淺埋隧道掌子面坍塌原因分析與控制

饒品彪

中鐵二十四局集團安徽工程有限公司，安徽 合肥 230000

1 引言

隧道施工中群死群傷的突發性事件主要有坍塌、冒頂、涌水、突泥、有毒有害氣體突出等，其中坍塌發生的概率相比其他要大一些，是最為常見的典型事故。一旦發生，不僅延誤工期、造成經濟損失，甚至會威脅到施工及技術人員的生命安全。據不完全統計，發生在掌子面10m 以內的塌方占比44%，因此分析掌子面坍塌的原因對預防隧道坍塌至關重要［1］。

2 工程概況

華家山隧道為雙線分離式隧道，線間距為25m，隧道右線起訖里程K0+558～K1+322，全長764m，隧道左線起訖里程ZK0+416～ZK1+214，全長798m。隧址區巖體較為破碎，整體穩定性較差，地形起伏較大。隧道內發育構造破碎帶2 條。隧道穿越Ⅳ、Ⅴ級圍巖段，地表逕流條件好，地表水除部分滲入地下外，多數以地表徑流的形式從溝谷排入區外水系中。隧址區內地下水主要為基巖裂隙水和松散巖類孔隙水。

3 隧道掌子面坍塌簡要概述

華家山隧道出口端左線上臺階開挖及初支施工里程為ZK1+041，塌方段位于華家山隧道出口左線ZK1+042～ZK1+030（約）段。該段設計圍巖級別為Ⅴ級，襯砌類型為Ⅴb，初期支護為系統錨桿、鋼筋網、鋼架相結合，其中鋼架間距設計80cm 每榀。

2018 年7 月24 日發現ZK1+044 開始出現節理發育、煤矸石、巖層破碎、夾泥、局部出現小掉塊、小量涌水等現象。7月25 日暫停掌子面施工，對掌子面進行封閉，觀察掌子面圍巖變化情況，對涌水進行疏導。7 月28 日上午11：53，現場主管巡查時發現掌子面拱頂有土石塊落下，立即撤到掌子面30m以外，拱頂開始小面積塌方，塌方量345 方，無人員傷亡。7 月29 日凌晨2：00，掌子面再次出現大量坍塌，塌方量1150 方。6：00 開始對初支進行加固，防止塌腔再次擴張繼而對已完工初支造成破壞，對掌子面再次進行全封閉，并反壓回填。

4 掌子面坍塌的原因分析

（1）地質條件差。①圍巖等級差，華家山隧道V 級圍巖占比67%～69%，Ⅳ級圍巖占比31%～33%。②隧道埋深淺，開挖后形成的自然拱自穩能力差，本次塌方段埋深18～30 米。③存在斷層，工程物探解譯F1 位置在ZK1+143 附近。發育在奧陶系下統馬家溝組（O1m）灰巖地層中，巖石破碎。斷層走向延伸較長，向南北兩方向未發現源頭，斷層走向上切割隧道中心線。④節理裂隙發育，巖體較破碎，充填泥質黏土，破壞了巖體的整體穩定性。⑤斷裂帶、泥質粉砂巖中鐵質氧化物析出孔洞及溶蝕灰巖區，為地下水活動提供了條件，易于儲水。

（2）地質勘察資料與實際不符，圍巖突變。地質勘察資料中節理發育段為ZK0+450 段延長3.40m，ZK0+820 段延長3.30m，ZK1+170 段延長2.8m 等3 處。地質勘察報告中顯示ZK0+940～ZK1+140 段處于強-中等溶蝕灰巖，巖體較破碎。實際施工中發現塌方段ZK1+042～ZK1+030 節理發育，掉落的石塊呈現紫紅色、紅褐色、灰色、黃灰色，泥質、砂質結構，中薄層狀構造，局部鐵質礦物吸出，被黏性土充填，屬于典型的強風化泥質粉砂巖（C2b），且伴隨出現了黑色煤矸石層、巖層破碎、極易產生滑動掉塊，并伴有小量涌水等現象。

（3）質量方面控制不到位。①超前支護不到位，掌子面超前支護存在空隙，超前小導管數量不滿足設計要求。②初期支護鋼拱架平均每榀間距84cm，個別達到90cm，超過設計要求。③鎖腳錨桿平角安裝，不符合力學要求。

（4）未及時調整開挖工藝。因斷面過大、暴露時間較長，使得掌子面圍巖穩定性下降，加上裂隙水的浸潤直接導致掌子面圍巖失去自穩能力而塌方。

（5）未及時增加掌子面圍巖變形的監控量測頻次，未能第一時間反饋拱頂下沉量、周邊收斂量等真實數據。

（6）偶然不利天氣影響。連續一周的短時強降雨導致掌子面圍巖受基巖裂隙水浸泡，不斷產生掉塊及坍塌現象，7 月28日中午掌子面拱頂有小石塊落下，隨后拱頂開始大面積塌方，7 月29 日凌晨再次因中雨而塌方。

5 掌子面坍塌的處置措施

（1）坍塌初期緊急處置措施：①將開挖臺車拖出來進行切割、場地進行平整；②在上下臺階分界處設置警戒線，禁止無關人員靠近；③增加監控量測點，安排專人監測，觀察初支完整情況；④安排專人、專車24 小時值班，一旦有異常，立即匯報。

（2）塌方體處置工藝：塌方影響段護拱加固→反壓回填注漿固結→拱頂背后空腔澆筑混凝土→坍塌體開挖支護→掌子面端（掘進方向）塌方影響段加固→塌腔回填。

①塌方影響段護拱加固（見圖1）。先對ZK1+051～ZK1+041 已經初期支護完成段采用I18 工字鋼拱架支撐（護拱）加固，拱架之間用Φ22 鋼筋連接，環向間距0.5m，如圖1。拱腳處設雙鎖腳錨桿，打設角度為斜向下約45°，錨管與拱架焊接牢固。在護拱加固完成以后，用Φ42×4mm，4.5m長的徑向小導管注水泥漿加固，水灰比0.5：1，注漿要飽滿，注漿終壓不小于1.5MPa。

圖1 初期支護安裝護拱加固

②反壓回填注漿固結。護拱段注漿加固完成后，對ZK1+042～ZK1+030 段受塌方影響較大的12 米進行反壓土石回填（壓實度不小于90%），然后采用20cm 厚C25 噴砼+定型鋼筋焊接網對塌方體臨時封閉。封閉后對回填土體采用水平注漿機對回填土進行注漿加固，注漿深度為12m，間距1.0×1.0m，梅花型布置。注漿采用1：1 水泥漿，水灰比1：1，注漿要飽滿，注漿標準采用注漿壓力和注漿量雙控。

③拱頂背后空腔澆筑混凝土。塌方體封閉固結后，在塌方體與拱部初支交界處埋入2 根Φ108mm 鋼管（泵送混凝土用）和2 根Φ42mm 鋼管（排氣用），長度均應超過拱頂以上5m，通過鋼管在塌體頂部澆筑C30 混凝土，厚度2m。澆筑完成后，保持鋼管暢通，待將來塌腔回填時繼續使用。見圖2。

圖2 反壓回填后拱頂背后空腔澆筑混凝土

④坍塌體開挖支護。拱頂背后空腔澆筑24h 后方可進行坍塌體（ZK1+041-ZK1+030）的開挖，開挖前，施做雙排小導管超前支護并注漿。開挖采用風鎬開挖，嚴禁爆破。采用三臺階法開挖，嚴控進尺，50cm 一個循環，每循環要對掌子面進行初噴封閉，初噴厚度8～10cm，開挖后及時支護。支護參數為25cm 厚C25 噴砼+I22 型工字鋼（榀間距0.5m）+鋼筋焊接網+系統錨桿（Φ25mm×5mm，L=3.5m，縱環間距0.5×1.0m）。

⑤掌子面端（掘進方向）塌方影響段加固。由于塌方段掌子面遇到構造破碎帶，地質情況發生了較大的變化，對掘進方向塌方影響段（ZK1+030-ZK1+010）進行加固，開挖方法采用三臺階法，60cm 一個循環，每循環要對掌子面進行初噴封閉，初噴厚度8～10cm，開挖后及時支護。支護參數為25cm厚C25 噴砼+I22 型工字鋼（榀間距0.6m）+鋼筋焊接網+系統錨桿（Φ25mm×5mm，L=3.5m，縱環間距0.6×1.0m）。如圖3。

圖3 掌子面端（掘進方向）塌方影響段加固

圖4 塌腔回填

⑥塌腔回填。加固完成后，待仰拱和二襯有一定承載能力后，方可進行塌腔回填，護拱上澆筑約2m 厚混凝土，并吹填2m 厚細砂作緩沖層。如圖4。

6 過程管控措施

（1）加強超前地質預報。專門組織地質雷達探測，檢查初支背后是否存在巖溶、空洞等現象，通過水平鉆孔超前探測確定掌子面前方圍巖是否含水。通過這兩種辦法能掌握30m 范圍內的地質情況，有助于塌方的處理，防止二次事故的發生［2］。

（2）預留初支變形量。掌子面開挖支護時，塌方段預留一定變形量取30cm，防止沉降過大導致初支侵限。

（3）嚴格落實按圖施工，按方案施工。采用三臺階法開挖，減小開挖斷面，減少暴露時長，提高圍巖自穩能力。

（4）加強支護參數。縮小初支鋼拱架間距，增加超前小導管的布設密度，確保注漿的質量，同時增設鎖腳錨桿，可有效提高初支的穩定性。

（5）施工過程中加強監控量測，通過計算初支位移速度和位移速度的變化率，判別隧道開挖工作面是否穩定，為調整支護參數以及調整開挖工藝提供依據。

（6）做好掌子面引排水工作，減少基巖裂隙水、孔隙水、降水對圍巖的侵蝕。據不完全統計，單獨穿越破碎帶和單獨穿越地下水區段所造成的的塌方占比均為26%，而洞室穿過破碎帶和地下水綜合影響段所造成的塌方占比高達42%，做好引排水工作對預防隧道塌方尤為重要［3］［4］。

7 管理措施

落實隧道坍塌處理專項施工方案交底、安全技術交底，明確治理期間安全注意事項，提前告知預防措施。組織現場安全教育，禁止無關人員進入警戒范圍以內，避免人員傷亡。落實領導帶跟班制度，帶領技術主管、測量人員24 小時現場盯控。成立應急小組，制定應急措施并進行交底，加強現場安全巡查，一旦發現異常立即停工撤人，啟動應急預案。另外要加強與建設單位、設計單位的聯系，及時反饋施工一線情況［5］。

8 結束語

淺埋隧道拱頂處于節理發育、破碎帶等不良地質時，受強降雨、裂隙水、地表滲水影響易失去自穩能力而塌方，需縮小初支鋼拱架間距，并輔以超前小導管注漿。通過加強超前地質預報動態掌握圍巖變化情況，結合監控量測反饋的數據，盡早地加強初期支護，嚴格按照三臺階法開挖，減小掌子面暴露時長，同時做好掌子面引排水工作，可有效的避免掌子面坍塌。