公路特殊地質隧道塌方原因分析及處治措施

鄧楊健，李樂友

(1.廣西交科集團有限公司，廣西 南寧 530007；2.廣西交科工程咨詢有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

處于斷層破碎帶內的隧道段落，其圍巖一般復雜多變，巖體破碎，自穩能力差，往往容易發生洞內坍塌、冒頂等事故災害，給施工中的生命財產帶來很大的安全隱患。安全有效地處治隧道塌方，對保障隧道施工及運營安全具有重要的意義。本文基于新寨隧道塌方實例，分析隧道斷層破碎帶走向對隧道圍巖的影響，探討了隧道塌方的原因，為新寨隧道塌方提供了相關的處治方案以及建議，并結合現場監控測量結果對處治效果進行了評價。本文研究結果可為處于斷層破碎帶的公路隧道塌方處治提供借鑒。

1 工程概況

田林至西林高速公路新寨隧道位于廣西田林縣福達鄉境內，呈東西走向，分離式中隧道，隧道左線ZK21+804～ZK22+405，長601 m，右線K21+812～K22+443，長631 m。經鉆探揭露：ZK22+148～ZK22+212段，長64 m，鉆孔深度范圍內的圍巖為中風化砂巖夾泥巖(T2b)，局部發育有寬約4.3 m的斷層破碎帶，巖體破碎，呈碎裂結構，Rc=20 MPa，Kv=0.30，呈潮式狀或點滴狀-淋雨狀出水。該段存在電阻率低阻區，主要是由裂隙水引起，局部為斷層破碎帶引起，隧道施工中可能會出現不良地質問題。

2 現場施工情況

隧道施工在進入S5c斷層破碎帶后，采用環形開挖預留核心土工法，以短進尺每循環開挖不超過一榀鋼架間距，強支護及時跟進。由于地質及裂隙水影響，期間仍多次出現掌子面垮塌現象。所幸該破碎段鉆探地質資料和超前地質預報準確，已引起各方高度重視，現場派有經驗豐富的專業值班人員緊盯觀察，當發現有小股石塊碎落時，及時通知作業人員撤離作業面，因此，每次隧道塌方均未造成任何人員傷亡。

11月5日，隧道左線樁號ZK22+175處發生垮塌，主要范圍為拱頂，垮塌巖體破碎，夾雜泥巖較多，左拱腰存在點滴狀滲水。

11月18日，左線于樁號ZK22+196處再次發生垮塌，主要范圍為拱頂，垮塌巖體破碎，夾雜泥巖較多，塌體全部封閉了掌子面，開挖臺車全部報廢，左拱腰有股狀出水。

此次垮塌體沿隧道西林方向一直持續至ZK22+202，其中在ZK22+200～202，垮塌體多為大塊徑較堅硬巖石，斷裂面較整齊，夾雜少量泥巖。

11月25日，右線樁號K22+197掌子面拱頂處發生小面積垮塌，垮塌體主要為泥巖夾少量大塊徑石塊，拱頂出現滲水，呈淋雨狀。

11月25日，左線樁號ZK22+198.5處沿拱頂垂直方向打探管，約4.5 m處探到空腔；樁號ZK22+200處沿西林方向與隧道軸線約40°夾角打設探管，在7 m處探到空腔。

3 原因分析

3.1 地質原因

ZK22+175～ZK22+212與K22+197～K22+208段處于V級圍巖，原設計支護類型為S5c，隧道圍巖主要為中風化砂巖夾泥巖，局部發育有斷層破碎帶，巖體破碎，呈碎裂結構，呈潮濕狀或點滴狀-淋雨狀出水。

結合幾次垮塌的位置和圍巖情況，初步判斷斷層破碎帶與隧道左線在樁號ZK22+175的左拱腰交匯；在ZK22+175～200范圍，斷層與隧道掌子面交匯面積逐漸增大，ZK22+200處交匯范圍為左拱腰至拱頂；ZK22+200～202垮塌體塊直徑大、質地較堅硬、斷裂面較整齊，斷層與隧道軸線夾角為60°～70°，方向為西林方向，初步判斷此處破碎帶已在隧道上方，垮塌原因主要為破碎帶與隧道夾角處的巖體承壓能力稍差，受破碎帶影響，發生垮塌，示意圖如圖1所示；結合右線K22+197垮塌情況，初步判斷破碎帶走向示意圖如圖2～4所示。

圖1 ZK22+200破碎帶走向示意圖

圖2 推測破碎帶(1)示意圖

本次隧道塌方主要受破碎帶影響較大，一是破碎帶巖體破碎程度高，二是山體裂隙水大量匯集在破碎帶內，導致開挖斷面后清渣過程或支護過程中突然出現出水情況，引發塌方。

圖3 推測破碎帶(2)示意圖

圖4 推測破碎帶(3)示意圖

3.2 其他因素

對于圍巖伴有大量裂隙水從側墻與拱部滲出可能造成坍塌的隱患，在現場施工時未引起足夠的重視，應及時加強支護及防排水措施，防止洞室坍塌及涌水。

4 處治方案

詳細調查其范圍、形狀、塌穴地質構造，查明其誘發原因和塌方類型，再據此確定處治方案。

4.1 封閉圍巖

對掌子面及塌方范圍噴射C25混凝土進行封閉，厚度≥10 cm。噴射混凝土施工過程中安排專人觀察圍巖狀況，如有異常立即組織現場人員撤離。

4.2 反壓回填洞渣

對掌子面進行洞渣反壓回填，防止出現更嚴重的垮塌。

4.3 垮塌體穩固

根據現場情況，拱頂埋設φ108 mm注漿管，對拱頂垮塌體進行注漿，將垮塌體進行固結穩定。

4.4 隧道開挖支護

(1)注漿固結后，施工雙層超前注漿小導管，對掌子面前方的巖體進行固結穩固，ZK22+202～ZK22+212段超前小導管長度加長至6 m，擴大固結范圍。

(2)開挖工法為三臺階開挖法，開挖進尺不超過1榀拱架距離，開挖后立即完成初支支護，初支過程中鋼架拱腳必須用鋼板墊實。

(3)初支采用S5c支護，確保每次初支支護貼合掌子面。

4.5 空腔回填混凝土

(1)初支過程中，埋設φ150 mm鋼管用于空腔回填，根據現場探測，左線空腔位于拱頂4.5 m以上，右線空腔位于拱頂約2 m，預埋鋼管管頂延伸至空洞最頂端10 cm處作為混凝土灌注，同時在該管旁50 cm處預埋φ42 mm鋼管作為排氣孔和觀察孔，管頭延伸至空洞頂點5 cm處。

(2)待形成穩定的初支后，對空腔進行泵送混凝土回填，混凝土采用C25混凝土，回填厚度至少2 m，要求分次進行回填。

第一次灌注50 cm厚混凝土，使其形成混凝土護拱，后續回填必須在前一層回填混凝土具備一定強度后進行。在混凝土灌注過程中若發現初支鋼架及混凝土有異常現象時立即組織現場人員撤離，并立即報告。

4.6 設計變更方案保證塌方整體穩定性

按上述步驟施工至塌方終點ZK22+202后，為保證塌方的整體穩定性，經四方單位現場進行設計變更方案，前方開挖時，采用雙層超前小導管長度為6 m，每單元鋼拱架設置鋼管φ50×5 mm鎖腳錨桿，長度為4.5 m。

5 現場實際處理情況

(1)首先固結塌渣堆采取環向固結方式，采用φ42 mm×4 mm注漿小導管，4.5 m/根，共計30根，注漿采用1∶1水泥漿。注漿前對塌渣體表面進行噴射混凝土加以固結封閉。然后對塌穴口封閉，封閉采用鋼管及鋼筋作骨架噴射C25混凝土封閉。為確保后續施工效果和安全，必須對塌方段洞內空腔部分回填。因此，在封閉前預留注漿管，注漿管伸入塌穴空洞內，外漏端頭，用于接管泵送混凝土。

(2)對塌體上方空洞用混凝土輸送泵向塌穴內泵送C25混凝土回填，泵送混凝土分層進行，每次控制在1 m左右，層層之間有一定的停頓時間，保證下層混凝土形成一定強度后才進行上層混凝土澆筑，泵送混凝土總高度為2～3 m，密實、無空洞，形成穩定護拱。

(3)回填泵送混凝土達100%強度后，開始對拱部范圍出渣，高度根據現場塌渣穩定情況而定。然后支立鋼拱架，先支立拱部鋼拱架。鋼拱架鎖腳錨桿采用φ50 mm×5 mm小導管，長度為4～6 m，每側≥8根；及時對下部剩余渣體出渣，然后把上部工字鋼向下順接，形成閉合。

6 處理后的效果評價

為判斷塌方治理后圍巖的穩定性情況，該段每10 m設置一個斷面，每斷面布置3個觀測點(1個拱頂下沉，2個周邊收斂)，每天進行觀察，一個月后的各斷面累計沉降值和收斂值都在35 mm以內，現場噴射混凝土無發現開裂、脫皮現象，滿足規范要求。因此，可以認為該塌方治理方案是可靠有效的。

7 總結

(1)隧道在穿越不良地質地段時常會發生塌方現象，因此需在施工前考慮各種因素，采取必要的預防措施。

(2)嚴格規范施工，采取短進尺、弱爆破、強支護、早襯砌、勤量測的施工方法，制定出切實可行的施工方案和安全防護措施。

(3)塌方一旦出現應馬上處理，分析情況，找到原因后應對未塌方段進行加固處理，防止繼續發展。