大跨分離式隧道施工坍塌原因淺析及處治研究

何 信

(山西省交通科學研究院，山西 太原 030006)

0 引言

近幾年公路隧道和其他地下工程不斷發展，但是高速公路隧道的斷面較大，失跨比較大，為保證施工的質量和安全對分離式隧道的設計、施工方面的相關研究就顯的尤為重要。在過去的幾十年里，在高速公路隧道建設方面的研究積累了豐富的經驗，新奧法設計與施工技術、圍巖動態分析技術、中隔壁法、雙側壁導坑超前法、TBM法等技術在工程中得到廣泛的應用[1]。本文針對霍永高速公路東段耿家莊隧道K15+135里程段施工中掌子面和初支斷面發生坍塌，從襯砌支護和施工工序上進行分析研究，針對坍塌段提出了相應的處理措施，希望對以后類似隧道工程狀況能夠提供一些經驗。

1 隧道情況

1.1 耿家莊隧道概況

耿家莊隧道隧址區位于霍州市白龍鎮陳家莊村，設計為左右線分離式，設計速度為80 km/h，右線進、出口段里程樁號為K14+911～K15+831，洞體全長920 m；左線進、出口段里程樁號為ZK14+898～ZK15+865，洞體全長967 m。隧址區地形起伏明顯，標高介于684.445 m～782.188 m之間，地貌單元屬剝蝕侵蝕低山區；地層主要由二疊系山西組、砂巖、頁巖、泥巖、灰巖及第四系黃土組成，由于剝蝕作用表現為梁狀，沖溝發育，河谷斷面呈“V”型或“U”型。

1.2 塌方概況

耿家莊隧道右線掌子面K15+135出渣時掌子面突然發生失穩，隧道拱頂上方圍巖出現大塌方，塌方體圍巖堆積至K15+082里程處，塌方體總長約53 m，K15+082～K15+135塌方段圍巖埋深為53 m～58 m，這給救援和塌方處治帶來很大難度。

1.3 施工情況

耿家莊隧道根據地質勘查提供的資料，本隧道開挖采用光面爆破，這種工法能夠減輕對隧道洞體圍巖的擾動，嚴格控制超挖和欠挖[2]，開挖過程中對輪廓線采用風鎬進行整修。

塌方發生前，左洞二次襯砌施工至ZK15+048.6，左洞仰拱施工至ZK15+109，左洞仰拱距二襯60.4 m，左洞上導坑施工至ZK15+138，左洞掌子面距仰拱29 m，左洞掌子面地質情況為砂巖；右洞二次襯砌施工至K15+043.8，右洞仰拱施工至K15+106，右洞仰拱距二襯62.2 m，右洞上導坑施工至K15+135，右洞掌子面距仰拱29 m，右洞掌子面情況為上半斷面為黃土，下半斷面為風化砂巖。現場坍塌情況見圖1，圖2。

2 耿家莊隧道右線掌子面坍塌原因分析

2.1 地質條件

K15+044～K15+295段(ZK15+044～ZK15+295段)圍巖以二疊系山西組強風化褐黃色砂巖為主，局部有薄層煤線，圍巖巖體較完整，巖體結構面不太發育，結合一般，層狀構造，Kv=0.55；RQD=65%，最大埋深73.0 m(73.4 m)，水文地質類型為基巖裂隙水。[BQ]=250～265，圍巖級別為Ⅳ3級，易產生小型塌方冒頂。

目前施工的右線K15+064～K15+136段、左線ZK15+054～ZK15+126段，隧道右線最大埋深在58 m，隧道左線最大埋深在67 m，在施工過程中(塌方段K15+082～K15+135)，根據掌子面開挖情況隧道上半斷面為黃土，下半斷面為風化砂巖，按Ⅴ級深埋支護設計進行施工。由于此段隧址區處于土石交界處，開挖過程中極易發生圍巖的滑移，導致洞體圍巖的坍塌。

2.2 圍巖及襯砌結構應力重分布

隧道圍巖在開挖后原有的平衡狀態就被打破，開挖后隧道洞體圍巖又進行了重新的分布，應力重分布的過程中圍巖也在不斷的向洞內產生徑向位移，其中拱頂處的徑向變形最大，隨著核心土和仰拱處圍巖的開挖，拱頂處圍巖的變形將繼續加大，最終導致拱頂及拱腰處的圍巖發生塌落以及地表產生裂縫。

2.3 施工工法影響

耿家莊隧道采用上下導坑環形開挖、預留核心土法循環掘進，本段隧道襯砌支護參數如表1所示，現場施工過程中由于每個施工工序之間的銜接不夠緊密，隧道洞室上部襯砌支護結構和下部襯砌支護結構錯開的間距較大，由于仰拱沒有及時閉合成環，襯砌結構沒有發揮出其最大的支護作用，在工序銜接的過程中就加大了支護結構的收斂和下沉變形；在鋼拱架焊接的過程中由于施工人員的不規范操作，焊縫的長度及雙面焊縫的要求均沒有達到設計規范要求，這也增大了襯砌支護結構的變形；初支混凝土的由于坍落度沒有達到要求，進行噴射時達不到設計的厚度要求，也增加了結構襯砌變形的隱患；施工監測跟進的不及時，無法對圍巖在施工過程中的變形趨勢進行監控反饋。

表1 襯砌支護參數表

2.4 進口坍塌處理方案

1)地表處治。在塌方救援過程中，由于對右洞塌方段地表進行了卸載，救援結束后要求對場地碾壓密實，用50 cm二八灰土進行表面封閉。

2)左、右洞臨時加固措施。對左洞上導坑ZK15+118～ZK15+136和右洞K15+059～K15+082段現有初期支護采取增設臨時鋼拱架和對現有初期支護鋼拱架每榀增設4根φ42鎖腳錨管，鋼拱架和連接鋼筋用C25噴射混凝土封閉。對侵限的初支鋼拱架逐榀更換并確保安全和穩妥,并對塌方圍巖堆積體噴射混凝土進行封閉加固。

3)雙層小導管輔助進洞。針對塌方段，開挖前先施作超前小導管支護，支護采用雙層φ42小導管注水泥水玻璃雙漿液。第一排環向間距40 cm，長度3.0 m，第二排環向間距30 cm，長度4.5 m，每三榀一個循環，每一循環對掌子面臨時封閉。

4)塌方段的開挖和支護方案。a.塌方段初期支護采用Ⅰ20a鋼拱架(仰拱成環)，縱向間距50 cm；掛雙層鋼筋網，噴C25早強混凝土26 cm；鎖腳錨管采用長度5.0 m，φ42 mm鋼管，管內填注水泥水玻璃雙漿液。塌方段二次襯砌采用C30鋼筋混凝土二襯50 cm。塌方段的開挖和支護必選堅持“管超前、進尺短、早封閉、勤量測”的原則[3]。b.塌方段施工采用三臺階預留核心土法，上臺階長度1.5 m，距拱頂2.5 m左右，中臺階長度1.8 m，高度為3.5 m左右，下臺階長度2.5 m。在上臺階設置臨時仰拱，臨時仰拱采用Ⅰ20工字鋼，中臺階根據實際情況布設。仰拱整體開挖推進，每循環長度控制在2 m～3 m(仰拱至掌子面不得大于15 m，二襯至掌子面不得大于25 m)。c.弧形導坑完成后，采用挖馬口的方法分別開挖左右兩側邊墻，邊墻開挖后立即進行噴錨支護，并順接仰拱部分，完成整體，最后開挖核心土。塌方段開挖和初期支護施工要步步緊跟，二次襯砌要及時跟進澆筑，且要制定詳細有效的施工方案。d.為保證塌方段順利、安全通過，對塌方掌子面K15+135前方10 m(K15+135～K15+145)加強支護，采用塌方段的開挖和支護方案，其施工方法參照塌方段要求。e.塌方段拱架拆除替換的施工期間，施工單位必須對塌方段落的地表沉降和洞內拱頂下沉加大監測的頻率。做好量測記錄和數據分析，及時反饋信息，指導施工；加強監控量測力度，24 h巡查變形情況。f.安全員和現場監理對塌方段落的處治過程必須進行旁站監督。

3 結語

這幾年我國的公路事業得到了飛速發展，但公路修建過程中公路隧道事故也是頻頻發生，這也引起了政府和公路設計部門的極大關注。因此，在以后的地質勘察設計環節和施工過程中，保證設計施工的同步性，確保工程質量，針對耿家莊隧道提出了以下幾點建議：

1)對重要構造物應提供詳細的地質勘察報告，給設計提供詳實的依據，從而指導現場施工。

2)仔細排查隧道洞頂落水洞、積水等情況，并及時進行處理。

3)初期支護應及早施作仰拱，盡早封閉成環；拱部采用光面爆破,邊墻采用預裂爆破,減少施工過程中對圍巖的擾動。

4)加強隧道施工的監控量測和地質超前預報，發揮監理的現場監管作用，對現場問題進行及時反饋，及時做出調整，確保工程質量和安全。