地质复杂段隧道塌方处理技术

地质复杂段隧道塌方处理技术

武衡

中交一公局第三工程有限公司北京市100000

摘要：在隧道洞身施工过程中，常常会发生塌方，特别是地质复杂段。本文分析隧道塌方的主要原因，提出隧道塌方处治技术。

关键词：地质复杂段；隧道塌方；处治技术

1.工程概况

某隧道位于曼塞赫拉西偏北南约3km处，以北东向穿越山体。隧道按单洞设计，隧道进口里程桩号K100+922，出口里程桩号K103+450，隧道长2528m，属长隧道。隧道最大埋深约381.66m，其中Ⅴ级围岩405m，Ⅳ级围岩354m，Ⅲ级围岩1753m。

根据工程地质调绘及钻探成果，隧址区山体斜坡上覆盖第四系全新残坡积物，岩性为粉质黏土，局部为块石、碎石，下伏基岩为寒武系花岗岩。隧道处于印度板块与喜马拉雅板块结合带南侧边缘，构造挤压强烈，小型褶皱发育，岩体较破碎。

2.塌方情况

隧道施工至K101+061时，上导断面刚进行开挖爆破后，出渣时，上导有掉渣滑动的异响，随后拱顶有大量的块石滑出（如图1所示）。由于塌方情况不明，塌方处于蠕动状态，随时可能发生大规模塌方，紧急撤离人员及设备，并采用装载机、挖机洞外拉渣对已经支护完成部分约10米进行反压回填，避免引起更大塌方。设专人监控待塌方稳定后探明塌方情况。塌方实际情况调查塌方里程K101+061处掌子面出现滑塌，纵向长度约4.8米，地面冒顶，冒顶范围100㎡，深度约3m，冒顶至拱顶距离约40m，塌方总量约145m³。

图1掌子面塌方情况

根据我国《工程岩体分级标准》（GB/T50218-2014），按照塌方体积或塌腔高度将塌方类型分类，本次塌方属于大塌方。该段为IV级围岩，原设计为Iva支护类型（15cm*12cm格栅拱架，拱架间距1m，超前采用Φ22、长4.2m的砂浆锚杆，系统锚杆采用Φ22，长3米的砂浆锚杆，初支厚度为21cm早强喷射混凝土），开挖方法采用两台阶分步开挖。

表1塌方类型分类

注：只要满足表中塌方体积或塌方高度之一即可。

根据我国《工程岩体分级标准》（GB/T50218-2014），按照塌方体积进行分类（表1），本次塌方属于大塌方，塌方后该段IV围岩变更支护类型为Vc支护类型（Φ50超前注浆小导管，长4.5米，I20工字钢间距80cm，Φ22系统锚杆4.5米，喷射混凝土厚24cm），开挖方法采用三台阶预留核心土开挖法。

3.塌方原因分析

从隧道围岩和支护结构稳定性着手分析，导致隧道塌方地质灾害的原因是多方面的，但综合分析主要有以下方面：地质条件不良、勘察设计不合理、施工方法不当等。塌方施工通常不是由某一个单一原因导致产生的，而是多种原因相互作用的结果。

3.1地质条件

3.1.1岩体结构

岩体结构对隧道围岩稳定性的影响是导致隧道塌方的主要原因之一。一些规模较大塌方，大多是由于围岩破碎、自稳性差引起的。隧道岩体越破碎、越松散，发生塌方的概率越大。层状、块状岩体软弱结构面区域、断层及其破碎带构成不利组合区域，这也是隧道施工塌方的多发区域。

3.1.2围岩强度

围岩强度是导致隧道塌方的另一个重要因素，围岩强度越高，围岩变形破坏的程度越小，隧道支护越容易；围岩强度低、吸水率高、节理发育、稳定性和承载能力较低。当隧道穿越不稳定的软弱地层，由于围岩强度较低，开挖中容易引起塌方。

3.1.3地下水的影响

水是导致隧道塌方事故发生的一个重要因素。在软弱结构面的围岩中，水会冲走填充物或使夹层液化，从而使岩体结构面的抗剪稳定性降低，使岩层与岩层之间产生滑移。地下水的物理化学作用降低岩体强度，对软岩尤其明显，对土体则可促使其液化或流动。

3.2勘察设计因素

隧道地质勘察是隧道设计的前提，也是尤为重要的一个环节。如果地质勘探不详，对隧道区域的主要地层及地质结构把握不准，不能真实地反映实际隧道地质情况，将导致围岩分级、支护参数、开挖方法等不合理。可以说，设计中地质勘察不周密详尽是施工塌方事故产生的诱发甚至主导因素。

3.3施工不规范

3.3.1爆破掘进

爆破方式、炮眼布置、装药量、装药结构等控制不好，震动过大，易造成周边围岩松动范围扩大，降低围岩自承载能力。

3.3.2安全步距及监控不到位

施工工序间安排不合理，各工序拉得较长，支护与二衬之间的距离过大，使初支未及时得到加固，初支稳定性降低。仰拱未及时跟做，未与初期支护封闭成环，初期支护抗力小于滑移力，使围岩急剧变形，有可能来不及施做衬砌，塌方就会发生。

新奥法施工是一个动态过程，对隧道进行实时监控重要环节之一。目前，很多隧道塌方造成人员伤亡、财产损失的原因就是监控不到位。不能在塌方隐患出现前掌握围岩变形规律，不能及时预报围岩变形情况，并进行必要的加强措施，最终酿成塌方事故。

3.3.3支护质量不合格

在软弱围岩、浅埋地层等不良地质未进行注浆、超前支护预处理，不能保证围岩有足够的稳定能力导致塌方。在施工中，未按设计及规范要求施工，如初支背后空洞、初支厚度不够、锚杆长度和数量不足，以及钢拱架间距过大等，致使围岩岩体不能连成整体受力结构，不能保证支护强度与围岩滑移的力学平衡。

4.隧道塌方处治方法

4.1较大塌方处治方法

根据该隧道塌方处治过程，总结一套针对较大塌方处治方法。由于该隧道塌方位于开挖未支护段，未造成初支塌方。针对较大塌方分5个阶段进行，首先在塌方发生时进行监控观察，确定安全后立即进行拉渣反压回填，提高已支护完成段承载能力，然后对地表冒顶周围施做截水沟及对地表冒顶处进行防水覆盖，防止地表水及雨水流入，进而增加拱顶塌方体重量，以控制塌方体的发展蔓延。再进行加固塌方堆积体及前方围岩，处理塌方堆积体并重新施做初期支护。塌方处理全过程实施监控量测，实时提供围岩变形情况，以指导施工。在塌方段围岩基本稳定后，及时施做二衬，确保再次发生塌方。最后对冒顶进行防水处理，进行回填（图2所示）。

4.1.1控制塌方的发展和蔓延

待塌方停止，在掌子面不出现塌方体蠕动，观察周围安全情况下，立即拉渣进行反压回填。对地表冒顶处周围设截水沟、冒顶处进行防水覆盖，防止因地表水流入，增加塌方体自重。在塌方段布置监控点，实时提供围岩变形情况，暂停上导施工，加快下导、仰拱及二衬，将下导施做至掌子面18m以内，仰拱距掌子面35m以内，二衬距掌子面70以内。

图2进行掌子面反压回填

4.1.2对塌方段处理

a加强注浆，稳定围岩，形成保护圈

将塌方体修整三台阶，便于施工操作，同时对掌子面喷射C25混凝土20cm，形成止浆盘进行封闭。采用双排超前小导管对周边围岩注浆形成支护体系（图3所示），形成一定厚度的加固圈。超前小导管注浆采用Φ50mm*3.5mm厚无缝钢管，内层小导管6m，外插角10°-15°，外层导管长4.5m，外插角30°-40°，两层环向间距40cm梅花布置，布设拱顶范围180°内。

图3周边围岩注浆加固

b优化开挖与支护方法

采用三台阶环形开挖预留核心土逐步开挖塌方堆积体，主要采用人工风镐，小型挖机配合。每开挖循环控制为50cm，开挖后观察塌方体注浆达到注浆效果，达到要求并及时对开挖面挂Φ8200*200m钢筋网，喷射10cm厚C25混凝土进行封闭。然后对刚喷射完的混凝土进行观察，观察时间0.5-1.0小时，如果未出现裂缝及时进行钢拱架安装。塌方段支护参数根据实际每循环开挖长度确定I20工字钢间距40cm-60cm，采用双层钢筋网Φ8200*200mm钢筋网，连接钢筋Φ22间距1m，每榀紧贴岩面设环向排水管，同时该塌方段预留变形量比原设计增加5cm。

拱架安装完成后施做锁脚锚杆，并对未塌方边墙初支面加设径向锚杆。每隔2个循环施做超前小导管，使每循环上有两层超前支护，并尽量使内层超前小导管打塌方体前方岩体。塌方段开挖处理完成后，重新对塌方处径向打入1.5m注浆小导管，进行补注浆，使拱顶塌方体形成“壳”保护层，并拱顶设排水管。

c地表冒顶处理

在塌方段初支稳定后及时施工仰拱及二衬，但衬砌混凝土强度达到设计要求后，对冒顶处采用小型挖机对其周围刷1：1坡，喷射C25混凝土10cm及施做防水层，再采用黏土回填并高出周围地面30cm，然后在植草保护。

4.1.3监控量测

a对塌方段初期支护监控

对塌方段初期支护进行监控量测及时反馈分析测量数据（如图4所示），指导施工。洞内周边收敛、拱顶下沉量测。对塌方段每隔5m布置一个监控断面，每天观测一次。监控量测严格按照有关规范和设计进行，每天测量完成后及时进行数据分析，向施工技术员和现场负责人反馈监测结论。当洞内水平收敛值大于5mm/d立即通知现场人员撤离，并及时向上级报告。当塌方段处理结束，洞内收敛小于0.2mm/d后方可停止监控。

图4监控量测

5结语

塌方是隧道施工中易发、较典型的事故，是由多种因素共同作用的结果，其中地质因素往往决定性作用。对曼塞赫拉隧道塌方处理技术，总结出控制塌方的发展为原则，以加固围岩为手段，以实施监控为依据进行塌方处理的方法，同时遵从隧道施工的十八字方针“管超前、严注浆、短开挖、强支护、早封闭、勤量测”的原则。

参考文献：

[1]中国人民共和国国家标准.工程岩体分级标准（GB/T50218-2104）［S］.北京：中国计划出版社，2014.

[2]中国人民共和国行业标准.公路隧道施工技术规范（JTGF60-2009）［S］.北京：人民交通出版社，2009.

[3]“余鑫”“张志新”“阳华国”，等.隧道技术.重庆大学出版社.2018