淺埋隧道軟弱圍巖坍塌處理技術研究

張文慧

摘要： 因地質條件復雜多變，導致隧道施工時塌方事件多有發生，不僅嚴重影響了施工質量、安全及經濟效益，也對工期造成拖延。本文詳細描述了白草坡隧道塌方原因的分析及相應的處理措施，以期為其他進行隧道施工的工程技術人員帶來處理隧道塌方問題的思路。

Abstract： Due to the complicated and changeable geological conditions， landslides occurred during tunnel construction， which not only seriously affected the construction quality， safety and economic efficiency， but also delayed the construction period. This paper describes in detail the analysis of the reasons for the collapse of the Baicaopo tunnel and the corresponding treatment measures， in order to bring the idea of dealing with the tunnel collapse problem to other engineering and technical personnel who carry out the tunnel construction.

關鍵詞： 鐵路隧道；塌方；原因研究；處理措施；施工

Key words： railway tunnel；landslide；reason research；treatment measures；construction

中圖分類號：U455.4 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）19-0128-03

0 引言

由于現在鐵路向著高速方面發展，為滿足高速線路曲線半徑的要求，更多的地段將以隧道通過，設計在地質不良地段的隧道也越來越多，意味著隧道施工時常會遇到圍巖軟弱、淺埋破碎段等復雜多變的不良地質情況，但由于地質勘察、設計、施工等諸方面的原因，隧道施工時出現塌方甚至是不可避免的。所以，準確分析及研究隧道塌方的具體原因，對隧道塌方采取針對性地處理作為一門隧道施工技術需經常被用到，從現實意義上講，塌方處理是從事隧道施工的工程技術人員必須掌握的隧道施工技術。

1 工程概況

新建太原至焦作鐵路山西段站前工程TJZQ-5標段白草坡隧道起點里程為DK123+820，終點里程為DK125+765，隧道全長1945m。隧址位于山西省長治市武鄉縣，屬太岳山南側中低山丘陵區，黃土臺塬，溝谷發育，地勢起伏較大。海拔約950～1200m，相對高差50～200m。

沿線主要地層為上覆第四系上更新統坡洪積層新黃土；第四系中更新統坡洪積層老黃土；第三系上新統黏土、粉質黏土、粉砂、粉質黏土膠結層及砂半膠結層；下伏三疊系中統二馬營組第二亞組砂巖、泥質砂巖及泥巖；沖溝內局部為第四系全新統沖洪積層新黃土。

因受構造運動的影響，節理裂隙發育，巖體完整性差。

白草坡隧道為鐵路雙線隧道，采取雙口掘進，新奧法爆破施工，無軌運輸方式。

2 隧道施工期間坍塌情況

2017年7月18日，白草坡隧道出口掘進掌子面達到里程DK125+485處，當日上午約9：00，正在架立緊鄰掌子面的工字鋼拱架，圍巖變形監測發現DK125+505、DK125+510斷面拱頂下沉變形值出現異常變大的情形。于是加強了監控量測頻率。監測表明隧道拱頂下沉持續、快速的增大，至上午12：25時，拱頂下沉最大值達到32.3mm，同時發現DK125+498～+516工字鋼拱架出現嚴重變形，該段拱腰以上初期支護出多條縱向、橫向裂紋。因情況危急，所有施工人員及機具撒離50m以外，現場僅留現場施工技術負責人及監控量測人員進行監測。

工字鋼拱架變形及裂縫持續增大，至下午15：18時隧道頂部開始出現塌方掉塊，至19：40左右，塌方趨于穩定。組織人員進行了現場調查，大致確認出現塌方的里程為DK125+502～+517，塌方出現的空腔最高處約為11.5m，塌方量約為1900m3。

該段隧道地面處為沖溝，隧道埋深約為23m，經勘測，隧道處地表沒有產生明顯下沉，也沒有出現地表裂縫。

3 分析隧道產生塌方的原因

3.1 水對隧道圍巖穩定的影響

該段隧道地表為沖溝，通常無長年流水，但施工時正值7月，為武鄉縣當地多降雨時節，塌方前已連續降雨（中雨）多日，沖溝出現季節性地表流水。

地質勘測資料表明，此段隧道圍巖為Ⅴ級，圍巖節理裂隙發育，破碎。推測地表水由破碎圍巖下滲，使得隧道圍巖含水量增高，從塌方體泥碴含水量非常高可證明上述推測的合理性。滲水對圍巖起到嚴重的軟化作用，降低了巖體間的粘連性，破壞了圍巖的整體性，故地滲入的地表水的作用是隧道塌方的主要因素之一。

3.2 地質構造因素

且該段隧道為淺埋段，隧道頂上覆土層厚度僅為25m，未達到普氏理論的自穩平衡拱的埋深，故其圍巖本身就缺乏穩定所必需的覆土厚度條件。

本段隧道圍巖主要由砂巖、泥質砂巖及泥巖構成，沖溝內局部為第四系全新統沖洪積層新黃土。因受構造運動的影響，隧道圍巖節理裂隙發育，巖體完整性差，為軟弱圍巖，雖然按常規的Ⅴ級圍巖進行初支方案的設計，但在滲水及其它復雜因素的影響下，隧道出現塌方。

3.3 地質勘測、設計及施工原因

①由于受到地質勘測手段有限的制約及地質勘測孔位密度不足。幾乎不可能對地質情況進行完全正確無誤的鑒定與評估，故使用地質勘察資料的設計人員也不可能就隧道存在的安全風險進行合面的判定，從而設計出完善適宜的初支方案以避免隧道坍塌。

②隧道掘進過程中，雖然該段地質情況與設計地質勘察資料所述要差很多，但現場施工人員卻未能將實際情況及時反饋予設計人員。使得施工管理違背了按實際圍巖地質情況進行動態設計的原則，從而沒能及時采取針對性的加強防護措施，導致初期支護強度不足，最終導致隧道圍巖失穩塌方。

③現場施工調查發現，因圍巖破碎軟弱，工字鋼拱架的拱腳不能支撐在穩定牢固的巖石上，但施工人員卻沒有采用加強措施；塌方地段初支噴射混凝土部分地段厚度不足；圍巖破碎軟弱的該段隧道，施工時沒有實行“襯砌緊跟”的基本原則（襯砌滯后塌方段達360m），使得圍巖的變形沒能得到及時及強有力的約束。

故以上諸多客觀和主動因素導致了本隧道塌方。

4 塌方施工處理

隧道塌方后需采取措施及時迅速的處理，但也不可急燥冒進。更不可曠日拖延，貽誤戰機。處理前，詳細勘察了塌方涉及的范圍、形狀、塌方處的地質構造。分析了解塌方發生具體的原因和地下水活動情況，制定針對性的有效處理方案，抓住時機，備足人力物力，按施工方案投入施工。

本項目部組織了有設計、監理及建設單位人員參與的塌方調查及處理小組。綜合分析了本隧道塌方的原因，結合了現場實際情況、施工條件、現有機具及材料情況，制定了如下處理措施。

4.1 截排地表水及圍巖加固

①塌方出現后，項目部立即組織人員進行截排地表水的處理，以防塌方進一步擴大。將地表的坑洞用黃土填筑并夯實、整平，同時做成向外的排水斜坡，以排出積水，并噴射10cm混凝土進行地表封閉。對于出現的臨時流水河床，則采用彩條布墊鋪在河床上。以上措施有效地截排了地表水。

②采取注漿的技術措施對塌方段上覆土體進行加固，通過向破碎圍巖中壓入漿液，漿液凝固后的膠體將分散的圍巖膠結成密實的整體，不僅提高了圍巖的自穩能力，同時增強了圍巖的抗滲能力。本項目的注漿寬度為18m，注漿里程為DK125+480～+525，長度為45m，注漿高度范圍為拱頂以上10m至拱底，注漿加固范圍如圖1所示。注漿管為？準42mm鋼花管，在注漿范圍內按間距為1.3m，呈梅花形布孔。采用凈水泥漿壓注，壓注壓力為1.0～1.2MPa。

4.2 對塌方體的臨時加固

19日上午，隧道塌方已穩定且經評估無安全風險后，在塌方體前填筑土體，對塌方體形成反壓，以加強塌方體的穩定性，避免塌方擴大。完成反壓土體填筑后，在塌方體表面噴射厚10cm的C20混凝土進行表面封閉。

表面封閉混凝土達到一定強度后，設置了5根？準42mm鋼花管對塌方體注漿加固，注入1∶1的水泥凈漿，注漿壓力按0.8～1.0MPa控制。

4.3 受塌方影響的大里程段加固措施

大里程方向的DK125+517～+537為受塌方影響的隧道段，因此段受塌方的擾動，其圍巖和初支的穩定及安全性受到一定程度的不利影響，此段產生塌方的風險極高。為了避免塌方的擴大，根據受影響的程度不同，而采取不同的加固處理措施。

其中DK125+527～+537設置小導管注漿加固。通過小導管注漿加固，增強圍巖自穩能力，避免塌方的擴大。小導管注漿為兩側拱墻及拱頂，小導管長度為5m，直徑為？準42mm，縱橫向間距為1.5m梅花形布孔，垂直于隧道。小導管的外端焊接在工字鋼拱架上。注入1∶1的水泥凈漿，注漿壓力按0.8～1.0MPa控制。

DK125+517～+527段加固處理，將此段受影響變形超限的工字鋼鑿除換拱，采用I22a工字鋼拱架，間距加密至60cm，重新進行錨噴，也設置與DK125+527～+537段相同的小導管注漿加固。

4.4 空腔壁處理

地表壓漿及受影響段小導管壓漿等措施施工完成后，清理部分塌方體，出露塌方空腔。對塌方空腔進行了評估，無再塌方的安全風險后人工進行空腔內，用鋼管在空腔內搭設滿堂支架作業平臺，鋼管頂端頂緊空腔的巖體，起到支撐圍巖穩定性的作用。同時在支架頂部安設鋼筋網，以防松散石塊下掉砸人。

腳手架平臺施工完成后，對空腔巖面進行錨噴防護。采用長度為4m的？準22mm砂漿錨桿，按間距為2.5m，呈梅花形排列。噴射混凝土的厚度為10cm。

完成空腔的錨噴防護，完全解除空腔塌方掉塊的安全隱患后，清除塌方的巖土及變形破壞的工字鋼拱架。隨后在塌方處架立間距為50cm I20工字鋼拱架，每側鋼拱架拱腳處設兩根長5m的Φ42mm鎖腳鋼管。鋼拱架設立環向Φ22mm縱向鋼筋連接，間距為100cm。

拱架外側設置外掛木模，并要預先埋設空腔壓入混凝土及砂漿的壓漿管（Φ18cm）及最高處的排氣管（Φ5cm）。全環鋪掛Φ8mm的20×20cm鋼筋網，然后噴射C20混凝土。

待噴射的混凝土達到強度后，由預埋壓漿管壓入C15混凝土，壓入混凝土要使拱頂處厚度厚超過100cm。壓入的混凝土相當于形成保護隧道的護拱，隨后再壓入M5砂漿，把剩余塌方空腔全部填滿。隧道塌方綜合處理見圖2。

隧道塌方空腔處理后，采用三臺階預留核心土法掘進施工，受塌方的影響的小里程隧道段加固與相應大里程段相同。

5 后續掘進的超前預報

為避免塌方事故的再發生，提前采取應對措施，白草坡隧道隨后的施工時采取了超前地質探測與預報，以減少不良地質給隧道施工帶來的不良影響，使施工方案和技術 措施更科學、更合理。本隧道的地質預報工作遵循“安全優質、高效、低耗”的宗旨，結合施工實際和地質復雜程度及本公司現有儀器及設備情況，施工中主要采用水平鉆孔法進行超前探測，鉆孔深度以30m為限。從鉆進的時間、速度、壓力、沖洗液的顏色、成份以及卡鉆、跳鉆等和巖性、構造性質及地下水等情況掌握隧道前方地質條件。沒出現異常情況時，按正常程序施工。出現異常時參照設計給出的隧道地質條件說明資料，認真分析隧道的地質斷面圖、平面圖及根據地質超前預報結果，掌握隧道的地質特點和水文特點，宏觀預報隧道可能出不良地質情況，從而采取相應的處理措施。

由于超前鉆孔法能最直接的揭示了掌子面前方的地質特征，準確率很高，確保了白草坡隧道后續的順利施工。

6 結束語

本隧道塌方處理方案充分利用了隧道平常施工所用的材料設備及施工技術，而不是專門或特殊的設備及技術，便于搶險方案的快速實施，且塌方處理方案能夠在最大限度地保障了施工人員的人身安全，體現了以人為本的生產管理方針。

“凡事預則立，不預則廢”，此次塌方事件出現后，項目部組織有關人員認真研究了后續未掘進段的地質、設計文件，周密地對現場地質進行調查研究，認為該隧道還存在塌方的較高風險。為此，項目部制定了可能出現不同規模和不同情況的塌方的處理預案。如果再發生塌方事故，能迅速現場定案，現場下達任務，明確要求事項，快速完成處理，以取得最好的經濟及社會效益。在隨后的施工中，因圍巖極差，還發生過一次掌子面塌方的情況，根據預案中的處理辦法，及時有效地進行了處理。因此，我們認為今后進行隧道施工時，預案的準備是十分必要的，建議工程技術人員做好各種情況下的預案準備。

參考文獻：

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