風險。D2K309+673～D3K310+782 屬于救援站范圍，該部分的開挖斷面比較大，最大開挖斷面的跨度為19m，該區(qū)域使用雙側壁導坑施工法，施工過程中的難點主要是避免圍巖因失穩(wěn)而出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象。

2 工程軟弱圍巖段的形成原因

隧道在開挖前是穩(wěn)定的，各點都處于三向應力狀態(tài)。在上覆圍巖的自重作用下，初始應力大小如公式（1）和公式（2）所示。

式中：σ為垂直應力；為圍巖自重；為地表到單元體的垂直距離；σ、σ為側向應力；為側壓力系數。

在隧道開挖前，圍巖處于三向應力狀態(tài)，在同一水平面的各點應力是相等的。由于洞室的開挖打破了隧道圍巖原有的平衡狀態(tài)，使隧道圍巖的應力進行重新分布。對硬巖，在隧道周邊圍巖會出現(xiàn)比原有應力大的高應力，而對軟巖隧道周邊圍巖則會出現(xiàn)比原有應力小的低應力，形成了高應力區(qū)和低應力區(qū)。工程軟弱圍巖段的形成原因有3 個：1）巖石本身的強度不是很高，基本上都是軟巖，軟巖的抗壓強度不會超過30MPa。2）巖體出現(xiàn)破碎化現(xiàn)象。通常情況下，巖石自身的結構都比較堅硬，且?guī)r石自身的強度也比較高，由于地層運動或是外部撞擊，可能會導致巖體出現(xiàn)裂縫、斷層現(xiàn)象，導致巖體的強度不斷的降低。3）巖體所處的環(huán)境比較差，例如巖體附近環(huán)境中存在流域、地應力則有一定的可能性會出現(xiàn)塌方現(xiàn)象。

3 隧道塌方產生的原因

3.1 地質因素

塌方是因隧道圍巖或是支護結構自身的承載能力匱乏促成的，導致隧道塌方出現(xiàn)的影響因素眾多，下面該文對各影響因素進行簡單介紹：1）砂巖層相互之間黏結的能力降低。該項目內的隧道區(qū)域內屬于近水平成層的砂巖，這種類型的砂巖其實就是軟弱圍巖，水平成層的結構對隧道頂部造成影響，促使拱部的穩(wěn)定性降低；此外，沿線巖體受風化影響的程度存在一定的差異性，導致各個巖層結合狀況存在一定的差異，在隧道開挖以后，大量的應力釋放出來，導致巖體變形，在長時間未進行處理的情況出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象。2）局部位置的埋設深度比較深，且上部屬于是地面單元段落，進一步分析得出：當埋設的深度過大時，那么地應力在拱頂部位比較容易出現(xiàn)較大的應力，這種應力是水平方向的，圍巖自身的水平成層比較顯著，導致水平巖層在張拉應力的影響下出現(xiàn)破壞，這種破壞會不斷向上延伸，最終導致塌方現(xiàn)象出現(xiàn)。3）開挖面低于河床，出水量大導致塌方。解決辦法是壓注法，指的是向地層中灌注注漿液，使土壤固結，以此降低地層的透水性，而且能增加地層的密實度。對壓注法的應用原理和目的進行分析，可以將其分為充填巖層裂隙的巖層壓注以及固化土質地層為目的的地層壓注兩種。值得注意的是，將壓注止水法應用于地下水控制中，雖然能夠起到很好的處理效果，但是很難達到完全止水的目的。

3.2 施工因素

爆破作業(yè)對巖層的震動影響。在開挖爆破作業(yè)的過程中，爆破會導致震動變大，促隧道拱部的巖石緩慢的剝落。進一步來看，由于隧道前期設置的支護混凝土厚度不是很厚，在靠近掌子面附近的支護混凝土受爆破作業(yè)的影響非常大，導致混凝土的強度上升速度減緩，且混凝土的整體性也會受到一定的影響。而后對達到拱頂部位進行爆破作業(yè)時，會再次對初期支護結構造成影響，同時隧洞拱頂部位的圍巖開始出現(xiàn)掉塊現(xiàn)象，逐步發(fā)展為坍塌事故。

4 軟弱圍巖段塌方處治技術

塌方路段的處理流程如下：塌方土體加固→大管棚施工→超前小導管灌漿→土方開挖、安裝支護→仰拱施工→混凝土施工。

4.1 加固塌方體

在處理塌方事故時，應該嚴格按照先對后側進行處理，然后再對前側進行處理的基本原則。使用C25 混凝土對塌方面進行噴漿處理，噴漿的厚度控制在25 cm 比較合適。噴漿的目的：①阻止塌方面進一步蔓延。②對塌方面進行封堵，避免落石傷人。③保證漿液不會順著縫隙溢出。

4.2 采用大管棚注漿做超前剛性支護

隧道拱部距離隧道中心線右側向左2m 處出現(xiàn)坍塌，可以使用φ108mm×6mm 鋼管作為超前大管棚，鋼管的數量設計為49 根，管棚的長度設計為30m。管棚頂進完成以后，使用C30 水泥砂漿進行灌注。

管棚施工工藝：因隧道必然會穿越塌方區(qū)域，圍巖處于破碎狀態(tài)，加之圍巖自身的穩(wěn)定性比較差，所以需要使用φ108mm×6m 長管棚超前支護，可以使用鋼管來提高支撐結構的強度與承載能力，降低坍塌事故出現(xiàn)的可能性。

4.3 超前小導管注漿固結

大管棚注漿完成以后，且水泥砂漿的強度達到設計要求以后，在已經施工完成的大管棚下側設置兩道超前小導管，兩道導管之間的間距控制在30cm，小導管的尺寸為φ50mm×4mm，單根導管的長度設計為4.5m。每根小導管向外的插角設計為30°，小導管以30cm 的間距進行布設，與大管棚形成梅花狀，將導管的尾部與鋼拱架進行連接，最后開始灌注水泥漿。灌漿采用間歇注漿法，間隔的時間設置為15min，注漿壓力設置為0.5MPa。

4.4 開挖、支護

塌方段的土方開挖作業(yè)與支護結構施工均使用CRD 法展開作業(yè)，開挖斷面級支護結構的具體情況可以參照圖1。1）工，循環(huán)搭設的鋼架對隧道的內壁與隔斷墻進行施工，使用小導管作超前支護。2）對隧道左上側的土方進行開挖，并對左上側的初期支護與臨時支護進行施工，簡單而言就是，在隧道內壁表面噴射4cm 厚的混凝土，鋪設鋼筋網，搭設鋼架，構筑隔斷墻，設置鎖腳錨桿，安裝隔斷板。3）預留一部分的空間，對隧道中間偏左部位的土方進行開挖，對初期支護與臨時支護進行施工，適當的延長隔斷墻的長度。結合施工現(xiàn)場的實際情況以及地質條件決定是否需要設置臨時橫向支撐。4）繼續(xù)重復第二步、第三步工序，對隧道右上方、右中部位的土方進行開挖，并對初期支護與臨時支護進行施工。5）先暫停對右中部位施工，對左下側的土方進行開挖，并對左下側部位的初期支護與臨時支護進行施工，并砌筑隔斷墻。6）最后對右下側的土方進行開挖，并對右下側部位的初期支護與臨時支護進行施工。7）結合施工過程中的檢測數據來看，當初期支護施工完成以后，將中隔斷板與橫隔斷板拆除，開始澆筑邊墻部位的混凝土。8）使用液壓模板臺車完成二次襯砌。9）施工過程中需要注意的事項：①土方開挖前，應該結合設計圖紙?zhí)崆斑M行超前支護施工；②開挖斷面的深度控制在0.5m～0.75m；③土方開挖完成以后，及時進行初期支護施工，形成良好的閉環(huán)；④施工時，應該加強監(jiān)測隔斷墻部位的地基穩(wěn)定性；⑤加大對施工過程中的檢測力度，及時反饋有效信息，對支護技術參數進行調整；⑥當土方全部開挖完成、初期支護施工完成，且初期支護形成閉環(huán)以后，開始搭設臨時支護；⑦在中隔墻拆除的過程中，應該保障施工人員的個人安全，先對仰拱進行施工，再拆除中隔墻。

圖1 隧道CRD 法開挖示意圖

塌方路段的左側鋼架完全坍塌，施工人員先將左側鋼拱架恢復，確保左右兩幅鋼拱架相互對稱，然后開始噴射混凝土。左側使用混凝土進行加固，右側使用拱架進行支撐，初期支護已經出現(xiàn)裂縫，而拱架則處于懸空狀態(tài)，使用工字鋼對懸空的支架進行處理，在工字鋼下側設置1cm 厚的鋼板，鋼板使用螺栓進行連接加固。

右側鋼拱架深入至二次襯砌斷面，所以在兩幅拱架之間鑿槽，將新拱架埋設在槽內，額外的設置支撐，通過將新拱架與老拱架進行連接，形成整體化的支護結構。對前期開槽部位噴射混凝土，在混凝土中摻加早強劑，當混凝土的強度達到設計強度以后拆除工字鋼架。當初期支護施工完成以后，就可以開始對仰拱進行施工，仰拱施工完成以后，對仰拱部位進行回填，然后進行二次襯砌，保證整體結構的穩(wěn)定性。

4.5 及時處理地下滲透出的水

當高速鐵路隧道建設工程中的軟弱圍巖出現(xiàn)坍塌事故時，可能會出現(xiàn)隧道涌現(xiàn)大規(guī)模的地下水，導致地下水向下滲透的情況；也可能會出現(xiàn)地表水向下滲透，導致塌方事故出現(xiàn)。所以，應該在第一時間內對涌現(xiàn)的地下水進行處理，間接性避免出現(xiàn)塌方現(xiàn)象。首先，利用專業(yè)設備來阻礙地表水向地下滲透，然后，利用排水管道將隧道內的積水全部抽排至隧道以外，避免地表水向下滲透，導致軟弱圍巖遇水軟化，圍巖一旦遇水軟化，那么圍巖的強度會降低，從而出現(xiàn)塌方現(xiàn)象。

5 監(jiān)控量測

監(jiān)控量測施工的具體流程可以參照圖2。

圖2 隧道監(jiān)控量測施工工藝流程圖

5.1 監(jiān)測量測內容、方法和儀器

監(jiān)控量測的內容、方法和儀器如下：1）地質和支護狀況信息的觀察。觀察施工現(xiàn)場的地質條件與水文條件，觀測開挖斷面附近的初期支護質量，分析隧道、圍巖的穩(wěn)定性。施工人員對施工現(xiàn)場的地質條件進行勘測?？睖y的具體內容包括施工環(huán)境、初期支護。監(jiān)測設備為地質羅盤儀。2）對隧道洞口區(qū)域、淺埋地段的沉降量進行監(jiān)測。隧道拱頂部位覆土厚度比較薄。由于拱頂部位的覆土厚度比較薄，因此在實際是公測規(guī)則的表面爆破的效果不是很顯著，導致開挖斷面的輪廓線不規(guī)則，使局部巖體的應力釋放受到影響，在應力無法釋放的情況下，圍巖結構必然會發(fā)生破壞，當上部承載的荷載過大時，則會導致塌方現(xiàn)象出，所以必須要對地表沉降進行監(jiān)測。監(jiān)測設備為精密水準儀等。3）拱頂下沉及收斂量測。對隧道拱頂部位的沉降量進行監(jiān)測，結合圍巖的類型、隧道的幾何尺寸、埋設深度等內容進行分析，確定出隧道拱頂部位、邊墻部位的監(jiān)測點，監(jiān)測點的間距控制在5m～10m。4）仰拱底部的監(jiān)測。圍巖開挖地段的監(jiān)測點應該設置在仰拱的底部，監(jiān)測點的間距設置為5m，使用水準儀進行監(jiān)測。5）錨桿抗拔力量測。對錨桿的錨固效果與強度進行監(jiān)測，每300 根抽檢3 根作為1 組，監(jiān)測的內容為錨桿的拉拔力。6）錨桿軸力量測。錨桿軸力主要是用來監(jiān)測在不同施工狀況下錨桿的受力情況。通常情況下，軟土層準備1～2 組進行監(jiān)測即可，每組準備5 根錨桿，監(jiān)測的項目為錨桿的軸力性能。7）圍巖壓力及支護拱架應力量測。測量初期支護結構與圍巖間所產生的相互作用力，監(jiān)測初期支護結構中拱架受力情況，將監(jiān)測數據作為分析支護結構受力情況是否合理的依據。在軟弱土區(qū)域內布設1～2 個開挖斷面，每個開挖斷面上設置24 個監(jiān)測點，24 個監(jiān)測點應該對稱進行布設。8）觀測隧道內涌水量、涌水中的含泥量與含砂量。沿著隧道排水溝按照50m～200m 的間距設置監(jiān)測點，用來監(jiān)測隧道內部涌水量。為保證隧道內部排水暢通，可以對隧道結構進行優(yōu)化，實行限量排水。定期監(jiān)測涌水中的含泥量與含沙量，在必要的情況下可以采取排堵措施，避免隧道內的排水系統(tǒng)出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。

5.2 監(jiān)測結束標準

當收斂速度大于5mm/d 時，圍巖應該是處于大幅度變化的狀態(tài)，所以需要對初期支護結構進行加固。當收斂速度小于5mm/d 時，則說明圍巖結構的穩(wěn)定性達標。

提升初期支護結構的強度與剛度，嚴格控制支護結構的變形量。

對地基進行監(jiān)測，監(jiān)測的時間持續(xù)14d，在監(jiān)測完成以后，如果軟弱土層未達到穩(wěn)定性要求，那么則應該采取加強處理措施。

監(jiān)測數據的統(tǒng)計與分析是建設項目動態(tài)管理體系中的重中之重。監(jiān)測數據的整理與分析：利用原始數據，采用標準化的方法，將監(jiān)測數據整理出來，利用數字特征剔除無效數據。

在對監(jiān)測數據進行篩選以后，結合時態(tài)散點示意圖對數據的分布狀況進行分析，結合分析結果構建完善的集合函數，對監(jiān)測結果進行回歸分析，計算監(jiān)測點的位移量，對建筑物的安全性進行估測，盡可能做到防患于未然。

制定監(jiān)測變化管理標準。將管理等級細分為3 個等級，等級的劃分標準可以參照表1 中的信息。

表1 變形管理等級標準表

6 結語

綜上所述，在高速鐵路軟弱圍巖施工時，出現(xiàn)塌方的可能性比較大，會影響高速鐵路的質量，所以必須要對圍巖的狀況進行監(jiān)測，避免出現(xiàn)塌方事故。在處理塌方事故時，應按照先對后側進行處理，然后再對前側進行處理的基本原則，確保高速鐵路施工質量達到設計要求。