復雜條件高危隧道施工災變工程對策研究

石先火

(中鐵十三局集團五公司大廣南項目部，湖北 黃石 435000)

1 工程概況

大慶至廣州高速公路是國家高速公路網規劃中的縱五線之一，規劃全長3460 km，湖北段全長約267 km，由麻城至浠水段147 km、鄂東長江公路大橋段13 km、黃石至通山段107 km三段組成。新建大廣高速公路黃通段第七合同段位于陽新縣境內，合同段內設白人巖隧道穿過白人巖山。由于隧道位于鄂東南山區，地質條件惡劣，施工條件差，安全風險大，環保要求高，在建設過程中將可能會遭遇塌方、溶洞突泥涌水以及大變形等一系列嚴重影響施工安全與進度的重大難題。

白人巖隧道位于陽新縣三溪鎮徐立中村附近，起訖里程K218+276～K218+611，全長335 km。設計為雙向四車道高速公路，雙連拱斷面形式，單洞隧道建筑限界為10.75 m(寬)×5.0 m(高)，隧道襯砌后單洞凈空面積68 m2。隧道區屬構造剝蝕－溶蝕低山丘陵地貌，為低山溝谷地形，切割深度較大，地面相對高差達135 m，山體成條帶狀，最高自然地面標高198.7 m，屬陡坡地形，植被發育。隧道地層含有角礫亞黏土、黏土、斷層角礫巖，隧道位于一座向斜構造山體中。不良地質現象主要有巖溶、斷裂帶、采空區和巖堆體，工區屬于亞熱帶濕潤季風氣候，降雨集中。地表水豐富，使得整個淺埋段處于飽和富水巖層，隧道開挖后圍巖局部被地下水帶走，極易發生坍塌和冒頂。

2 隧道施工難點問題分析

白人巖隧道出口段頂部山體為坡積土覆蓋層，正洞出口段K218+598～K218+587設計為Ⅴ類圍巖、K218+587～K218+582因開挖揭示拱部仍為坡積土，(設計Ⅲ類)變為Ⅳ類圍巖加強區進行支護。左線出口端于2010年8月4日進洞，現掌子面里程約為K218+581。由于當年8月下旬到9月中旬雨量較大，特別是9月13、14日出現兩次大暴雨，造成隧道出口段出現多處險情和安全隱患。

2.1 仰坡塌陷并伴開裂

K218+581～K218+585段洞身正上方山體仰坡出現兩處沉降塌陷并伴開裂，塌陷面積大小各約為15 m2和20 m2，深度影響直達洞身拱頂，具體見圖1。

圖1 山體仰坡沉降塌陷與開裂

2.2 存在仰坡滑坡隱患

塌陷位置出現橫向裂縫，有可能造成坡體向洞口方向滑移。

2.3 破壞圍巖穩定、影響結構安全

由于土體下陷引起隧道圍巖變形較大，極大程度影響圍巖穩定;土體下陷后導致圍巖無法形成自然拱，自撐能力大大減弱，致使頂部豎向荷載全部由初期支護承擔，初期支護嚴重變形、K218+585～K218+582段拱架下沉超限較大，結構安全受到極大威脅。

2.4 洞內出現嚴重突泥突水

K218+581處掌子面出現突泥，土方量約為50 m3。如遇雨水天氣仍將會出現突泥突水且有加重的趨勢。洞內嚴重突泥突水如圖2所示。

圖2 洞內嚴重突泥突水

2.5 右線二襯混凝土出現裂紋

右線隧道K218+585～K218+597段二襯混凝土拱腰部位出現縱向裂縫，長15 m，寬2 mm，深35 cm。如繼續受左線隧道洞口仰坡及洞身圍巖較大變形影響，裂縫存在繼續擴展的趨勢，甚至會貫穿二襯混凝土全部厚度。

3 工程對策與方案

參照隧道工程理論與施工技術［1］－［3］，結合當地地質、斷面以及洞口山體等條件，提出了“先穩邊仰坡、后加固洞身段、全過程監控”的施工原則，并進一步分析得出了具體工程對策與方案。

3.1 穩定邊仰坡

3.1.1 邊仰坡截水及臨時防水

隧道洞口邊仰坡塌陷部位上方位置距征地紅線60 cm左右增設一道攔水埂，覆蓋左右兩個洞口，截水埂為寬24 cm、高50 cm的矩形截面，與原設計截水溝形成完善的截、排水系統，確保洞口及塌陷部位不被暴雨沖蝕。

為防止在邊仰坡防護未形成時，邊仰坡尤其是已塌陷部位受雨水沖刷，在雨水來臨前將攔水埂至洞口的邊仰坡全部用防水布覆蓋，防水布幅與幅之間橫向搭接長度不小于50 cm，并用膠帶連接牢固。豎向搭接時上幅需壓在下幅之上，防止雨水從接縫處流入仰坡坡體。

3.1.2 地表注漿固結

對仰坡塌陷的兩個區域進行加密注漿，間距1.0 m×1.0 m梅花型布置。

施作時先進行塌陷部位的注漿加固。

3.1.3 邊仰坡掛網噴混凝土加固

注漿完畢后對仰坡采用掛網噴混凝土加固，鋼筋網采用20 cm×20 cm網格形式，鋼筋直徑8 mm，噴C20混凝土厚度20 cm。

3.1.4 明洞施作提前閉合

為進一步確保仰坡土體不向洞口方向滑移，在處理仰坡的同時進行明洞施作并提前閉合。

靠近洞口兩米范圍內明洞仰拱基礎巖石完整且強度高，為避免因爆破動力影響洞內初期支護的結構安全及洞口附近極弱圍巖的穩定，基礎部分巖體可不開挖，采用強度高于仰拱的鋼支撐替代原定仰拱的作用，具體作法為:

(1)選用H 17型鋼作為橫向鋼支撐代替仰拱，鋼支撐兩端須與墻身基礎鋼筋連接，形成閉合，橫向鋼支撐的弧度根據現場實際情況確定，弧度應有利于鋼支撐發揮支撐作用，橫向鋼支撐間距50 cm。

(2)為使鋼支撐不發生位移，在鋼支撐位置打入鎖固錨桿，其規格為直徑22 cm的螺紋鋼筋，長度須進入巖石不小于1 m，外露長度須滿足固定鋼支撐的要求，錨桿間距沿橫向間隔1 m。

(3)原定仰拱以上回填部位按原設計施作。

3.2 加固洞身

3.2.1 初期支護穩定段(K218+598～K218+587)加強

該段初期支護未出現大的變形，但由于其基礎軟弱，已出現明顯下沉，同時該段緊鄰初期支護變形破壞段，為防止該段因前段的影響發生破壞，對該段采取以下措施進行加固。

(1)增設臨時鋼支撐。根據初期支護實際情況，增設臨時型鋼豎向支撐，并增設橫向臨時鋼支撐以穩定初期支護及圍巖。

(2)環向小導管注漿。為進一步提高隧道輪廓線周邊近距離圍巖的支撐能力，采用42注漿小導管沿鋼支撐環向布置注漿加強，環向間距1 m，小導管長度3.5 m。小導管環向注漿施工完畢并穩定后，分段開挖下導，施做仰拱，及時封閉成環。

(3)增設鎖腳錨管。為增強型鋼拱架基礎的承載力，對每榀左側鋼拱架基礎增設兩個斜向下的鎖腳注漿錨管，錨管選用42注漿小導管，長3.5 m，斜向下角度45°。

3.2.2 初期支護變形侵限段(K218+587～K218+581)處理

該段初期支護下沉較大，部分下沉已侵限，部分噴混凝土已開裂脫落，該段初期支護須重新施作并加強。

(1)雙層超前小導管超前支護。針對本隧道的特點，在該段采用雙層42小導管超前支護作為開挖時確保圍巖穩定的輔助措施，其參數為:每層導管環向間距30 cm，長度均為4.5 m，角度第一層為15°，第二層為30°，上下兩層導管須交錯布置，搭接水平投影長度不小于1 m，具體見圖3。

圖3 雙層超前小導管超前支護布置

(2)環向小導管注漿。為進一步提高隧道輪廓線周邊近距離圍巖的支撐能力，采用42注漿小導管沿鋼支撐環向布置注漿加強，環向間距1 m，小導管長度3.5 m。

(3)卸架撬頂。在環向小導管注漿施作完畢且圍巖穩定后，按照先卸鋼架后撬頂的步驟處理拱頂下沉，直至恢復原設計隧道輪廓線。

(4)重做強支護。在恢復原設計隧道輪廓線后，應及時進行初期支護施作，并且提高初期支護的支撐能力強度，即采用雙層型鋼支撐縱向疊加，間距0.5 m，其他支護方式及參數同原設計。此步須緊跟卸架撬頂，具體在施作過程中應拆除一榀更換一榀完善一榀。

3.2.3 過渡段(K218+581～K218+571)施工

過渡段洞身加強支護方式及參數與拱架下沉段相同，從掌子面所揭露的巖體及上覆土層關系分析，過渡段長度應從目前掌子面往進口方向不小于10 m，即K218+581～K218+571區段。

過渡段掘進須按照短進尺弱爆破的原則進行，每循環進尺不超過1 m。

圖4 白人巖隧道左線出口段山體塌陷及拱頂下沉處理程序

3.3 加強監控量測

(1)邊仰坡變形觀測。為便于及時發現邊仰坡變形，在仰坡塌方區域沿隧道軸向及橫向各設置三個變形觀測點，每天觀測3次，根據觀測結果及時處理。

(2)洞身段變形監測。增加左線出口段初期支護段變形觀測頻率并增設監測點，同時做好右洞出口段襯砌的變形觀測。

4 施工組織與工藝

依據隧道工程理論與技術［4］－［7］，為確保能及時、安全地處理好該段存在的險情和隱患，成立專門的處理工班，調遣經驗豐富的施工人員組成該工班;同時配置專業的施工機械以滿足該段處理施工的需要。白人巖隧道左線出口段山體塌陷及拱頂下沉處理程序見圖4。

5 結論

(1)由于地質與山體條件較差，加上暴雨天氣的影響，新建大慶至廣州高速公路湖北省黃石至通山段白人巖隧道施工中出現了洞口段山體塌陷、邊仰坡開裂、洞身段拱頂下沉以及突泥突水等嚴重險情和安全隱患，一旦處理不及時或不得力則可能造成重大安全事故。

(2)結合隧道地質、斷面以及洞口山體等條件提出的“先穩邊仰坡、后加固洞身段、全過程監控”的施工原則以及穩定邊仰坡、加固洞身段、圍巖實時監控和施工組織與工藝等技術很好地穩定了邊仰坡、控制洞身段拱頂下沉，并可保證坑內不積水且未引起次生的洞內突水突泥。

［1］關寶樹.隧道工程施工要點集［M］.北京:人民交通出版社，2003

［2］陳豪雄，殷杰.隧道工程［M］.北京:人民交通出版社，1995

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