隧道塌腔處理措施研究

黎海波

摘? ?要：隧道施工中由于地質(zhì)情況多變，尤其是拱頂圍巖為強(qiáng)風(fēng)化松散巖層或砂礫層時，可能會造成開挖后隧道頂部坍塌，出現(xiàn)塌腔。塌腔出現(xiàn)后應(yīng)立即分析原因，并采取緊急措施，防止塌腔進(jìn)一步擴(kuò)大，并穩(wěn)定掌子面，采取穩(wěn)妥開挖方式掘進(jìn)，同時對出現(xiàn)的塌腔進(jìn)行妥善處理。文章對此進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：塌腔;緊急處理;穩(wěn)妥開挖;塌腔處理

垣澠高速公路某隧道位于南溝坪橋南，屬山嶺地貌，地形起伏大，地面高程為760～1 140 m，高差為380 m，隧道圍巖主要為部分強(qiáng)風(fēng)化至中風(fēng)化砂質(zhì)頁巖和石英砂巖，按雙向4車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計速度80 km/h，該隧道為分離式隧道，左線長3 670 m、右線長3 690 m。進(jìn)口洞門采用削竹式洞門，出口洞門采用端墻式洞門。洞門段明洞長13 m，采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，暗洞襯砌結(jié)構(gòu)按新奧法原理，采用復(fù)合式支護(hù)結(jié)構(gòu)形式，初期支護(hù)以拱架、錨桿和鋼筋網(wǎng)噴混凝土組成聯(lián)合支護(hù)體系，二次襯砌采用模筑混凝土襯砌，初期支護(hù)與二次襯砌結(jié)構(gòu)之間設(shè)防排水夾層。隧道縱斷面采用單向坡。該隧道采用兩頭向中間對打的施工方式施工。

1? ? 塌腔情況及原因分析

2019年7月9日凌晨1時左右，某隧道出口右洞施工至K47+732.5處時，開挖進(jìn)尺一榀拱架，鋼架已立好，間距75 cm，工人正在打超前，拱頂處開始出現(xiàn)小范圍塌方，且拱頂處不停有洞渣塌落，現(xiàn)場工人無法繼續(xù)施工，項目部要求來現(xiàn)場做設(shè)計變更。當(dāng)天9時，業(yè)主、設(shè)計、監(jiān)理、施工4方在現(xiàn)場看過后，定下了往前做的施工方案，對于塌腔處理的初步意見是等掉塊停下來時再立鋼架，噴砼后再處理塌腔，同時采取緊急處理措施是從洞外拉石渣進(jìn)洞，采用洞渣對掌子面進(jìn)行回填形成反壓，防止掌子面圍巖繼續(xù)失穩(wěn)。某隧道K47+732.5掌子面照片如圖1所示。

2019年7月10日9時，塌腔仍然不斷掉落碎塊，人員不敢靠近，塌腔的具體情況無法得知，原定的等塌腔穩(wěn)定后再施工的方案已經(jīng)不適用了，項目部再次要求業(yè)主、設(shè)計、監(jiān)理來現(xiàn)場重新定下塌腔處理方案。截止到2019年7月11日上午9時，塌腔塌落砂礫等估計在200 m3，并且還不時掉落砂礫和小塊狀的強(qiáng)風(fēng)化頁巖。

K47+732.5處隧道地面距地表垂直距離為156.5 m，屬深埋段。設(shè)計圖紙對圍巖的描述是中風(fēng)化石英砂巖，節(jié)理發(fā)育，巖體較完整，雨季有點(diǎn)滴狀出水，拱部無支護(hù)時可發(fā)生小-中塌方，建議按照Ⅲ級圍巖支護(hù)，支護(hù)類型是Ⅲc，即拱部為環(huán)向120°三肢格柵鋼架，其余部分為光爆，采用掛網(wǎng)噴漿支護(hù)。現(xiàn)場圍巖實際情況是實際掌子面上部與下部均為強(qiáng)風(fēng)化頁巖，泥質(zhì)含量較高，層理間夾砂質(zhì)頁巖夾層，屬軟弱夾層狀，圍巖破碎，強(qiáng)度很低。圍巖穩(wěn)定性很差，開挖后，拱頂無支護(hù)時，不停有松散碎塊往下掉落，已造成拱頂空洞。K47+740～K47+732.5處施工方案經(jīng)過變更，圍巖定為V級，襯砌類型為Va，支護(hù)方式是超前小導(dǎo)管，每根長4.5 m，環(huán)向39根，鋼架為I18，間距75 cm，間隔3 m打一次超前小導(dǎo)管，也就是每四榀鋼架打一次超前小導(dǎo)管。發(fā)生塌方后，經(jīng)4方商定K47+732.5向前的施工方案又變更為Ⅴc襯砌，從K47+732.5開始每榀工字鋼打超前小導(dǎo)管，小導(dǎo)管長度為3.5 m，小導(dǎo)管環(huán)向間距為35 cm，每榀小導(dǎo)管數(shù)量為39根。

塌腔發(fā)生的主要原因：第一，拱頂圍巖為強(qiáng)風(fēng)化頁巖，泥質(zhì)含量較高，層理間夾砂質(zhì)頁巖夾層，屬軟弱夾層狀，圍巖破碎，強(qiáng)度很低，圍巖穩(wěn)定性很差。第二，超前小導(dǎo)管施工未嚴(yán)格按照注漿要求進(jìn)行施工，小導(dǎo)管管壁未打孔，注漿壓力及穩(wěn)壓時間均有所欠缺。

2? ? 塌腔處理方案

2.1? 對掌子面后面初支進(jìn)行加固處理

從K47+732.5至K47+740段采用I18工字鋼制作環(huán)向鋼架，間距為75 cm，共10榀，將初支面進(jìn)行支撐，鋼架兩側(cè)拱腳處設(shè)置雙拼I18工字鋼作為拱腳支撐，長度均為7.5 m。鋼架間設(shè)置環(huán)向間距為1 m的連接鋼筋，鋼筋直徑為22 mm。沿鋼架打壁厚3.5 mm，直徑42 mm，長度4.5 m的小導(dǎo)管，環(huán)向間距為1 m，每榀工字鋼打19根小導(dǎo)管，共10榀工字鋼。之后注水玻璃和水泥漿（雙液）對四周圍巖進(jìn)行加固。打注漿小導(dǎo)管如圖2所示，環(huán)向鋼架支撐初支面如圖3所示。

2.2? 對回填渣體進(jìn)行噴漿封閉

在現(xiàn)在的塌方及回填土渣上用砂袋碼起來（見圖4），砂袋寬度初定為100 cm，砂袋回填完畢后，對整個渣體和砂袋進(jìn)行噴漿封閉，噴射C25混凝土厚15 cm（見圖5）。在噴射砼中間預(yù)留3根直徑150 mm的泵管，長度約3 m，作為注C25砼及吹砂礫的孔道。

2.3? 向塌腔內(nèi)注C25砼

從預(yù)留孔道向塌腔內(nèi)注入C25砼，厚度約為1 m，形成一個類似套拱的砼結(jié)構(gòu)物，等砼強(qiáng)度達(dá)到85%的設(shè)計強(qiáng)度后打直徑89 mm管棚。

2.4? 打管棚

向注入的C25砼內(nèi)120°范圍內(nèi)環(huán)向打直徑89 mm的鋼管形成管棚，鋼管以向上3°的傾角打設(shè)，每根鋼管長度初定10 m。環(huán)向數(shù)量為39根。完成后向鋼管內(nèi)注水泥漿。

2.5? 加強(qiáng)監(jiān)控量測

塌方處理過程中，加強(qiáng)圍巖監(jiān)測頻率，每2 h一次，密切關(guān)注并分析監(jiān)測數(shù)據(jù)。量測斷面加密，2 m一個斷面。及時反饋監(jiān)測信息，指導(dǎo)現(xiàn)場施工，直至各項監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定后方可進(jìn)行掌子面開挖。

2.6? 開挖及支護(hù)

等注入的水泥漿強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度的100%后，開挖掌子面前反壓洞渣，并逐步向里面開挖，嚴(yán)格按照預(yù)留核心土三臺階法施工，施工至K47+732.5處后每次按60 cm開挖立架，按V級圍巖按5c襯砌施工，每榀鋼架均按要求打超前小導(dǎo)管并注漿，直至渡過塌腔段。

2.7? 塌腔回填

塌腔回填分為兩部分，第一部分是往塌腔內(nèi)泵送C25砼，厚度在1 m，前面已經(jīng)施工完成。第二部分是在開挖渡過塌腔段落后，通過預(yù)埋的管道向塌腔內(nèi)吹砂礫，厚度在1 m左右，在泵送砼頂面形成一個緩沖層，防止后期塌腔頂部再有掉落的巖石或砂礫時能起到保護(hù)作用。選擇砂礫的原因：其一，砂礫自重比較輕，對下面的初支和二襯壓力小，其二，砂礫為柔性材料，緩沖效果較好。

為確保前方安全，穩(wěn)妥掘進(jìn)，后續(xù)開挖前做好超前地質(zhì)預(yù)報。施工時嚴(yán)格按照“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測”的原則組織施工。

3? ? 塌腔實際實施方案

3.1? 按原制定的方案進(jìn)行第一至第三步

原定的方案第一至第三步都嚴(yán)格執(zhí)行完成，在進(jìn)行第四步時，管棚打孔施工時，鉆機(jī)進(jìn)場發(fā)生卡鉆現(xiàn)象，且無法有效成孔，管棚施工難度很大，無法進(jìn)行下去。

3.2? 超前小導(dǎo)管替代管棚

根據(jù)現(xiàn)場情況，決定取消管棚，將原定方案的第四步改為在拱部120°范圍打設(shè)超前小導(dǎo)管，每根小導(dǎo)管直徑42 mm，長4.5 m，環(huán)向39根，然后用注漿機(jī)進(jìn)行注漿，采用注漿量和注漿壓力雙控原則進(jìn)行注漿時間的控制。注漿壓力0.5～1.0 MPa，穩(wěn)壓10 min。

3.3? 監(jiān)控量測

監(jiān)控量測采取2 m一個斷面，主要觀測拱頂下沉和周邊收斂兩個指標(biāo)。每兩小時觀測一次，經(jīng)過連續(xù)兩天的觀測數(shù)據(jù)顯示，超前小導(dǎo)管施工后，掌子面后面的初支面很穩(wěn)定，每天的周邊收斂為0.1 mm，拱頂下沉位移為0.2 mm，表明掌子面后面圍巖基本穩(wěn)定。

3.4? 開挖及支護(hù)

超前小導(dǎo)管結(jié)束后兩天，開始開挖掌子面前的反壓洞渣，并逐步向里面開挖，嚴(yán)格按照預(yù)留核心土三臺階法施工，施工至K47+732.5處后每次按60 cm開挖立架，按V級圍巖按5c襯砌施工，每榀鋼架均按要求打超前小導(dǎo)管并注漿。

由于之前泵送砼及壓漿措施在掌子面頂部形成了一個類似“硬殼”的結(jié)構(gòu)物，在開挖過程中對施工人員起到了保護(hù)作用，在鋼架施工時，用I20工字鋼將鋼架與“硬殼”支撐牢固后，將鋼架與硬殼之間的空間用C25噴射砼填實。

3.5? 塌腔回填

按照制定的方案進(jìn)行泵送砼和吹砂礫填充塌腔，填充總厚度為2 m。在后續(xù)施工中，對塌腔范圍下的初支和二襯進(jìn)行了監(jiān)控測量，拱頂下沉和周邊收斂均穩(wěn)定。

此次塌腔未造成人員傷亡，對于塌腔險情處理從7月9日開始至7月19日結(jié)束，共歷時10天。工程后續(xù)開挖過程中，加強(qiáng)了超前地質(zhì)預(yù)報工作，同時對類似頂部作了防范措施，加強(qiáng)了超前小導(dǎo)管施工質(zhì)量，局部薄弱處采用加密小導(dǎo)管數(shù)量，未再次發(fā)生類似事情。