鳳凰山隧道塌方處理技術

劉永志

1 工程概況

安康—毛壩高速公路是國家西部大開發“四縱四橫”八條西部開發省際公路通道的重要組成部分，是包頭—茂名全線高速公路的控制性工程之一，是目前陜西省已建和在建高速公路工程中橋隧比例最高、施工難度最大、地質地形條件最復雜的項目。鳳凰山隧道是安毛高速公路重點控制性工程，左洞全長 4 971m(里程樁號為 ZK 211+174～ZK 216+145)，隧址區內共發育 9條斷層，主要以壓扭性逆斷裂為主，在鳳凰山兩側可看到大型斷裂所造成的斷塊山。隧道平縱線形、隧道幾何尺寸和凈空斷面標準按80 km/h行車速度設計。隧道凈空寬度標準為隧道凈寬 10.25m(應急停車帶凈寬 13m)，建筑限界高度 5.0m，設計荷載為公路Ⅰ級。

洞門形式采用結構簡單、安全、環保、經濟合理，并與洞口地形、地貌協調一致的削竹式洞門，施工采用長 30m，φ89×8大管棚超前支護，實現拱頂零填挖處進暗洞，隧道襯砌結構形式均采用“新奧法”復合式襯砌。我合同段施工任務為鳳凰山隧道出口段 2 495m(里程樁號 ZK 213+650～ZK 216+145)。

2 隧道塌方描述及應急處理措施

2.1 隧道塌方描述

鳳凰山隧道左線施工至 ZK 214+072，在 2009年 3月 5日晚23:30出碴完畢后將開挖臺架推至掌子面，遂發現拱頂有碎塊掉落，并不斷加劇，施工人員立即撤離，約 10min后掌子面拱頂上前部位出現坍塌，坍體方量超過 200m3，隨后坍體上部出現突泥現象。由于撤離及時沒有造成人員傷亡，但是 6m開挖臺架被碴體堆埋過半，重度損毀。坍塌碴體巖性破碎，呈碎裂狀強風化石英片巖，頂部有小股水流并夾雜有少量泥砂，有出現大量突泥的可能。

2.2 應急處理措施

隧道塌方后，項目部立即啟動應急預案，第一時間成立了塌方事故處理工作小組，通過對現場的勘查做出以下應急處理措施:

1)立即通知業主、監理、設計院等相關方到場，對塌方突泥事故的進一步分析處理做好充分準備。2)地質工程師對掌子面進行 24 h不間斷觀察，隨時掌握塌方發展態勢，同時測量人員對掌子面 20m范圍內每間隔 1 h做拱頂沉降及圍巖收斂觀測，隨時分析、上報數據，為施工安全做好保證。3)掌子面退后 10m按照Ⅴ級圍巖的支護等級對原設計的Ⅲ級圍巖做進一步的加固處理，以避免塌方向洞口方向進一步擴張，支護參數見表 1。其中，φ50×5超前鋼管支護，沿拱頂部位對稱布置 31根。4)由于本處隧道埋深 250m，根據塌方突泥現象判斷隧道可能經過湖底或深切河床，等天亮后安排地質工程師到隧址上方進行地表勘察。

暫不清理塌方碴體，用來支撐掌子面前方圍巖，待專家及相關方確定方案后再做處理。

表1 支護參數對比

3 塌方原因分析

塌方發生后經過建設、設計、施工、監理及相關專家實地勘察，最終確定造成隧道塌方突泥的原因為:

1)實地勘察發現本里程段線路右側地表有天然水湖一個，距地表線路樁點位置不足 50m，面積大概 2 800m2，受地質深切影響最深達 28m，常年積水。在基巖構造裂隙水和風化裂隙水的共同作用下，對圍巖造成了較大侵蝕。2)經過TSP203超前地質預報分析，本段存在小斷層，長度 40m左右。隧道穿越地段主要為綠泥石(石英)片巖，呈灰黃色，變晶結構，片狀構造，受斷裂構造影響，巖體穩定性較差。地質斷裂構造復雜使得圍巖分級與原設計的Ⅲ級圍巖分級不夠準確，由此引出一系列支護參數和施工措施偏弱，缺少了超前支護和拱架支護，難以對圍巖進行較好的加固處理。3)按照原設計的Ⅲ級圍巖進行施工時，爆破施工的振動波對圍巖擾動過大，破壞了圍巖原有的承重結構，從而導致巖體失穩發生坍塌。

4 塌方處理方案

1)做好塌方段后方的加固處理，按照應急處理措施對掌子面后 10m范圍加固圍巖。2)掌子面噴射 30 cm厚C 20混凝土將整個碴體面進行封閉，形成止漿墻，對掌子面進行加固處理。3)由于坍塌方量不大，沒有造成較大的塌腔，所以沒必要對塌穴進行復雜處理，只需做好掌子面前方圍巖的預加固處理。最終決定沿拱頂 120°范圍內做長 6m，間距 40 cm，外插角 20°的 φ50×5熱軋無縫鋼管，前端做成尖錐形，管壁上每隔 7.5 cm設孔直徑為 8mm的注漿孔(尾部 30 cm范圍不設，作為預留止漿段)，一環 4排呈梅花形布置，注 1∶1水泥漿，注漿終壓以不小于 1.5MPa為準，避免發生較大突泥涌水現象。4)采用三臺階預留核心土法進行開挖，臺階間距控制在 20m內，下臺階與中臺階間距在 5m～15m，可以根據圍巖穩定情況適當縮短以便于施工，下臺階采用馬口跳槽施工，馬口間距左右側錯開，同側相鄰馬口間距 2m，盡量采用機械配合人工開挖，必要時可放小炮，減少對周邊圍巖的擾動，核心土的開挖時間以鋼拱架支護、噴射混凝土完畢時施工為準。5)徑向系統錨桿采用長4m的φ25中空注漿錨桿，環 ×縱 =100 cm×50 cm(環向 100 cm，縱向 50 cm)，梅花形布置，注 1∶1水泥漿，以加固圍巖和固定周邊較大塊石，防止發生大塌方。6)增設拱架支撐:用Ⅰ20a工字鋼，間距 50 cm，分 5個單元施工，拱架施工需緊跟掌子面，并在拱架連接部位增設鎖腳錨桿，規格為長4m的 φ25砂漿錨桿兩根，以減少先開挖的上、中臺階發生過大沉降。7)由于巖體極其破碎，呈碎裂狀，加之地表水湖存在，為防治水患增設徑向小導管，規格為長 5 mφ42×4的焊管，沿拱圈180°范圍間距為 200 cm×200 cm，呈梅花形布置，外插角為 60°，以便于施工，前端做成尖錐形，管壁上每隔 7.5 cm設孔直徑為8mm的注漿孔(限前端 2.5m范圍內)，一環 4排呈梅花形布置，注水泥—水玻璃雙液漿，水玻璃濃度 35 Be，模數 2.4，水泥漿∶水玻璃漿液體積比控制在 1∶0.6～1∶0.8之間，注漿終壓以不小于2MPa為準，以此固結塌方處松散圍巖，同時對圍巖周邊的裂隙水進行封堵。8)鋼筋網采用 Φ8鋼筋，網格尺寸 20 cm×20 cm，雙層布置，拱架內外各一層，噴射混凝土為 C20，厚度 26 cm。9)仰拱施工采用半幅施工，5m一個單元跳槽開挖，盡早澆筑混凝土。10)除防水按設計正常施工外，襯砌混凝土采用 50 cm厚防水混凝土，抗滲等級不低于 S8，同時增設襯砌鋼筋，提高結構安全儲備，襯砌混凝土的施工時間以拱頂沉降及圍巖收斂監控量測分析結果為依據，以圍巖變形基本穩定時間施工為準。

塌方處理平面圖見圖1。

5 施工監控量測

加強該段的監控量測工作，加大量測的頻率，增加觀測點。通過監控量測的結果來確定支護的穩定性，在洞內每個斷面的拱頂、拱腰及邊墻共布設了 7個監控點，每隔 2m設置一組測點，以拱頂和拱腰的下沉監測為重點，邊墻以水平收斂監測為主。觀測點的埋設在噴射混凝土之前完成，第一次量測在噴射混凝土時完成，下次量測在后續工作施工前進行，特別注意鋼支撐連接前后到沉降穩定過程的圍巖收斂情況。根據量測結果找出回歸方程，并及時繪制變形曲線及應力—應變曲線，由回歸方程推算最終的位移值，以判定最終變形值，再根據變形量及時調整開挖預留變形量和支護參數。根據該段隧道量測結果，邊墻處最大水平收斂5.61 cm，拱頂處最大沉降 4.65 cm，拱腰處最大沉降 3.55 cm。施工中出現 4次數據異常處，采用增設鎖腳錨桿、加快噴射混凝土、注漿等加固措施，確保了施工安全。

6 施工保證措施

6.1 質量保證措施

1)塌體的注漿必須飽滿，將松散圍巖固結，超前小導管施工完畢，漿液凝固后方可進行開挖。

2)每榀拱架由測量組現場控制進行調整，合格后方能定位，確保隧道凈空，保證襯砌厚度。

3)拱架必須與隧底垂直，螺栓連接牢固，確保拱架受力良好。

4)注漿管及錨桿注漿飽滿，注漿壓力和長度滿足要求，與拱架焊接牢固。

5)嚴格按配合比拌料及添加外加劑，確保注漿及噴射混凝土的強度滿足設計要求。

6.2 安全保證措施

1)項目部主要領導輪流值班，對塌方處理進行安全觀察，優化方案，同時監督質量，確保安全、順利渡過塌方段。2)所有施工工序為塌方段處理讓道，材料及設備保證滿足施工需求。3)值班人員隨時觀察前方圍巖穩定情況，出現異常情況無法保證安全時，立即通知所有施工人員撤離至安全位置。4)現場照明應滿足施工要求。5)施工用電纜必須完好，且要懸掛，避免漏電傷人。

7 結語

隧道塌方處理后經過兩個雨季的考驗，發現塌方段襯砌不滲不漏，表面干燥，無裂縫，說明塌方突泥段處理取得了預期效果。通過塌方突泥處理得出如下經驗:

1)工程地質條件的突變是造成鳳凰山隧道塌方突泥的主要因素，做好超前地質預報和隧址區地形、地貌相結合，充分了解圍巖特性，從而制定合理的施工方法才能很好的避免隧道施工的突發情況。

2)做好監控量測工作，用圍巖收斂數據指導隧道支護參數的調整是“新奧法”施工的主旨，同時也使隧道施工達到安全、經濟、合理的效果。

3)針對不同的隧道圍巖地質情況制定切實、詳細的應急預案很有必要，這樣有利于減少解決塌方、突泥涌水等突發情況的反應時間，有條不紊，把損失降到最低。

[1] JTJ 042-94，公路隧道施工技術規范[S].

[2] 朱永全，宋玉香.隧道工程[M].北京:中國鐵道出版社，2005:9.

[3] 關寶樹.隧道工程施工要點集[M].北京:人民交通出版社，2003.

[4] 李建軍.隧道超前支護管棚工法設計與計算研究[J].公路交通技術，2007(2):57-58.