板巖地層超大斷面隧道塌方處理對策

許占良

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300142)

在鐵路隧道建設過程中，塌方是一種主要的施工災害，尤其在板巖地層中修建超大斷面隧道時，容易發生規模較大塌方，且處理困難，處理代價高。處理塌方一方面造成了經濟損失，另一方面嚴重影響隧道的建設工期。隧道塌方處理方案不當，也會產生后果嚴重的次生災害或給隧道未來的運營埋下隱患。結合某板巖地層超大斷面隧道塌方處理，分析了塌方原因，提出塌方處理的基本原則及處理方案，作為類似隧道工程塌方處理的參考。

1 隧道斷面情況

高標準鐵路隧道斷面需要考慮空氣動力學效應，其斷面設計一般較大，根據《高速鐵路設計規范(試行)》要求，設計行車速度目標值350 km/h時，雙線隧道凈空有效面積不小于100 m2［1］。圖1為隧道Ⅴ級圍巖復合式襯砌斷面，其開挖最大凈高度為14.9 m，開挖最大凈寬度12.6 m，開挖面積為152.4 m2。

2 隧道塌方情況

2.1 隧道概況

隧道進口里程DK17+400，出口里程DK23+025，隧道全長5 625 m，為單洞雙線隧道;隧道最大埋深341 m。隧道內縱坡為19.95‰的單面上坡。

2.2 工程地質與水文地質

圖1 Ⅴ級圍巖復合式襯砌斷面(單位:cm)

隧道范圍地層主要為第四系上更新統殘坡積層粉質黏土、粗角礫土、碎石土、塊石土;泥盆系中統泥質灰巖(D2s)、石英砂巖(D2d);奧陶系下統砂質板巖(O1q2)、泥板巖(O1q1);寒武系炭質板巖(含鈣);震旦系下統含礫砂質板巖;震旦系下統含礫砂質板巖(Z1c3)、含礫砂巖(Z1c3)、變質砂巖(Z1c3)、砂質板巖(Z1c2)、含礫砂質板巖(Z1c1)夾層狀石英砂巖。隧道圍巖分級統計見表1。

表1 圍巖分級統計

隧道段地質構造復雜，巖相變化較大。根據區域地質資料，并結合地質調查，隧道穿越斷層5條，其中2條為實測。隧道區整體表現為一平緩起伏的單斜構造。

隧道區內地表水主要為山間小溪及灌溉水渠，常年流水;地下水主要賦存于奧陶系、寒武系、震旦系基巖裂隙中，根據地下水賦存條件，可分為:第四系松散巖類孔隙潛水、碳酸鹽巖類裂隙巖溶水、基巖裂隙水、斷裂構造帶中的構造裂隙水。

結合隧址區地層巖性、地質構造、水文地質條件，隧道最大涌水量為32 021 m3/d，隧道正常涌水量為6 198.3 m3/d。

2.3 塌方過程

該隧道塌方前掌子面里程為DK17+999，下臺階里程DK17+964，仰拱里程DK17+945，拱墻二襯里程DK17+916。起初出現拱頂局部塌方，繼而塌方不斷擴大，導致掌子面至二次襯砌端頭83 m已完成的初期支護全部坍塌，端頭襯砌裂損嚴重，襯砌臺車損壞。

2.4 塌方規模

根據塌方后地質補勘結果資料，DK17+916～DK17+999塌方段，塌腔頂板最大高程340.0 m，距地表32.2 m，距洞頂79.7 m，估計塌方總量約7.5萬m3，塌方體情況如圖2所示。

圖2 塌方體橫斷面(單位:m)

2.5 塌方前的監控量測

對隧道DK17+930.4斷面塌方前監控量測數據統計，根據該數據分析，無論累計值及日均值均在規范允許范圍內，并未發現較大變形。

3 塌方原因分析

從地質情況來看，隧道塌方段地層為古老的奧陶系淺變質砂質板巖，局部發育隱性構造節理密集帶，巖體雖呈層狀外觀，但內部結構已被強烈切割過，隧道開挖擾動后，極易形成以層面為主導的不穩定體，當局部出現圍巖失穩破壞后，造成在較長地段發生牽引型連續坍塌。

從外界影響因素來看，隧道塌方前，該地區連續3個月降雨，基巖裂隙水下滲量加大，軟化圍巖及降低結構面強度，加大圍巖容重，是塌方的一個重要誘發因素。

施工過程中，超前地質預報和施工開挖均沒有發現隱伏節理帶這種特殊地質現象，在施工過程中的監控量測數據也未發現較大的變形。由于對隱伏節理密集帶、硬質巖體脆性、變形突變等特性認識不足，未能對監控量測數據的變化趨勢引起足夠的重視，導致指導施工的監控量測措施未能有效指導施工，延誤了采取應急措施的時機，是本次塌方的主觀因素。

4 塌方處理對策

4.1 塌方處理基本原則

4.1.1 采取先超前注漿固結松散體后開挖的原則

為保證施工安全，采用對隧道開挖輪廓內及開挖輪廓外一定范圍內的松散體采取超前注漿固結及加固，后開挖塌體的處理原則，以確保開挖過程中掌子面穩定及支護措施的順利實施。松散體注漿加固范圍不小于開挖輪廓外6～8 m，隧道開挖輪廓內松散體全斷面注漿固結，以保證隧道開挖安全及運營期間的安全。

4.1.2 注漿方式確定原則

為保證注漿的順利實施及注漿過程的安全可控，注漿采用前進式注漿及后退式注漿相結合的方式，前進式注漿用于輔助成孔，后退式注漿用于松散體注漿固結及加固。注漿漿液采用雙液漿及單液漿相結合的方式，前進式注漿時采用雙液漿，后退式注漿采用單液漿。通過超前注漿，逐段固結松散體，以確保注漿固結及加固能順利實施。

4.1.3 處理工作面選擇

根據補勘成果資料，塌方段為DK17+916～DK17+999，塌方總量超過7.5萬m3，塌方規模巨大，預計單向施工處理時間超過6個月，因此選擇考慮2個工區進行塌方處理，即1號斜井工區及進口工區同時進行塌方處理施工。

4.1.4 鉆孔及注漿機械選擇

順利處理隧道塌方段，超前對松散體注漿固結及加固是最重要環節，因此需要選擇合適的鉆孔及注漿機械，根據類似工程經驗及結合施工單位經驗，選用RPD-180旋轉沖擊式鉆機，并結合使用雙液漿及單液漿，以實現對塌體的鉆孔及注漿。

4.2 塌方處理主要方案

4.2.1 超前注漿整體段落劃分

塌方前，隧道上臺階掌子面里程DK17+999，下臺階掌子面里程DK17+964。對DK17+916～DK17+964，采取隧道內塌體及開挖輪廓外分別進行全斷面超前注漿加固及固結的措施;對DK17+964～DK17+999，采取對隧道內上臺階塌體及開挖輪廓外分別進行全斷面超前注漿加固及固結的措施。

4.2.2 超前注漿循環段落劃分

塌方處理段超前注漿起訖里程為DK17+916～DK19+999，注漿段落總長83 m。該塌方段落總共劃分為4個注漿循環。即每一注漿循環長度25 m，注漿巖盤厚度3.0 m，有效開挖長度22 m。

第一循環設置止漿墻，止漿墻設置位置及參數如下:

DK17+914～DK17+916段設置第一循環止漿墻，厚度2.0 m，采用C20混凝土灌注，兼做超前長管棚導向墻。

第二、三、四循環設置止漿巖盤，止漿巖盤設置位置及參數如下:

利用注漿塌體作為止漿巖盤，DK17+936～DK17+939、DK17+958 ～ DK17+961、DK17+980 ～ DK17+983段分別設置為第二、三、四循環設置止漿巖盤，止漿巖盤厚度為3 m，開始注漿前對上臺階掌子面進行噴錨防護，具體參數為:噴射15 cm厚C30混凝土，φ10 mm鋼筋網，網格間距25 cm×25 cm，錨桿φ22 mm砂漿錨桿，長度5.0 m。

4.2.3 超前注漿參數

(1)注漿孔均布置于上臺階，每循環布孔47個。

(2)注漿開孔直徑110 mm，長度為3 m，設置φ108 mm壁厚5 mm孔口管;孔洞剩余部分鉆孔直徑均為91 mm。

(3)注漿范圍為隧道開挖輪廓外8 m。

(4)注漿漿液為水泥水玻璃雙液漿及水泥漿結合;輔助成孔時采用雙液漿，超前注漿加固及固結時采用單液漿。

雙液漿:32.5級普通硅酸鹽水泥，水玻璃40 Be';水泥漿水灰比=0.8～1∶1;水泥漿∶水玻璃漿液=1∶0.8。

水泥漿:32.5級普通硅酸鹽水泥，水泥漿水灰比=0.8～1∶1。

(5)單孔有效擴散半徑3.0 m。

(6)隧道開挖輪廓內地層注漿壓力0.5～1.0 MPa;隧道開挖輪廓外地層注漿壓力0.5～1.5 MPa。

4.2.4 注漿控制標準

(1)單孔結束標準

①注漿壓力逐步升高至設計終壓，并穩定10 min;

②注漿量不小于設計注漿量的80%;

③進漿速度為開始進漿速度的1/4。

(2)全段結束標準

①所有注漿孔均已復核單孔結束條件，無漏注現象;

②漿液有效注入范圍大于設計值。

(3)隧道開挖輪廓外注漿后效果檢查

①鉆孔檢查法:按總注漿孔的5% ～10%設置檢查孔，檢查孔應在均布的原則下，結合注漿資料的分析布設;檢查孔應無涌泥、涌砂，不塌孔，滲水量應小于0.2 L/(min·m)或小于設計涌水量，否則應予補注;

②鉆孔取芯法:通過鉆孔取芯觀察地層的注漿加固效果;

③壓水試驗法:對檢查孔進行壓水試驗，當吸水量大于1 L/(min·m)時，必須進行補充注漿。

(4)隧道開挖輪廓內注漿后效果檢查臺階法開挖時，掌子面能夠自穩。

4.2.5 超前支護措施

超前支護采用超前長管棚及間隔超前小導管聯合支護方案，具體參數如下。

(1)超前長管棚

管棚長度:30 m，縱向一般每22 m一環。

管棚全部采用鋼花管，鋼花管規格:熱軋無縫鋼管，外徑108 mm，壁厚5 mm。每節鋼花管兩端均預加工成外絲扣，以便連接接頭鋼管。

管距:管棚環向設置間距按30 cm布置。

傾角:外插角7°～9°，推薦一般情況下采用8°。

注漿材料采用水泥漿液，水泥漿液水灰比1∶1(質量比)或根據現場確定;

注漿壓力:0.5～1.0 MPa或根據現場確定。

(2)超前小導管

超前導管規格:熱軋無縫鋼花管，外徑42 mm，壁厚3.5 mm。

小導管環向間距為30c m。

傾角:外插角以10°～15°為宜，可根據實際情況作適當調整。

注漿材料為水泥漿液，水泥漿液水灰比1∶1(質量比)或根據現場確定;

注漿壓力:0.5～1.0 MPa或根據現場確定。

小導管采用φ42 mm無縫熱軋鋼管制成，在前部鉆注漿孔，孔徑6～8 mm，孔間距15 cm，呈梅花形布置，前端加工成錐形，尾部長度不小于30 cm，作為不鉆孔的止漿段。

4.2.6 襯砌支護參數

隧道塌方段襯砌采用加強復合式襯砌，為提高鋼架的縱向剛度，鋼架間連接筋采用φ20 mm鋼筋，布置型式為V型。復合式襯砌具體參數見表2。

表2 加強復合式襯砌參數

4.2.7 隧道排水加強措施

隧道穿越塌體地段，采用每排水單元增加2道φ50 mm環向透水盲溝措施，加快排除襯砌背后的集水。避免襯砌背后出現積水，而惡化圍巖條件。

4.2.8 施工方法

采用三臺階臨時仰拱并增設臨時豎撐法施工。為滿足管棚施工條件，在加強初支等安全措施的保證下，局部工法可適當調整。

4.3 塌方處理主要步驟

根據大型塌方處理的主要設計思路，塌方處理的主要施工步驟如下:

(1)施做DK17+914～+916段超前注漿操作平臺;

(2)施做DK17+914～+916段第一循環超前注漿止漿墻;

(3)施做第一循環超前注漿，加固及固結塌體;

(4)施做超前長管棚;

(5)塌體開挖;

(6)塌方段防排水系統及二次襯砌施做;

(7)施做下一循環超前注漿及超前長管棚;(8)繼續開挖及襯砌。

4.4 塌方處理效果

該隧道在采取上述處理方案后，開挖及支護體系施做順利，從掌子面看，注漿達到預期效果，從后期監控量測數據來看，累計最大沉降量不大于10 mm，塌方段安全、順利通過。

5 結論

超大斷面隧道較大規模塌方處理極為困難，同時存在極高的施工風險。因此，尋求合理的的處置方案，才能夠降低施工風險、減少工程投資增加及確保施工質量、施工工期。通過本次大型塌方處理，得出以下幾點結論。

(1)隧道內塌體開挖前，應先行對塌體進行超前全斷面注漿加固處理，以保證開挖過程中掌子面的穩定和支護體系的順利實施。

(2)超前注漿漿液和注漿方式的選擇，應以保證在塌方段落松散體內順利成孔和實現設計注漿效果為前提。

(3)對于隧道大型塌方，注漿加固范圍應足夠，以確保加固后的塌體圍巖具備相應的圍巖抗力系數。

(4)合理選擇注漿鉆孔機械，是處理大型塌方的關鍵。

(5)板巖地層隧道施工時，施工過程中，對監控量測預警指標應有更加嚴格的標準，并與非板巖段落分開進行管理與指導施工。

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