公路工程隧道施工塌方治理技術(shù)研究

董 磊，代志杭

(中交國通公路工程技術(shù)有限公司，河南 南陽 473000)

0 引言

作為一種地下條狀構(gòu)筑物，隧道多修建于山嶺當中，用于克服高程障礙，改善道路線形，提升行車速度，對于提升整體運輸能力意義重大。然而，在隧道掘進施工過程中，往往會因為多種因素導(dǎo)致塌方等事故發(fā)生。隧道塌方原因很多，不僅包含不良地質(zhì)的內(nèi)在原因，同時還包括施工管理等外部原因。若不及時采取切實可行的措施積極治理，勢必會導(dǎo)致垮塌面積進一步擴大，甚至?xí)l(fā)更大的災(zāi)害問題。針對這一問題，應(yīng)結(jié)合工程實際情況，有針對性地采取措施進行塌方治理，做好加固工作，保證巖土體穩(wěn)定，降低危害性。

1 工程概況

某公路隧道全長1 080 m，160 m為其埋深最大值，單洞屬于雙向雙車道，14.66 m為隧道凈寬，7.8 m為隧道凈高。由于構(gòu)造運動的強烈影響，隧址區(qū)中部形成斷裂破碎帶。依照鉆探結(jié)果顯示，破碎帶發(fā)育構(gòu)造角礫巖或斷層泥，與斷層帶相近部位的灰?guī)r存在溶蝕情況。原設(shè)計當中，隧道K3+882-K3+731段采用III深支護，施工以雙臺階法為準。上下臺階距離可達到50 m左右。在上臺階掘進施工中，當施工至K3+731段時，初次支護后，第二天進行超前小導(dǎo)管等施工時，隧道頂部偏右2 m部位出現(xiàn)巖體局部失穩(wěn)垮塌問題，此時迅速停止施工，并將設(shè)備、人員緊急撤出，緊接著垮塌范圍進一步加大，并有250 m3錐形體出現(xiàn)于掌子面位置，可判定為中規(guī)模塌方，本次塌方造成的損失包括：超前小導(dǎo)管完全失效；破壞了最近處的一榀鋼拱架拱頂和右拱腰部位，未見人員傷亡。

根據(jù)勘查分析，不良地質(zhì)體定位是填充巖溶隧道預(yù)防塌方災(zāi)害的首要工作。基于隧道地質(zhì)超前預(yù)報體系和原則，并與本隧道的實際情況相結(jié)合，可采用“宏觀地質(zhì)預(yù)報+長距離預(yù)報(TSP203&TEM)+短距離預(yù)報(GPR)”為綜合地質(zhì)超前預(yù)報方案。以不良地質(zhì)體定位結(jié)果為依據(jù)，對其和隧道的空間位置關(guān)系進行了觀測與分析，進而對其潛在破壞模式有了準確的判斷，并制定了合理、科學(xué)的“小導(dǎo)管注漿+超前管棚結(jié)構(gòu)支護加固”塌方治理方案。

2 塌方原因分析

根據(jù)勘查實際情況，認為充填巖溶不良地質(zhì)和施工管理是導(dǎo)致本次隧道塌方災(zāi)害發(fā)生的主要原因，具體情況如下。

2.1 不良地質(zhì)條件

本隧道處于高山-仰峰芥次生斷裂影響帶的充填巖溶體，顏色為黃褐色、紅褐色，屬于粉質(zhì)黏土，此類土體具有較大含水量，狀態(tài)為松散—稍密狀，承載能力嚴重不足，且?guī)r體完整性差。發(fā)生塌方事故前，近7 d時間為連續(xù)降雨天氣，沿斷層構(gòu)造裂隙地面雨水不斷下滲，導(dǎo)致巖溶填充物等物理力學(xué)性能更差。

2.2 施工管理的原因

1)在充填巖溶區(qū)圍巖塌方機理和破壞特性等方面存在認識誤區(qū)，本工程存在的塌方為突跳式塌方，近乎尖點突變模型。在此情況下，若未提前進行超前水平鉆探，或查明充填巖溶體就直接進行掘進施工，必定會導(dǎo)致塌方產(chǎn)生。

2)施工管理意識不足，未重視地質(zhì)超前預(yù)報結(jié)果。沒有結(jié)合實際情況，做好風(fēng)險評估工作。同時，沒有按照“先探后掘”的原則，對施工方案進行適當調(diào)整，從而引發(fā)塌方。

3 塌方治理措施

3.1 應(yīng)急處置措施

穩(wěn)定塌體、控制塌方規(guī)模是本隧道工程塌方應(yīng)急處置的重點，通過應(yīng)急處置，可以有效避免塌方進一步擴展。具體施工流程如下。

1)采用Ф 6.5 mm的鋼筋網(wǎng)(25 cm×25 cm)與C25混凝土(25 cm厚)結(jié)合的方式，封閉塌體表面，隨后在塌方底部填筑渣土，并進行壓實。

2)當塌體恢復(fù)自穩(wěn)能力后，可按梅花型布設(shè)注漿小導(dǎo)管，直徑為50 cm，長度為4 m，通過注漿法加固塌體。

3)針對K3+8746-K3+731段，可在拱部120°范圍內(nèi)徑向按梅花型布設(shè)無縫錨管，做注漿加固處理。

3.2 塌方治理方案

1)充填巖溶規(guī)模、充填物狀態(tài)均可通過水平鉆孔探明。

2)隧道拱部160°范圍交替施作環(huán)向間距20 cm的2種注漿管，注漿管長度分別為4 m、6 m，6 m長注漿管外插角為15°～20°，4 m短注漿管外插角為20°～25°，通過水泥-水玻璃雙液漿進行巖土體注漿加固。所選注漿液為42.5#硅酸鹽水泥漿液，1:1為水灰比，摻5%水玻璃，在0.5～1.0 MPa之間控制注漿壓力。

3)當注漿加固滿足設(shè)計強度需求后，掌子面后充填巖溶段加固方案為“雙層鋼拱架+注漿小導(dǎo)管+系統(tǒng)錨桿支護結(jié)構(gòu)”，其中，雙層鋼拱架的縱向間距設(shè)為0.5 m，注漿小導(dǎo)管同樣采用長短組合類型，即長度為6 m、4 m。

4)待完成上述施工后，通過三臺階留核心土短進尺方法進行施工。當充填巖溶區(qū)施工后，需及時探明隧道支護結(jié)構(gòu)外形成腔體規(guī)模和充填情況，采用的探明方法為物探或數(shù)字鉆孔攝像技術(shù)，當支護結(jié)構(gòu)上堆積松散巖土體厚度在6 m以上，可通過“水泥-水玻璃雙液漿注漿”的方法對支護結(jié)構(gòu)外6 m范圍內(nèi)的巖土體進行加固處理，很大程度上可以有效提升其穩(wěn)定性和承載能力，并緩解后續(xù)垮塌巖土體沖擊隧道支護結(jié)構(gòu)的壓力。若支護結(jié)構(gòu)上堆積松散巖土體厚度在6 m以下，須按照從里到外的順序一層一層進行雙液注漿加固層、泵填泡沫砼、吹填細砂或粉煤灰施工。

4 塌方治理效果評價

為驗證塌方治理效果，選取具有代表性的斷面鋪設(shè)檢測儀器，對隧道塌方治理效果進行評價分析。根據(jù)治理情況，將斷面壓力盒、砼應(yīng)變計等測量儀器安設(shè)到指定位置，按照規(guī)范規(guī)定要求，對隧道周邊收斂變形初次支護等情況進行檢測。

在塌方災(zāi)害治理中，作為治理措施初次支護結(jié)構(gòu)作用狀態(tài)和圍巖穩(wěn)定性的宏觀指標，隧道周邊收斂變形具有重要作用。根據(jù)檢測結(jié)果可知，其變形發(fā)展共經(jīng)歷4個階段，即緩慢增長、迅速增長、逐步穩(wěn)定、暫時穩(wěn)定。下沉量最大處位于拱頂部位，最終在37.81 mm處穩(wěn)定。通過該變形發(fā)展變化情況，可見雙層鋼拱架的支承作用良好，在治理塌方災(zāi)害當中具有良好成效。

通過6個月的跟蹤觀測，隨著時間的不斷增加，襯砌間接觸壓力逐步呈現(xiàn)出“波動—穩(wěn)定”的發(fā)展趨勢。接觸壓力最大處位于拱頂部位，為0.305 MPa，通過計算可得，在二次襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計承載值以內(nèi)，與隧道結(jié)構(gòu)承載需求相符。混凝土應(yīng)力屬于壓應(yīng)力，最大值為6.109 MPa，位于左邊墻處。

通過分析鋼筋、混凝土等受力狀況，可見隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)主要受壓應(yīng)力影響，基于鋼筋的性能作用，可以很好地彌補壓力問題，保證隧道結(jié)構(gòu)受力合理，進而提高隧道的整體穩(wěn)定性。通過上述分析，可以間接表明塌方段圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)，說明已經(jīng)克服了充填巖溶對隧道的穩(wěn)定性影響，治理效果良好。

5 結(jié)語

為滿足公路交通運輸需求，我國隧道工程數(shù)量日益增多，在建設(shè)規(guī)模持續(xù)擴大的同時，仍會出現(xiàn)各類問題，尤其是隧道塌方問題。目前，在隧道塌方治理方面已積累了大量經(jīng)驗，但每一個工程的實際情況并不相同，應(yīng)充分考慮工程具體情況，采取針對性的治理措施，從而保證隧道施工安全。