隧道后關(guān)門式塌方工程治理

陳仁東

北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司 100082

引言

隧道施工是一項(xiàng)具有較高風(fēng)險(xiǎn)的工程建設(shè)過程，盡管前期開展了盡可能詳盡的地質(zhì)勘察與設(shè)計(jì)工作，但是由于地質(zhì)條件的復(fù)雜難以準(zhǔn)確預(yù)判，或是圍巖自身穩(wěn)定性的缺陷，或是施工方法不當(dāng)、操作不規(guī)范，如拱部初期支護(hù)背后存在較嚴(yán)重超挖、脫空部位沒有有效的支護(hù)、二次襯砌滯后等情況下，隧道出現(xiàn)塌方等意外仍是較為常見現(xiàn)象。

其中一種類型可稱為后關(guān)門式塌方，是指塌方位置遠(yuǎn)離前方掌子面，發(fā)生在掌子面與進(jìn)洞口之間的圍巖坍塌與支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞的現(xiàn)象。關(guān)門式塌方有別于因特殊地質(zhì)條件或支護(hù)不及時(shí)而導(dǎo)致的掌子面塌方。由于其發(fā)生在施做完成的支護(hù)結(jié)構(gòu)中部，開挖與支護(hù)時(shí)間已久，基本呈現(xiàn)出漸趨穩(wěn)定的狀態(tài)，監(jiān)測(cè)頻率較低或被忽略，相關(guān)人員的警惕性也隨之降低。一旦發(fā)生塌方，導(dǎo)致的損失范圍更大、對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的威脅更大、治理難度更大。

關(guān)于隧道塌方工程治理方法與安全保障措施，國(guó)內(nèi)隧道建設(shè)參與人員、研究人員結(jié)合工程實(shí)踐，開展了多項(xiàng)研究總結(jié)。陳仁東［1］等通過對(duì)某隧道塌方發(fā)生時(shí)各工作面狀態(tài)及前期施工過程的追溯，提出了以加強(qiáng)襯砌、周邊圍巖注漿、擴(kuò)大拱腳及組合工法為技術(shù)要點(diǎn)的綜合處理方案；劇仲林［2］針對(duì)“關(guān)門”塌方發(fā)生時(shí)圍巖處于完全松散的施工狀況，認(rèn)為采取鋼架+鎖腳錨桿+噴射混凝土的支護(hù)形式，支護(hù)結(jié)構(gòu)處于極限應(yīng)力平衡狀態(tài)，很容易破壞而造成隧道坍塌；周濤［3］等對(duì)燕子巖隧道“關(guān)門式”特大塌方的成因進(jìn)行分析，結(jié)合地質(zhì)條件和塌方情況，提出了采用先壓注水泥漿回填固結(jié)塌渣和泵送混凝土形成護(hù)拱后再進(jìn)行塌方開挖處理的一套完整和系統(tǒng)的“關(guān)門式”特大塌方處治措施；郭艷偉［4］等通過財(cái)神梁隧道塌方處理實(shí)例，從塌方原因分析、處理方案、變形監(jiān)測(cè)等方面闡述了護(hù)拱法處理隧道塌方的施工技術(shù)；肖東輝［5］等以汕湛高速某隧道塌方治理為工程背景，介紹了T76S自進(jìn)式螺旋注漿管棚施工工藝在該隧道塌方段的應(yīng)用情況，并對(duì)該工藝的施工流程、技術(shù)要點(diǎn)及支護(hù)效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)，認(rèn)為該方案初支受力合理、結(jié)構(gòu)安全，支護(hù)效果較好；吳學(xué)智［6］等以安全風(fēng)險(xiǎn)極高的“關(guān)門式”隧道大塌方為研究對(duì)象，提出了較為通用的隧道塌方“三段四步法”安全處治技術(shù)。

本文通過對(duì)隧道后關(guān)門式塌方治理案例的分析，希望為類似情況下的工程治理及風(fēng)險(xiǎn)防范提供參考。

1 隧道概況與塌方情況

1.1 隧道概況

某隧道工程按設(shè)計(jì)速度80km／h、雙向六車道、高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。隧道全長(zhǎng)6600m，屬特長(zhǎng)隧道，除分離式主線隧道外，設(shè)置兩座斜井，其中2＃斜井長(zhǎng)138.25m，施工期為施工通道，運(yùn)營(yíng)期用于通風(fēng)排煙。

隧道內(nèi)輪廓采用三心圓拱頂曲墻斷面，單孔結(jié)構(gòu)內(nèi)凈寬15.24m、凈高9.95m，毛洞最大開挖跨徑16.96m、最大開挖面積158.3m2。

工程沿線穿越髫髻山復(fù)式向斜的北西翼，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，隧址區(qū)及周邊發(fā)育有28 條斷裂帶。主要涉及地層為新生代第四系坡洪積層、崩坡積層、洪沖積層，中生代侏羅系髫髻山組火山巖、沉積巖，九龍山組沉積巖、窯坡組沉積巖以及燕山早期侵入巖三大類。巖性以安山巖、砂巖、礫巖為主。

1.2 塌方情況

塌方發(fā)生時(shí)隧道各作業(yè)面狀態(tài)見圖1。塌方發(fā)生于右線隧道，該工作面自2＃斜井進(jìn)正洞后，由大里程向小里程方向掘進(jìn)，塌方位置位于AK32 +784 至+810 里程段，緊鄰剛剛完成澆筑不足24h的二襯結(jié)構(gòu)端頭，距最前方上臺(tái)階掌子面144m、距初支封閉成環(huán)斷面75m、距施做完成的二襯仰拱及仰拱回填層斷面40m，是典型的后關(guān)門式塌方。

圖1 塌方發(fā)生時(shí)隧道各作業(yè)面狀態(tài)（單位：m）Fig.1 Status of each working face in the tunnel when a collapse occurs（unit：m）

塌方段圍巖主要為微風(fēng)化～中風(fēng)化復(fù)成份礫巖、安山質(zhì)火山角礫巖，局部夾凝灰質(zhì)礫巖；礫巖層內(nèi)順層發(fā)育燕山期侵入巖脈，巖性以閃長(zhǎng)玢巖為主，受侵入接觸面的熱液冷凝及構(gòu)造擠壓，局部差異風(fēng)化為較軟巖。該區(qū)段巖體整體節(jié)理裂隙較發(fā)育，以貫穿性好、長(zhǎng)大、陡傾剪節(jié)理為主，局部密集發(fā)育，且沿節(jié)理面存在較明顯的差異風(fēng)化及熱液蝕變現(xiàn)象。段內(nèi)巖體間隔發(fā)育破碎帶，斷帶內(nèi)及附近巖體破碎，完整性差，富水性與導(dǎo)水性好。綜合判定圍巖等級(jí)為Ⅳ級(jí)。

塌方段施工時(shí)采用三臺(tái)階法鉆爆開挖；以直徑φ42mm注漿小導(dǎo)管為超前支護(hù)，拱頂90°范圍內(nèi)環(huán)形布設(shè)，環(huán)向間距40cm，長(zhǎng)45cm；復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，初支厚度為24cm，鋼筋混凝土二襯厚度為50cm；初支內(nèi)拱墻設(shè)置φ8mm 單層鋼筋網(wǎng)，鋼筋格柵拱架縱向間距80cm，φ25mm 中空注漿錨桿長(zhǎng)350cm，按環(huán)×縱向間距100cm ×80cm 徑向打設(shè)；夾層防水由400g／m2無紡布與1.5mm厚EVA防水板組成。

塌方造成部分初支損毀，鋪掛防水板作業(yè)臺(tái)車被埋，二襯模板臺(tái)車前端腳部被壓覆，工程停滯約4 個(gè)月。

2 塌方段工程治理方案

2.1 基本原則

安全原則：確保人員安全為首要原則，防止二次事故與次生災(zāi)害的發(fā)生，確保應(yīng)急搶險(xiǎn)現(xiàn)場(chǎng)處置人員安全、確保工程治理施工人員安全。

審慎原則：未經(jīng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的區(qū)域，不得貿(mào)然進(jìn)入；未經(jīng)加固的塌體，不得貿(mào)然開挖；未經(jīng)充分論證的方案，不得貿(mào)然實(shí)施。發(fā)生突發(fā)事件后，立即啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案，制定搶險(xiǎn)救援方案，通報(bào)信息。編制治理方案并論證，細(xì)化各項(xiàng)工作，以確保處治方案的可操作性及實(shí)施效果。

質(zhì)量原則：既要保障治理塌方段施工安全通過，盡量降低對(duì)于工程總體工期目標(biāo)的影響，同時(shí)也要保證交付運(yùn)營(yíng)后襯砌結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期工作性能的可靠，按照“一次實(shí)施、不留后患”的要求確定襯砌參數(shù)及施工方案。

2.2 工作要點(diǎn)

塌方段工程治理方案的總體思路與工作要點(diǎn)可歸納為：查明情況、研判風(fēng)險(xiǎn)、穩(wěn)定塌體、遏止發(fā)展、防護(hù)拱頂、鎖住拱腳、超前注漿、充填空腔、分部開挖、及時(shí)支撐、加強(qiáng)支護(hù)、消除隱患、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、動(dòng)態(tài)調(diào)整。其中，對(duì)于塌方段基本情況的充分掌握與研判風(fēng)險(xiǎn)是落實(shí)安全、審慎、質(zhì)量原則的基本保障。

1.查明情況

查明塌體堆積范圍、高度、形態(tài)；查明塌腔尺寸、空間形狀及與隧道的相對(duì)關(guān)系；結(jié)合施工過程中記錄的地質(zhì)資料與塌方渣樣的物質(zhì)組成，復(fù)核詳勘資料，查明塌方段及受塌方影響段的地質(zhì)情況，并與塌體、塌腔的空間形態(tài)相比對(duì)，初步分析引發(fā)坍塌事件的不良地質(zhì)條件與特殊構(gòu)造；查明受損支護(hù)結(jié)構(gòu)范圍、狀態(tài)與程度。

采用雷達(dá)掃描解析、激光測(cè)距及物探等多種手段相結(jié)合，見圖2，探明坍腔縱向長(zhǎng)度約21.5m、橫向最大寬度約為14.84m、高19.2m，坍腔坡面斜長(zhǎng)29m，與水平呈44.13°；塌方體縱向長(zhǎng)度約為26m，頂部高于隧道拱頂約6m，堆體超過4000m3；通過對(duì)塌落方向、塌腔空間形態(tài)、塌體物質(zhì)的分析后認(rèn)為，與詳勘報(bào)告揭示的順層發(fā)育的侵入巖脈特征完全吻合；緊鄰塌方段的二襯結(jié)構(gòu)強(qiáng)度已達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%，未發(fā)生變形，起到了約束塌方范圍、防止松動(dòng)圈擴(kuò)大的作用，可視為安全區(qū)；受影響的左線隧道暫停開挖，加密測(cè)點(diǎn)布置與監(jiān)測(cè)頻率，必要時(shí)設(shè)置臨時(shí)支撐。

圖2 雷達(dá)掃描塌腔正立面示意Fig.2 Radar scanning collapse cavity upright profile schematic

2.研判風(fēng)險(xiǎn)

研判風(fēng)險(xiǎn)的主要內(nèi)容，一是評(píng)估塌體、塌腔當(dāng)前的穩(wěn)定狀態(tài)，評(píng)估繼續(xù)發(fā)生更大范圍、更嚴(yán)重程度塌方的可能性，切實(shí)防范安全風(fēng)險(xiǎn)；二是判定受塌方影響的區(qū)段，確定工程治理及需重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的范圍；三是劃分風(fēng)險(xiǎn)區(qū)段，以便采取有針對(duì)性的措施，使現(xiàn)場(chǎng)施工人員始終處于安全區(qū)內(nèi)。

將塌方段及其影響范圍劃分為：監(jiān)測(cè)區(qū)（已完成二襯澆筑且基本穩(wěn)定段）、后加固區(qū)（緊鄰塌方段的二襯端頭段，因打設(shè)大管棚、埋設(shè)泵送混凝土管等作業(yè)開孔需要而受到削弱，后期需進(jìn)行拆換或補(bǔ)強(qiáng)，縱向長(zhǎng)度為5m）、塌方體治理段（縱向長(zhǎng)度約26m）、前加固區(qū)（受塌方影響初支結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的區(qū)段，其范圍根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)判別調(diào)整）、補(bǔ)強(qiáng)區(qū)（鄰近塌方影響區(qū)但未發(fā)生結(jié)構(gòu)損傷的區(qū)段，其范圍根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)確定）。其中，塌方段治理區(qū)、前加固區(qū)為風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，后加固區(qū)、監(jiān)測(cè)區(qū)為安全區(qū)，安全區(qū)范圍隨著開挖與支護(hù)不斷向前擴(kuò)展。

2.3 實(shí)施步驟

塌方段工程治理方案具體實(shí)施步驟如下（見圖3）：

圖3 塌方段風(fēng)險(xiǎn)分區(qū)與工程治理步序示意（單位：m）Fig.3 Risk zoning and engineering management sequence schematic for landslide hazard zones（unit：m）

第①步，固結(jié)二襯臺(tái)車前方塌體。穿過二襯臺(tái)車門架及支撐桿件間隙敷設(shè)泵管，采用地泵向臺(tái)車前端塌體表面泵送M10 水泥砂漿，封閉壓覆頂面，采用向二襯內(nèi)表面及仰拱回填層頂面植筋的方式固定，立模澆筑C30 鋼筋混凝土。

第④步，回填形成工作平臺(tái)。利用挖掘機(jī)配合自卸汽車挖運(yùn)洞渣，采用裝載機(jī)分層回填，形成高3.1m、長(zhǎng)15m 的大管棚及注漿作業(yè)平臺(tái)及長(zhǎng)11m的走行坡道。

第⑤步，塌體頂部填筑混凝土。通過預(yù)埋和鉆孔等方式設(shè)置泵送管，填筑C20 素混凝土至塌體頂面以上約5m高度范圍內(nèi)，形成護(hù)拱。

第⑥步，注漿固結(jié)塌體及其周邊。注漿孔自止?jié){墻沿縱向以隧道中心為軸呈傘狀分布，注漿范圍除塌體外尚需擴(kuò)展至理論開挖輪廓線以外8m。單孔漿液擴(kuò)散半徑為2m，孔底間距不大于3m。前期采用水泥-水玻璃雙液漿與硫鋁酸鹽水泥漿交替使用，以控制注漿范圍；中后期采用水泥單液漿，以確保注漿質(zhì)量。注漿初壓0.5MPa～1.0MPa、終壓2.0MPa。采用鉆芯取樣法、孔內(nèi)成像法等對(duì)注漿效果進(jìn)行檢驗(yàn)，確保注漿效果。

第⑦步，打設(shè)第一批超前大管棚。大管棚超前支護(hù)是保障塌方段開挖安全的重要措施。大管棚沿起拱線以上180°范圍內(nèi)拱頂環(huán)形布設(shè)，環(huán)向間距40cm；鋼管外徑φ108mm，壁厚6mm，管壁設(shè)注漿孔，孔徑為φ8mm，孔距30cm，梅花型布置；管內(nèi)放置鋼筋籠骨架并壓注水泥漿，初始注漿壓力0.5MPa～1.0MPa，終壓2.0MPa。

為避免擴(kuò)挖管棚工作室的施工風(fēng)險(xiǎn)，采用大傾角分批、多循環(huán)打設(shè)大管棚的方式，采用臺(tái)車行走機(jī)構(gòu)以外的塌體表面，確保二襯臺(tái)車撤出時(shí)的安全。

第②步，撤出二襯臺(tái)車。清理影響臺(tái)車撤出的坍渣和雜物，解除影響臺(tái)車后退的型鋼、噴混及臺(tái)車支撐系統(tǒng)等約束，由機(jī)械牽引臺(tái)車整體后退，為后續(xù)作業(yè)提供工作面，圖中未示。

第③步，施作止?jié){墻。止?jié){墻全斷面設(shè)置，厚度為2.0m，基礎(chǔ)置于仰拱回填層這種方式雖然增加了作業(yè)步驟且有一定的廢棄工程量，但在治理塌方的工程實(shí)踐中更為安全可靠。

大管棚分為先后兩批，首批打設(shè)第1、2 兩環(huán)，均穿透緊鄰塌方段的既有二襯結(jié)構(gòu)段施做，并以其為管棚尾端支點(diǎn)。第1 環(huán)管棚仰角10°、長(zhǎng)14m，圖示為；第2 環(huán)大管棚仰角8°、長(zhǎng)34m（其中含空管9m），圖示為。

第⑧步，拆除止?jié){墻。

第⑨步，開挖塌方體。

塌方段超前支護(hù)采用小導(dǎo)管注漿，管徑φ42mm、長(zhǎng)6m，環(huán)向布設(shè)范圍及間距均與先前打設(shè)的大管棚相匹配；塌體采用三臺(tái)階法機(jī)械開挖，結(jié)合監(jiān)控量測(cè)反饋的穩(wěn)定狀態(tài)，必要時(shí)加設(shè)臨時(shí)豎撐；臺(tái)階拱腳處鎖腳錨桿采用長(zhǎng)6m 的T76 自進(jìn)式錨桿，每處4 根，注1∶1 水泥漿。

該段結(jié)構(gòu)采用加強(qiáng)型襯砌，初支支護(hù)噴射混凝土層厚度為28cm，內(nèi)設(shè)雙層鋼筋網(wǎng)及Ⅰ22b型鋼拱架，縱向間距50cm；鋼筋混凝土二襯厚度為60cm。

第⑩步，打設(shè)第二批超前大管棚。在塌方段前端AK32 +788 打設(shè)第3 環(huán)管棚，仰角8°、長(zhǎng)23m，與第2 環(huán)管棚間水平搭接長(zhǎng)度不小于5m，管棚尾端初支型鋼拱架加密布置，圖示；第4 環(huán)大管棚在AK32 +804 反向打設(shè)，仰角8°、長(zhǎng)16m，用于固結(jié)受塌方影響的二襯端頭圍巖松動(dòng)區(qū)，同時(shí)為拆換該段二襯結(jié)構(gòu)作業(yè)提供安全防護(hù)，圖示。

3 結(jié)語

隧道塌方事故對(duì)人身安全構(gòu)成極大威脅，也會(huì)帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生惡劣的負(fù)面影響。后關(guān)門式塌方發(fā)生在開挖掌子面與已施做完成的二襯結(jié)構(gòu)之間，造成圍巖坍塌與初支結(jié)構(gòu)破壞，具有一定的突發(fā)性，導(dǎo)致的損失范圍更大、對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的威脅更大、治理難度也更大。為了預(yù)防此類事故的發(fā)生，應(yīng)遵循圍巖穩(wěn)定的客觀規(guī)律，秉持嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實(shí)的工作態(tài)度，嚴(yán)格按照規(guī)范開展施工作業(yè)。

1.重點(diǎn)關(guān)注易產(chǎn)生塌方事故的危險(xiǎn)時(shí)段。大量隧道塌方案例表明，經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間停工之后的復(fù)工時(shí)段，工程自身積累的危險(xiǎn)因素正在醞釀，這一時(shí)段切不可掉以輕心。

2.隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)除必須具有足夠的強(qiáng)度外，也必須重視支護(hù)結(jié)構(gòu)施做過程中的時(shí)間與空間效應(yīng)，應(yīng)使各工序間保持合理節(jié)奏與規(guī)范的距離。

3.以鉆爆法為主的山嶺隧道施工，應(yīng)加強(qiáng)信息化管理手段，為促進(jìn)隧道建設(shè)的數(shù)字化、智能化發(fā)展，以提高安全風(fēng)險(xiǎn)管控水平奠定基礎(chǔ)。

4.型鋼拱架與鋼筋格柵拱架在材料性能，構(gòu)件承載能力，節(jié)段接頭相對(duì)剛度，加工、搬運(yùn)與架立的便利性及與噴混結(jié)合后的整體受力性能，與圍巖的密貼性等方面均存在差異，宜根據(jù)其特點(diǎn)應(yīng)用于適宜的情況。在原狀圍巖中開挖時(shí)優(yōu)先選用鋼筋格柵拱架，以盡量保護(hù)圍巖自穩(wěn)能力、促進(jìn)圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)共同受力，而塌方段工程治理是在松散堆積體中進(jìn)行開挖，需要型鋼拱架早期承載能力強(qiáng)、支護(hù)剛度大、利于盡早受力的特點(diǎn)。