山區(qū)隧洞掌子面塌方處理方法研究

李守華，袁玉林，吳學(xué)智

(1.中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 6102131；2.中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 611130)

0 前 言

中國(guó)正處于基建高速發(fā)展期，很多水電、公路、鐵路工程項(xiàng)目均涉及山區(qū)隧洞施工，施工過(guò)程中經(jīng)常會(huì)發(fā)生隧洞塌方事故。隧洞塌方處理屬于危險(xiǎn)性極大工程，處理方法不當(dāng)會(huì)給工程建設(shè)安全、質(zhì)量、工期、造價(jià)帶來(lái)極大的損失。

有專(zhuān)家學(xué)者[1-4]針對(duì)某處隧洞的塌方原因、塌方處理技術(shù)進(jìn)行了研究，但沒(méi)有對(duì)各種類(lèi)型的塌方進(jìn)行系統(tǒng)地總結(jié)分類(lèi)。針對(duì)目前的研究現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題，文章只對(duì)掌子面大塌方處理方法總結(jié)研究，其他塌方形式另行研究。

1 塌方分類(lèi)

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)規(guī)定[5]，從隧洞塌方位置、塌方規(guī)模、塌腔穩(wěn)定情況3個(gè)方面對(duì)隧洞塌方進(jìn)行簡(jiǎn)單的探索性分類(lèi)(見(jiàn)圖1)。

圖1 隧洞塌方分類(lèi)

根據(jù)塌方位置分，可分為:洞內(nèi)塌方和洞口塌方。洞內(nèi)塌方分為:掌子面塌方(塌方部位靠近隧洞掌子面，或距掌子面10 m范圍內(nèi)塌方)和關(guān)門(mén)式塌方(塌方部位距掌子面最近距離大于10 m)。洞口塌方分為:洞口及仰坡滑塌、仰坡內(nèi)(淺埋段)塌方冒頂、洞內(nèi)局部塌方。

根據(jù)塌方大小分為:小塌方(塌方高度<3 m，或塌方體積<30 m3)；中塌方(塌方高度3～6 m，或塌方體積30～100 m3)；大塌方(塌方高度>6 m，或塌方體積>100 m3)。

根據(jù)塌腔穩(wěn)定情況分為2種:收斂型塌方和不收斂型塌方。

2 掌子面大塌方處理方法

根據(jù)隧道大塌方后塌腔穩(wěn)定情況，掌子面塌方可分為收斂型塌方和不收斂型塌方。經(jīng)驗(yàn)總結(jié)定義:塌方3 d后，在不擾動(dòng)的情況下，塌腔不再掉塊及塌方，視為收斂型塌方；塌方3 d后，塌腔繼續(xù)間歇性掉塊或塌方，視為不收斂型塌方。

隧洞塌方處理應(yīng)堅(jiān)持“安全第一”的原則，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)2類(lèi)塌方處理方法逐一總結(jié)研究。

2.1 不收斂型塌方處理方法

不收斂型塌方一般采取如下處理方法。不收斂型塌方處理橫、縱斷面示意見(jiàn)圖2～3。

圖2 不收斂型塌方處理橫斷面示意

2.1.1 應(yīng)急處理

當(dāng)隧洞出現(xiàn)塌方后，應(yīng)該立即啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案，及時(shí)采用洞渣回填反壓塌方段及隧洞掌子面的關(guān)鍵部位，以約束隧洞過(guò)大變形及塌方。

如果不及時(shí)約束隧洞塌方，或采取的措施不當(dāng)，則會(huì)使隧洞塌方擴(kuò)大。因此，在確保安全的前提條件下，及時(shí)利用洞渣快速反壓塌方段隧洞下部，封堵隧洞塌方口。從回填拱頂外緣向下放坡反壓塌方影響區(qū)域，坡比不宜陡于45°，達(dá)到快速約束隧洞變形，阻止塌方范圍繼續(xù)擴(kuò)大，并為后續(xù)加固處治工作提供安全保障和作業(yè)平臺(tái)的目的。

圖3 不收斂型塌方處理縱斷面示意

2.1.2 加固塌方影響段

洞渣反壓應(yīng)急處理工作完成后，隧洞塌方段處理前，先排查緊鄰塌方體附近隧洞變形情況及潛在的安全隱患，然后根據(jù)需要在塌方影響段既有初期支護(hù)上增設(shè)臨時(shí)鋼拱架支護(hù)，并對(duì)緊臨塌方段的塌方影響段進(jìn)行加固。

塌方影響段范圍及加固方法:首先，在離塌口5～20 m塌方影響區(qū)段，根據(jù)實(shí)際需要按照縱向80～100 cm間距，在現(xiàn)有初期支護(hù)的基礎(chǔ)上增設(shè)臨時(shí)鋼拱架支護(hù)，設(shè)鋼架鎖腳錨桿和縱向連接鋼筋。其次，緊鄰塌方區(qū)0～5 m段范圍內(nèi)，設(shè)置縱向間距為50～80 cm的鋼拱架作臨時(shí)支撐，然后采用注漿小導(dǎo)管或自進(jìn)式中空注漿錨桿對(duì)緊鄰塌方區(qū)隧洞影響段進(jìn)行注漿加固。若初期支護(hù)背后與巖面之間存在空腔，空腔部位可采用混凝土回填。對(duì)隧洞開(kāi)挖輪廓線(xiàn)外的2～3 m的松弛破碎圍巖進(jìn)行注漿固結(jié)加固，在隧道開(kāi)挖輪廓線(xiàn)外形成一個(gè)連續(xù)的受力拱圈。

塌方影響段的臨時(shí)支護(hù)及注漿回填等工作應(yīng)按照 “由遠(yuǎn)及近”的原則穩(wěn)步推進(jìn)，即:從遠(yuǎn)離塌方段的安全區(qū)域向緊鄰塌方段的危險(xiǎn)區(qū)域推進(jìn)。

2.1.3 塌方段處理

塌方段一般參照Ⅴ級(jí)圍巖襯砌類(lèi)型，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，局部調(diào)整襯砌類(lèi)型支護(hù)參數(shù)。根據(jù)實(shí)際需要試驗(yàn)確定隧洞開(kāi)挖預(yù)留變形量，一般取預(yù)留變形量15～20 cm。

完成隧洞塌方影響段加固工作后，進(jìn)入隧洞塌方段的處理工作。隧洞塌方處理前，先對(duì)塌方情況進(jìn)行全面調(diào)查，應(yīng)調(diào)查隧洞塌方縱向長(zhǎng)度、隧洞塌方橫向?qū)挾?、大概輪廓線(xiàn)、塌高、塌腔穩(wěn)定情況、塌渣塊體大小、塌渣軟硬程度、塌渣孔隙率、地下水情況、塌渣厚度、塌方段埋深及上部是否存在建筑物、塌方冒頂后對(duì)隧洞及周邊的危害程度等。塌渣堆滿(mǎn)掌子面，隧洞開(kāi)挖輪廓線(xiàn)拱頂外存在不少于200 cm厚度的塌渣體后，便可采用以下方案依次施工。

(1)施工超前支護(hù)。采用單根長(zhǎng)為3～5 m的小角度和大角度注漿小導(dǎo)管(或自進(jìn)式中空注漿錨桿)注漿加固塌渣體。

(2)施工大角度注漿小導(dǎo)管(注漿錨桿)。對(duì)隧洞塌方段開(kāi)挖輪廓線(xiàn)外一定范圍內(nèi)的塌渣進(jìn)行固結(jié)注漿，注漿后，在隧洞開(kāi)挖輪廓線(xiàn)外形成不小于200 cm厚度的連續(xù)固結(jié)加固拱圈。

(3)隧洞開(kāi)挖。根據(jù)注漿加固效果、鋼拱架支護(hù)縱向間距、鋼架接頭位置選擇單循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺及開(kāi)挖斷面大小。每循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺不超過(guò)100 cm，每次開(kāi)挖高度不超過(guò)200 cm，采用中間預(yù)留核心土，環(huán)形分部開(kāi)挖。

(4)安裝鋼拱架。按照設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)安裝鋼拱架，施工鋼拱架間縱向連接鋼筋、鎖腳錨桿(或注漿鎖腳小導(dǎo)管)。

(5)錨噴支護(hù)。按照設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)，依次鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，施工水泥砂漿錨桿等系統(tǒng)支護(hù)，并噴混凝土支護(hù)。

按照以上步驟，依次循環(huán)，完成塌方段隧洞初期支護(hù)及開(kāi)挖工作。

(6)鉆排水孔。完成隧洞塌方初期支護(hù)工作，二次混凝土襯砌前，在隧洞拱部塌方區(qū)域徑向布設(shè)排水孔，打開(kāi)塌方加固區(qū)外可能存在裂隙水的排水通道，并接排水管，引排水至隧洞兩側(cè)邊溝。

(7)鋪設(shè)防水板及排水管。按照設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)鋪設(shè)隧洞排水盲管及防水板。

2.1.4 二次襯砌

按照Ⅴ級(jí)圍巖襯砌類(lèi)型施工二次襯砌，并根據(jù)隧洞初期支護(hù)的強(qiáng)弱及洞徑大小提高二次襯砌混凝土標(biāo)號(hào)或加強(qiáng)配筋，盡早施工塌方段二次鋼筋混凝土襯砌。

2.2 收斂型塌方處理方法

收斂型塌方一般采取如下處理方法。收斂型塌方處理橫、縱斷面示意見(jiàn)圖4～5。

圖4 收斂型塌方處理橫斷面示意

圖5 收斂型塌方處理縱斷面示意

2.2.1 施工塌方處理作業(yè)平臺(tái)

隧洞塌腔收斂(不再掉塊或塌方)后，利用現(xiàn)有塌渣，采用挖機(jī)整平塌渣，反壓隧洞兩側(cè)邊墻及隧洞掌子面底部，從洞外回采細(xì)石洞渣回填塌渣上部并整平，形成塌方處理施工作業(yè)平臺(tái)，便于后續(xù)塌方處理施工。

2.2.2 加固塌方影響段

隧洞塌方影響段分為已開(kāi)挖塌方影響段及未開(kāi)挖塌方影響段。

已經(jīng)開(kāi)挖、緊鄰塌腔邊緣、受塌方體影響、潛在可能塌方的隧洞段為已開(kāi)挖塌方影響段；未開(kāi)挖、掌子面可能出現(xiàn)滑塌的段落為未開(kāi)挖塌方影響段。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況確定塌方影響段長(zhǎng)度及加固方案。

已開(kāi)挖塌方影響段的加固方法:在緊鄰塌方區(qū)0～5 m內(nèi)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要，按照縱向50～100 cm間距，沿隧洞開(kāi)挖輪廓線(xiàn)或現(xiàn)有初期支護(hù)面安裝鋼拱架臨時(shí)支護(hù)。沿鋼架內(nèi)外側(cè)，按照環(huán)向100 cm間距交錯(cuò)布置Ф22縱向連接鋼筋。采用Ф22，L=4.0 m水泥砂漿鎖腳錨桿固定鋼架，每榀鋼架設(shè)置6根鎖腳錨桿。鎖腳錨桿端部鋼筋彎成5～8 cm長(zhǎng)的直彎鉤，直彎鉤緊扣鋼架內(nèi)側(cè)翼緣面，彎鉤鋼筋與鋼架間焊接連接牢固。鋼架與隧洞開(kāi)挖輪廓面及隧洞初期支護(hù)之間間隙采用噴水泥砂漿或混泥土回填密實(shí)。

未開(kāi)挖塌方影響段的加固方法:在施工作業(yè)平臺(tái)上緊靠隧洞掌子面，根據(jù)需要，采用大塊石堆填反壓掌子面底部一定范圍，防止掌子面失穩(wěn)滑塌。反壓塊石范圍及高度以不侵占后續(xù)隧洞塌方處理臺(tái)架位置，達(dá)到穩(wěn)定掌子面的目的為宜。

隧洞塌方處理完畢后需拆除侵占隧洞限界部分的支護(hù)設(shè)施。

2.2.3 噴錨支護(hù)塌腔

根據(jù)實(shí)際需要確定塌腔噴錨支護(hù)參數(shù)。一般對(duì)張開(kāi)裂隙、圍巖破碎、結(jié)構(gòu)面及節(jié)理面相交處噴C20封閉巖面，并根據(jù)需要設(shè)錨桿，掛網(wǎng)，噴混凝土支護(hù)，平均厚度6～15 cm 。

2.2.4 塌方段鋼架及模板工程

按照以下施工順序和施工方法進(jìn)行塌方段鋼架及模板工程施工。

(1)施工支模鋼架底部混凝土基礎(chǔ)。在隧洞塌方處理作業(yè)平臺(tái)上、緊靠隧洞兩側(cè)邊墻、準(zhǔn)備施工鋼架的底部，設(shè)置2條縱向C20混凝土條形基礎(chǔ)(寬度50 cm，高度20 cm)，基礎(chǔ)長(zhǎng)度與隧洞塌方縱向長(zhǎng)度匹配，并根據(jù)實(shí)際需要加長(zhǎng)。

(2)施工塌方下部支模臨時(shí)鋼架。為了回填塌腔混凝土，必須在塌腔下部支模板，并施工支模鋼架。支模鋼架底部落在C20混凝土條形基礎(chǔ)上，緊貼現(xiàn)有隧洞開(kāi)挖輪廓面或支護(hù)面，鋼架縱向間距50 cm。每榀鋼架設(shè)置6根Ф22，L=4.0 m水泥砂漿鎖腳錨桿固定鋼架，錨桿端部鋼筋彎成5～8 cm長(zhǎng)度的直彎鉤，直彎鉤緊扣鋼架內(nèi)側(cè)翼緣面，彎鉤鋼筋與鋼架間焊接連接牢固。在鋼架內(nèi)側(cè)(遠(yuǎn)離塌腔側(cè))，按照環(huán)向50 cm間距設(shè)Ф22縱向連接鋼筋，鋼筋與鋼架焊接牢固。

(3)支模。在鋼架外側(cè)(靠近塌腔側(cè))的塌腔范圍內(nèi)，利用鋼架作為依托，從下向上，兩側(cè)對(duì)稱(chēng)鋪設(shè)鋼模板。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況選擇鋼模板型號(hào)，鋼模板正面(模板面)緊靠鋼架外側(cè)，模板與鋼架間點(diǎn)焊連接固定，模板間采用模板卡扣連接固定?；炷翝仓旰螅０宀徊鸪?，鋼模板作為永久支護(hù)工程的一部分。

(4)制作多功能人孔。在塌方段中部的隧洞拱頂位置預(yù)留一個(gè)橫截面為正方形的人孔(兼排氣孔及排水孔)，邊長(zhǎng)80 cm，垂直布置，人孔高度根據(jù)隧洞拱頂設(shè)計(jì)泵送混凝土厚度確定，人孔底部與鋼架及模板焊接固定。人孔制作成長(zhǎng)60 cm，寬40 cm的小塊鋼模板，通過(guò)鋼模板組裝及拼接成人孔。首先，采用8塊鋼模板制作成高度為60 cm的方形人孔節(jié)，根據(jù)泵送混凝土進(jìn)度，逐層向上拼接人孔節(jié)(每泵送一層混凝土后安裝上層人孔段，逐層安裝人孔模板直至設(shè)計(jì)塌方隧洞回填混凝土頂面)。人孔模板光面靠混凝土，在人孔內(nèi)側(cè)，選擇一側(cè)在模板側(cè)面焊接Ф12螺紋鋼筋“U”形爬梯。模板間采用模板卡扣連接牢固。多功能人孔為泵送混凝土管的安裝通道，也是施工人員進(jìn)入塌腔內(nèi)施工混凝土溜槽、振搗混凝土的施工通道，兼做施工期間施工用電及照明布線(xiàn)、通風(fēng)換氣和后期塌腔排水的重要通道，不封堵，二次襯砌后留于襯砌背后即可。

(5)回填塌腔混凝土。采用C20混凝土回填隧洞塌腔。隧洞拱頂以下塌腔滿(mǎn)填，隧洞拱頂以上塌腔不滿(mǎn)填。應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程地質(zhì)條件、塌方范圍大小、塌腔形狀及隧洞跨度等綜合條件，確定隧洞拱部塌腔回填混凝土厚度，一般填厚50～200 cm。施工方法為從下向上，從無(wú)水處到有水處，兩側(cè)對(duì)稱(chēng)，分層、分次泵送混凝土回填隧洞拱頂以下部分混凝土；分層回填拱頂以上混凝土，每層厚度60 cm。下層混凝土強(qiáng)度不低于10 MPa，后進(jìn)行上層混凝土回填施工。

(6)施工塌方周界錨桿。塌腔回填混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度70%后，不拆除鋼架，在回填混凝土拱殼下部，施工回填混凝土與塌腔巖面接觸范圍內(nèi)的水泥砂漿錨桿。錨桿排數(shù)不少于2排，錨桿縱向間距100 cm，排距為50～100 cm，梅花形布置。錨桿型號(hào)為:Ф25，L=400～600 cm/根水泥砂漿錨桿。錨桿設(shè)置方向從塌腔下部隧洞中心向外、向上大角度設(shè)置錨桿，錨桿穿過(guò)回填混凝土進(jìn)入完好巖石，錨桿錨入巖石長(zhǎng)度不少于100 cm，錨桿外露端部采用錨墊板錨固，并用水泥漿封閉錨墊板及錨桿外露端部。

(7)拆除影響段加固鋼架。若影響段加固鋼架侵占隧洞限界，完成上述工序后，拆除侵限鋼架，挖除塌方施工處理作業(yè)平臺(tái)。

2.2.5 后續(xù)施工

完成以上塌方處理工作后，按照原設(shè)計(jì)參數(shù)施工隧洞排水管、防水板，施工二次襯砌混凝土。

3 結(jié) 論

(1)隧洞塌方主要發(fā)生在隧洞掌子面附近，文章根據(jù)塌腔穩(wěn)定情況對(duì)隧道掌子面塌方分為“收斂型塌方”和“不收斂型塌方”，并按照確保安全施工的原則，規(guī)定了施工先后順序，并提供了部分支護(hù)參數(shù)。但巖土工程具有各向異性，加之隧洞跨度大小、使用功能、隧洞塌方情況等邊界條件各不相同，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況制定切實(shí)可行的塌方處理方案及施工方法。

(2)在施工過(guò)程中，必須按照要求做好洞內(nèi)變形觀察工作及監(jiān)控量測(cè)工作，指導(dǎo)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)及安全施工。

(3)根據(jù)實(shí)際圍巖情況及塌方處理參數(shù)試驗(yàn)，確定塌方段預(yù)留變形量，預(yù)防隧道變形侵限問(wèn)題。

(4)隧洞塌方處理的基本原理是充分認(rèn)識(shí)并利用圍巖的自承能力，或適當(dāng)改造圍巖后，利用改造的圍巖及支護(hù)形成有一定厚度的連續(xù)拱圈承載體系，形成“隧洞拱效應(yīng)”，達(dá)到處理各種隧洞塌方的目的。