過軟巖和斷層及其影響帶隧道塌方處治方法

張 靚

(四川省交通運輸廳公路規劃勘察設計研究院，四川 成都 610041)

0 引言

山嶺隧道施工過程中，如遇地質條件差[1]，施工方法不當[2]，會造成隧道塌方甚至冒頂，給人力財力帶來巨大損失。四川某項目高速公路超特長隧道，全長13 km，巖性以炭質板巖為主。左線施工至掌子面K46+936時(大樁號往小樁號鉆爆施工)，K46+951～K46+936發生塌方，本文通過對該項目塌方原因、塌方段處治方法，以及右線對應段落的處治方法進行分析，歸納在斷層帶、軟巖地區，處治塌方以及影響帶支護的一種有效方法。

1 塌方原因分析

隧道施工過程中，由于開挖破壞了原巖初始應力狀態[3]，應力重分布，同時，若遇軟弱圍巖，斷層帶，加之施工工藝等因素[4，5]，極易引起隧道塌方。

引起隧道產生塌方因素較多，可總結為兩方面：主觀因素，客觀因素。主觀因素即支護參數欠佳、施工方法欠妥；客觀因素即天然地質因素(見表1)。

表1 隧道塌方產生原因

2 傳統塌方處治方案

針對隧道塌方處治，國內比較普遍的方法，可歸納為以下5種[6，7]。

2.1 錨桿法

錨桿加固圍巖的原理通俗地講可理解為“穿糖葫蘆”理論，即認為臨空面一側圍巖破碎，深部圍巖處于穩定狀態，通過將錨桿錨固到穩定巖層，從而對外部破碎巖體提供一個被動拉力，防止其向內空斷面發展。

2.2 注漿固結法

注漿是將某幾種膠凝材料配置成漿液(目前主要分為單液漿和雙液漿)，用設備壓入或灌入巖土中，使漿液在穩定高壓下通過巖土體縫隙擴散，膠結凝固，將破碎巖土體膠結，增加其抗堿強度。但是該法的缺點是：耗時長，注漿壓力不宜控制，注漿效果不易保證。

2.3 超前小導管注漿加固

小導管注漿加固，是沿隧道徑向，以5°～15°仰角向掌子面打入花管，通過對裂隙注漿形成一定厚度膠結體，預先對掌子面洞頂圍巖進行加固。

2.4 超前管棚

超前管棚是沿開挖外輪廓鉆設與隧道軸向平行的鉆孔，隨后插入鋼管(目前主要為φ108鋼管，環向間距40 cm)，從而形成拱形棚架，通常配合注漿共同作用，從而加固掌子面拱頂巖土體。

3 工程實例

3.1 工程概況

該隧道為某高速公路一部分，設計標準：1)公路等級：雙向四車道高速公路。2)設計速度：80 km/h。3)建筑限界：10.25 m×5.0 m(隧道建筑限界及內空見圖1)。左線ZK34+707～ZK47+720全長13 013 m，右線YK34+664～YK47+664全長13 000 m。該標段為出口→進口方向鉆爆施工。

斷層破碎帶及強烈影響帶，受構造作用強烈，褶曲及裂隙發育，巖體破碎，呈碎裂～散體狀。Kv一般為0.25～0.40，[BQ]<250。左線施工至樁號K46+923時，左線K46+951～K46+936發生塌方。塌方后，在保證安全的前提下，對掌子面采用棄渣進行回填反壓。

3.2 塌方及其影響

3.2.1現場情況描述

塌方段地質平面如圖2所示。

左線(上側紅線)K47+145～K46+945段為斷層破碎帶及強烈影響帶，斷層產狀66°∠75°(勘探時斷層傾角為75°，但根據開挖揭露的地質情況，斷層角度不停變化，且比較緩)，走向與隧道軸線夾角約40°，為小角度相交。受構造作用強烈，褶曲及裂隙發育，巖體破碎，呈碎裂～散體狀。該段含基巖裂隙孔隙水，以股狀、線狀滲出為主，雨季可能有暫時性涌水現象。

2017年10月，根據監控量測，左線K46+951斷面拱頂下沉驟增，現場立即提高監控量測頻率，每天2次。并且，現場觀測到，K46+951處出水增多。根據當日觀測成果，2次數據，拱頂下沉超過5 cm。次日，將設備和人員撤離，不久，左線K46+951～K46+936發生塌方。

3.2.2塌方后影響情況

塌方后，建設方聯絡設計、監理、施工單位，對塌方原因進行分析，得出以下結論：K46+951處于斷層破碎帶，且K46+980～K46+923處巖性為炭質板巖，含碳量極高，如圖3所示，水對炭質板巖的軟化作用較強，圍巖失去自身承載能力。同時，炭質板巖飽和單軸抗壓強度5.68 MPa為軟巖。開挖后，K46+951～K46+936由于軟巖變形滯后，對初期支護造成擠壓，再加之斷層影響，最終導致K46+951～K46+936塌方。隨后，K46+951～K46+980初期支護開始掉塊，噴混凝土剝落、產生環向裂縫，拱頂、周邊變形侵限。

3.3 塌方處治方案確定

根據現場地質情況，并結合塌方對隧道破壞的影響程度，以及初支的侵限情況，制訂了隧道處治方案：

1)K46+980～K46+965。該段定義為塌方影響段。該段已施作仰拱，受塌方影響，該段初支變形較少，局部侵限。塌方后，該段受影響較小，僅是局部段落初支變形，侵入二襯輪廓，針對此情況，采取措施如下：對侵限的初支進行拆換，同時加強監控量測，在變形收斂時及時施作二襯。

2)K46+965～K46+951。該段情況類似情況1)，區別在于，該段塌方前未施作仰拱，同時，該段距離塌方斷面K46+951較近。鑒于以上原因，采取以下措施：對于初支變形嚴重段以及侵限段進行初持拆換，同時，隧道環向采用注漿小導管進行加固(小導管規格：φ42×4，L=400，間距100(環)×100(縱),梅花形布置)，最后，將仰拱的受力環向鋼筋由φ22調為φ25。

3)K46+951～K46+936。該段定義為塌方段。該段前期已經完成上臺階施工，塌方后，上臺階被掩埋，上臺階完全被渣體填充，且渣體拱頂以上存在空腔。

塌方段初支方法如下：a.K46+951處，施作40 m大管棚，管棚采用φ76×7自進式錨桿，環向間距40 cm，外插角10°；b.初支采用φ42×4注漿小導管(L=400，間距100(環)×100(縱)，梅花形布置)；c.采用φ8鋼筋網(20 cm×20 cm網格)；d.鋼支撐采用Ⅰ20b工字鋼，榀距40 cm；e.噴射混凝土采用C25，厚26 cm；f.預留變形量30 cm；g.二襯采用60 cm C30鋼筋混凝土；h.超前支護采用雙層小導管，搭接長度不小于2 m；i.施工：嚴格控制進尺，盡量采取機械開挖，特殊情況考慮采用單側壁導坑開挖。

3.4 塌方處治方案執行情況及修改

3.4.1施工情況

在對初支變形段(塌方影響較小段落K46+980～K46+965)進行初支拆換時，出現了新的問題。由于此時右洞已經施工至K46+980～K46+965對應段落YK46+942～YK46+927右洞每次放炮后，右洞距掌子面約20 m段落以及左洞對應段落，監控量測數據會突變，水平收斂甚至達到每天10 mm；同時，左洞塌方影響段進行工字鋼接腿施工時，也會導致左洞監控數據劇增。

3.4.2方案調整

通過對上述問題進行研究分析，認為該段處于斷層影響帶，且巖性以炭質板巖為主，且含碳量極高，巖石Rc僅5 MPa～18 MPa，屬軟巖，且左右洞凈距為36 m，左洞掌子面發生塌方。結合以上因素，認為左右洞存在連帶效應，一側較大的擾動都會影響到另一側，并且，右洞雖暫未進入斷層影響帶，但是仍屬軟巖，地質條件較差。鑒于以上原因，對塌方處置方案進行調整如下：

1)對中臺階工字鋼腳趾進行加強，工字鋼增加加強肋，可有效增大接腿時工字鋼與圍巖的接觸面積，減小應力，控制拱頂沉降。同時，在工字鋼接腿前，加強鎖腳，每處采用2組(4根)注漿小導管進行注漿固結，甚至可在工字鋼拱頂、拱腰采用小導管進行注漿固結。

2)施工工序方面，右洞不能再采用鉆爆法施工，掌子面采用機械開挖，并且，右洞、左洞不能同時進行開挖、接腿作業，必須待右洞超前左洞30 m后，方能同時進行開挖等作業。下臺階接腿時，一個循環只能替換1榀～2榀，嚴禁一個循環接腿2榀以上。

3)根據監控量測結果，若拱頂下沉及水平收斂過大或連續2 d超過預警值(5 mm/d)，首先架立Ⅰ18工字鋼臨時護拱。若臨時護拱施作后，變形仍未有收斂趨勢，則應采取開挖后注漿。

4)超前支護根據現場試驗結果，增大注漿量。

5)右洞支護參數進行加強，啟動大變形支護參數：噴射混凝土采用C25厚26 cm；系統錨桿采用φ22藥卷錨桿(L=350，間距100(環)×100(縱)，梅花形布置)；采用φ8鋼筋網(20 cm×20 cm網格)；工字鋼采用Ⅰ20b，榀距60 cm；預留變形量采用30 cm；二襯采用50 cm C30鋼筋混凝土。

6)其余參考原處治方案。

3.5 應用結果

采取以上措施后，圍巖剝落，初支開裂、掉塊現象不再出現，通過監控量測結果，拱頂下沉及水平收斂數據得到控制，逐漸趨于收斂，隧道大面積滴水現象得到改善。

4 結語

根據該高速公路雙線隧道過軟巖及塌方段的處理成功案例，總結出以下經驗供參考：

1)過軟巖隧道塌方段工程措施，不能僅從設計手段進行分析，必須是設計方法、施工措施相結合。經過軟巖斷層區，嚴格控制開挖進尺，鉆爆方式盡量采用機械開挖。盡量縮小臺階之間距離，開挖后及時支護，仰拱封閉成環，提高初期支護的強度。根據監控量測數據，在變形趨于穩定時及時跟進二襯。

2)隧道施工過程中，必須結合現場監控量測數據，主要是拱頂沉降和水平收斂，可以通過這些數值，判斷隧道塌方可能性，可以對已經施作支護的穩定性進行復核，判斷已施作支護是否能夠承載所處位置圍巖壓力。根據監控數據進行支護參數的動態調整。

3)軟巖隧道，巖體飽和單軸抗壓強度低，工字鋼接腿施工時，必須加強鎖腳，否則拱頂易下沉，必要時，除接腿部位，還可在頂拱部位施作鎖腳。為了減小工字鋼腳趾應力，可將工字鋼腳趾設置加強肋，減小趾部應力。

4)軟巖斷層帶隧道塌方，處治措施應由遠而近。由于軟巖地帶，隧道縱向塑性區延伸較長，在進行塌方處治時，需從穩定段向掌子面逐一施作，層層加強。

5)軟巖隧道存在大變形、變形滯后現象，設計時，需留出足夠預留變形量。但是預留變形量不宜過大，過大的預留變形量，會顯著增加開挖洞室跨度，易造成施工期間洞室的不穩定。

6)軟巖斷層隧道，超前支護有著舉足輕重的作用。筆者認為，增加超前小導管注漿量，加長搭接長度，是過斷層地帶的核心方法。該隧道在增加超前支護注漿量之后，監控量測數據得到了很好收斂。

7)由于軟巖變形的滯后性，塌方處理完成后，必須通過肉眼及監控量測數據對隧道進行觀測。