西成客運專線范家咀隧道塌方采用的綜合治理措施

江 海 燕， 楊 永 海

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 工程概述

西成客運專線XCZQ-5標的范家咀隧道位于陜西省洋縣長溪鄉境內的秦嶺南麓山前丘陵區，地勢東高西低，地形逐漸變緩，溝梁相間，沖溝發育，相對高差120～150 m，埋深6～140 m。隧道起訖里程DK182+556～DK184+312.2，全 長1 756.32 m，為雙線隧道。隧道出口段1 127.322 m位于R-9 000 m的曲線上，其余段落位于直線上；隧道內為3‰的單面上坡。整條隧道圍巖類別為Ⅲ～Ⅴ類，其中以Ⅳ、Ⅴ類圍巖居多，占80%，洞身巖性全部為云母石英片巖，節理裂隙較發育，基巖裂隙水廣泛分布于段內的節理、裂隙中，水量不大，對圬工不具侵蝕性。

2 坍塌情況及原因分析

2.1 坍塌情況的發生

范家咀隧道自2013年5月3日進洞施工以來，截止到2013年10月11日，進口段完成上斷面掘進支護至DK182+873(317 m)，仰拱施工至DK182+824(268 m)，二襯施工至DK182+788(232 m)。

2013年10月12日上午，DK182+873～DK182+876段采用鉆爆法按照兩臺階開挖工法施工，進尺為3 m，開挖尺寸為13.86 m×11.4 m，斷面面積132 m2，兩臺階施工斷面如圖1所示。

該段開挖爆破完成后，掌子面左側有一道寬約35 cm 左右的軟弱夾層，巖層產狀為NW85°，S，∠64°，圍巖破碎，拱部局部掉渣掉塊。在出渣完成后，及時組織作業人員進行了初噴封閉，厚度4 cm。初噴結束，隨即進行了φ22四肢格柵鋼架安裝，間距1 m。晚上20∶40，格柵鋼架及鎖腳錨管、鋼筋網片、錨桿施做完成，正準備進行復噴混凝土施工時，發現左側拱頂已初噴混凝土出現開裂，局部巖體第二次掉塊。為保證人員及設備安全，立即組織人員及設備撤到安全區域，掌子面暫停施工。隨后巖體自左向右呈傾斜狀坍出并逐步加劇，將已經安裝好的格柵鋼架砸壞，幾分鐘時間內即將隧道掌子面封實，估測拱頂塌腔高度在4～5 m之間，坍塌體方量約為560 m3。坍塌后的施工現場如圖2所示。

圖1 兩臺階法開挖施工斷面圖

2.2 原因分析

對于此次坍塌，經綜合分析后認為主要原因為隧道掌子面圍巖地質情況發生突然變化所致。DK182+818～DK182+938段原設計為Ⅲ類圍巖，采用Ⅲa型參數支護，按照兩臺階法施工；在對開挖后的掌子面進行觀察后發現：DK182+873到掌子面間圍巖為云母石英片巖，掌子面左側有一道寬約35 cm 左右的軟弱夾層，圍巖破碎，云母含量較高，巖質軟，節理裂隙發育，掌子面有輕微滲水，巖體自穩能力大大降低，原設計的支護參數已不能滿足施工要求。掌子面不良地質情況分布如圖3所示。

圖2 塌方體趨于穩定后的現場照片

圖3 掌子面不良地質情況分布位置圖

3 塌方處理采用的方法和技術措施

塌方處理的原則是首先保證未塌方段初期支護的安全和穩固，對圍巖進行加固，避免塌方擴大。根據此次塌方的情況和特點，將隧道塌方分為三段進行處理，即塌方部位后面的影響段(DK182+862～ DK182+873,計11 m)；塌方段(DK182+873～DK182+883，計10 m)；塌方部位前面的影響段(DK182+883～DK182+898，計15 m)。另外，在塌體洞頂地表處埋設測點進行監測，根據量測數據確定是否需要進行處理。

3.1 塌體洞頂地表處理方案

塌方發生后，立即安排測量人員在塌體洞頂地表按照縱向5 m、橫向3 m間距埋設測點進行監測，該段埋深在90～95 m之間，對埋設測點測得的數據進行了分析，累計最大下沉量為3.8 mm，地表穩定，無異常，故不需進行注漿處理。為防止地表水滲入，在塌方體地表周圍采用人工開挖一道排水溝的方式將地表水進行引排。

3.2 塌方部位后面的影響段處理方案

該段已按照原設計的Ⅲa襯砌類型完成錨噴網初期支護，支護參數為：拱墻噴射C25混凝土，厚12 cm；拱部設φ6.5鋼筋網，網格間距為25 cm×25 cm；拱部設φ25的中空錨桿，邊墻設φ22的砂漿錨桿，間距(環×縱)1.2 m×1.5 m，長3 m。

根據現場目測觀察，DK182+862～ DK182+873段拱墻受塌方影響，初期支護混凝土表面局部出現細小裂縫，共計5條，裂縫寬度3～8 mm不等；通過該段圍巖監控量測數據獲知，隧道拱頂下沉及水平收斂數據均無異常，經綜合分析后認為：DK182+873往洞口方向的初期支護基本穩定，只需對DK182+862 ～ DK182+873段上臺階采用套拱進行加固處理即可。

套拱在坍塌體表面采用噴射混凝土封閉及反壓石渣回填完成后進行施工，采用I22a型鋼制作，縱向間距0.8 m，鋼架間設φ22的縱向連接鋼筋，每榀鋼架采用φ42錨管在鋼架兩側交錯布置，環向間距1.2 m，長3 m。鋼架拱腳深入巖體形成大拱腳，同時在鋼架拱腳設四根φ42鎖腳錨管，單根長4 m。

3.3 洞內坍塌體處理方案

3.3.1 坍塌體封閉

在對坍塌體后面的影響部位進行處理之前，先對塌方體表面渣體采用C25噴射混凝土進行封閉，厚度為25 cm。

3.3.2 反壓回填石渣形成三臺階作業條件

在坍塌體表面噴射混凝土封閉完成后，從DK182+862處開始采用石渣回填中臺階直至塌體掌子面，以穩固塌體防其再次下滑，形成三臺階開挖的作業平臺。

1.3.2 樣品前處理 除去樹莓果實中的雜質，勻漿后烘干。準確稱量樹莓果實粗粉20.00 g，包入濾紙中放于提取器內，60℃下甲醇提取4 h后收集提取液。甲醇提取液在50℃以下真空蒸發回收溶劑后，甲醇提取物以1.00 g甲醇提取物加100 mL 10%甲醇的比例溶解，再以乙醚萃取3次(液比1∶3)，合并乙醚萃取液，蒸發溶劑得到紅棕色油狀浸膏1.00 g。

3.3.3 坍塌體的固結

考慮到此次坍塌體數量較多，拱頂壓力大，坍塌物均為松散的石英片巖，可壓縮性大，為確保施工安全，同時考慮到隨后采取的大管棚施工工藝，需要在反壓石渣回填完成后對松散的渣體進行注漿固結，以增強其整體性。

沿靠近掌子面第一榀鋼架布設φ42小導管，小導管長3.5 m，環向間距0.4 m，外插角30°～45°，在小導管內注1∶1水泥漿。因塌體體內巖石破碎，為確保注漿效果，采用分段前進式注漿，注漿分4次完成，注漿壓力為0.8 MPa。

3.3.4 大管棚施工

沿靠近掌子面第一榀鋼架外緣布設φ108大管棚，大管棚與之前施工的小導管錯開布置，管棚長15 m，環向間距0.4 m，外插角10°～15°(可適當調整)，拱部布設范圍不小于120°。考慮到管棚施做的難度，將15 m長的管棚分為兩期施工，第一次9 m，采用套管跟管成孔；第二次6 m，不跟管、直接鉆進成孔，相鄰之間搭接長度為2 m。大管棚布設情況如圖4所示。

圖4 大管棚安設示意圖

3.3.5 坍塌體開挖

大管棚施做完成后，采用三臺階七步開挖法進行坍塌體的開挖施工，具體施工方法如圖5、6所示。

(2)第二、三步。中臺階開挖2、3。應先開挖邊墻一側，再開挖邊墻的另一側，錯開2～3 m的距離，避免上臺階的初期支護在同一位置懸空。邊墻每循環開挖進尺不大于1 m。開挖、修整至設計輪廓后立即初噴4 cm厚混凝土，及時鋪設鋼筋網、架設鋼架，緊貼鋼架兩側拱腳按斜向下傾角45°打設鎖腳錨管，鎖腳錨管與鋼架采用U形鋼筋牢固焊接后噴射至設計厚度。

(3)第四、五步。下臺階開挖4、5，開挖方法同上述(2)中臺階開挖。

(4)第六步。開挖中部上、中、下臺階預留核心土6-1、6-2、6-3。

(5)第七步。仰拱開挖7。

圖5 三臺階七步法施工斷面圖

圖6 三臺階七步法施工縱斷面圖

3.3.6 拱頂回填

待塌方體段初期支護噴射混凝土達到設計強度后，委托黃河勘測規劃設計有限公司采用RIS地質雷達對該段拱頂塌腔部位進行了檢測，通過檢測數據獲知，拱頂最大脫空高度為3.8 m，塌腔體內采用C20泵送混凝土回填密實。

在拱部初支噴射混凝土時，按照3 m間距提前預埋φ200鋼管，同時埋設φ42鋼管作為排氣孔，排氣孔塌腔頂面距離依據泵送回填混凝土次數及每次泵送高度確定。泵送混凝土之前，先泵送0.5 m厚的水泥砂漿形成緩沖層，分兩次泵送混凝土，泵送高度受相應排氣孔控制，當相應排氣孔出漿時，表明已澆筑到相應高度。

3.4 塌方影響段處理方案

塌方體清除后，經過現場查勘并采用TSP法對前方的圍巖地質情況進行了探明，探測數據顯示，DK182+883～DK182+898段為塌方體的影響段，平均波速Vp=3 980 m/s，Vs=2 350 m/s，泊松比為0.29～0.31，動態楊氏模量為26～28 GPa，節理裂隙發育，圍巖破碎。為確保施工安全，采用加強支護的方式，將該段圍巖由原設計的Ⅲa變更為Vc，按照三臺階七步法進行開挖施工。

3.5 監控量測

為確保隧道施工安全，在開挖后12 h內按照4 m一個斷面埋設監控量測反光貼測點，每個量測斷面各布置一個拱頂下沉點和兩條凈空水平收斂測線，每隔4 h用徠卡TS06紅外線全站儀進行一次測量。測得的具體數據為：拱頂最大下沉值為30.3 mm，最大下沉速率為16.4 mm/d，水平收斂最大變化速率為11.2 mm/d。根據監控量測數據分析、判斷，施工中所采取的支護類型和支護參數是有效的，無需調整施工方法和支護參數。監控量測測點布設方式如圖7所示。

圖7 測點布設方式示意圖

4 經驗與教訓

本次塌方的整個處理過程為32 d，造成直接經濟損失42萬元。通過此事件，項目部各級管理人員充分認識到：在隧道開挖施工中，要隨時觀察圍巖變化情況，一旦出現異常情況，要及時將人員、設備撤離至安全地帶，避免造成人員傷亡；應高度重視超前地質預報資料，根據所揭示的圍巖穩定情況及時采取相應的支護方案，特別是在圍巖軟硬交替、有較大變化處更要小心謹慎，不可盲目追求施工進度而生硬采用既有的施工方法，施工現場在發現圍巖地質條件與設計情況不符、存在安全隱患的情況下，要及時與設計院等相關單位聯系，確定變更方案，確保施工安全。

參考文獻：

[1] 鐵路隧道工程施工安全技術規程，TB10304-2009[S].

作者簡介:江海燕(1980-)，女，陜西寶雞人，工程師，從事水電及鐵路工程施工技術與管理工作；

楊永海(1980-)，男，四川廣元人，項目總工程師，工程師，從事水電及鐵路工程施工技術與管理工作.