公路隧道后關(guān)門塌方處治措施研究

公路隧道發(fā)生后關(guān)門塌方主要由于復(fù)雜的地質(zhì)條件、不合理的施工、支護(hù)不當(dāng)、地下水滲透等，文章分析了廣西某隧道后關(guān)門塌方的原因，研究采用合理經(jīng)濟(jì)的塌方處治措施：變形監(jiān)控技術(shù)+塌方段探測技術(shù)，并根據(jù)處治后結(jié)構(gòu)變形情況，評價公路隧道后關(guān)門塌方處治措施的合理可靠性，為公路隧道后關(guān)門塌方處治提供技術(shù)經(jīng)驗參考。

公路隧道；后關(guān)門塌方；處治措施

U457+.2A371294

作者簡介：申少華（1988—），碩士，工程師，主要從事隧道及巖土工程試驗檢測相關(guān)工作。

0" 引言

公路隧道建設(shè)過程中，塌方是危害隧道安全的主要因素。運(yùn)用科學(xué)合理的隧道塌方處治技術(shù)，是防范隧道塌方后二次災(zāi)害，保障隧道最終施工質(zhì)量的有利舉措。

眾多隧道工程建設(shè)者對隧道后關(guān)門塌方進(jìn)行了相關(guān)研究。侯艷娟等［1］研究了隧道塌方事故的類型，主要有圍巖失穩(wěn)、結(jié)構(gòu)失效和環(huán)境失調(diào)等三類，并統(tǒng)計了后關(guān)門事故約占塌方事故的47%。陳仁東［2］結(jié)合隧道后關(guān)門塌方實際案例，提出隧道塌方段治理原則，歸納了塌方處治的工作要點：分區(qū)段、穩(wěn)塌體、填空腔、嚴(yán)注漿、強(qiáng)支護(hù)。劇仲林［3］對鋼架+鎖腳錨桿+噴射混凝土的支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了力學(xué)分析，認(rèn)為此支護(hù)結(jié)構(gòu)在下臺階施工時，處于極限應(yīng)力平衡狀態(tài)，極易發(fā)生塌方。周濤等［4］對燕子巖隧道關(guān)門塌方的原因進(jìn)行了分析，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，總結(jié)提出了關(guān)門塌方成套處理技術(shù)。卜崇陽等［5］提出四類關(guān)門式塌方模型，并對各類模型機(jī)理進(jìn)行了探討。

隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，新的設(shè)備和技術(shù)手段被更多地應(yīng)用到隧道塌方治理中。本文通過對公路隧道后關(guān)門塌方處治措施的具體分析和應(yīng)用，為后續(xù)處理類似工程狀況提供技術(shù)參考。

1" 工程概況

廣西某公路隧道設(shè)計為雙向兩車道單洞隧道，起止里程樁號為K36+912～K37+780，全長868 m，為中隧道工程，路面設(shè)計高程為937.14～950.80 m，設(shè)計縱坡為-1.0%，最大埋深為182.86 m，采用削竹式洞門。

隧址區(qū)地貌屬構(gòu)造剝蝕淺-中切割中低山地貌，山脈連綿起伏，山體較大，自然坡度為20°～45°。大部為土山，地表大多分布有厚1～2 m的殘坡積黏性土、碎石土等，植被較發(fā)育，山澗溝谷發(fā)育，沖溝切割較深，多呈“V”形，沖溝坡度較大。下伏基巖以三疊系中、下統(tǒng)砂巖、泥巖為主。擬建隧道進(jìn)、出洞口均位于山間沖溝里，可見山澗水，勘察期間流量較小，雨季連續(xù)降雨流量較大。

隧道所穿越山體下伏基巖以三疊系百逢組第二組砂巖夾泥巖（T2b2）為主，呈薄-中厚層狀構(gòu)造，強(qiáng)風(fēng)化泥層巖質(zhì)軟，巖體破碎-極破碎，巖石風(fēng)化較強(qiáng)烈，工程地質(zhì)穩(wěn)定性較差。

2" 隧道塌方及原因分析

2.1" 塌方經(jīng)過

2023-03-01 8：30，施工方巡查人員進(jìn)行項目施工現(xiàn)場排查，發(fā)現(xiàn)該隧道K37+495處發(fā)生塌方。該處距離仰拱20 m，潰口為隧道拱頂至右邊墻，約為6 m。塌方體體積約為1 500～2 000 m3，塌方體為松散巖體，呈碎裂狀。

經(jīng)過調(diào)查，塌方位置處于K37+495位置，塌方處距出口285 m，隧道埋深105 m，在掌子面里程K37+455位置、仰拱里程K37+515位置及二襯里程K37+539位置，潰口發(fā)生在中臺階和下臺階的交界處。該段采用S-Ⅴb支護(hù)參數(shù)施工，施工時采用環(huán)形開挖預(yù)留核心土法開挖。

2.2" 原因分析

2.2.1" 地質(zhì)原因

K37+465～K37+515段，揭露洞身圍巖為三疊系中統(tǒng)百逢組第二組（T2b2）砂巖夾泥巖，屬于Ⅴ級圍巖，灰黑色，巖質(zhì)軟弱，薄-中厚層狀構(gòu)造，碎屑結(jié)構(gòu)，裂隙發(fā)育，巖體破碎-極破碎。

2.2.2" 水文地質(zhì)原因

從宏觀地貌來看，隧址區(qū)右側(cè)緊鄰一水庫，整體地下水較為發(fā)育。K37+465～K37+515段圍巖裂隙水較發(fā)育，施工過程中時有滲漏水，加之砂泥巖強(qiáng)度低、巖質(zhì)軟，具有中等以上透水性，遇水易軟化失去強(qiáng)度，隨著隧道開挖產(chǎn)生臨空面，裂隙水不斷下滲造成圍巖強(qiáng)度下降，進(jìn)而失去自承能力；同時由于裂隙水下滲導(dǎo)致錨桿錨固力下降，整個初期支護(hù)體系失穩(wěn)，最終通過累積效應(yīng)超過初期支護(hù)極限承載力，導(dǎo)致塌方。

2.2.3" 施工及其他原因

在隧道塌方前，掌子面已施工至K37+535，由于勞務(wù)糾紛等原因處于停工狀態(tài)達(dá)2個月之久，且在此期間隧道監(jiān)控量測并未有效實施，該段采用S-Ⅴb襯砌類別支護(hù)。

采用C25噴射混凝土，厚度為24 cm，設(shè)置3.5 m長中空錨桿，間距為60 cm×120 cm，設(shè)置全環(huán)Ⅰ18型鋼鋼架，鋼架間距為0.8 m/榀。該段圍巖從揭露情況來看，塌方段K37+495～K37+515還未施作仰拱，根據(jù)《公路工程施工安全技術(shù)規(guī)范》（JTG F90-2015）中對公路隧道安全步距的規(guī)定，該隧道安全步距（Ⅴ級圍巖要求仰拱至掌子面的距離為＜40 m）已然超標(biāo)。因此，在發(fā)生塌方時，該段隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)未實現(xiàn)有效的封閉成環(huán)，未形成隧道拱的支撐作用，是形成此次塌方的主要原因之一。

3" 處治措施

3.1" 變形監(jiān)控

隧道塌方后，施工方立即啟動了應(yīng)急預(yù)案，對塌方隧道進(jìn)行應(yīng)急管控，組織測量人員對塌方段進(jìn)行了變形監(jiān)控。具體方案如下：對K37+495～K37+535段每3～5 m設(shè)置一個監(jiān)測斷面，每個斷面設(shè)置3個拱頂下沉測點、4個周邊位移測點。測點布置情況如圖1所示。

3.2" 塌腔探測

塌腔范圍的探測對于后期采取合理經(jīng)濟(jì)的處治措施具有重要的參考價值。具體方案如下：

（1）利用手持式激光旋轉(zhuǎn)掃描儀掃描技術(shù)，可以快速地對塌方體的塌方量進(jìn)行估算。掃描結(jié)果如圖2所示。

公路隧道后關(guān)門塌方處治措施研究/申少華，鄧長慶，吳仲邦

（2）對K37+495～K37+535段每隔3～5 m用激光斷面儀掃描初支輪廓，確定受塌方影響范圍。結(jié)果如圖3～6所示。

（3）利用地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)，順?biāo)綕⒖诃h(huán)向間隔1～3 m布設(shè)測線，可以對塌方的塌腔范圍進(jìn)行有效評估，以此確定合理的處治措施。結(jié)果如圖7所示。

結(jié)合圖3～7初支輪廓掃描結(jié)果、三維成像結(jié)果及雷達(dá)探測結(jié)果可知，坍塌及周邊區(qū)域呈漏斗形狀分布，塌方影響范圍為K37+509～K37+480，初步判斷整體縱向呈漏斗形，環(huán)向呈喇叭狀；塌方范圍初支頂部存在3～5 m的松散堆積區(qū)，塌方區(qū)域空腔最大凈高約為12 m，最大凈寬約13 m，預(yù)估總塌方量為1 800 m3左右。如圖8所示。

3.3" 處治措施

為保證掌子面施工安全，安全通過，設(shè)計采用“棄土反壓、注漿固渣、管棚支護(hù)、分級開挖、加強(qiáng)參數(shù)、密切監(jiān)測”的綜合處理原則，具體措施如下。

3.3.1" 棄土反壓及潰口封閉

為防止塌方體下滑，導(dǎo)致潰口形成臨空面，加劇塌方的規(guī)模，采用棄土回填反壓塌方體下部，阻止塌方體下滑，并在棄土表面噴射混凝土，形成工作平臺，以便進(jìn)行后續(xù)施工。

3.3.2" 注漿固渣

因潰口塌方物質(zhì)為砂巖夾泥巖，碎塊較多，多為泥巖碎屑，無自穩(wěn)能力。從未侵限的位置K37+505打設(shè)長度為20 m的108 mm管棚，打設(shè)角度為15°，范圍為拱部120°，注漿加固K37+485～K37+505段內(nèi)拱頂松散的巖體。

3.3.3" 管棚支護(hù)

該段圍巖由于裂隙水下滲，自承能力下降，按照正常支護(hù)已無法保障不發(fā)生二次災(zāi)害。因此，在接近潰口時，在K37+500位置，施作打設(shè)長度為30 m的108 mm管棚，打設(shè)角度為1°～3°，范圍為左拱部75°，右拱部105°。注漿加固潰口范圍拱頂松散的巖體并鎖住潰口，打設(shè)超前斜向鋼花管，與管棚注漿相互補(bǔ)充，加固松散巖體。

3.3.4" 加強(qiáng)支護(hù)參數(shù)

由于K39+495處潰口，并導(dǎo)致K39+495～K39+505段出現(xiàn)侵限，故該段加強(qiáng)支護(hù)。由于靠近掌子面?zhèn)瘸跗谥ёo(hù)損壞程度未知，暫按K39+465～K39+495段初期支護(hù)失效考慮，采用S-Ⅴf支護(hù)參數(shù)，K39+430～K39+465段維持S-Ⅴb支護(hù)參數(shù)施工。

3.3.4.1" 初期支護(hù)

K39+495～K39+505段、K39+465～K39+495段初期支護(hù)采用C25噴射混凝土，噴層厚28 cm，設(shè)置全環(huán)加強(qiáng)型Ⅰ22a型鋼鋼架，鋼架間距為50 cm。

3.3.4.2" 二次襯砌

K39+495～K39+505段、K39+465～K39+495段應(yīng)對二次襯砌進(jìn)行加強(qiáng)，采用C30鋼筋混凝土，襯砌厚度為60 cm。

3.3.5" 分級開挖

采用環(huán)形開挖預(yù)留核心土法，監(jiān)控量測數(shù)據(jù)預(yù)警時應(yīng)及時架設(shè)。

3.3.6" 加強(qiáng)監(jiān)測、及時反饋

為了監(jiān)測塌方段變形情況，確保塌方段施工順利進(jìn)行，保障施工安全，為動態(tài)施工提供科學(xué)數(shù)據(jù)，需加強(qiáng)塌方段的監(jiān)控量測并及時反饋。

3.4" 處治效果評價

塌方后在K37+495～K37+535段共設(shè)置9個監(jiān)測斷面，如圖10所示拱頂下沉變形速率在-0.6～4.8 mm/d波動，最大變形發(fā)生在K39+497斷面，最大累計變形量為27.7 mm，在監(jiān)測開始11 d后變形趨于穩(wěn)定；周邊位移變形速率在-0.4～2.6 mm/d波動，最大變形發(fā)生在K39+497斷面，最大累計變形量為7.6 mm。

塌方段在處治過程中總體變形波動較小，未見明顯異常大變形。綜合來看，監(jiān)控結(jié)果滿足規(guī)范與設(shè)計的安全及耐久性要求，塌方段經(jīng)過各項處治措施的實施，有效控制了變形，證明該處治措施合理有效。

4" 結(jié)語

本文根據(jù)廣西某隧道后關(guān)門塌方后的詳細(xì)調(diào)查，分析了塌方產(chǎn)生的原因，針對性地采取了各項處治措施，并對處治過程進(jìn)行監(jiān)控分析，得到如下結(jié)論：

（1）隧道后關(guān)門塌方主要是因支護(hù)結(jié)構(gòu)失效，而造成支護(hù)結(jié)構(gòu)失效的原因很多，尤以不規(guī)范施工為最。因此，嚴(yán)格執(zhí)行設(shè)計及規(guī)范的要求進(jìn)行施工，是避免發(fā)生重大事故的首要措施。

（2）公路隧道軟弱圍巖及地下水較為發(fā)育的區(qū)段，圍巖由于水的作用，易失去自穩(wěn)能力，做好防排水措施及加固圍巖才能避免塌方事故的發(fā)生。

（3）公路隧道發(fā)生后關(guān)門塌方后，應(yīng)基于安全、有效、經(jīng)濟(jì)的原則，遵循“安全監(jiān)控→分析塌方原因→明確處治范圍→制定處治方案”的處治流程，采用先進(jìn)的儀器設(shè)備和有效的處治技術(shù)，才能實現(xiàn)安全經(jīng)濟(jì)合理的目的。

（4）基于采取該處治流程后的效果評價顯示，該后關(guān)門塌方隧道在處治后變形穩(wěn)定，滿足規(guī)范與設(shè)計要求的安全和耐久性要求，證明該套處治方案合理有效。

［1］侯艷娟，張頂立，李" 奧.隧道施工塌方事故分析與控制［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2018（1）：45-52.

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［3］劇仲林.隧道“關(guān)門”塌方原因的力學(xué)分析及預(yù)防對策［J］.隧道建設(shè)（中英文），2018，38（S1）：20-27.

［4］周" 濤，張" 輝.燕子巖隧道“關(guān)門式”特大塌方成因及處治措施研究［J］.中外公路，2015，35（2）：190-193.

［5］卜崇陽，李" 明.關(guān)門式塌方的四種模型及機(jī)理探討［J］.四川水泥，2016（7），332.

20240312