西家塔隧道拱顶坍塌治理施工技术

西家塔隧道拱顶坍塌治理施工技术

梁永迁

梁永迁

中交路桥北方工程有限公司100024

摘要：在位于位于黄土低山区，隧道两侧山坡冲沟发育，沟谷深切，隧道穿越软弱破碎围岩时的开挖施工过程中，因围岩的稳定性较差，隧道开挖过程中洞室拱顶及边墙易发生坍塌，成洞困难。本文结合西家塔隧道在软弱围岩施工中的拱顶坍塌，就拱顶坍塌过程、形成的原因分析、治理方案及安全保证措施进行论述。

关键词：黄土低山区；软弱破碎围岩；拱顶坍塌

1.工程概况

1.1西家塔隧道简况

西家塔隧道位于山西省临汾市乡宁县昌宁乡门家沟村与西交口村之间，设计为左右分离式。我部承建施工的隧道左洞起讫桩号为ZK23+690?ZK24+500，长度为810m；右洞起讫桩号为K23+692?K24+500，长度为808m。隧道设计双向四车道，正常段建筑限界：宽10.25m，高5m；紧急停车带段建筑限界：宽13.0m，高5m；两洞之间间距20～35m。隧道围岩级别多为Ⅳ、Ⅴ级围岩，以黄土（粉质黏土）、强-中风化泥岩为主。

1.2西家塔隧道地形、地貌

经现场实地勘察测量，隧道在K23+900-K24+200处横向偏压严重，并且冲沟严重，多处于隧中，现场地形地貌情况表如下：

部位里程地形地貌情况

左洞ZK23+692～ZK23+860地表为缓坡，在ZK23+692处为反压回填土，ZK23+692埋深3.6m，ZK23+860埋深30m；

ZK23+860～ZK23+920沿路线方向地表为缓坡，最大埋深68m.

ZK23+920～ZK24+050地表平缓为耕地，埋深在63m～68m.

ZK24+050～ZK24+500地势平缓，有冲沟，大小不一，最小冲沟17m宽，最大冲沟27m宽，沟深20m；隧道埋深最潜46m，最深67m.

右洞K23+690～K23+800地表为沿路线缓坡，K23+690埋深6.0m，K23+800埋深23m；

K23+800～K23+935存在偏压，右侧比左侧高7～8m左右；埋深57m；

K23+935～K24+500在K23+965、K24+025、K24+098处有三处较大冲沟，横切隧道。

1.3坍塌处围岩情况

西家塔隧道拱顶坍塌位置为右洞K24+020，此位置位于K23+910～K24+150段内，此段落内胴体埋深为37.1～62.18m，洞体围岩由叠系上统上石盒子组（P2s）泥岩组成。泥岩，中风化，泥质结构，中薄层构造，节理裂隙较发育，抗风化能力弱，极易崩解，岩体破碎。地下水出水状态为滴渗水。围岩稳定性差，开挖时拱顶易产生坍塌及碎落，侧墙易失稳，成洞困难。

2.拱顶坍塌情况

西家塔隧道右洞施工采用两台阶施工法，隧道右洞施工至K24+020位置处时，隧洞顶部和掌子面出现塌方，目测塌方高度在4米左右，横向约10米，纵向约7米左右。

3、拱顶坍塌原因分析

根据现场地形地貌和地质调查，结合前期勘察资料、设计资料、施工情况进行分析，造成本次拱顶坍塌的原因有以下几点：

3.1地质因素

隧道开挖暴露围岩为黄土、砂砾石及泥岩，与设计说明中的洞体围岩全为泥岩、砂岩不符。围岩含水量大，与设计说明中的隧道洞体埋深范围内地层富水性弱，在洞内可能形成暂时性裂隙水不符。由于隧道围岩强度和硬度均很低，在隧道开挖后造成拱顶坍塌。

3.2天然冲沟

塌方部位K24+020位于天然冲沟处，冲沟横切隧道；开挖过程成，对冲沟处围岩造成扰动，此外，冲沟底常年积水下渗，造成围岩失稳。

3.2高偏压力

线路选线时西家塔隧道右线穿过山边，隧道开挖轮廓线左右两侧的高差达到12m，右洞K23+900～K24+200段表现相当严重。

4西家塔隧道拱顶坍塌处理

掌子面塌方后，及时安排人员撤离，避免坍塌范围扩大造成人员伤亡。项目部委派专人在安全地点进行观察记录，在掉石块声音逐渐减弱到基本没有时，再观察2小时的时间，确信塌方处于基本稳定状态后，再安排人员靠近坍体，具体处理步骤及处理方案如下：

4.1反压土回填

首先安排专人进行观察，并对塌方影响范围进行加固处理，处理范围为K24+010—K24+025，处理方法采用反压回填土，缩小临空面抑制变形，在进行其他处理，反压土回填示意图如下。

4.2径向小导管注浆固结岩层：

由于该段受塌方影响，其一定范围内岩层也处于松弛状态，必须进行注浆固结提高自身承载能力。注浆深度3.9米，注浆导管采用Φ42无缝钢管。注浆要求0.5-1MPa。

4.3护拱钢架施工

护拱拱架采用I18工字钢，拱架为120度，沿纵向每30cm支立一榀。共7根。在拱脚位置单侧2根锁脚锚杆。安装钢筋网，并进行初喷处理，将整个塌腔封闭。在施工中，预留径向浇筑混凝土管，间距为1米网格，采用Φ100钢管，长度为120cm，同时，设置两根带弯头的长管，管头距掌子面30cm左右。

4.4超前管棚施工

（1）导向管施工：掌子面环向施工超前小导管，超前小导管上下两排，间距为50cm，长度为3.9米，并注浆。然后在两排小导管的中间安装I18工字钢，钢拱架为设计位置。钢拱架安装完成后，在钢拱架顶部安装φ140导向管，导向管与钢拱架焊接牢固。导向管长度为20cm，间距按照50cm均匀布设，共20根。

（2）管棚施工工作平台设置在K24+010—K24+015位置处，在反压回填土顶面设置工作平台。

（3）管棚施工：

管棚采用Φ108×6mm热轧无缝钢管，沿拱部环向布置，长度为15m；管棚环向间距50cm。间隔注水泥浆，水泥浆水灰比1：1，注浆压力：初压0.5～1.0MPa，终压2.0MPa。每根管采用9米和6米内套管相接，接头错开布置。

施工顺序：超前小导管施工→安放拱架→固定Φ140孔口管→钻孔→顶管→注水泥浆

4.5洞顶塌腔处理：

护拱拱架及管棚施工完成后，对塌方顶部的空洞，先从长度为120cm的导管泵送1m厚混凝土形成护拱，待强度达到要求后对上部空腔用粉煤灰回填，形成一个缓冲保护层，回填物尽量充满塌腔。

4.6初期支护施工

塌腔处理完成后，经观察稳定后，进行初期支护施工。开挖初支采用两台阶预留核心土法，初支参数按照设计文件进行。反压回填土全部运出洞外，立即施工仰拱及填充。

4.7加强超前地质预报工作

待塌方段落处理完成掌子面稳定后，立即采用TSP进行超前地质预报，及时反映前方地质情况，以便根据地质情况调整施工参数，保证隧道能够顺利施工。

4.8加强监控量测工作

由于塌方地段地质较差，量测断面设为每5米一个断面，每个断面布设拱顶、拱腰及边墙5个监控点为一组，在1-15天内，2次/天，当位移下沉量及速度较大时，增加量测频率。

5结束语

由于施工方案合理，变形换拱处理及施工得以顺利进行。从这次换拱过程中总结出如下几点施工经验：

（1）要特别重视超前地质预报及监控量测工作，根据地质预报及监控量测的数据，及时调整开挖方式。

（2）开挖过程中，施工中遵循“强支护、快封闭、早成环、勤量测、二衬紧跟”的原则，避免软弱破碎围岩遇水和空气加速风化造成拱顶局部掉块最终引发拱顶坍塌。

（3）在发生塌方后，立即进行反压土回填，防止土体外涌引起再次塌方；同时，反压土的施工完成后，将拱肩以及拱肩以下部位全部进行加固，可以有效抑制土体继续变形，防止再次坍塌。

（4）在施工过程中，先用径向导管注浆加固岩层，然后采用I18工字钢30cm间距封闭塌腔，采用15m超前管棚穿越塌方段，固结前方岩层，保证施工安全。

参考文献：

[1]《公路施工手册-隧道》杨林德主编

作者简介：

梁永迁，男，1985年11月9日，2011年毕业于内蒙古大学土木工程专业，助理工程师