分離式四車道隧道塌方段處治技術

王 偉

(中鐵十九局集團第六工程有限公司，江蘇 無錫 214000)

1 工程概況

上、下行分離式四車道高速公路某隧道上、下行線起訖里程分別為SK97+280～SK99+010、 XK97+295～XK99+037，屬松軟黃土、亞黏土和弱膠結巖石型深埋長隧道。隧道出口端上行線暗洞進洞45.5 m，掌子面里程SK98+944.4,仰拱里程SK98+962.5，仰拱距掌子面18.1 m；下行線暗洞進洞46 m，掌子面里程XK98+973.5,仰拱里程XK98+986，仰拱距掌子面12.5 m。掌子面圍巖為強風化泥巖，青灰色，亞黏土狀，風化裂隙及層理發育，呈碎裂狀松散結構。上行線拱頂開挖、下行線左側拱部側壁開挖時，拱頂均發生塌方。為防止塌方擴大，在塌方稍穩定后對塌腔多次噴射砼以封閉支護，封閉完成后現場查看，上行線拱頂形成不規則漏斗狀塌腔，高約7 m，寬約8 m。2019年7月9日凌晨，下行線出口端開挖XK98+949.4～+950段拱部，進尺0.6 m，早晨7:30完成該段鋼拱架支撐，8:00正準備拱部噴射砼時，線左由拱腳至拱頂偏線右約2 m范圍巖體突然出現大面積滑塌，至上午9:00拱部坍塌體已將線左掌子面封堵，之后該段一直有零星巖體滑塌，至7月11日早晨基本穩定。根據現場觀察，塌方體長約3.0 m，塌體高度7～8 m，塌方量約400 m3。為保證人員安全，立即停止了掌子面施工，并對洞頂地表進行觀察，發現XK98+948～+950段地表已出現8～10 cm裂縫，XK98+950～+980地表已出現4～6 cm裂縫，如圖1所示。XK98+950～+960段拱部一次襯砌已出現1.0 cm寬環向裂紋，見圖2。

圖1 地表裂縫與隧道平面位置關系示意圖

圖2 洞內環向裂縫現狀圖

2 隧道塌方段塌方處治

塌方發生后，多次進行噴射砼支護，防止塌腔的進一步擴大，待塌腔穩定后按以下方法處治該塌方。

(1)考慮到隧道圍巖極其破碎，無任何自穩性和黏結力，采用先噴射砼穩定塌腔，待噴射砼厚度和強度達到對圍巖面能形成自穩性要求后，進行塌方處理[1]。

(2)為確保操作工人的安全，在塌腔經噴射砼形成自穩性后，縱向鋪設環向間距30 cm的I20a工字鋼，工字鋼長度應滿足一端能支撐在已完成的一次襯砌砼頂部，另一段能伸入未坍塌的掌子面上，并形成一定的傾斜角度，見圖3。完成工字鋼及木板鋪設后，敷設隧道頂部鋼筋網，鋼筋網間距10 cm×10 cm，然后噴射砼，形成堅固的護拱。

(3)護拱噴射砼強度滿足要求后，進行一次襯砌的拱架架立及一次襯砌模板安裝，然后完成一次襯砌砼澆注工作，再利用預留的三根注漿孔進行噴射砼施工，噴射砼應填滿塌腔體。

(4)塌腔填充密實后，按正常的開挖方式進行下一循環開挖。考慮此段圍巖自穩性差，開挖進尺調整為每循環0.5 m，然后掛網噴射砼進行臨時支護，再開挖下一循環。待開挖長度達到1.5 m，安裝模板澆注一次砼。

(5)超前支護的施作質量是影響開挖能否成功的關鍵所在。此段原設計為大管棚支護，后來因洞內管棚支護無法施工調整為超前注漿小導管，小導管采用外徑42 mm、壁厚4 mm、長450 cm的熱扎無縫鋼管，環向間距40 cm，每環35根，縱向間距200 cm，外插角控制在15°左右，尾端支撐于鋼架上。超前小導管注漿采用水泥漿(水玻璃添加量應為水泥漿重量的5%)，水灰比為1∶1，水玻璃濃度為35波美度，模數為2.4，注漿壓力為0.5～1.0 MPa[2-3]。施工期間全程跟蹤超前小導管注漿的效果，并對其做出效果對比分析。

圖3 拱頂坍方處理

3 隧道塌方段裂縫處理

3.1 裂縫成因分析

對XK98+960、XK98+966及XK98+976斷面進行拱頂沉降和上臺階水平收斂量測，典型的測量結果見圖4和圖5。對測量數據、現場施工條件和施工方法等進行綜合分析，認為裂縫產生的原因如下：

(1)地形條件是產生洞內外裂縫、洞身變形的主要原因。根據隧道出口端平面布置圖、現場斷面測量資料和實地踏勘，XK98+900～XK99+017段受偏壓地形影響，尤其在XK98+930～+980段線左7～12 m受地形切割較深因素影響，產生較明顯偏壓。暗洞開挖后，拱頂產生沉降，部分土體擾動；加之洞頂受偏壓地形影響，造成拱頂巖體松動區域范圍逐步擴大，地表出現不均勻沉降，繼而產生地表裂紋；地表裂紋逐步發展，與洞頂松動區相互影響，洞頂裂縫與洞內松動區之間形成貫通面后，隧道洞頂部受自重荷載明顯大于偏壓荷載，引起土體松散，導致洞身變形，使得成型拱部一襯出現拱頂下沉和拱腳明顯收斂[4]。洞頂地表裂縫主要走向與線左線路走向及切割地形等基本一致，且洞內一襯在線左拱墻連接處和拱腳處多處出現斜裂紋，而線右僅出現沿施工縫環向裂紋，由此可證明洞身一襯變形主要由地形偏壓引起。

(2)圍巖地質特點是產生洞內外裂縫、洞身變形的又一原因。隧道暗洞進洞約35 m開始下臺階出現泥巖地層，上臺階由灰褐色水平分層狀泥巖和第四系黃土、黏土層組成，泥巖地層隨洞身掘進增加逐步向拱頂發展，存在含水量相對較豐富的泥質膠結的結合部，結合部由黃土和泥巖層組成。洞室開挖后在臺階界面及隧底等低洼處出現積水現象，受開挖后風化加劇和泥巖遇水后軟化、承載能力降低等因素影響，開挖輪廓線外巖體對一襯壓力增加，造成洞內外產生裂縫、洞身出現變形。

(3)氣候變化因素影響。7月份后，本地區下雨量明顯增加，因隧道埋深小于20 m，地表水滲入造成隧道拱頂一定范圍內巖體軟化導致洞內支護下沉；加上K98+950～+980段拱部多處滲水，洞內受地下水影響明顯，在地表水和地下水共同作用下，部分洞內外裂縫形成貫通面，導致隧道洞身變形。

(4)施工條件局限和施工工法缺陷對隧道變形也有一定影響。采用臺階法施工，拱部開挖至仰拱封閉成環時間相對較長，拱腳及拱頂出現下沉。

(5)隧道在地表裂縫逐步發展貫通至洞頂和掌子面突然出現塌方兩種因素共同作用下，XK98+948.4～+980段在開始開挖后14 h內出現拱頂下沉4.7 cm，拱腳收斂4～16 mm，若不采取臨時仰拱封閉上臺階和拱部，加設枕木垛等加固措施，則該段發生坍塌、甚至“冒頂”的風險性極大；此外，K98+954～+980線左拱腳和拱墻連接部位多處出現斜向裂縫，說明隧道自掌子面至二襯作業面受偏壓荷載影響較明顯。

圖4 洞內上臺階拱腳處收斂變形曲線圖

圖5 洞內上臺階拱頂下沉變形曲線圖

3.2 裂縫處治方法

(1)根據監測數據和洞內外裂縫出露情況，分析XK98+948.4～+963段在當日15:00左右已處于急劇變形階段，若不采取果斷的加強措施，極易引起大的塌方事故。采取先在XK98+954～+960段設鋼支撐，臺階界面處設腰撐，之后澆注40 cm厚C25砼臨時仰拱。臨時仰拱完成后發現拱腳砼出現斜裂紋，隨后對裂紋進行標記和觀測，發現變形在繼續擴大而且收斂變形結果顯示水平收斂在變大，于是在隧道中心位置設置枕木垛進行支撐，抑制變形。枕木垛搭設完成后繼續每隔1 h進行監控量測，變形趨于穩定。

(2)掌子面塌方區域處理。先噴混5 cm厚C20混凝土封閉固結塌體表面。然后自塌體坡腳至拱頂按臺階法碼砌編織袋擋墻，縫隙采用10 cm厚噴射砼封閉，以防止塌體進一步溜塌。在塌方體端部用潛孔鉆鉆上仰角約50°、Ф150 mm的孔2個，鉆至端部塌方巖體頂部后，采用大錘、風鉆頂入Ф108 mm鋼管，鋼管上端超出塌方巖體頂部3.0 m以上。再采用C25泵送砼填充塌腔端部，填充高度3 m，并在拱部一襯端面后退2 m，打入長10 m、間距0.4 m、仰角8°～10°的Ф89 mm管棚。完成后，在一襯砼面設厚40 cm、寬100 cm套拱，形成止漿盤，孔內壓漿，注漿壓力1～4.0 MPa。預留核心土采用臺階法開挖，開挖時，根據管棚注漿效果，確定是否增加30°～45°、Ф42 mm的注漿小導管。

(3)受偏壓地層影響較嚴重地段處理。①地表處理。受偏壓地層影響較嚴重的XK98+920～+980段，自線右30 m向線左30 m，按1∶3～1∶4橫坡切除洞頂松散土體，洞頂中軸線處挖除高度6～8 m，洞頂卸載土體運至線右回填。洞頂卸載完成后，在SK98+945～+965洞頂平面內，采用地質鉆機鉆Φ108 mm注漿孔。注漿孔由地表至隧頂長12～19 mm，間距1.5～2.5 m。采用超細水泥劈裂注漿，成孔一個注漿一個，注漿壓力2.0～2.5 MPa，注漿深度為隧頂至地表下3～5 m，采取由下至上分段注漿，分段高度約2.0 m[5-6]。注漿結束后，地面采用3∶7灰土夯填。②洞內處理。XK98+980～+985段仰拱兩次施作，做到一襯盡早封閉成環。按先線右、后線左錯開3 m開挖邊槽，邊墻厚度增加15～20 cm，每次開挖與襯砌長度為1.5～3.0 m。邊墻與仰拱填充交替施工，至XK98+960填充完畢，二襯緊跟。完成洞頂注漿且二襯施工至XK98+960后，先開挖XK+960～961.5邊槽，槽寬1.5～2.0 m，開挖長度0.75～1.5 m/次，完成該段左邊墻一襯后再施工對應右邊墻，拆除該段臨時仰拱；按此順序完成剩余臨時仰拱段邊墻施工；對應仰拱及填充進尺1.5～3.0 m/次，完成后澆注該段二襯。

(4)其他施工措施。①在臺階界面處沿鋼拱架拱腳或連接處各設2根3.5 m長注漿小導管，小導管與拱架之間采用“L”形鋼筋焊接。②縮小分部開挖高度，將掌子面與仰拱作業面距離控制在20 m左右，盡可能縮短拱部開挖到仰拱封閉之間的時間；一襯面滲水明顯部位增設透水盲管。③使用裂縫觀測儀觀察洞內裂縫變化規律，加強一襯砼拱頂、拱腳沉降和收斂量測，通過量測數據判斷一襯穩定性，并優化開挖方法。④洞身一襯變形加劇時，采用臨時仰拱、對口撐等使分部開挖形成閉合環，必要時采取搭設枕木垛、在一襯面加設砼“拱帶”等加固措施。

4 結語

隧道塌方段處治直接關系到隧道施工的安全、工期和經濟效益，是隧道出現塌方后必須解決的關鍵問題。出現地表開裂會給隧道塌方段的處治帶來更大的困難，對該塌方段進行處理時，應通過變形監測及實地考察，分析塌方及引發地表開裂的原因，采取有效的處治措施。該分離式四車道隧道通過采取上述處理措施，順利安全地完成了塌方段的施工，表明采取的處治方法是成功的，為解決隧道塌方段塌方及地表裂縫處理以及預防隧道塌方積累了技術資料。