砂層隧道穿越坍方區施工

胡兆鋒

1 工程概況

關角隧道為雙洞單線隧道，全長32.6 km，采用鉆爆法施工。隧道通過區屬青藏高原亞寒帶半干旱氣候區，根據天竣縣氣象站(地理坐標:N37°18'E99°02'，海拔高程:3 417.1 m)資料，年平均氣溫－0.5℃，極端最高氣溫28.0℃，極端最低氣溫－35.8℃，最大月平均日溫差24.7℃，年平均降水量341.6 mm，年最大降水量453.2 mm，年平均蒸發量1 791.4 mm，最大積雪厚度21 cm，最大凍結深度299 cm。

隧道進口位于布哈河階地后緣，地形開闊，上部為第四系沖、洪積砂質黃土、細砂及粉質粘土，厚度較大，進口段550 m均以第四系細砂為主，貧水區，地質條件差，開挖后洞室自穩能力極差，極易發生坍方事故，施工風險較高。

2009年4月28日零晨2時許，正洞Ⅱ線DyK280+995前方出現裂縫并迅速擴大，5 min左右便發生坍塌，此后拱部坍腔內不斷掉塊，直至2009年4月28日15時，拱部坍腔高約5 m，沿隧道前進方向長度約8 m，寬度10 m。此處隧道坍方區埋深12 m～19 m，坍方的主要原因是由于現場挖掘機出渣過程中，對拱部初期支護的碰撞，導致初期支護發生變形，砂層連續滑坍，最終導致初期支護不能承載滑坍粉細砂的重量，出現坍方。

2 坍方處理

2.1 坍方情況

此次坍方面積較大，拱頂較高，坍方體體積至少在200 m3以上，拱部極其不穩定，局部掉土塊，此次坍方持續時間有10 h之多，基本穩定后，拱頂形成坍腔，坍方區向洞口方向已經支護的鋼拱架有4榀變形，故不敢輕易施工。已施工的φ50超前注漿導管及超前管棚全部脫落，在隧道拱頂形成一個較大的空洞。此次坍方主要原因是:上臺階開挖時機械碰撞導致，對中下臺階的影響較小，上臺階的操作空間較小，因此對于采用鋼支撐支護坍方區的方案不能實施，第一安全不能保證，其次拱頂較高，人員無法進行施工;其次，內部搭設木排架等施工方案均也不能實行;再次從地表進行開挖，然后上臺階按照明洞進行支護的方案不能夠滿足環保的要求，因為此處隧道地表隸屬高原草原生態環境，生態結構相當脆弱。

2.2 坍方處理方案

2.2.1 回填坍腔及鋪墊作業平臺

為了保證施工中人員及機械安全，先利用挖掘機往滑坍體上盡可能多的回填土，并用人工配合填土或者堆碼砂袋封閉掌子面，回填土及堆碼的砂袋盡可能超出初期支護界限(目的是在泵送完成混凝土填充后，填充混凝土的內輪廓不能侵入隧道初期支護的輪廓內，防止施作初期支護時，再次對填充混凝土進行鑿出處理)，并預埋至少兩根輸送泵管，一根用作灌注混凝土，一根作為灌注混凝土高度的觀察孔(基本了解坍腔內部填充混凝土的厚度)，要求輸送泵管超出初期支護輪廓拱部1.5 m，主要是確保內部填充的泵送混凝土厚度基本能夠達到1.5 m，確保上部掉塊的沖擊力不能將混凝土砸壞，導致后期初期支護的處理比較麻煩(見圖1)。除此之外還安裝了接近坍方體頂端的預留φ100噴砂管道，便于最后進行剩余空腔的噴砂填充。

填充坍腔的同時，在坍方段向洞口方向鋪墊作業平臺，作業平臺采用洞外棄渣鋪墊，鋪墊高度根據現場施工需要確定。現場施工時，利用PC130挖掘機及小松380裝載機配合，將洞外運至洞內的渣體向坍方口及坍腔下部進行堆放，現確保堆放的渣體對坍腔上部的掉塊有一定的封擋作用，保證掉塊不能沿坍方體斜坡向下滾行，傷害施工人員及對機械設備造成威脅。另外堆放渣體填充坍腔下部區域，有利于下部超前施作鋼軌的下部支撐，確保填充的混凝土對鋼軌的壓力不能導致鋼軌變形較大，確保開挖后初期支護的凈空要求。

回填渣體施工至距離已施作初期支護拱頂0.6 m～1 m時，開始采用人工堆碼砂袋對整個坍腔口進行封堵，封堵過程中，對內部空腔內坍方體及回填渣體沒有超出初期支護界限的，用砂袋進行拋填，確?；救砍龀跗谥ёo界限，避免泵送的混凝土侵入。

上述工作于2009年4月29日21點完成，回填渣體98 m3，堆碼砂袋324個。

2.2.2 施作初支加強環

由于DyK280+992～DyK280+995段為管棚洞室，比隧道正常初期支護斷面周邊要擴大40 cm～60 cm，為加強已施工初支，在不侵入二襯限界的情況下，在此段管棚洞室內加設內Ⅰ16鋼架(初支加強環)，鋼架間距50 cm，掛φ8鋼筋網，內鋼架噴射25 cm厚混凝土，加強此區域初期支護強度，防止泵送混凝土填充時對此區域的影響。在DyK280+995處設置兩榀并排Ⅰ16鋼架，鋼架與現初期支護鋼架間要預埋鋼軌導向管，導向管采用φ100 mm的鋼管制作，長度1 m，以便方便鋼軌穿過，導向管安裝的上仰角度為5°，埋設導向管26根，兩榀并排的鋼架及導向管共同作為鋼軌的后端支撐體，鋼架間采用22螺紋鋼(環向間距80 cm)連接牢固，噴射C25混凝土進行加固，并與原有初支鋼架連接成整體(見圖2)。上述工作于2009年4月30日22點完成。

2.2.3 施作超前輕軌

待掌子面封閉、加強支護、支撐鋼架及導向管施作完成后，施作一環超前鋼軌(24 kg/m)，鋼軌長度10 m～15 m，鋼軌長度確保能夠插入前方未坍方的砂體內，作為鋼軌的前支撐點，環向間距20 cm，角度與預埋的導向管的角度一致，超前鋼軌采用挖掘機頂進。鋼軌尾端采用箍筋與并列兩榀工字鋼焊接牢固。超前輕軌在2009年5月2日2點施工完成。

式中，f F（x1，x2）為限流器的成本；f L為限流器的損耗；x1，x2分別為不同材料的用量；C1、C2分別為不同材料的單位費用；C0為與設計變量無關的固定費用。

2.2.4 灌注C20混凝土

使用混凝土輸送泵通過之前預埋的輸送泵管泵送混凝土至坍腔內，考慮到鋼架的承重能力，分次泵送，嚴格控制泵送混凝土速度及每次泵送混凝土的方量，每泵送混凝土70方時，停止3 h，待漿液從檢查管溢出時，則停止施工。由于坍腔高度為5 m，考慮施工及運營安全，二襯施作完成后再次噴砂填滿坍腔。

2.2.5 坍方區上臺階開挖及支護

2009年5月5日，坍腔內混凝土凝固后，以每循環進尺0.5 m，嚴格按照七步臺階法開挖及設計支護參數支護，每個臺階均加設臨時橫支撐。初支鋼架與超前鋼軌之間達到密實，若空間小時，用噴射混凝土噴填密實;若空間過大，初支鋼架與超前鋼軌間用鋼架支撐連接，確保超前鋼軌受力大部分轉移至初支鋼架上。隨著開挖進尺的不斷推進，鋼軌的后端支撐逐漸增強。為確保鋼軌前端的角度問題，填充的混凝土具體初期支護輪廓面較大，則進行超前導管支護，設置雙層φ50小導管，導管長度3.5 m，內部注雙液漿，水泥∶水∶水玻璃體積比為1∶1∶1，注漿壓力控制在0.5 MPa～1 MPa之間，確保對松散砂體的局部固結及積壓，保證了開挖支護過程中的安全、穩定施工。

在2009年5月15日對此段進行上臺階開挖及支護施工，施工采用上臺階短進尺開挖，開挖采用人工配合機械開挖，機械采用PC130挖掘機，將挖掘機斗齒進行改裝，在挖斗兩側安裝了兩塊鋼板，起到鏟刀的作用，避免對后端初期支護的碰撞。開挖后及時支護，噴射混凝土26 cm，在5月27日11時下導施工完成，經過量測，拱頂及邊墻沒有發生位移，5月27日20時，開始施工仰拱以及C10片石回填，5月30日8時施工二次襯砌。

2.2.6 噴砂回填剩余空腔

3 坍方處理注意事項

1)回填坍腔時，要確保坍腔大里程處的密封性，防止填充混凝土時，將前方未坍方段灌滿混凝土，影響下步施工，同時要有專人負責對坍腔的觀察，防止土層脫落，對施工機械及人員造成危害。

2)施作加強環時，要預留鋼軌穿越的足夠空間，并確保加強環的基底牢固，與現有初期支護進行有效連接，確保整體受力良好。

3)采用挖掘機進行頂軌施工時，挖掘機挖斗與鋼軌接觸面設置鋼軌固定裝置，可采用鋼板及鋼管焊接，確保頂軌過程中，安全、準確的控制鋼軌的方向及位置。

4)填充混凝土時，要分次進行泵送，同時對初期支護段(DyK280+992～DyK280+995段)進行密切觀察，如出現開裂等現象，立即停止施工，及時進行加強支護。

5)開挖過程中，嚴格控制臺階長度及開挖進尺，并及時施作橫向水平支撐，嚴謹先拉中槽，再開挖兩側的施工方法。開挖后要及時進行初期支護，并確保施作的初期支護對鋼軌或填充混凝土體有充分的支撐作用。

4 坍方處理效果

2009年7月25日對于此處坍方段，經過自檢，沒有出現任何位移，在業主的幾次地質雷達監測過程中，發現內部密實，不存在任何的安全隱患。

經過此次坍方處理所總結的經驗，這種施工工藝適用于公路隧道或鐵路隧道砂層、黃土及軟弱圍巖的隧道坍方，并且坍方區域較大，處理時不能保證施工人員安全以及坍方有變大的趨勢的隧道施工。經過在關角隧道的實際中證明，這種工法的實用性較強，因此用類似的工法，處理了其他幾處小范圍的坍塌，收到較好的效果。

5 結語

在關角隧道的幾次隧道坍方中，應用此方案進行處理，施工進展順利，效果很好，得到業主、監理單位以及兄弟單位的一致好評。

［1］ 馮衛星，吳康保.鐵路隧道設計［M］.成都:西南交通大學出版社，1998.

［2］ 馮衛星，況 勇，陳建軍.隧道坍方案例分析［M］.成都:西南交通大學出版社，2002.

［3］ 鐵道部基本建設總局.鐵路隧道新奧法指南［M］.北京:中國鐵道出版社，1988.

［4］ 張雅鯤.大斷面軟弱圍巖隧道穿越沈閻公路施工淺談［J］.山西建筑，2010，36(29):325-326.

［5］ 李騰云.砂質黃土超大斷面隧道下穿高速公路安全施工［J］.山西建筑，2011，37(10):153-154.