實例分析軟弱圍巖隧道施工中圍巖突變應急搶險措施及處理方案

湯兆奎（中鐵四局集團第五工程有限公司，江西省　九江市　332200）

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實例分析軟弱圍巖隧道施工中圍巖突變應急搶險措施及處理方案

湯兆奎（中鐵四局集團第五工程有限公司，江西省九江市332200）

本文通過南龍鐵路隧道施工中出現的實例介紹了軟弱圍巖隧道施工中出現的由于圍巖突變及地下水豐富造成的隧道涌水、涌泥、坍塌及支護變形等地質災害的原因分析，現場應急處理及后期洞內加固措施等技術控制重點，供參考。

軟弱圍巖；隧道；地質災害；應急處理；施工方案

1　工程概況

南龍鐵路主要以隧道施工為主，共有雙線鐵路隧道四座。施工的隧道區域的地質比較復雜，地層主要為粉砂巖與石英砂巖互層，節理裂隙較發育，巖質較軟，大部分為全風化～強風化的粉砂巖，巖體的完整性也比較差，圍巖的穩定性不好。隧址區屬于剝蝕低山地貌，溝谷發育，呈“V”型深切，地表水受大氣降水補給，旱季流量小，雨季流量增大數倍；隧道區地下水類型主要有松散巖類孔隙潛水、基巖裂隙水及構造裂隙水；由于山體切割強烈，溝谷縱橫，地下水水平方向徑流途徑較短，向低洼處排泄，水量多受大氣降雨影響大。

2　隧道突發涌水、涌泥案例分析

2.1隧道圍巖地質特點

某隧道洞身為石炭系下統林地組石英砂巖夾粉砂巖，局部夾粉砂質泥巖，褐黃色、灰白色、紫紅色，節理裂隙發育，巖體破碎～較破碎，主要以Ⅳ、Ⅴ級圍巖為主，其中Ⅲ級圍巖310m、占隧道長度的8.9%，Ⅳ級圍巖1500m、占隧道長度的42.9%，Ⅴ級圍巖1684m、占隧道長度的48.2%。區內發育5條斷層，分別與隧道相交于DK228+285、DK228+605、DK230+ 155、DK230+330、DK230+580處；地下水主要為基巖裂隙水，補給來源主要是大氣降水的入滲補給，隧道最大涌水量4767m3/d。

2.2某隧道出口掌子面DK230+950涌泥過程

2015年4月29日當隧道開挖至DK230+950，掌子面揭右側拱腳以上2m處出現大股狀水流，涌水量約1500m3/d，右側拱腰全風化粉砂質泥巖隨地下水涌出，形成環向3m，縱向2m，深2m的空腔，初期支護外空腔體積約5m3。

2015年4月30日早上8點30分，涌水量有所減少，10 點30分掌子面出水口涌出約60～70m3軟塑狀全風化粉砂質泥巖，主要集中在掌子面及臺車上；13點30分，出現第二次涌泥，涌泥量約200m3，涌出物為流塑狀的全風化粉砂質泥巖。隨地下水涌至仰拱處；17：00出現第三次涌泥，涌泥量約500m3，涌泥至掌子面后方二次襯砌臺車處，涌泥終止里程距掌子面揭右側拱腳以上2m處出現大股狀水流，涌水量約1500m3/d，右側拱腰全風化粉砂質泥巖隨地下水涌出，形成環向3m，縱向2m，深2m的空腔，初期支護外空腔體積約5m3，三次涌泥量約800m3。

2015年5月7日17：00、18：30、21：10、22：00又發生四次較大的涌泥，淤積物又涌至二次襯砌臺車處，涌泥至掌子面后方約60m，導致上臺階淤積物平均深度約1.0m，20m中臺階淤積物平均深度約2.5m，仰拱填充上平均深度約1m，涌泥量約990m3。

2015年5月8日13：00，洞內聽到一聲巨響，經過對地表查看后，發現線路前進方向的左側地表出現一倒漏斗形陷坑，陷坑縱向長度約20m、寬度約30m、面積約700m3，最深約8m，整個塌陷物約2500m3。

3　地質災害發生處工程地質情況及災害發生原因分析

DK230+950地表位于剝蝕低山與溝谷交匯處，地形起伏較大，自然坡度約為25°，軌頂標高為367.46m，地面標高為431.6m，埋深為64m；DK230+地表表層為第四系殘坡積粉質黏土，硬塑，灰黃色，厚約5m，表層含植物根系，下伏粉砂巖全風化，灰白色夾褐紅色，結構松散，厚度約45m，其下為強風化石英砂巖，灰白色、紫紅色，呈碎塊狀結構；目前掌子面兩側左右巖性風化不均為左側弱風化，粉砂質泥巖，紫紅色，巖體較完整，自穩定性較好，右側拱腰以下為全～強風化石英粉砂巖，結構松散，地下水發育，涌水量約2000m3/d；根據施工圖與現場調查，未發現斷層構造等。

龍巖地區連日暴雨，近一周天氣詳見表1。

表1　

通過對現場及地質、水文、天氣綜合因素分析，發生涌水、涌泥災害的原因如下：該處地表植被發育，土質結構松散，滲透系數較大，降雨導致地表水下滲透較強，巖土體含水量不斷增加，局部飽和，降低巖土體的粘聚力與內摩擦角，最終飽和巖土體從掌子面右側的薄弱帶擠出來，形成第一次涌泥，形成約縱向2m，深2m的空腔。降雨的持續與未及時回填空腔，在掌子面上方形成臨空面，這大大增大地表水下滲到洞內的風險，降低了掌子面上方巖土體的穩定性，不斷形成新的臨空面，經過斷斷續續的8次涌泥，最終在塌方延伸至地表，在地表形成倒漏斗形陷坑，陷坑縱向長約20m、寬約30m、面積約700m2，最深約8m，整個坍塌物約2500m3。

4　應急處理措施

應急處理措施需要保證洞內安全并且防止涌泥坍塌情況進一步惡化，應急措施必須迅速施作，否則將失去時機，造成更大的損失，同時制定應急措施時必須考慮到后續開挖施工方案，為后續開挖方案做好準備工作，應急處理措施按以下幾個步驟進行：

（1）立即啟動風險隧道預警機制，包括視頻監控、應急通訊、逃生救援設施等，24h派專職人員監測掌子面、地表情況，包括水量、水質、穩定性情況。

（2）加強洞內外水文監測，建立洞內涌水量、地表降雨量關系，以此指導洞內施工。

（3）為防止地表雨水流入陷坑，地表陷坑采用彩條布覆蓋，并設置安全警戒線，根據地形情況，陷坑周邊修筑截水溝，引排地表水。

（4）在地表陷坑基本穩定的情況下，平整陷坑底部及四周，對陷坑底部及側面采用10cm厚C25網噴混凝土封閉，φ8鋼筋網間距20×20cm。

（5）在掌子面水量不變、穩定的情況下，啟動洞內清淤工作，首先清淤至DK230+980附近，設置3m高、3m厚砂袋擋墻，穩定洞內淤積物；平整DK230+950～+980段淤積物，淤積物頂面采用5%水泥碎石土反壓回填，DK230+950～+960段回填至距拱頂以下1.5m處，DK230+960～+980段按從距拱頂以下1.5m處逐漸過渡至DK230+980處砂袋擋墻頂部。

（6）反壓回填完成后，在DK230+950掌子面處設置3m厚砂袋擋墻封堵出水口，在出水口附近預留3根φ200mm的排水管，引排出水口處的地下水，當地下水水量減少時，應采用鉆機掃孔，保證排水孔排水暢通。

（7）DK230+950掌子面封堵完成后，DK230+953～+960段掌子面及反壓回填頂面采用50cm厚C25網噴混凝土封閉，雙層φ8鋼筋網間距20×20cm，層間距30cm。

（8）利用50cm厚C25網噴混凝土封閉板，對掌子面及上臺階淤積物進行小導管注漿加固，φ42mm（壁厚3.5mm）小導管間距1m×1m，端部進入巖層1m，長約6m，注漿材料采用0.8：1水泥單液漿，淤積物孔隙率按20%考慮，基巖孔隙率按3%考慮。

（9）注漿加固完成后，在出水口水量不變、穩定的情況下，重新啟動洞內清淤工作，暫定清淤至DK230+955處設置2m 厚C20混凝土封堵墻，封堵墻底部設置兩排φ42mm（壁厚3.5mm）小導管，環向間距0.5m、排間距1m，長2m，埋人封堵墻內1m，以保證封堵墻穩定；接長預埋的排水管，封堵墻大里程拱部空隙采用M10水泥砂漿回填密實；封堵墻周邊預埋1m長的φ42mm（壁厚3.5mm）小導管，間距1m×1m，封堵墻施作完成后，利用小導管回填充填封堵墻周邊的空隙，防止漏水。

（10）掃描DK230+950～DK230+965段初期支護內凈空，為下步處理提供基礎資料。

（11）實施封堵墻后，掌子面后方15m范圍（DK230+957～DK230+972）設置臨時仰拱、豎向支撐、斜向支撐，確保掌子面后方已施作初期支護的穩定。

（12）掌子面后方DK230+957～DK230+972段拱墻采用5m徑向注漿加固，確保初支穩定，設計圍巖孔隙率按5%考慮。

（13）在掌子面封堵后，采用綜合超前地質預測預報手段查明掌子面前方工程、水文地質條件及塌腔與隧道的空間位置關系后，確定下步處理措施。

圖1　應急處理方案示意圖

5　后續施工方案

針對洞內涌泥、地表塌陷情況結合超前水平鉆對前方地質的綜合分析，該隧道工程的圍巖較以全風化砂巖為主并伴隨地下水涌出，掌子面前方土體經過地下水長期浸泡，已經完全失去穩定性，一旦開挖必然出現整體掌子面向外推出的情況，在后續開挖中必須要采取對土體加固+加強超前及洞內支護措施的思路進行，處理方案分兩步走：①地表加固處理；②洞內加強支護措施以及對侵限的初支進行換拱處理。

5.1地表加固處理

（1）對地表塌陷坑坑壁刷坡，將松散、剝落層清除至密實土層，掛網錨噴C25噴射混凝土，厚20cm。錨桿采用φ22mm砂漿錨桿，錨桿長4.5m，間距1.0m×1.0m，φ8鋼筋網，規格20×20cm。

（2）塌坑底部回填水泥改良土2～3m形成作業平臺，并采用40cm厚C20混凝土進行封閉。

（3）在DK230+975～DK230+915，長60m，隧道中線左側25m，右側20m范圍內打入φ108m×6mm鋼花管，間距1.0× 1.0m梅花型布置。壓水泥漿固結塌方松散體，使塌方松散體形成一定的自穩能力，防止塌方范圍進一步擴大，降低松散體對初期支護的荷載。

（4）地表注漿完成后，塌陷坑采用人工攤鋪回填至原地面標高。小型沖擊夯夯實，松鋪厚度30cm，分層攤鋪分層夯實。形成單面排水坡度。回填方量以實測方量計算。

（5）塌陷坑回填完成后采用1.0m厚粘土進行地表封閉，封閉范圍（縱向每側延伸15m，橫向每側延伸10m）：線路方向DK230+975～DK230+925，隧道中線左側25m，右側19m，封閉面積50m×44m。

5.2洞內加強措施

（1）初支侵限段處理措施：

①為保證掌子面后方安全，DK230+957～DK980段設置臨時仰拱、豎向支撐，臨時仰拱采用30cm厚C25噴射混凝土，內置I18型鋼鋼架、間距與正洞鋼架一致，縱向采用φ22mm鋼筋連接、間距1m。

②待DK230+957～DK230+980段臨時支護施作完成后，DK230+957～DK231+013段拱墻采用5m長φ42mm （壁厚3.5mm）小導管徑向注漿加固，環向間距0.8m×0.8m，注漿材料采用水灰比為0.8：1的普通水泥單液漿，注漿壓力位0.5MPa。

③對DK230+950～DK231+013段初支變形侵限的地方進行換拱處理，換拱前施做超前小導管對后方土體進行預支護。

（2）掌子面前方處理措施：

①掌子面前方實施上半斷面開挖輪廓線外5m周邊帷幕注漿預加固；注漿材料采用普通水泥單液漿、M10水泥砂漿，漿液配比為：水灰比W：C=0.6：1～1：1，注漿壓力2.0～3.0MPa，巖層孔隙率：5～15%，首先采用M10水泥砂漿回填較大空隙，后復注水泥單液漿充填細小空隙；注漿前，首先進行注漿試驗，掌握漿液填充率、漿液配合比、凝結時間、漿液擴散半徑、注漿終壓等參數，以便現場動態調整相關注漿參數，保證注漿質量。

②DK230+957～DK230+917段拱部 180°范圍設置φ159mm（壁厚6mm）超前長管棚注漿預支護，長40m，環向間距0.4m（中至中）；同時管棚間設置φ42mm（壁厚3.5mm）超前小導管加強支護，長4.5m，環向間距0.3m，縱向3m一環，兩環搭接長度不小于1.5m。充分利用超前長管棚及小導管對隧道開挖輪廓周邊松散土體進行補充注漿加固。

（3）支護結構加強

DK230+957～DK230+917段采用加強型復合式襯砌，初期支護為30cm厚C30噴射混凝土 （內嵌全環HW175鋼架、0.5m/榀，鋼架間縱向采用5cm×2cm鋼帶焊接，間距1m），雙層φ8鋼筋網間距為20×20cm，層間距22cm，開挖工法采用三臺階臨時仰拱法施工，二次襯砌為65cm厚C35鋼筋混凝土。

6　結束語

在軟弱圍巖的隧道施工中，出現圍巖突變是造成涌泥、坍塌、變形等事故的常見因素，即使采取再有效合理的處理手段，只要發生了事故都會造成一定程度的安全及經濟影響，因此對地質災害的預防是軟弱圍巖隧道施工的重中之重，采用合理有效的超前地質預報，如TSP、加深炮孔以及最直觀可靠的超前水平鉆，及時發現設計地質與實際開挖所揭示的地質條件不相符的情況，是隧道施工的安全前提。

一旦發生了圍巖突變造成的隧道坍塌、涌水等事故，作為施工管理者，必須在第一時間根據現場情況快速制定應急搶險措施，在保證施工安全的情況下對掌子面或者坍塌位置進行封堵，加固，引排地下水等措施，同時增加監控量測頻率，掌握地質動態，判定地質災害是否會持續加劇，必要時第一時間撤出所有人員以保證安全；在應急措施處理時要及時通知上級單位，業主、設計等到現場對事故發生原因進行分析，施工發生原因的合理判定是確定后續施工的重要因素，必要時要請相關的地質專家到現場進行分析。

2015年國家出臺或修訂了部分安全生產重要法規，加大了生產安全事故責任追究力度，作為施工生產管理者要履行更大的責任；軟弱圍巖隧道施工是施工管理中安全壓力最為巨大的施工項目之一，作為施工管理者，我們必須嚴格按照規范、設計進行施工，在出現險情的時候不可冒進，一定要在科學的指導下進行施工作業，確保施工安全萬無一失。

［1］鐵道部第二工程局.《鐵路工程施工技術手冊》（第2版）.中國鐵道出版社.

［2］鐵道部建設管理司.《鐵路建設工程安全生產管理》（第1版）.中國鐵道出版社.

［3］鐵道部第一勘測設計院.《鐵路工程地質手冊》（修訂版）.中國鐵道出版社.

湯兆奎（1975-），男，從事土木工程工作，擔任項目經理。

U456.1

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2095-2066（2016）11-0181-03

2016-3-8