大跨隧道洞口不良地質段冒頂塌方處理方案

閆 旭 王開運

(天津市市政工程設計研究院，天津 300051)

0 引言

對采用新奧法實施的穿山隧道,洞口段圍巖一般較為破碎，自穩能力差，洞身還可能存在淺埋、偏壓現象，如果恰好處于不良地質段，隧道往往很難安全進洞，施工過程中極易產生塌方現象。新奧法隧道的基本原理是盡可能利用圍巖自身的承載能力，盡量減少擾動，最大程度保護圍巖，但對于大跨隧道來說，為保證掌子面穩定，多采用分部開挖法，多次開挖導致圍巖多次擾動、多次破壞，塌方現象出現的概率會大大增加。塌方發生后，如果處理不及時，容易造成塌方漏斗范圍逐步擴大，最終形成冒頂大塌方，不僅影響工期，治理塌方花費的代價也相當巨大。塌方的處理是工程搶險，需要工程人員快速提出針對性方案，盡可能縮短塌方處理的時間，避免產生二次塌方，保證人員安全。對于如何處理隧道塌方，研究人員做了大量工作，形成了許多行之有效的方法可供借鑒[1-5]。本文以某大跨隧道洞口段產生的冒頂塌方為例，詳細分析了塌方產生的原因，給出了塌方處理方案，達到了預期的目標，如隧道工程出現類似塌方，可借鑒本文方案進行處理。

1 工程概況及工程地質

塌方隧道為雙向四車道城市交通隧道，兩側設非機動車道和人行道，建筑限界寬度為13.75 m，限界高度為5 m，單洞開挖跨度為14.49 m，開挖斷面面積為161.2 m2，屬于大跨大斷面市政隧道。隧道范圍內主要出露的地層有第四系地層和變質花崗巖，外圍為侏羅系上統晶屑熔結凝灰巖，其中，變質花崗巖為本隧道的主要圍巖。

根據地勘單位提供的資料，本段隧道地表為斜坡地形，坡度20°～30°，坡面植被發育，洞頂以上地層為殘坡積粉質粘土和全～強風化變質花崗巖。其中，粉質粘土呈灰黃色，稍濕、可塑，厚度為2 m左右；全風化變質花崗巖呈灰黃色，稍濕、砂土狀，極為松散，厚度約11 m～22 m；強風化變質花崗巖呈淺肉紅色，節理裂隙發育，巖體破碎呈碎石狀，結構松散，厚度約2 m。洞口處邊坡在天然狀態下穩定，開挖后在地下水活動的影響下，表部第四系覆蓋層和全、強風化層易失穩，宜加強護坡。本隧道的主要不良地質為進出洞口處的全風化變質花崗巖段，屬Ⅴ級～Ⅵ級圍巖，圍巖穩定性差，需加強支護和襯砌。

2 隧道塌方情況

2019年2月底，受持續強降雨影響，本隧道左線出洞口段距離明暗交界樁號約30 m處發生左導坑鋼支撐變形，隨后掌子面發生坍塌，砂土狀坍落物不斷涌出，推翻工作臺車，堵塞隧道洞口及掌子面，幾小時后塌方體基本穩定，洞頂上方地表形成直徑10 m左右的圓形陷坑，形成冒頂大塌方，估計塌方體體積為150 m3，所幸，本次塌方未造成人員傷亡事故。塌方發生后，業主暫停隧道施工，并組織五方主體召開緊急會議商討對策、制定方案。

3 塌方原因分析

1)不良地質影響。

塌方段存在不良地質，圍巖為全風化變質花崗巖，圍巖十分破碎，開挖易坍塌，原狀圍巖具有一定的自穩能力，開挖暴露后短時間內掌子面即風化脫落，圍巖干燥狀態下是非常好的筑路材料，遇水后軟化崩解，完全失去承載能力。因此，連續降雨導致的不良地質圍巖失去承載力是導致本次塌方的直接原因。

2)設計方面。

因隧道圍巖等級較差，設計采取的開挖工法為雙側壁導坑法，工程實踐表明該工法對Ⅴ級～Ⅵ級圍巖均具有較好的適應性，安全性較高，但對施工單位的施工能力具有較高的要求，特別是該工法將大斷面分為左、中、右三個斷面進行分部開挖，施工工序較多，施工進尺小，支護閉合較慢，對經驗不足的施工單位挑戰較大。

3)施工方面。

施工單位經驗不足，工人對設計開挖工法不夠熟悉，導致側壁導坑頂部系統錨桿及超前小導管打設質量較差，沒有形成設計要求的超前支護效果；洞頂邊仰坡沒有形成良好的防排水系統，導致大氣降水在洞頂聚集并沿地表裂隙下滲，軟化圍巖；對監控量測和超前地質預報反饋的信息重視不足，未能及時變更工法、加強支護；塌方發生后沒有相應的應急預案，導致塌方范圍不斷擴大，導致冒頂。

4)管理方面。

現場監理和業主沒有督促施工單位嚴格按照設計文件執行，對監控量測數據和超前地質預報信息，沒有及時反饋設計采取加強措施。

4 塌方處置方案

1)地表防排水處理。

在塌方位置地表影響范圍增設觀測、預警崗哨，檢查地面變形情況，觀測地形地貌變形發展，加大觀測頻率(每天不少于3次)；盡快用黏土封閉塌方段對應地表裂縫，黏土應比地表高0.1 m，防止雨水下滲；對坍塌冒頂形成的陷坑做好防排水措施。在塌方坑口上方搭設雨棚或用彩條布覆蓋，遮蓋穴頂以阻斷地表水流入塌體；在陷坑邊緣外5 m處修建一道0.5 m×0.5 m的環形截水溝，與原設計截水溝相連，防止地表水流入坍塌體內部。

2)超前地質預報探測塌方情況。

待洞內坍塌體穩定后，對松散塌方體表面素噴5 cm的C25噴射混凝土穩固塌方土體。在塌方掌子面的拱頂、拱腰布設4個水平地質鉆孔進行地質探測(拱頂2個、左側拱腰1個、右側拱腰1個)，在地表橫向布設3個豎向地質鉆孔，沿隧道軸線每5 m布設一排，確定塌方的范圍和地質情況，指導塌方處理。

3)臨近塌方段洞身加固。

在對塌方體進行2次開挖前，首先對掌子面后方未塌方的洞身段進行補強加固，防止塌方范圍向后擴大，加固范圍取變形未侵入二襯限界的拱架所在樁號向未塌方區延伸1.5×D范圍(D為開挖跨度)，具體加固范圍根據監控測量數據調整。加固措施為：對變形不嚴重且未侵入二襯限界的初支進行保留，由外向內緊貼初期支護和臨時支護表面增設鋼拱架和臨時橫撐，拱架型號和間距均按原設計進行，并掛鋼筋網噴射混凝土包裹，拱架拱腰部位采用鎖腳錨桿固定，形成雙層初期支護，起拱線以上部位松散擾動圍巖采用φ42×4的L=6 m的超前小導管作為系統錨桿進行徑向注漿。對嚴重變形且已侵入二襯限界的初期支護段按照塌方段進行處理。

4)塌方段洞內反壓回填。

塌方(拱架變形)處至近洞口段進行土方回填，利用裝載機和挖掘機配合進行，采用干燥細粒土分段推進、逐層碾壓，使洞內塌方內土體填塞緊密并形成自然坡度，最后采用人工碼土袋封閉拱頂與土體之間的空隙，回填完畢后采用Φ8間距20 cm×20 cm鋼筋網、30 cm厚C25噴射混凝土對回填面進行封閉作止漿盤，為其后的塌體注漿固結提供作業條件。

5)塌方體注漿固結。

不輕易擾動洞內塌體，采用注漿固結處理：在水平方向上按照1.2 m×1.2 m梅花形布置φ42×4的L=6 m的超前小導管注漿固結處理洞內塌方體，注漿加固采用水泥—水玻璃混合雙液漿，水泥—水玻璃雙液漿的漿液配比需要經過注漿試驗確定，注漿時適當提高注漿壓力。

6)泡沫輕質土回填空腔。

對于塌腔體未延伸到地表的塌方，在隧道拱頂左右兩側沿斜向各打入1根混凝土泵送管和1根φ50的排氣管，通過泵送管向空腔內回灌泡沫輕質土，泡沫輕質土的澆筑使容重不大于5.5 kN/m3，強度大于0.6 MPa，澆筑時左右側交替進行，左右側澆筑面高差不超過1.5 m，待澆筑面到達拱頂時，從單側繼續澆筑直到填滿塌腔體孔洞。對于坍塌延伸到地表出現塌方漏斗的塌方，應從地表陷坑頂部回填泡沫輕質土，高度應高出拱頂不小于5 m的厚度。

7)塌方體的支護與開挖。

超前支護：對塌方體頂部140°范圍內采用雙排φ42×4的L=5 m的小導管進行注漿加固，注漿采用水泥漿液，水灰比1∶1(重量比)，注漿壓力0.5 MPa～1.0 MPa，小導管環向間距為20 cm，雙數根外插傾角30°，單數根外插傾角5°，小導管配合鋼拱架的間距采用每1.5 m一個循環。

初期支護：初期支護鋼架采用Ⅰ22b的工字鋼架，間距0.3 m一榀，掛雙層φ8@15×15 cm的雙層鋼筋網片，噴射C25混凝土厚度30 cm。

系統錨桿：掌子面起拱線以上隧道側壁沿徑向打入φ42×4的L=4 m的注漿小導管作為系統錨桿，環向間距1.0 m，縱向間距0.6 m。

開挖工法：塌方區域的開挖嚴格按照雙側壁導坑法開挖，不得隨意變更工法。

8)地表塌腔回填。

地表塌陷處(塌腔)采用泡沫輕質土回填至原地表面，確保回填質量，回填后的地表需設置防滲層覆蓋，可用50 cm厚的黏土施作，對回填后產生的斜坡面和山體坍塌坡面采用錨桿掛網及小導管注漿加固防護，回填需在洞內處理完塌方體并穿越后進行。

9)注意事項。

a.做好監控量測工作。對于坍塌處理段，施工單位測量人員應根據變形情況加密量測斷面，對周邊位移、拱頂下沉、地表下沉觀測，并加大監控量測的頻率，量測數據及時歸納和分析，發現數據超過預警值時及時報告。

b.做好施工安全工作。在坍塌處理過程中，應設置專人在施工時負責統一指揮，實行進出隧道人員登記制度，嚴格禁止閑雜人員在施工現場進入。加強施工作業面的照明設施，保證照明亮度，提高安全預警。

c.做好施工質量控制。在注漿作業中，需安排專人負責隨時監控注漿量及注漿壓力，另設專人觀察洞內、洞外變形情況，并根據測量數據和周邊變形情況隨時調整注漿壓力，以防止注漿壓力過大造成四周變形加劇，同時也要防止壓力過小，達不到注漿加固效果。

d.隧道穿越塌腔體后在前方圍巖質量無法保證的情況下，仍按照上述施工方案和支護參數進行開挖，直到超前預報探測到前方為較好的圍巖段，并進入較好圍巖段不少于10 m后，在確保前方無斷層、流沙等不良地質情況后，經各責任主體確認方可變更支護參數和開挖工法。

e.臨近塌方段和塌方段鋼拱架應盡早封閉成環，如有條件施作二次襯砌，應盡早施工。

f.Ⅴ級圍巖新開挖的掌子面表面應及時素噴5 cm的C25噴射混凝土封閉表面，防止掌子面塌方。

5 處理效果

采取上述措施后，施工單位迅速通過了塌方段落，采用較小的代價處理了本次塌方，隧道后續施工過程中沒有再出現類似塌方，目前隧道雙洞已經貫通，正在進行附屬工程施工，說明本方案合理可行，達到了預期效果。

6 結語

對于大跨隧道洞口不良地質段，從設計、施工和現場管理的角度都應該給予足夠的重視，對于易塌方地段，設計單位應在設計文件中明確提出應對方案，并適當考慮施工單位的施工能力，施工單位應嚴格按照設計圖紙進行施工，不得隨意變更工法，施工方案中應包括隧道塌方應急預案，現場業主及監理應督促施工單位按圖施工，并深刻領會隧道的動態設計理念，將監控量測數據和超前地質預報結果及時反饋設計，修改支護參數。如果施工中遇到不良地質原因導致的冒頂大塌方，在保證人員安全的前提下，可按照本文處理方案及時進行塌方搶險，盡量減小經濟損失和對工期的影響。