高速公路隧道塌方處置措施及塌方段施工技術(shù)

孫權(quán)

（河北雄安京翼質(zhì)量檢測服務(wù)有限公司，河北 保定 071700）

1 工程概況

某高速公路隧道右洞進(jìn)口端K118+195—K118+230段原設(shè)計(jì)地質(zhì)條件為：圍巖拱頂及底板巖體為強(qiáng)～中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖，左右邊墻巖體為強(qiáng)～中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖，巖質(zhì)極軟，裂隙較發(fā)育，巖體完整性較差，地下水出水狀態(tài)為點(diǎn)滴狀～淋雨?duì)?，圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)。襯砌類型為淺型襯砌，超前支護(hù)為直徑42mm 注漿小導(dǎo)管，初期支護(hù)為I18@60cm，噴24cm 厚的C20 混凝土，二襯采用50cm 鋼筋混凝土。隧道開挖由大樁號(hào)向小樁號(hào)掘進(jìn)，右洞于2020 年1 月實(shí)現(xiàn)掌子面上臺(tái)階開挖貫通。春節(jié)后復(fù)工，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示右洞K118+195—K118+230 段發(fā)生侵限，最大侵限值達(dá)44cm。2020 年3月9日，在未施作臨時(shí)鋼架及周邊注漿的情況下進(jìn)行拆除換拱作業(yè)時(shí)，K118+230 處拱頂左側(cè)發(fā)生塌方冒頂，形成洞內(nèi)2m、地表5m的漏斗形坍塌孔。

2 塌方原因

根據(jù)現(xiàn)場施工情況以及初期支護(hù)變形狀況分析，造成塌方的主要原因如下。

（1）地質(zhì)原因

塌方段落處于倒轉(zhuǎn)向斜核部，物探地阻異常區(qū)，為硅質(zhì)巖夾頁巖，巖層較薄，巖體破碎，地質(zhì)探測表明附近存在溶洞和斷層，推測坍塌體存在擠壓后松散碎石破碎帶，碎石粒徑為0.2～2.0cm，無黏結(jié)性，自穩(wěn)性差，易坍塌。

（2）地下水作用

由于該隧道位于較長的向斜核部破碎帶，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，地表水系豐富，富水隨巖體裂隙入滲破碎帶，加上排水不及時(shí)，導(dǎo)致掌子面失穩(wěn)塌方。

（3）勘察設(shè)計(jì)問題

設(shè)計(jì)的開挖方法、支護(hù)方式不滿足實(shí)際要求，比如：按Ⅳ級(jí)圍巖進(jìn)行設(shè)計(jì)，但實(shí)際施工揭露后發(fā)現(xiàn)是Ⅴ級(jí)。由于不同圍巖對(duì)應(yīng)的支護(hù)類型不同，錯(cuò)誤的支護(hù)方式導(dǎo)致出現(xiàn)多次支護(hù)變更施工。

（4）施工原因

施工管理水平和工人操作水平有限，缺乏施工經(jīng)驗(yàn)，沒有嚴(yán)格按圖施工。對(duì)于塌方段的開挖按照設(shè)計(jì)應(yīng)該是環(huán)形開挖預(yù)留核心土，而實(shí)際施工中，盲目追求開挖進(jìn)度，沒有及時(shí)采取初期支護(hù)措施等?，F(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，隧道開挖段地質(zhì)揭示情況與原勘察報(bào)告基本一致。隧道開挖至淺埋段（洞頂巖土厚度約為10～12.5m），巖性主要為粉質(zhì)黏土及強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖，力學(xué)指標(biāo)較差，易產(chǎn)生變形；變形段地層可能存在貫通至地表的裂隙，地表水（稻田及小池塘的水）下滲（洞內(nèi)出現(xiàn)較明顯的滲水現(xiàn)象），造成巖土體飽水，改變了巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)，使洞頂圍巖體的自穩(wěn)能力下降，加上地下水的滲水壓力，從而使洞頂支撐出現(xiàn)變形沉陷。因春節(jié)假期影響，隧道初期支護(hù)長時(shí)間單獨(dú)受力，初期支護(hù)未封閉成環(huán)，且未及時(shí)監(jiān)測反饋，使得洞內(nèi)變形失控，演變成塌方冒頂。

3 塌方處置措施

2020 年3 月，工程參建各方到隧道右洞現(xiàn)場察看，開挖揭示地質(zhì)條件與原勘察報(bào)告基本一致。要求施工單位暫停掘進(jìn)，噴混凝土封閉塌落的洞渣，施作臨時(shí)鋼拱架，實(shí)時(shí)監(jiān)測地表及洞內(nèi)變形情況。采取的應(yīng)急處置措施主要如下。

3.1 安全管制

對(duì)地表及洞內(nèi)塌陷等危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行管制，在塌陷危險(xiǎn)區(qū)域設(shè)置醒目的危險(xiǎn)提示標(biāo)識(shí)標(biāo)牌，并且安排專人值守。

3.2 封閉坍渣面

編織袋裝棄碴碼砌坍渣腳，鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，并噴C20混凝土封閉坍渣面。因左右洞間距較小，停止左洞掘進(jìn)，抓緊施作對(duì)應(yīng)右洞段的二襯、仰拱。

3.3 梳理地表排水

在地表塌陷區(qū)周邊施作截水溝，采用防水板或塑料布覆蓋穴口，防止地表水由空腔進(jìn)入隧道。

3.4 加固相鄰巷道

K118+190—K118+235 段初期支護(hù)內(nèi)表面架設(shè)I18環(huán)形臨時(shí)鋼架，沿隧道軸線60cm 間距布置，兩榀鋼架間采用直徑22mm 的縱向連接鋼筋按環(huán)向間距1m 連接，每榀鋼架設(shè)4根長3m、直徑42mm的注漿小導(dǎo)管鎖腳。

3.5 回填坍穴

支模板封堵坍塌口，模板置于初期支護(hù)鋼架上方，并在塌腔口K118+230 采用三榀初期支護(hù)鋼架作為模板支撐，從地表灌入2m 高的C20 混凝土回填坍穴。待該段二襯施作完成后再繼續(xù)回填土石，注意分層澆筑，避免一次加載過大。

3.6 加強(qiáng)監(jiān)控

加強(qiáng)地表及洞內(nèi)沉降變形監(jiān)測，及時(shí)反饋相關(guān)數(shù)據(jù)。為了及時(shí)掌握施工塌方段圍巖和初期支護(hù)變形收斂程度，確保洞內(nèi)開挖安全及施工安全，必須進(jìn)行監(jiān)控量測。在塌方體附近ZK146+925樁號(hào)位置布置3個(gè)周邊位移測點(diǎn)，按照1 次/d 的頻率對(duì)測點(diǎn)拱頂下沉位移進(jìn)行監(jiān)測，采用隧道收斂計(jì)進(jìn)行測量，連續(xù)監(jiān)測7d。統(tǒng)計(jì)后發(fā)現(xiàn)，最大收斂速率為0.30mm/d，累計(jì)收斂7.08mm。檢驗(yàn)結(jié)果表明：ZK146+925 斷面水平收斂位移逐漸趨于穩(wěn)定，說明在支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用下，圍巖應(yīng)力逐漸釋放，變形無較大變化，收斂逐漸趨于穩(wěn)定。但是由于支護(hù)結(jié)構(gòu)為柔性結(jié)構(gòu)，位移仍然在發(fā)展，因此后期仍然要繼續(xù)監(jiān)測；ZK146+925 斷面處在Ⅴ級(jí)圍巖，位移小于極限值的1/3，因此采?、蠹?jí)管理。

3.7 制定結(jié)構(gòu)修復(fù)方案

完成上述搶險(xiǎn)措施并待塌方情況基本穩(wěn)定后，結(jié)合監(jiān)控量測、地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)一步研究制定結(jié)構(gòu)修復(fù)方案。

4 塌方段施工技術(shù)

4.1 侵限及冒頂處治

2020 年3 月23 日，經(jīng)現(xiàn)場勘察，應(yīng)急處置已基本完成。目前空腔壁穩(wěn)定，洞內(nèi)塌腔口已封閉。侵限及冒頂處治方案如下：

（1）圍巖加固

對(duì)K118+195—K118+230 段周邊圍巖進(jìn)行注漿加固。采用直徑42mm 的注漿小導(dǎo)管（兼做系統(tǒng)錨桿），長4.5m，環(huán)向間距1.2m，縱向間距60cm。全孔注純水泥漿，水灰比及注漿壓力根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)確定，參考水灰比為0.6∶1～1∶1，參考注漿壓力為0.5～1.0MPa。

（2）侵限換拱

注漿固結(jié)后，逐榀拆除臨時(shí)鋼架及初支侵限鋼架并擴(kuò)挖（K118+230 空腔部位在應(yīng)急處置中已擴(kuò)挖并埋設(shè)三榀初期支護(hù)），替換新鋼架，并復(fù)噴至設(shè)計(jì)位置。

（3）初期支護(hù)

K118+195—K118+230 段初期支護(hù)采用I18@50cm工字鋼架全環(huán)布置，噴24cm 厚的C20 混凝土，預(yù)留變形量為15 cm。

（4）二次襯砌

K118+195—K118++235 段拱墻及仰拱襯砌加強(qiáng)采用60cm 鋼筋混凝土（K118+230—K118+235 段未侵限，原設(shè)計(jì)已預(yù)留12cm 變形量，滿足襯砌結(jié)構(gòu)加強(qiáng)的尺寸要求）。

（5）回填

施作完成K118+195—K118+235 段換拱及二襯澆筑后，于空腔內(nèi)分次回填土石（應(yīng)急處置中已先行回填2m厚的C20混凝土），回填至與地表齊平。地表最上層采用50cm厚的黏土覆蓋，回填過程中應(yīng)避免一次加載過大。

4.2 坍塌段施工

為了保證塌方段處理時(shí)的安全，處理塌方前，從距掌子面20m處由內(nèi)向外施作仰拱，采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，拱架間距調(diào)整至0.5m，二襯跳槽至該段完成一模二襯后，進(jìn)行塌方處理。根據(jù)開挖情況確定是否預(yù)留直徑127mm 的吹砂管。如果塌腔底部堆積的洞渣不足2m，預(yù)留吹砂管，后期吹砂至初支以上2m，形成緩沖層。

4.2.1 雙層超前小導(dǎo)管預(yù)加固

從距掌子面20m處開始進(jìn)行小導(dǎo)管預(yù)注漿。首先用全站儀在隧道上測量放線，做好標(biāo)記，確定小導(dǎo)管中心線和間距，采用手持式鉆機(jī)鉆孔，孔眼深度應(yīng)略大于導(dǎo)管長度，導(dǎo)管外插角按10°和30°交錯(cuò)布置，分為兩排，第一排外插角為10°，小導(dǎo)管長度為4.5m。小導(dǎo)管采用直徑為42mm 的無縫鋼管，壁厚3.5mm，在隧道上呈梅花形布置，沿隧道縱向間距2.4m，環(huán)向間距40cm，兩排小導(dǎo)管搭接長度不小于1m，超前小導(dǎo)管尾部與鋼拱架焊接在一起，以增強(qiáng)穩(wěn)定性。

4.2.2 三臺(tái)階臨時(shí)仰拱開挖、襯砌支護(hù)

坍塌體部位采用臺(tái)階開挖法，人工輔助機(jī)械開挖塌方體，做好現(xiàn)場技術(shù)交底，嚴(yán)格按照要求科學(xué)組織施工，確保施工安全和質(zhì)量。

4.2.3 塌腔處理

塌腔段初支處預(yù)留2根直徑127mm的粉煤灰泵送管兼檢查管，待塌腔段初支施工完成并達(dá)到強(qiáng)度后，吹粉煤灰（厚度控制在1.5～2m）作為緩沖層。

4.3 施工注意事項(xiàng)

左洞于年前發(fā)生侵限，在左洞（先行洞）處治方案中已強(qiáng)調(diào)左右洞掌子面間距宜控制在50m 以上且隧道貫通面宜設(shè)置于洞內(nèi)圍巖條件較好處，但現(xiàn)場未照此實(shí)施，右洞（后行洞）直接出洞，春節(jié)后發(fā)生侵限。為避免此類事故再次發(fā)生，施工過程中必須嚴(yán)格執(zhí)行設(shè)計(jì)文件的要求；右洞二襯施作完成后左洞才能開挖掘進(jìn)；鑒于右洞出洞侵限，要求左洞貫通須選在洞內(nèi)圍巖條件較好處貫通，不宜直接出洞；加強(qiáng)施工安全保障措施，強(qiáng)化工作人員安全操作意識(shí)，確保侵限段安全順利處置完成；加強(qiáng)洞內(nèi)外監(jiān)控量測，動(dòng)態(tài)掌握變形情況，并及時(shí)向相關(guān)單位反饋信息；塌方處置工作應(yīng)以安全第一、質(zhì)量可靠為原則，切忌冒險(xiǎn)、搶抓工程進(jìn)度；處理措施寧強(qiáng)勿弱，留足安全系數(shù)；施工過程中應(yīng)小心謹(jǐn)慎，用材用料扎實(shí)到位；嚴(yán)格遵循二襯緊跟掌子面的原則，切忌初期支護(hù)長時(shí)間單獨(dú)受力。

5 結(jié)論

對(duì)該隧道塌方采取了應(yīng)急處置措施后，采取合理的施工技術(shù)進(jìn)行塌方段施工，有效保障了項(xiàng)目的后續(xù)推進(jìn)，總結(jié)得出以下經(jīng)驗(yàn)。

（1）本項(xiàng)目隧道塌方是多方面原因造成的，主要可以概括為地質(zhì)因素、地下水作用、勘察設(shè)計(jì)中的人為影響和施工因素。大多數(shù)隧道塌方是可以避免的。對(duì)于前方不良地質(zhì)情況，如涌水、斷層等，施工中應(yīng)予以高度重視，通過采用合理的開挖方式，及時(shí)支護(hù)，做好預(yù)案，通過超前地質(zhì)預(yù)報(bào)等手段，一旦發(fā)現(xiàn)地質(zhì)及水文條件發(fā)生變化，要高度重視，嚴(yán)格對(duì)照設(shè)計(jì)圖紙及施工規(guī)范要求，采取應(yīng)對(duì)措施。對(duì)于因假期影響而停工等情況，應(yīng)及時(shí)封閉掌子面，必要時(shí)采取增設(shè)臨時(shí)護(hù)拱等方式，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)支護(hù)，并做到實(shí)時(shí)監(jiān)測，對(duì)圍巖自穩(wěn)能力不能過于高估。

（2）對(duì)于高速公路山嶺隧道塌方的治理，要遵循“管超前、短開挖、弱爆破、嚴(yán)注漿、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤量測”的七大原則，采用超前雙層小導(dǎo)管注漿與鋼拱架支撐的治理方案，可有效處理隧道頂板塌方，減少隧道施工的安全隱患。

（3）要重視和加強(qiáng)隧道的地質(zhì)預(yù)報(bào)及監(jiān)控量測工作，重點(diǎn)加強(qiáng)洞頂?shù)乇砹芽p及塌陷變形觀測，工程地質(zhì)及初期支護(hù)狀態(tài)的觀察，地表下沉量測，水平凈空收斂量測，拱頂下沉量測，錨桿抗拔力等指標(biāo)的測量；出現(xiàn)裂縫及時(shí)采用黏土封閉，塌方及影響段加密量測斷面、測點(diǎn)布設(shè)并提高量測頻率；加強(qiáng)與左洞塌方及影響段相對(duì)應(yīng)的右洞二襯段變形、裂縫的監(jiān)測，出現(xiàn)異常及時(shí)反饋。