某項目公路隧道塌方處理技術分析

姚濤

（中國水利水電第七工程局有限公司，四川成都610213）

0 引言

公路隧道在設計中通常是結合道路全線路統籌考慮，假如穿越地質條件復雜的山體，在開挖施工過程中就可能遇見塌方風險，塌方會給隧道施工造成極大的危害，比如延誤工期、出現比較嚴重的機械損失，甚至威脅著施工人員的生命安全。

因此，防塌、治塌工作已經成為隧道施工的首要問題，本文結合某項目公路隧道施工中所遭遇的塌方現象及塌方后治理措施總結了相關經驗，為類似隧道提供塌方預防和塌后治理提供參考。

1 工程概況

某項目公路隧道是一條淺埋長隧道大斷面的隧道，為一條雙向分離式隧道，單向長度分別為2016m（左洞起止樁號為Km18+294.5～Km20+310.5）和1995m（ 右洞起止樁號為Km18+279.5～Km20+274.5），總長4011m。開挖的隧道半徑為5.625m，高度為10.05m，成型凈空為9.9m×6.7m（寬×高），最大斷面為106m2，縱坡坡度為2.5%，隧道洞口部分埋深20～30m，最大埋深為180～200m，采用“新奧法”進行開挖支護施工，每條隧道采用雙向掘進開挖施工。該項目隧道開挖于2014年11月1日開始施工，由于復雜的地質條件，截至2018年5月29日，實際開挖3486.6m，V 級圍巖開挖2311.5m，占隧道實際開挖長度的66.3%，預測后續V 級圍巖有524.4m。在3年多的施工中先后處理了大小塌方20 處，施工難度不一。

2 地質情況介紹

隧道穿越山體覆蓋層及全風化巖體厚度較大，穿越石墨片巖，絹云母片巖，石灰巖及石灰巖溶洞，隧道穿越4 個斷層帶，斷層帶位于18+560，18+920，19+740，20+000，斷層傾角與隧道軸線夾角約35o，走向與隧道夾角50o，斷層帶內為全風化片巖及泥質材料，受斷層影響，接觸部圍巖強烈破碎，張裂隙發育，在雨季可見明顯滲水，偶見石英巖脈。

3 塌方處理技術

在3年來的施工過程中，隧道遇到的塌方相對較多，種類不一，其中具有代表性的塌方有冒頂塌方、軟弱破碎巖石塌方、溶洞塌方、滲水塌方及涌水塌方等五種由地質原因引起的塌方，并根據塌方產生的原因和現場實際情況制定了以下五種處理技術：

3.1 冒頂塌方處理技術

2015年6月30日隧道出口左洞K20+249 掌子面發生塌方，導致4 榀格柵拱架發生變形，頂部30cm 厚度的噴射混凝土及雙層Q226 鋼筋網片發生破壞，掌子面出現黃色黏性土，局部濕潤。觀察塌方部位有繼續塌方的趨勢，在撤離所有施工人員和設備之后，塌方范圍開始擴大，同一天塌方位置的地表發生沉陷，地表沉陷沿著隧道軸線范圍約為22m（K20+240～K20+262），垂直隧道軸線范圍約為15m。塌方處距離洞口31m，設計平均埋深9.57m[1]。塌方圖片參見圖1。

原因分析：由于隧道K20+240～K20+262 冒頂塌方發生位置（距離洞口31m）在距離隧道口較近，土體主要為黏性黃土，腐殖土覆蓋部位。由于塌方段位于洞口段，而洞口段通常為堆積層或風化嚴重、破碎的巖體，其自穩能力及整體能力均較差，同時處于淺埋地段，進洞后引起洞口頂端的圍巖發生應力重分布，在重力作用下出現下沉或開裂變形。當變形發展到一定程度時，極限平衡就被打破，導致大面積的整體失穩，進而發生塌方。

處理措施：針對這種情況，主要采用移除冒頂部位的土體，改為臨時邊坡，后期完成二襯混凝土結構之后進行再次回填；同時對塌方附近已完初支面進行二次加固，增加初支的剛度，降低施工的安全風險。為了保證二襯混凝土的剛度，需要對二襯混凝土的厚度及鋼筋進行重新設計，以確保結構的穩定。

3.2 軟弱破碎巖石塌方處理技術

2015年7月21日，隧道進口右洞K18+537.5～K18+539 段準備進行噴射混凝土施工時，發生塌方。勘察發現塌方段圍巖位于斷層破碎帶，巖石為石墨片巖較軟。塌方體堵塞掌子面，塌方體堆積至距離掌子面10m 左右范圍，頂部厚度30cm 的初期支護噴射混凝土及兩層Q226 網片及拱架發生破壞，距離掌子面20m 的位置K18+511～K18+521 處出現裂縫，掌子面有局部的滲水現象。塌方體位置設計平均埋深47m。塌方圖片參見圖2。

圖2 軟弱破碎巖石塌方圖

原因分析：塌方段位于斷層破碎帶，受構造裂隙影響，圍巖極其破碎，呈小塊狀，無自穩能力，并且該段圍巖裂隙水較發育。由于巖石過于破碎且構造裂隙發育，開挖初期支護以后，巖石無法進行應力重分布，導致破碎圍巖自重遠大于設計初支承載能力，最終導致塌方。

處理措施：針對這種情況，主要采取裂縫加固、塌方段臨空面封堵、塌方散體注漿、塌方段洞身固結灌漿、塌腔體回填和掌子面預固結灌漿及超前管棚超前支護措施，塌方段開挖采用預留核心土三臺階機械開挖，降低開挖對圍巖的進一步擾動[2]。

3.3 溶洞塌方處理技術

2016年5月10日凌晨3：00，隧道出口右洞K19+902.5 在安裝完成一榀格柵拱架和兩層Q226 網片后，掌子面發生塌方，并損壞K19+902.5 處安裝好的格柵拱架一榀和安裝的兩層Q226 網片，塌方處有8 塊直徑約為3m 的大塊徑巖石滾落至掌子面，將掌子面堵塞。經現場勘探K19+890.4～K19+904 塌方處圍巖破碎，裂隙發育，并在裂隙之間有泥夾層，出現疑似溶洞，溶洞內有大塊徑的石頭并有黃泥夾層，并有較大滲水，局部出現涌泥現象，該位置設計埋深為45.67m。隨后進行取芯鉆探進行驗證，觀測鉆取的巖芯溶蝕驗證，推斷該處存在溶洞，加強探測后探明該段發育有充填型溶洞。塌方圖片參見圖3。

圖3 溶洞引起塌方的現場圖片

原因分析：由于洞頂出現溶洞，當隧道開挖時，溶洞內部的塊體巖石與巖石之間夾泥的黏聚力不足以支撐體積較大的巖石，導致塊體較大巖石全部承壓在已完的初期支護上，加之滲水致使溶洞頂部的土體逐漸向下移動，圍巖發生失穩，最終導致塌方。

處理措施：針對這種情況，主要采用“超前帷幕灌漿+超前支護+加密格柵拱架+加密系統錨桿”綜合技術。依靠超前注漿和超前在隧道開挖輪廓線外形成較厚的注漿加固圈，提高圍巖自穩時間和強度，并預留一到兩根超前管棚作為滲流引流通道，同時在滲水較為嚴重的已完初支面增設排水孔，達到加固圍巖和引流滲水降低滲水壓力的目的[3]。

3.4 滲水塌方處理技術

2016年7月5日至2016年7月7日連續降暴雨，2016年7月7日隧道出口右洞K19+870.3 在出渣過程中掌子面頂部發生坍塌，塌方深度4m，高度約為1m，上部的管棚全部露出，地質揭露為松散的黃土，2016年7月8日掌子面開始從頂拱處持續涌出泥石，并多處出現大量多股水流，管棚被壓斷，K19+876、K19+884 部位的初支面被破壞并開裂沉降，測量實測初支面下降10cm，且K19+875～K19+870.3 段完成的初支面整體沉降，K19+876 位置出現明顯的裂縫。該部位設計地表埋深52.4m。2016年7月8日勘察隧道地表，在出口右洞頂部地表K19+900～K19+880 發生面積約為4m×5m，深度2～4m 塌陷。 塌方圖片參見圖4。

原因分析：由于連續降暴雨，導致地表水大量深入隧道內部，使遇水軟化的黃土發生塌方。

處理措施：針對這種情況，主要是采用塌方體表面噴混凝土及內部注漿加固、固結灌漿、掌子面預灌漿、超前支護、臺階開挖支護及管棚施工的聯合開挖支護方法進行掌子面處理措施，采用裂縫處安裝二次拱架進行加固，并噴射30cm 厚MB30 混凝土的處理措施[4]。

3.5 涌水塌方處理技術

2017年11月11日23∶30，出口右洞在完成上半洞K19+445.6～K19+444.6 初噴后準備進行立拱支護時突遇大量地下水涌出，頂拱持續坍塌，造成一榀拱架垮塌，四榀拱架變形，管棚斷裂，頂拱形成垮塌空腔約5m×6m×5m。塌方體位置的設計平均埋深為164m。塌方圖片參見圖5。

圖5 涌水塌方圖

原因分析：由于突遇大量地下水涌出，致使地下水軟化、溶解破碎的巖體，導致巖體黏聚力降低，加劇巖體失穩最終導致塌方。

處理措施：針對這種情況，主要采用塌方體混凝土封閉、分層回填混凝土、涌水引流、固結灌漿、超前小導管、型鋼加強支護臺階開挖的聯合方法進行處理措施。封閉塌方體防止涌水軟化塌方體，分層回填混凝土防止倒錘形的空腔頂部圍巖進一步失穩造成塌方擴大，涌水引流降低涌水揚壓力對圍巖應力的擾動造成圍巖失穩，固結灌漿增加巖石的整體性，降低空腔頂部圍巖的塌方風險，由于塌方空腔過大，埋深較深，經設計驗算采用加強的型鋼支護方式進行塌方段的開挖支護，確保施工安全[5]。

4 塌方預防技術

通過上述塌方實例，可知由地質因素引起的塌方是不可預見的，但是并非不可預防。通過3年多的項目實施，也制定了一系列的預防措施，具體如下：

第一，采用地質雷達進行超前預報。

第二，做好掌子面地質素描的分析。

第三，加強施工監測，包括測量掌子面的變形、頂拱下沉、周邊收斂、圍巖內部位移、鋼支撐受力情況的監測。

第四，加強滲水觀測和量測，對滲水較大的地段增設排水孔，做好地下水承壓水和滲水的引流。

第五，有必要的時候進行巖芯取芯檢查。

第六，對季節性的降雨做好統計，提前預防降雨導致的滲水和涌水現象。

第七，施工過程中要嚴格按照“新奧法”施工原理進行開挖。

第八，對于破碎圍巖加強支護結構及改變圍巖屬性，可提前采用掌子面預固結灌漿的方式增加圍巖的整體性從而改變圍巖屬性。

5 結語

綜上所述，對于埋深較淺的大型塌方，為了安全起見，采用開挖的方式較為合理安全。對于洞身埋深較深，主要是采用塌方體固結、掌子面預固結灌漿、混凝土回填腔體、滲水引流、塌方裂縫段固結灌漿、超前錨桿、超前小導管、超前管棚及型鋼加強支護結構等具體措施進行處理。對于塌方預防主要還是采用超前預報、施工監測、圍巖條件分析、施工過程嚴格控制及加強支護構造改變圍巖自身屬性的方式。