隧道施工塌方治理技術應用研究

毛鵬飛

（總裝備部工程建設監理部，北京 100028）

1 隧道塌方原因

1.1 設計原因

隧道設計方法包括現場監控法、理論計算法和工程類比法。工程類比法是不少單位常用方法，此方法對于設計人員的經驗有很強的依賴性，通常是直接套用類似工程項目的方案，缺乏對工程具體情況的考量，導致設計方案不夠合理，這也是公路工程隧道塌方事故頻繁發生的重要原因[1]。

1.2 施工原因

在隧道施工中，不少參與施工的工作人員的專業素質不能完全滿足施工要求，導致施工環節經常出現開挖數據和爆破參數不準確、支護方式不合理的情況，塌方問題也會隨之出現。

1.3 地形地質原因

隧道工程施工受地形地質因素的影響很大。在不良地形地質路段，隧道圍巖宜破碎，塌方事故發生的可能性也非常大。若缺少超前地質預報，或預報信息缺乏準確性和完整性，使施工過程中缺少有效的地質信息參考，只能借鑒自身經驗進行施工，會使施工的科學性無法得到保證。

1.4 監控測量原因

隧道施工多采用新奧法，強調對施工全過程的監測，但很多項目的施工過程中，管理人員沒有認識到監控測量工作的重要性，進行隧道開挖及支護時，缺乏有效的數據資料，增加了塌方事故發生的概率[2]。

2 治理隧道塌方的原則

隧道工程施工首先要做好預防工作，對存在的安全隱患進行排查，盡可能避免事故的發生。在制訂塌方處理方案時，應充分結合實際，確保方案的可行性和針對性：（1）做好塌方原因的分析，對塌方范圍進行勘察，確定事故對后續施工產生的影響；（2）依據勘察結果提出有針對性的處理方法，對塌方區域及周邊區域進行處理，保證隧道施工的順利進行；（3）做好處理過程的監管工作，對于存在的隱患，采取后續措施盡量消除，避免發生二次事故。

3 隧道施工塌方治理技術

3.1 小導管注漿技術

小導管注漿技術工作效率高，可采用多臺鉆機同時鉆孔，保證實施的有效性和靈活性。需要注意的是：（1）小導管應選擇焊接鋼管或者無縫鋼管，直徑為40～50 mm，長度通常為3～5 m，可以分為單層小導管和雙層小導管。應沿隧道拱部輪廓線的外側設置，環向布設范圍和間距由地層性質決定，其位置、深度應滿足設計要求。（2）注漿材料應具備良好的可注性，確保漿液固結后具備較高的強度，抗滲性和穩定性良好。常見材料包括改性水玻璃漿、普通水泥漿液、水泥-水玻璃雙漿液。（3）應采用由下而上的注漿順序，間隔對稱進行，相鄰孔位錯開，注漿壓力控制在0.1～0.4 MPa，終壓由地層條件和周邊環境控制的要求確定，通常不超過0.5 MPa，穩壓時間不少于2 min，如果采用劈裂法，壓力應超過0.8 MPa，應嚴格控制注漿速度，確保其不大于30 L/min，同時做好監測工作。

3.2 管棚注漿法

管棚注漿法可以對隧道拱頂進行加固，在隧道周邊設置鋼管，對圍巖進行注漿加固，產生的加固圈可以幫助巖層更好地承受荷載。施工應“先外后內”“跳孔注漿”“由稀到濃”，注漿前，需要在鋼管中沿管壁設置直徑為15 mm 的排氣管。等到排氣孔有漿液流出并且漿液濃稠時，實施終壓注漿，直至達到設計注漿壓力。注漿結束后，需要對注漿管內的漿液進行清理，使用30 號水泥砂漿充填，提高管棚的強度和剛度[3]。注漿孔仰角需要依照鉆孔深度和鉆桿強度確定，通常為1°～1.5°，鉆機最大下沉量和左右偏移量應為鋼管長度的1%。管棚不能侵入開挖線內，相鄰鋼管不能立交或者碰撞。

4 隧道塌方治理要點

4.1 明確施工步驟

1）做好掌子面的加固處理，避免塌方范圍擴大，常用的加固處理方法包括中空錨桿、小導管注漿、止漿墻等；

2）對塌方影響段進行處理，可選擇的處理方式包括工字鋼加固、鋼筋網噴射混凝土等；

3）做好塌方段的管理工作，常用的方法為護拱法，需要提前做好圍巖處理，對排水管設施進行完善，然后使用混凝土噴射的方式進行封閉，控制混凝土厚度最小為16 cm；

4）繼續進行隧道的開挖應該嚴格依照相關標準，避免出現二次塌方問題。

4.2 優化施工管理

優化施工管理工作，應安排專業技術人員收集隧道所處區域的地質環境信息，結合實際情況確定支護參數、設計出合理的治理方案，配合先進的施工設備和專業的施工隊伍，保證處理效果。施工中需要合理應用地質預報技術，明確圍巖的實際情況，做好缺陷部位的準確定位，為后續處理工作做準備。

5 工程實例

5.1 工程基本情況

某隧道所在場區地貌為黃土梁峁，沖溝發育，地形起伏較大，洞身位于Ⅱ～Ⅲ級自重濕陷黃土中，圍巖級別為Ⅴ級。隧道掘進采用“三臺階七步法”。掘進過程中，在A-A 剖面發生塌方，該隧道第二岔洞塌方區平面圖如圖1 所示。

圖1 隧道第二岔洞塌方區平面圖

5.2 塌方基本情況

對該隧道主洞掘進支護到塌方部位時，曾發生過一次小型塌方，塌腔以31 m3混凝土噴實后做了鋼拱架加錨噴支護。在對第二岔洞進行上臺階（拱部）開挖支護過程中，拱部、側墻及前方掌子面發生多次“即挖即塌”的現象，遂采取邊開挖邊用方木、背板支撐的方法加固，對前方掌子面坍塌較深的部位（向前、向上約2～3 m），采取外徑φ48 mm，壁厚3.5 mm 鋼管桁架及方木、“背柴”填塞法支護。某日開挖處突然發生較大規模的塌方，作業腳手架被掩埋壓壞，未切割的拱頂附近DN108 mm 超前支護管棚全部塌落、擠彎，部分焊接接口斷裂。塌方高度約7.55 m，塌腔頂部相對標高12.90 m（即地坪標高-15.000 m，此時以±0.000 m 計），其上山體表面距室內地面高29.31 m，上覆土厚度16.41 m。塌方量約95 m3。

5.3 塌方原因分析

1）地質因素是決定因素。塌方部位正好處于地表較大沖溝的底部，在塌方前有幾次大中雨，致使濕陷性黃土受雨水浸潤，變得更為松軟易塌。

2）主洞施工期間雖塌方量較小，當時采用模噴的方法處理，極易形成頂部的小型空腔（側洞開挖后得到了證明），經一年多的松弛變形，使山體松動的范圍進一步擴大，形成了“即挖即塌、不挖也塌”情況。

5.4 采取的處理措施

5.4.1 塌方洞口封堵

第二岔洞停止開挖，對現有洞口進行封閉。

1）圍巖監控測量點埋設及測量頻率嚴格按照要求實施，必要時加強測量頻次，及時對測量數據進行整理分析。

2）安裝水平導管,在塌方洞口范圍水平設置3 排φ48 mm導管加固，長6.0 m，水平間距150 mm，垂直間距800 mm，每排導管下部與初噴I18 工字鋼焊接固定。在第一排水平錨管下的工字鋼下部再設置一排錨管，間隔300 mm 布置，與工字鋼焊接。

3）導管安裝后，安裝鋼骨架（I18 工字鋼），鋼骨架采用mm 螺紋鋼與主洞初襯I18 鋼拱架焊接固定，再掛網片（最上層掛雙層網片，封閉塌腔洞口；下兩層沿工字鋼垂直掛網）。鋼骨架采用I18 工字鋼，網片采用φ8 mm 鋼筋。然后噴厚25 cm 的C25 混凝土，預留注漿孔與通氣孔，使圍巖初步穩定（見圖2）。

圖2 塌方洞口封堵

5.4.2 塌腔灌注混凝土

1）塌腔采用泵送C25 混凝土進行回填處理，分次泵送混凝土，混凝土的澆筑厚度控制在2 m 以內。

2）灌注混凝土之后，用I18 的工字鋼與主洞初襯鋼拱架切割部位焊接，恢復初襯拱架。掛雙層鋼筋網片并噴射混凝土C25 至設計厚度，如圖3 所示。

圖3 塌腔灌注混凝土

3）彈簧透水軟管引出后，被切割的主洞二襯墻體部分及防水部分須根據設計修改圖而制訂詳細實施方案。

5.4.3 塌腔后續處理

采取上述措施后，阻止了塌方的進一步發展，保證了施工的繼續進行，但其屬于緊急搶險，未能對塌腔進行完全加固。隧道貫通后，側洞仰拱澆筑完畢，硐室穩定性大幅提高，對塌腔進行后續處理。

1）塌方區影響范圍確定

根據巖土工程勘察報告，黃土的內摩擦角φ 取32°。塌腔高度D 為7.5 m，上覆土厚度C 為16.41 m，C/D=2.19，一般認為C/D＞3 時，空硐的坍塌不會影響到地表。因此，可假定塌腔影響區土體破壞模式為朗肯主動破壞模式，將塌腔形狀簡化為直徑為4.337 m，高7.5 m 的圓柱體，則破壞線與水平面的夾角為45°+φ/2=61°，塌腔影響區范圍如圖4 所示。

圖4 隧道塌腔影響范圍及處理示意圖

2）加固準備

在塌腔影響區外5 m，山頂一側，打入直徑25 mm，長2.5 m 的螺紋鋼20 跟，間距1 m，用以固定安全帶；距塌腔地表中心點7 m，開挖寬40 cm，深30 cm 的圓形排水溝；以塌腔地表中心點為中心，搭建高5 m，寬5 m，長5 m 的防雨棚。

在山頂一側，距離塌腔地表中心點1.5 m 和塌腔地表中心點打直徑200 mm 的圓孔直達塌腔，圓孔用直徑200 mm 的PVC 給水管護壁，管壁與孔壁空隙用細砂填實（見圖4）。在以塌腔地表中心點2.0 m 為半徑的圓上，間隔60°，分別打孔深為3 m、6 m、9 m、12 m 和15 m，直徑為110 mm 的監測孔，監測孔用直徑110 mm 的PVC 給水管護壁，管壁與孔壁空隙用細砂填實。

3）加固措施

塌腔注漿漿液中所含水分過高容易造成濕陷性黃土的再次塌陷，因此，采用C25 混凝土填充塌腔。用長桿或者鉛垂線測量填充孔深，當填充孔深小于初始孔深即為填滿；沉降監測頻率為2 次/h，當監測孔深不小于9 m 的沉降值都大于10 mm/d 時，停止施工；用長桿深入填充孔檢測填充體硬度，待填充體開始硬化后，用水泥漿將填充孔和沉降監測孔全部堵死，表層孔口用黃土夯實。

5 結語

在隧道施工中，塌方是常見的工程事故，其產生的原因包括設計、施工、地質、測量等，而一旦出現隧道塌方問題，將會造成巨大的損失，需要采取有效的措施進行處理，避免事故影響范圍擴大。因此，施工單位應切實做好隧道塌方事故的預防工作，盡可能減少施工中的不良影響，結合實際情況做好現場勘測工作，提高工程施工的技術水平。