海中洲隧道擴建中原隧道塌方的處理技術

徐學深

(寧波順和路橋設計有限公司，浙江寧波 315105)

0 引言

隨著經濟和社會的發展，交通量在迅猛增長，早期修建的城市隧道已越來越不適應現代交通的需求，改建或擴建既有老隧道已成為一種發展趨勢。由于受城市路網布局和建筑物等制約因素的影響，在盡量減少新增建筑用地，不改變原有路網布局和少拆遷建筑物等有利條件下，對既有隧道進行擴建是一種較為可行的優先選擇方案。

如果既有隧道曾發生過坍塌或存在較大空洞，拓寬改建施工就會面臨較大的風險。陳七林［1］在福州金雞山隧道拓寬工程研究中認為，擴建既有隧道的襯砌拆除施工會影響原坍塌面的穩定，會出現新的圍巖掉塊、坍塌甚至冒頂等險情。對于隧道塌方處理方案上，蔡偉明［2］分析了福建甘芳隧道塌方原因，并提出從塌陷區地表處理、塌腔回填加固、塌區開挖支護及洞內輔助施工等塌方處理技術。林貽森等［3］詳細介紹了贛龍鐵路新黃龍隧道施工過程中洞內拱頂大面積塌方的處理方案和技術措施，主要有對塌陷范圍進行注漿、初期支護采用工字鋼架和長管棚、超前小導管注漿、隧道塌方段采用預留核心土環形開挖法掘進等措施。在塌腔處理上，郭艷偉［4］在奉云高速公路財神梁隧道塌方中采用護拱加回填處理技術。

相對于施工過程中的塌方，改擴建工程碰到原塌方的處理難度會更大，未知的控制因素會更多［5］。目前國內的隧道塌方處理大多發生在施工過程中的坍塌，而對于改擴建工程碰到原塌方的處理案例和相關的研究文獻很少，類似海中洲隧道淺埋、大跨度、周邊環境復雜同時又有老塌方的城市隧道擴建工程案例為國內之罕見。本文主要闡述海中洲隧道擴建過程中對原塌方的系統處理方案以及設計中采用的地表砂漿錨桿加固、塌腔處理、塌腔回填、爆破控制、地質超前預報和監控量測等一系列有效措施。

1 工程概況

海中洲隧道是浙江省舟山市沈家門城區主干道上的一條短隧道，于1986年9月竣工，全長184.5 m，隧道凈寬為9.5m，凈高為4.5m，為雙向2車道隧道。原隧道拱圈洞身地段為40 cm厚混凝土襯砌，洞口段為40 cm厚鋼筋混凝土襯砌。隧道兩側直墻為50 cm厚漿砌塊石。隧道施工時出洞口段處曾發生塌方，塌方情況無施工記錄記載。與一般公路隧道相比，該隧道周邊環境十分復雜，制約因素諸多，有如下5個顯著特點:

1)隧道埋深淺、地質條件差。隧道洞頂最大高程為36.5m，最大埋深約29.5m，整座隧道都屬于淺埋。

2)隧道跨度大。由于地處沈家門市中心的主干路，兩側接線為雙向4車道，要求改建后的隧道盡可能增大斷面，提高通行能力。結合周邊地形、地物及道路等控制因素，采用隧道建筑限界凈寬為16 m、凈高為5 m、隧道兩拱腳寬度為17.04 m的大斷面，拱頂最大高度為8 m。

3)隧道周邊建筑物密集。與一般公路隧道不同的是，該隧道周圍建筑物密集，特別是隧道進口明洞頂正上方有1幢5層磚混結構的住宅樓。隧道正上方地表有建筑物(為沈家門醫院)，有1幢7層和1幢3層的混凝土樓房(見圖1和圖2)。

圖1 擴建前隧洞洞門圖Fig.1 Haizhongzhou tunnel before rehabilitation

圖2 擴建后隧道平面布置圖Fig.2 Plan layout of Haizhongzhou tunnel after rehabilitation

4)原隧道有塌方未處理。施工過程中在隧道出口約30 m處，由于地質差曾發生大塌方，但未產生冒頂。限于當時技術和資金上的制約，塌方未處理。

5)設計和施工控制參數要求高。設計和施工中同時要考慮2個方面的因素:①隧道施工期間要保證醫院的正常運營和周邊建筑物的結構安全;②保證隧道本身的結構安全和耐久性，對精確的沉降計算和變形控制提出了極高的要求。

2 地形、地貌及水文、地質

2.1 地形、地貌情況

海中洲隧道位于沈家門地區中部，為低矮丘陵區。區內地形北部高，南部及東西兩側低，低矮丘陵的山脊線呈近南北向延展，最高處海拔為49.3 m，最低處海拔為3.2 m，地形坡度為31～33°，呈凸面坡形態。隧道頂部中軸線處高程為11.3～36.5 m。隧道頂部地面，其西部為沈家門人民醫院住宅區、實驗樓及蓄水池，地形較平坦;其東側為零星分布的林區、墳墓及菜地，有較多人工開挖形成的陡坎(高1～3m)，地形高差變化較大。

2.2 水文、地質情況

工作區內水文地質條件簡單。地表無水庫等較大的水體和井、泉出露，也無常年性地表徑流，大氣降水呈短暫性地表徑流，沿山坡流向南側低處后，垂直滲透作用很弱，基巖裂隙富水性差。原塌方處頂部為坡積、洪積層，厚0.5～5.8 m，一般為1 m左右，含砂礫黏土。圍巖以強風化及中等風化凝灰巖為主，裂隙發育，并有強風化鉀長花崗巖脈穿插，巖石破碎，穩定性較差。隧道地質縱斷面見圖3。

圖3 隧道地質縱斷面圖Fig.3 Longitudinal profile of geological conditions of Haizhongzhou tunnel

3 原隧道塌方情況和塌方處理方案

3.1 原隧道塌方情況

根據設計階段的地質勘察揭示，K0+224～+231段為原隧道塌方區，形成沿隧道縱向長約7 m、橫向寬約9.8 m的空洞，塌方最高處與原隧道襯砌拱背距離為8.7 m，塌方最低處與原隧道襯砌拱背距離為1.3 m，塌方空腔體積約360 m3。該段圍巖為強風化凝灰巖，節理發育，巖層走向與隧道走向成近90°交角，有滑層和層間夾泥。原襯砌拱背上堆積原塌方渣體約50 m3。塌方區空腔頂地表覆蓋層(強風化的土夾碎石)厚度不一，最厚處約為20 m，最薄處為8 m左右。塌方處理橫斷面見圖4。

圖4 塌方處理橫斷面示意圖Fig.4 Sketch of collapse treatment

3.2 設計塌方處理方案

由于該塌方處理制約因素多，新老隧道橫斷面處于交叉的不利位置，塌方處理稍有不慎，便會波及地表，導致冒頂，影響洞頂上方建筑物的安全，后果不堪設想［6］。為順利通過塌方體，并避免產生新的塌方，設計中采用了地表砂漿錨桿加固、塌腔處理、塌腔回填、爆破控制、地質超前預報和監控量測等一系列有效措施。

3.2.1 地表注漿錨桿加固

由于塌腔體面積大，塌腔體覆蓋層厚度薄且厚薄不均勻，為減少施工擾動引起新的坍塌，開挖前需對地表進行加固。首先考慮采用地表注漿對地層進行加固，但在現場試驗時發現效果不佳，后改為地表注漿錨桿加固［7］。

處理加固樁號為K0+221～+234，縱、橫向在塌腔輪廓線外3 m范圍內，輪廓線外錨桿要嵌入基巖地層，以保證塌腔壁的穩定。注漿漿液采用水泥－水玻璃雙液漿，體積配合比為1∶0.5。注漿初始壓力為0.5～1 MPa，終壓為2～2.5MPa。達到設計終壓時，延續20～30 min即可結束注漿。注漿鉆孔直徑為89 mm，注漿管采用φ60 mm鋼管(壁厚4 mm)，注漿管鉆花孔，鉆孔直徑為1 cm，間距為40 cm，梅花形布置。注漿鋼管橫向間距為100 cm，縱向間距為120 cm，梅花形布置。注漿順序為:橫向先兩側后中間，縱向先兩頭后中間。注漿結束后，在φ60 mm注漿鋼管內中插入3根φ22 mm鋼筋束，鋼筋束端部與鋼管內壁焊接。

為減少地表水下滲進入塌腔體，對砂漿錨桿加固區范圍內的地表采用C20的噴射混凝土封閉，厚度為5 cm。噴射混凝土中設置φ6.5 mm的鋼筋網，間距為20 cm×20 cm，注漿鋼管尾部與鋼筋網焊接。地表注漿錨桿加固見圖5。

3.2.2 塌腔處理

為控制塌方范圍的擴大和保證施工過程中的安全，對塌腔壁采用噴、網、錨、撐相結合的方法進行加固，塌腔內用混凝土或其他材料回填密實。塌腔的處理原則是“穩固既有坍塌面，快速處理封閉成環”。塌腔內施工順序為:短進尺拆除老隧道襯砌—進入塌腔、初噴混凝土—立初期支護鋼拱架、掛網、噴混凝土—鋼管垂直立撐及縱、橫向連接—掛鋼筋網、復噴—初期支護護拱澆筑—初期支護臨時垂直支撐及縱向連接—新、老隧道之間空腔回填—初期支護—塌腔回填。

3.2.2.1 拆除老隧道襯砌

老隧道襯砌猶如護拱，起著防護作用，對施工作業人員的安全尤為重要［8］。老隧道采用礦山法施工，拱圈與巖面之間有20～50 cm的脫空，老隧道洞身段為40 cm的素混凝土襯砌，開挖時采用人工風鎬作業，以減少震動。初期支護緊跟，與老隧道襯砌之間的距離控制在50 cm左右，一旦發生新的大規模塌方時可減少塌渣落入隧道內，提高施工作業的安全性。

3.2.2.2 塌腔初噴混凝土

當隧道施工至K0+222坍塌面時，施工機具和人員已經有足夠空間進入塌腔。利用較矮的坍塌面為掩體，作業人員可以站立在老隧道襯砌上進行施工:1)對坍塌面初噴5 cm厚的C25混凝土。為提高噴射混凝土的強度，在每m3混凝土中摻入5kg聚酯纖維。2)搭設腳手架。對坍塌面打設長3.5 m的φ22 mm砂漿錨桿，錨桿間距為1 m×1 m，鋪設φ6.5 mm的鋼筋網，間距為15 cm×15 cm。3)噴射5 cm厚的C25混凝土。噴射混凝土厚度達到10 cm。

3.2.2.3 立初期支護鋼拱架、掛網、噴混凝土

當塌腔臨時穩定時，按設計輪廓線立即施作上半斷面初期支護，安裝拱架內側木模、噴射混凝土、立拱架掛網。初期支護參數為:30 cm厚的C20噴射混凝土;拱架采用I22b工字鋼，拱架間距為0.5 m/榀，拱架縱向采用φ22 mm的螺紋鋼連接，間距為0.5 m;φ6.5 mm鋼筋網，間距為20cm×20cm。初期支護每循環進尺為0.5 m。

3.2.2.4 鋼管垂直支撐及縱、橫向連接

初期支護完成后，采用φ127 mm×6 mm的無縫鋼管徑向將坍塌面與初期支護連接起來，將坍塌面圍巖的部分荷載轉移至初期支護，使之形成共同受力體。為增大鋼管的受力面積，鋼管兩端焊接200 mm×200 mm×4 mm的鋼板，鋼管沿拱架環向和縱向間距均為0.5 m。鋼管垂直支撐安裝完成后，采用φ25 mm的螺紋鋼將垂直支撐進行縱、橫向連接，連接徑向間距為2 m;然后在坍塌面復噴10 cm厚的C25混凝土，將垂直支撐端部固定，在初期支護外表面澆筑護拱，護拱采用C30混凝土，厚度為30 cm。

3.2.2.5 初期支護臨時垂直支撐及縱向連接

由于隧道跨度大，為減少初期支護的承載力，在拱頂與拱腳1/2處，用垂直支撐將拱架與地面徑向連接。每榀臨時垂直支撐采用2根I18a工字鋼焊接而成，沿隧道縱向布置，間距為0.5 m，每榀垂直支撐用12號槽鋼縱向焊接，槽鋼徑向間距為2m。至此，塌腔基本穩定。

3.2.2.6 新隧道與老隧道之間空腔回填

在塌方處，設計上將原來的隧道平面轉彎半徑由35 m增大至110 m，新、老隧道之間在橫斷面上是交叉關系，兩者之間約有18 m2空腔，按照JTG F60—2009《公路隧道施工技術規范》［9］要求，需將該空腔回填密實。回填材料采用C10片石混凝土。

3.2.3 塌腔回填

塌腔經穩固處理后，塌方最高處與護拱之間的距離由原來的8.7 m降低到7 m左右，塌方空腔體積由原來的360 m3縮小到約280 m3。由于塌方區隧道埋深淺，最小埋深為8 m，而地表又有醫院、水池等建筑物，同時考慮運營過程中隧道的耐久性和結構安全等因素，決定將塌腔全部回填。回填時機選擇在初期支護仰拱封閉后，二次襯砌模筑混凝土澆筑之前［10］。回填步驟為:1)在塌方最高處下面的初期支護上各打設1根混凝土泵送管和檢查管，第1次泵送C15混凝土總厚度為1.5m，泵送壓力控制在0.5 ～1.0MPa，為防止一次泵送量過大對初期支護產生較大影響，采用間歇泵送，待混凝土達到初凝強度后方可進行下一次泵送，單次泵送量控制在10 m3以內。2)回填混凝土上部空腔采用輕型材料，材料選用粉煤灰和普通硅酸鹽水泥混合物，水灰體積比為1∶1;水泥－粉煤灰質量比為1∶7。經試驗，膠凝時間為7 h，分2次泵送至坍塌頂面。

3.3 塌方處理工程數量匯總表

經設計計算，并經現場實際統計修正，塌方處理工程數量見表1。

4 處理效果

自2007年2月5日進入原塌方區至順利通過用時約25 d，經過勘察設計階段對方案的認真研究，施工過程中加強了系統處理方案的動態優化，既保證了對原坍塌體安全可靠的處理，又確保了醫院的安全正常運營和周邊建筑物的安全。本隧道于2011年9月通過竣工驗收，各項檢測數據都處于設計控制安全值以內。

表1 塌方處理工程數量匯總表Table 1 Working quantity of collapse cave treatment

5 體會

1)對于老隧道改擴建工程，首先應仔細查閱原設計、勘察、竣工等資料，熟悉老隧道情況，必要時可通過走訪參與本項目的原建設人員，了解相關信息;其次應通過地質鉆探、地表探槽、地質雷達、超前地質預報等多種手段做詳細的地質勘察，為系統性設計方案提供充分的依據。

2)對于波及地表的土質淺埋隧道塌方的處理，應針對具體情況采用綜合處理的方法。考慮水、地表穩定、穩固塌腔體、開挖與支護、腔體回填等因素及相互關系，采用全面系統的整治方案。除考慮施工階段的各項安全工作外，還需考慮運營階段隧道的結構安全和耐久性。

3)當塌腔體面積大、覆蓋層薄，應對地表進行加固處理。若采用地表注漿對地層進行加固效果不佳時，可采用地表注漿錨桿加固，以提高加固體的自成拱能力。

4)拆除擴建既有隧道的襯砌，應謹慎采用爆破拆除的方法，尤其臨近原坍塌區，盡量以人工拆除為主。

5)塌腔壁采用噴、網、錨、撐相結合的方法進行加固，“穩固既有坍塌面，快速處理封閉成環”是防止塌方規模進一步擴大的關鍵。

6)在塌腔回填中，為減少和緩和回填混凝土對支護結構的影響，回填應堅持少量、多次、間隔的原則。

［1］ 陳七林.金雞山隧道拓寬改造方案研究［J］.隧道建設，2011，31(5):577 － 582，592.(CHEN Qilin.Case study on widening options of Jinjishan tunnel［J］.Tunnel Construction，2011，31(5):577 －582，592.(in Chinese))

［2］ 蔡偉明.甘芳隧道的塌方處理技術［J］.公路與汽運，2009(4):244－247.

［3］ 林貽森，李德發，鄒華.新黃龍隧道塌方處理技術［J］.鐵道標準設計，2005(8):84－85.

［4］ 郭艷偉.護拱在處理隧道塌方中的應用［J］.鐵道建筑技術，2008(S1):239－241.

［5］ 錢七虎，戎曉力.中國地下工程安全風險管理的現狀、問題及相關建議［J］.巖石力學與工程學報，2008(4):6－12.(QIAN Qihu，RONG Xiaoli.State，issues and relevant recommendations for security risk management of China’s underground engineering［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2008(4):6 －12.(in Chinese))

［6］ 關寶樹.隧道設計要點集［M］.北京:人民交通出版社，2003:1－33.

［7］ 萬明富，曹繼偉，張冠華，等.隧道穿越崩塌體的設計施工技術［C］//2001年全國公路隧道學術會議論文集.福建:中國公路學會隧道工程分會，2001:217－222.

［8］ 李佳翰，朱晃葵，卓孟慧，等.既有隧道擴挖及改建技術探討［J］.隧道建設，2011(S1):366 －372.(LEE Chiahan，CHU Huangkuei，CHO Menghui，et al.Study on enlarging and reconstruction technology of existing tunnel［J］.Tunnel Construction，2011(S1):366 －372.(in Chinese))

［9］ 中華人民共和交通運輸部.JTG F60—2009 公路隧道施工技術規范［S］.北京:人民交通出版社，2009:14－15.

［10］ 關寶樹.隧道工程施工要點集［M］.北京:人民交通出版社，2003:1－17.