馬蘭黃土隧道不良地質缺陷整治技術研究

程曉剛

(中鐵十八局集團建筑安裝工程有限公司，天津 300308)

0 引言

馬蘭黃土以粉粒成分為骨架，相互間多為點接觸，孔隙較大，具有垂直節理，一般情況下穩定性較好，但其抗水性能差，遇水易崩解，具有濕陷性。將馬蘭黃土作為隧道開挖對象，在施工過程中黃土天然應力分布狀態發生改變，隨著圍巖支護的施作，黃土會再次發生應力重分布，隧道圍巖的應力一部分向附近區域傳遞，另一部分以沉降變形或塌方等地質災變的形式進行應力釋放。這對圍巖的穩定性、施工進度及施工安全帶來極大威脅。為了解決以上工程問題，本文以銀昆高速公路某隧道為例展開研究。

1 工程概況

該隧道圍巖由新黃土與老黃土組成，洞身為V級圍巖,黃土層成巖性差，結構相對疏松，其自身強度低，抵抗外力破壞的性能差，垂直節理發育，彼此在水平方向的連接力較弱，干燥時，黃土的強度較高，襯砌受力較小，遇水后顆粒連接力削弱，黃土強度隨之降低，易引起襯砌受力不均勻，并且由于隧道表層黃土厚度分布多不均勻，使隧道易形成偏心壓力，成為偏壓隧道，造成塌方等地質災害。

2022 年5月13日下午該隧道右線進口K130+138—K130+147左側地質突變發生沉降，導致套拱及初支發生嚴重變形及沉降，此時仰拱施工里程為 K130+147，距離突變處0m，二次襯砌施工里程為K130+197，距離地質突變處50m。洞頂一級坡平臺出現輕微裂縫，K130+138—K130+140套拱左側明顯向右收斂1.6m，K130+140—K130+147左側初支明顯向右偏移1m，且鋼拱架明顯變形，K130+147位置鋼拱架斷裂，出現1m范圍的空洞，且持續掉土，K130+147—K130+187初支出現沉降變形，如圖1所示。

圖1 套拱與初支變形及沉降

2 現場臨時處理方案

沉降發生后，現場人員第一時間進行緊急處理，防止工程災變擴大，同時為事故調查爭取更多時間，具體措施為：①塌陷土體穩定后，項目部安排人員對洞內及頂部塌陷位置進行圍擋警戒；②對偏壓沉降部位兩側下臺階進行初次回填并施作臨時仰拱，待初次臨時仰拱凝固后進行二次回填施作二次臨時仰拱進行加固，如圖2a所示；③對斷裂部位進行噴漿支護，防止二次坍塌，如圖2b所示；④對仰坡及一級坡平臺進行二次防水布覆蓋，如圖2c所示，安排測量人員保證安全的前提下及時對洞內圍巖進行量測。

圖2 現場臨時處理方案

3 隧道坍塌成因

沉降發生后，多方調查人員趕赴第一現場進行實地調查，最終發現導致套拱及初期支護產生嚴重變形及沉降的主要原因為：隧道右線進口段在施工過程中，處于天然應力狀態的土體發生應力重分布，導致突發性坍塌，本次坍塌對隧道其他位置的圍巖產生較強烈擾動，進而造成進口洞內K130+140—K130+187段隧道大面積坍塌，以及隧道坍塌處至洞口方向47m范圍初期支護的嚴重下沉，并產生大量裂縫。

4 處治方案

針對以上工程災變成因分析，本項目采取“洞口臨時支護→洞內反壓回填→地表、超前小導管注漿→臺階法開挖、換拱→施作仰拱、二襯→兩側及洞頂回填”的方法進行專項治理，具體處治方案如下。

4.1 反壓回填

洞口臨時支護加固完成后，在二襯混凝土強度達到要求的前提下，對K130+140—K130+187段進行全斷面反壓回填，并在 K130+187處往洞口方向由洞頂至路面設置 1∶0.5 斜坡進行錨噴護面，如圖3所示。

圖3 反壓回填(單位：cm)

4.2 地表、超前小導管注漿

1)地表注漿 從K130+159—K130+201段42m 范圍垂直打入φ42鋼管進入地表進行注漿，先根據放樣將鋼管的孔位用紅油漆標出，間距 100cm×100cm(環向×縱向)，利用挖掘機將注漿管打入地下。鋼管長8m，管口車絲設止漿閥，在管尾后段50cm處將麻絲纏繞在管壁上呈紡錘狀，麻絲上涂抹錨固劑，將孔口管頂進注漿孔后，埋設牢固并用錨固劑將孔口管與地表間隙封堵，防止注漿過程中漏漿。

2)超前小導管注漿 徑向注漿達到強度后，拱頂縱向設置超前小導管注漿，超前小導管長度L=4.5m,α=12°，環向間距40cm。小導管采用φ42 熱扎無縫鋼管，注漿材料采用水泥液漿，水灰比為 1∶1， 注漿壓力控制在0.5～1.0MPa，注漿施工如圖4所示。

圖4 注漿施工示意

4.3 臺階法開挖、換拱

1)開挖注意事項 超前小導管注漿達到強度后進行開挖、換拱，開挖方式采用臺階法。開挖要達到拆除1榀支護1榀。鋼拱架設計間距60cm。拆除時宜從上往下施工，拱頂施工完畢噴漿后再拆除下部鋼拱架，保證安全。進行測量放線時，應加大15cm，防止圍巖再變形侵限。加強施工中的監控量測工作，及時反饋信息以調整支護參數。

2)初噴混凝土 鋼拱架拆除完畢后，用高壓風槍清除干凈粉塵，立即采用濕噴工藝初噴混凝土，噴射作業應分段、分片由上而下順序進行，每段長度≤6m。 初噴厚度4cm，如終凝后間隔1h以上且初噴表面已蒙上粉塵，受噴面用高壓氣體清除干凈。

3)錨桿施工 錨桿鉆孔利用開挖臺車，按設計間距120cm×60cm(環向×縱向)布孔，鉆孔方向盡可能垂直于結構面或初噴混凝土表面，錨桿孔比桿徑大15mm，成孔后采用高壓風清孔，鉆孔本身呈直線，方向沿隧道周邊徑向，并盡量與巖面垂直，不得平行于巖層面打設錨桿。注漿及錨桿安裝利用開挖臺車作為施工平臺，藥卷使用風槍將錨固劑打入錨桿孔內，錨固劑藥卷經風槍打入孔底，藥卷打入結束后立即進行錨桿桿體安裝，在距錨桿底部30cm處設止漿段，進回漿管在孔口通過鋼墊板預留孔口引出。孔口承壓墊座鋼墊板面與錨孔軸線垂直，承壓墊座必須平整、牢固。若鋼墊板面與錨孔軸線不垂直，孔口外側可用快凝砂漿找平。

4)鋼架施工 隧道各部開挖完成噴混凝土后，分單元及時安裝鋼架，利用系統錨桿及雙側鎖腳錨管固定，縱向采用鋼筋連接，鋼架間鋪掛鋼筋網，然后復噴混凝土到設計厚度。鋼架安裝前把按設計加工好各單元鋼架組織試拼，檢查鋼架尺寸及輪廓是否合格。在施工過程中需加強對鋼架安裝以后的監控測量，必要時采取有效措施進行加固，以防止拱頂鋼架下沉。

5)掛網施工 鋼筋網宜在初噴混凝土后掛設，使其與噴射混凝土形成一體，初噴混凝土的厚度宜≥4cm； 鋼筋網搭接長度應為1～2個網格邊長；噴射混凝土時，應調整噴頭與受噴面的距離、噴射角度，以減少鋼筋振動，降低回彈，并保證鋼筋網噴射混凝土保護層厚度≥4cm；噴射時如有脫落的塊體或混凝土塊被鋼筋網卡住，應及時清除。

4.4 仰拱、二襯施工

初期支護施作一定距離后，由于K130+197—K130+147段仰拱已施作。根據現場條件及時施作二襯，二襯及時跟進封閉成環，起到早閉合、防塌方的作用，同時能保證洞內道路暢通，便于洞內排水。

4.5 隧頂回填

洞頂塌陷段二襯施作后，對隧頂采用4%水泥土進行回填，表層50cm回填種植土。回填完成后，做好防排水工作。

5 沉降監測

為了及時掌握施工中隧道圍巖和初期支護變形收斂程度，確保洞內開挖及施工安全，本隧道必須進行監控量測。其目的是進行隧道日常的施工管理，經對量測數據分析處理與必需的計算判斷后進行預測和反饋，以保證施工安全和隧道穩定，并為今后設計與施工提供依據。

監測對象包括地表沉降監測、水平收斂監測和拱頂下沉監測。其中，地表沉降監測目的是了解隧道開挖過程中隧道頂部對應地表的最大沉降值，為調整隧道開挖速度和支護強度參數提供依據；水平收斂及拱頂下沉監測是反映圍巖與支護結構力學形態變化的最直接、最明顯的參數，通過監測可了解圍巖和支護結構的穩定狀態。以里程K130+170處的地質突變沉降點為例(見圖5)，結合該位置處的沉降監測數據進行如下分析。

圖5 里程K130+170處地質突變沉降監測

由圖2可發現，在2022年5月13日前，里程K130+170處隧道拱頂沉降并不明顯，但在這期間地表沉降幅度較大，水平收斂速度較快，說明該位置處隧道存在發生潛在地質災害的風險。2022年5月13日下午，拱頂沉降量、地表沉降量和水平收斂發生陡增，隨即發生隧道坍塌，事故發生后，施工單位組織人員進行緊急處理，直至14日完成，處治方案詳見第3節。該段隧道經過專項處治(2022年5月15日)后，地表沉降、水平位移和拱頂下沉的累積量迅速收斂，最終滿足設計規范中Ⅴ級圍巖沉降量要求。

6 結語

本文以銀昆高速公路某隧道為依托，研究馬蘭黃土隧道在開挖施工過程中突發地質災害的處治方案，本項目在事故發生后進行了緊急處理，防止工程災變進一步擴大。并根據隧道坍塌成因，采取“洞口臨時支護→洞內反壓回填→地表、超前小導管注漿→臺階法開挖、換拱→施作仰拱、二襯→兩側及洞頂回填”的方案進行治理，最后對隧道圍巖和初期支護變形收斂程度進行監測和分析，發現地表沉降、水平收斂及拱頂下沉均滿足設計規范中Ⅴ級圍巖沉降量要求，從而驗證了該專項處治施工方案的可靠性，并為以后類似事故治理提供了借鑒。