高速鐵路隧道塌方處理技術探討

譚 恩 鋒

(中鐵隧道局集團有限公司杭州公司，浙江 杭州 310030)

據不完全統計，隧道塌方較大幾率出現在地質條件相對較差地段，如洞口段，洞內隧道穿越斷層及其破碎帶，或穿越薄層巖體的小曲皺、錯動發育地段，或穿越各種堆積體，或穿越弱、結構面發育有泥質充填物過多地段，或穿越地層覆蓋過薄并有偏壓地段，而水是造成塌方的重要原因之一，但本篇文章簡要介紹一個極其特殊的案例，在無上述任何條件下發生了極其嚴重的塌方。

1 工程概況

1.1 塌方及施工情況、塌方段洞身縱斷面及典型橫斷面

隧道處于浙江省麗水市境內，隧址區為低山丘陵區(Ⅲb)，地形起伏不平，坡度約30°～40°，相對高差約200 m。進口地勢較平緩，出口坡度大。進口段植被稀疏，洞身和出口段植被較發育，多為灌木。

2013年10月27日18:20左右，隧道進口DK71+715～DK71+725里程段發生塌方，塌方從隧道左拱腰至拱頂右側約2 m處塌落,深度左側約4 m,右側及拱頂約1 m；2013年10月28日8：30，DK71+700～DK71+735段發生第二次塌方，塌方加深至約6 m，12：00隧道向小里程全斷面塌落延伸約至40 m，加深至約10 m；2014年3月14日塌方向小里程延伸至DK71+683～DK71+740,最大深度約12 m,塌方最大斷面DK71+711.6，塌方量約155.46 m3，見圖1，圖2。

塌方發生時，隧道進口已開挖至DK71+740，開挖段初期支護已施工完成，隧道底板已施工至DK71+657。

1.2 工程地質及水文地質概況

原設計DK71+280～DK72+050段圍巖為侏羅系上統磨山群西山頭組J3x流紋質含角礫晶屑玻屑熔結凝灰巖，弱風化，地下水以基巖裂隙水為主，不發育，無侵蝕性。圍巖級別為Ⅱ級，采用Ⅱ級圍巖復合式襯砌，二次襯砌采用C35混凝土。

塌方段里程DK71+683～DK71+740，隧道最小埋深約185 m，塌方的圍巖為侏羅系上統磨山群西山頭組J3x流紋質含角礫晶屑玻屑熔結凝灰巖，弱風化，塌體多以巨塊或大塊為主，個別直徑超過4 m，層厚也多大于1 m。巖石塊體雖經塌落碰撞但多保持較完整的棱角，巖質較硬。地下水為基巖裂隙水，不發育，地下水無侵蝕性。

2 塌方原因

1)在塌方后的實地勘測中，可以發現在隧道拱部上方發育有兩組節理，一組水平節理和另外一組垂直節理，節理結構面光滑，局部夾有軟弱夾層，均為不利節理，兩組節理切割巖體，易引起拱頂坍塌、掉塊。通過現場勘察主要的塌方體均是沿著隱伏構造結構面塌落的，該地質災害在施工過程中很難預測。

2)在初步設計階段，受隧道地質鉆探條件的限制，不可避免的出現隧道掘進過程中新的地質變化，該地質條件的變化導致了原設計支護結構不能滿足新地質條件的支撐要求。

3)Ⅱ級圍巖設計僅要求進行地質素描，無其他地質超前預報措施，特別是在隧道的環向無任何超前預報措施，對于傳統的超前預報措施，主要是對掌子面進行超前預報，往往忽視沿隧道中線的徑向方向的預報，因此無法在施工過程中提前預防風險，進而核對修正設計參數。

4)掌子面爆破施工產生的地震波反復作用于節理面上，應力重分配無法完成，因此也無法形成穩定的自然拱，最終導致塌方。

5)施工人員經驗誤導，誤認為Ⅱ級圍巖即使毛洞子(即未進行噴漿，在浙江范圍內低等級公路應用較多)也不會有任何問題。

3 施工方案

塌方處理方案遵循“先防護，后處理，寧強勿弱、不留隱患，確保運營安全”的原則；

塌方處理過程按照“鞏固后方、鎖住口部、強支護處理塌方段”三個階段進行。并加強監控量測、確保施工安全，施工流程見圖3。

3.1 塌方影響段(DK71+612～DK71+683)處理方案

1)DK71+612～DK71+647段二次襯砌按照Ⅱ級圍巖進行加強，采用C35纖維混凝土進行加強處理，襯砌厚度為35 cm。

2)DK71+647～DK71+657段初期支護采用C25噴射混凝土，厚5 cm。拱部設置帶排氣裝置的注漿錨桿，長3.5 m，梅花形布置，間距1.2 m×1.2 m(環×縱)。邊墻設置φ22砂漿錨桿，長3.5 m，梅花形布置，間距1.2 m×1.2 m(環×縱)。二次襯砌按照Ⅱ級圍巖進行加強，采用C35纖維混凝土進行加強處理，襯砌厚度為35 cm。

3)DK71+657～DK71+673段采用Ⅰ20工字鋼鋼架臨時支護，間距1 m，共16榀。初期支護采用C25噴射混凝土，厚5 cm，拱部設置帶排氣裝置的注漿錨桿，長3.5 m，間距1.2 m×1.2 m(環×縱)。邊墻設置φ22砂漿錨桿，長3.5 m，間距1.2 m×1.2 m(環×縱)。二次襯砌拱墻采用C40鋼筋混凝土，厚40 cm，環向鋼筋φ22，間距20 cm，縱向鋼筋φ14，間距25 cm。底板采用C40鋼筋混凝土，厚30 cm～39 cm，環向鋼筋φ16，間距20 cm，縱向鋼筋φ14，間距20 cm。

在病險水庫除險加固與防汛搶險技術方面，引進了移動式液壓潛水泵、堤壩管涌快速搶護、水庫庫岸坍滑防治、數字防汛移動寬帶綜合業務平臺等用于病險水庫除險加固和防汛搶險的技術與設備，對我國防汛搶險由被動搶險向主動防御轉變等起到了積極的作用。其中，移動式液壓潛水軸流泵技術成果獲得湖北省省委省政府領導的高度評價，并在武漢市、廣州市、天津市等地的防汛搶險中取得了顯著成效。

4)DK71+673～DK71+677段采用Ⅰ20工字鋼鋼架臨時支護，間距0.5 m，共8榀。初期支護采用C25噴射混凝土，厚5 cm，拱部設置帶排氣裝置的注漿錨桿，長3.5 m，間距1.2 m×1.2 m(環×縱)。邊墻設置φ22砂漿錨桿，長3.5 m，間距1.2 m×1.2 m(環×縱)。二次襯砌拱墻采用C40鋼筋混凝土，厚40 cm，環向鋼筋φ22，間距20 cm，縱向鋼筋φ14，間距25 cm。底板采用C40鋼筋混凝土，厚30 cm～39 cm，環向鋼筋φ16，間距20 cm，縱向鋼筋φ14，間距20 cm。

5)DK71+677～DK71+683段采用Ⅰ20工字鋼鋼架臨時支護，間距0.5 m，共12榀。該段拱部及部分邊墻擴挖管棚工作室并施作導向墻，施工過程中逐榀拆除鋼架，擴挖和支護，并配合Ⅱ型小導管超前預支護。擴挖部分初期支護采用HW175型鋼鋼架，間距0.6 m，并噴射28 cm厚C30網噴纖維混凝土，鋼筋網采用φ8鋼筋，網格間距20 cm×20 cm，拱部設置帶排氣裝置的注漿錨桿，長4 m，間距1.2 m×1.2 m(環×縱)，邊墻設置φ22砂漿錨桿，長4 m，間距1.2 m×1.2 m(環×縱)。剩余邊墻初期支護噴射5 cm厚C30網噴纖維混凝土，并設置φ22砂漿錨桿，長4 m，間距1.2 m×1.2 m(環×縱)。二次襯砌拱墻采用C40鋼筋混凝土，厚40 cm，環向鋼筋φ22，間距20 cm，縱向鋼筋φ14，間距25 cm。底板采用C40鋼筋混凝土，厚30 cm～39 cm，環向鋼筋φ16，間距20 cm，縱向鋼筋φ14，間距20 cm。

3.2 塌方段(DK71+683～DK71+740)處理方案

1)從DK71+683處開始施作止漿墻，根據現場情況止漿墻采用C20模筑混凝土臺階法澆筑施工，每臺階高度約2.0 m，里程寬2.0 m，共5個臺階。臺階澆筑混凝土過程中，在混凝土表面設置間距0.5 m的Ⅰ20型臨時仰拱。并架設臨時鋼架，鋼架間距0.5 m一榀，臨時鋼架和臨時仰拱焊接牢固。臨時鋼架加固完后進行下一臺階的施工和鋼架施工，共施工13榀。止漿墻頂端在里程DK71+688處進行封堵。

2)通過止漿墻向塌體內注輕型發泡混凝土，回填至坍腔填滿。

3)利用DK71+683導向墻施作超前大管棚，管棚采用φ159大管棚，長58 m，管棚內套鋼筋籠。管棚施作完畢后進行坍塌部位開挖，開挖工法采用三臺階臨時仰拱法，開挖以弱爆破配合鎬頭機進行。初期支護采用HW175型鋼鋼架，間距50 cm，噴射28 cm厚C30網噴纖維混凝土，鋼筋網采用φ8鋼筋，網格間距20 cm×20 cm，邊墻設置φ22砂漿錨桿，長4 m，間距1.2 m×1.2 m(環×縱)。二次襯砌拱墻采用C40鋼筋混凝土，厚60 cm，環向鋼筋φ25，間距20 cm，縱向鋼筋φ16，間距25 cm。仰拱采用C40鋼筋混凝土，厚70 cm，環向鋼筋φ25，間距20 cm，縱向鋼筋φ16，間距25 cm。

3.3 塌方后段(DK71+740～DK71+766)處理方案

圍巖情況根據開挖后現場確定，超前支護采用Ⅱ型超前小導管。初期支護采用Ⅰ20a工字鋼鋼架，間距60 cm，噴射28 cm厚C30網噴纖維混凝土，鋼筋網采用φ6鋼筋，網格間距20 cm×20 cm，邊墻設置φ22砂漿錨桿，長4 m，間距1.2 m×1.2 m(環×縱)。二次襯砌拱墻采用C35鋼筋混凝土，厚45 cm，環向鋼筋φ22，間距20 cm，縱向鋼筋φ12，間距25 cm。仰拱采用C35鋼筋混凝土，厚55 cm，環向鋼筋φ22，間距20 cm，縱向鋼筋φ12，間距25 cm。

塌方體處理剖面圖見圖4。

4 監控量測

根據塌腔情況對塌方影響段進行加密測量，臨時鋼架拆除更換過程中，適當對拆除鋼架的臨近后方監測，對塌方內開挖按照Ⅴ級圍巖要求布設監控量測點，間距5 m一個，每斷面5個點。

1)量測頻率及變形管理等級。

量測頻率：由于塌方段特殊性，監測頻率為3次/d。

2)量測數據的處理與反饋。

及時對現場量測數據繪制時態曲線和空間關系曲線。

當位移—時間曲線趨于平緩時，進行數據處理、回歸分析，推算最終位移和掌握位移變化規律。

當位移—時間曲線出現反彎點時，表明圍巖和支護已呈不穩定狀態，此時增加量測頻率、密切監視圍巖動態，并停止施工，及時上報觀測成果，并請業主、設計、監理各方進行現場勘查確定方案。

隧道周邊任意點的相對位移值或回歸分析推算的總相對位移值均小于允許相對位移表所列數值。當位移速率無明顯下降，而此時實測位移值已接近表列數值，或噴層表面出現明顯裂縫時，立即采取補強措施，并調整支護設計參數。

5 結語

隧道塌方往往會給施工人員的生命和工程造成不可估量的損失，因此在施工過程中必須高度重視監控量測和超前地質預報工作，對施工過程中可能出現的局部地段圍巖破碎引起的失穩、塌方等都能及時預測。通過本案例，充分說明了即使是在Ⅱ級圍巖地段，也存在較大的塌方可能，因此在初步設計階段要盡可能的做好做細地質勘探，同時在施工階段，也必須做好環向超前預報(即沿隧道中線的徑向方向)，才可能確保施工安全。

[1] TB 10753—2010，高速鐵路隧道工程施工質量驗收標準[S].

[2] TB 10424—2010,鐵路混凝土工程施工質量驗收標準[S].

[3] 鐵建設[2010]241號,高速鐵路隧道工程施工技術指南[Z].

[4] 鐵建設[2008]105號,鐵路隧道超前地質預報技術指南[Z].