公路山嶺隧道斷層大塌方處理施工技術(shù)

隆燕青

(湖南省隧道工程總公司，湖南 益陽 413000)

因公路山嶺隧道在公路穿越山嶺或丘陵時對改善公路線形、縮短線路長度等方面發(fā)揮著重要作用，故隨著我國公路建設(shè)的飛速發(fā)展也不斷增加，且目前仍以鉆爆法開挖為主﹒塌方是隧洞施工中的主要地質(zhì)災害，約占90%以上，斷層破碎帶塌方占塌方的絕大部分[1]﹒隧道穿越地層地質(zhì)情況復雜多變、設(shè)計考慮不周、施工方法和措施不當是導致塌方的3 個主要原因﹒塌方處理方案若不當，輕則造成工期延誤和費用增加，重則造成機械設(shè)備損毀、人員傷亡、企業(yè)信譽和形象嚴重受損等不良影響﹒因此，能否采取適當?shù)氖┕ぜ夹g(shù)對塌方進行處理非常重要﹒

很多學者在隧道塌方處理施工技術(shù)等方面進行了相應的總結(jié)和研究，取得了一定的成果，目前的主要處理施工技術(shù)歸納如下：加固未塌方段→錨噴等支護加固塌穴面→加強塌方段初期支護→塌腔回填[2-5]；地表注漿加固塌方體→洞內(nèi)采用超前支護和加強初期支護[6-7]；注漿小導管加固整個掌子面的堆積體→塌腔回填→超前支護加雙側(cè)壁導坑法等工法分部開挖[8-9]﹒

從現(xiàn)有的研究情況和工程實例來看，很多學者提出的塌方處理施工技術(shù)都能較好地完成對相應塌方的處理﹒但是，對處理過程中二次塌方造成的安全問題和二次災害考慮不足，對處理的施工成本也有待進一步深入研究﹒本文結(jié)合湖南省某公路山嶺隧道斷層大塌方處理實例，對公路山嶺隧道斷層大塌方處理施工技術(shù)進行了研究﹒

1 工程概況

湖南省某公路雙車道隧道全長712 m；進口段地形較緩，坡度10°~18°；出口段地形較陡，坡度38°；隧道中部山體雄厚，洞頂最大埋深152 m﹒圍巖主要為灰綠、深灰色、紫紅色變質(zhì)石英砂巖、砂巖夾中薄層砂質(zhì)板巖、板巖或頁巖﹒根 據(jù)地質(zhì)測繪，隧道沿線穿過了F27、F21、F280、F281等4 條斷層，破碎帶寬0~3.5 m﹒隧道圍巖級別有Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ級3 個級別，Ⅴ級圍巖主要分布于進出口洞口段、斷層段和圍巖破碎富水段﹒Ⅴ級圍巖巖石破碎，強風化狀態(tài)，富水，地下水頭較高，圍巖極不穩(wěn)定，存在大規(guī)模掉塊、坍塌、涌水、流沙等問題，其隧道開挖斷面寬×高為10.4 m×8.025 m﹒

出口工作面在進行樁號0+668~0+667 段開挖時出現(xiàn)塌方，此次塌方破壞的范圍較大，對已完成支護段0+675~0+668 段的初期支護段全部毀壞，塌方區(qū)范圍高約10~15 m，寬約8~12 m，長約6~8 m，塌方方量約960 m3﹒

通過現(xiàn)場勘察并查看施工、設(shè)計和地質(zhì)資料，分析隧道塌方的主要原因是地質(zhì)條件突然變差，遇到了以前未曾發(fā)現(xiàn)的 F254斷層，其產(chǎn)狀40°∠75°~80°，破碎帶為碎塊石和大塊石夾泥，碎塊石直徑0.1~3.0 m 不等，且地下水豐富，右側(cè)角滲水呈線狀，圍巖自穩(wěn)能力差，在滲水作用下引起拱部圍巖失穩(wěn)而坍塌﹒

2 塌方處理施工技術(shù)

2.1 方案比選

方案1：加固未塌方段→錨噴等(由打設(shè)錨桿、掛鋼筋網(wǎng)、噴混凝土、鋼管或型鋼加鋼板點支撐等的一種或多種措施組合)支護對塌穴面加固加強圍巖自身的穩(wěn)定性→加強塌方段初期支護→塌腔回填﹒此方案的施工速度快，經(jīng)濟效益好，但對易發(fā)生二次塌方的部位，其施工危險性很高﹒此方案更適用于規(guī)模不大的塌方或塌方后塌穴比較穩(wěn)定不易發(fā)生二次塌方的情況﹒

方案2：地表注漿加固塌方體→洞內(nèi)采用超前支護和加強初期支護﹒此方案施工安全性好，但由于出口段地形較陡，塌方段埋深超40 m，且塌方段地表無施工道路，故施工工期長，其經(jīng)濟性差﹒此方案更適用于埋深淺且隧道頂交通方便的大塌方情況﹒

方案3：注漿小導管加固整個掌子面的堆積體→塌腔回填→超前支護加雙側(cè)壁導坑法等工法分部開挖﹒此方案施工較安全，由于此塌方堆積體為碎塊石和大塊石夾泥，具有一定的自穩(wěn)能力，故不需對整個掌子面采用注漿加固，且掌子面加固后還需進行開挖拆除，使施工時間增長且經(jīng)濟性差﹒此方案更適用于自穩(wěn)能力極差的流沙和突泥涌水地質(zhì)等大斷面或超大斷面隧道﹒

圖1 方案4 施工流程

方案4：施工流程見圖1﹒此方案不管塌腔內(nèi) 是否發(fā)生二次塌方，均能保證塌方處理作業(yè)人員的安全，同時減少不必要的浪費，經(jīng)濟性較好，施工速度較快﹒此方案更適用于隧道埋深較大，隧頂交通不便，且塌穴內(nèi)易發(fā)生二次塌方，又塌方堆積體有一定自穩(wěn)能力的大塌方情況﹒

采用方案4 并結(jié)合湖南省某公路山嶺隧道斷層大塌方處理的工程實例進行分析﹒

2.2 大塌方處理施工技術(shù)方案

步驟1：現(xiàn)場勘察和滲水處理﹒先將人員、設(shè)備和材料撤離，待塌方基本穩(wěn)定后再進行現(xiàn)場勘察﹒勘察主要了解塌方部位、范圍和大小，滲水情況，圍巖地質(zhì)，并初步分析塌方原因，為塌方處理提供依據(jù)﹒若塌方段滲水量大，需先用鋼管等排水管道進行引排﹒

步驟2：堆積體反壓和修坡﹒為了提高塌方堆積體的自穩(wěn)、承重和防漏漿作用及提供一個平整的受噴面減少噴混凝土浪費，對堆積體采用挖機進行反壓和修整成一定坡度的平整坡面，該塌方處理的坡比為1︰0.5，見圖2﹒堆積體需與未受影響的初期支護全部接觸，若未全部接觸需從洞外運洞渣回填﹒先采用機械作業(yè)，當機械操作受限時，采用人工裝袋堆碼填筑至與初期支護全部 接觸為止，并埋設(shè)回填用鋼管﹒

圖2 加固示意圖

步驟3：堆積體封閉﹒為了增強堆積體的防漏漿作用，對反壓修坡后的堆積體渣面采用噴10 cm 厚混凝土封閉，并對拱部的封閉層加厚形成止?jié){墻﹒為了提高封閉層的防漏漿效果，還可增加錨桿和鋼筋網(wǎng)等措施﹒此塌方段處理見圖2﹒

步驟4：加固未塌方段﹒為了防止塌方往未塌方段擴大和保證塌方處理安全，對塌方段附近一定范圍的未塌方段視情況采用副拱、固結(jié)灌漿、小導管注漿的一種或多種組合措施加固﹒由于副拱存在侵限問題，在二襯前需要拆除，一般優(yōu)先采用后2 種加固措施﹒此塌方處理對起拱線以上部位采用3 環(huán)注漿小導管進行加固，見圖2﹒

步驟5：處理開挖輪廓線外堆積體﹒當堆積體標高超過已支護的拱頂時，在注漿加固前先在頂拱打設(shè)超前探孔探明塌穴的長寬高和堆積體標高超出隧道開挖輪廓線的高度﹒當堆積體標高超出隧道設(shè)計開挖輪廓線1.5 m 時，直接采用分段注漿加固措施；當未超出1.5 m 或低于已支護的拱頂時，為降低塌方處理成本，可先用探孔或預埋管往塌腔內(nèi)回填砂、砂漿或混凝土后再注漿﹒

為了減少止?jié){墻防滲壓力、隧道開挖范圍內(nèi)的漿液用量和固結(jié)后開挖拆除費用，同時保證注漿加固拱圈的承載能力，采用在拱部周邊布設(shè)不同角度、長度和相互錯開的鋼花管對堆積體進行分次分段注漿加固﹒注漿量按照注漿加固體的平均厚度超出設(shè)計開挖輪廓范圍外不少于1.5 m 考慮和控制[10]﹒每環(huán)長度根據(jù)塌穴縱向加固長度而定，按照第1 環(huán)2~3 m，后兩環(huán)不超過6 m/環(huán)布設(shè)，環(huán)向間距0.5~1.5 m，堆積體滲透性大選大值﹒當塌穴縱向長度大于15m 時，為了減少鉆孔浪費，將整個塌方分為幾個塌方段依次進行處理﹒

此塌方處理詳見圖2 和圖3﹒單孔施工流程為造孔→安裝鋼花管→注漿→凝固，依次完成第1，2 和3 環(huán)，每環(huán)鉆孔和灌漿均采用由低到高跳孔加密的原則進行施工﹒鋼花管的尾部在已加固段不開孔，不開孔長度第1，2 和3 環(huán)孔分別為L1=1 m，L2=L1cosα/cosβ m，L3=L2cosβ/cosγ m﹒

圖3 注漿鋼花管橫斷面

注水灰比為0.5︰1(重量比)的水泥漿液，注漿壓力0~1.0 MPa，為加快凝固和控制漿液擴散范圍，摻加3%的速凝劑﹒當出現(xiàn)漏漿時，采用封堵、待凝與加速凝劑或加水玻璃雙液注漿等措施﹒

步驟6：塌穴回填﹒為確保支護結(jié)構(gòu)的安全，同時兼顧經(jīng)濟性，鉆不少于2 個進入加固后剩余空穴內(nèi)的孔，并埋設(shè)回填管和排氣管﹒對空穴可通過回填管回填砂、砂漿、混凝土、黏土、粉煤灰水泥漿或其它輕質(zhì)材料等，具體材料根據(jù)空穴大小、形狀、圍巖地質(zhì)、滲水情況、現(xiàn)場材料設(shè)備和施工成本等綜合考慮，最后再注漿填滿﹒

步驟7：超前大管棚﹒超前大管棚主要作用為在隧道開挖范圍外形成一個拱形支護[11]，確保施工和結(jié)構(gòu)的安全﹒管棚根據(jù)塌穴大小和圍巖情況選用φ89 或φ108 鋼管，環(huán)向間距30~50 cm，長度10~35 m，具體長度根據(jù)塌穴的長度確定，管棚需伸入未塌方段不少于5 m，當塌方縱向長度超過30 m 時將塌方分成多個區(qū)段和增設(shè)管棚排數(shù)的措施，管棚的搭接長度不少于5 m，管棚內(nèi)注水灰比為0.5︰1(重量比)的水泥漿，注漿壓力0.2~1.0 MPa，鉆孔和灌漿均采用由低到高跳孔加密的原則進行施工﹒見圖4﹒

圖4 超前支護和鋼支撐支護

步驟8：分臺階分部短進尺開挖﹒由于塌方段和斷層影響段圍巖自穩(wěn)能力差及承載力低，且與開挖斷面的寬和高及循環(huán)進尺負相關(guān)，因此需根據(jù)圍巖地質(zhì)和開挖斷面大小采用分臺階分部短進尺的方式進行開挖，嚴格控制每循環(huán)進尺，一般每循環(huán)進尺控制在0.5~1.0 m，開挖方法可選用兩臺階、三臺階、CD 法、CRD 法、雙側(cè)壁導坑 法或同時預留核心土等[12]﹒此塌方處理采用短正兩臺階法﹒

步驟9：加強塌方段和斷層影響段初期支護和圍巖變形量測﹒按照“管超前、短進尺、少擾動、早封閉、強支護、勤量測”的原則施工﹒其施工流程：在超前支護下進行上臺階開挖→初噴→錨噴鋼支撐支護→上臺階連續(xù)開挖不超過下臺階5 m→下臺階右邊墻開挖→初噴→錨噴鋼支撐支護→下臺階左邊墻開挖→初噴→錨噴鋼支撐支護→上臺階開挖→下道工序﹒其中每次開挖進尺0.5~1 m，初噴采用素噴4~10 cm 厚混凝土封閉開挖部位和掌子面，其余參數(shù)詳見圖5﹒

圖5 塌方段施工支護

塌方段過后，一般仍處于斷層影響段內(nèi)，為了保證安全度過斷層，仍按照塌方段進行施工，直到整個隧道斷面已全部通過斷層3~5 m 后再按設(shè)計進行施工﹒為了確保施工安全和驗證處理措施的穩(wěn)定有效，做到信息化施工，將塌方段和斷層影響段圍巖變形量測斷面間距加密至3 m﹒根據(jù)此塌方現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，其拱頂沉降和周邊收斂均滿足規(guī)范要求﹒

2.3 塌方處理施工技術(shù)評價

在此塌方處理過程中塌穴內(nèi)雖多次發(fā)生掉塊和坍塌，但是采用上述施工技術(shù)進行處理未受其影響，從塌方措施制定到塌方處理完成共經(jīng)歷43 d，施工速度較快﹒因此，采用方案4 對斷層導致的大塌方處理滿足施工安全、施工進度、經(jīng)濟效益和施工質(zhì)量等方面的要求，是切實可行的﹒

3 結(jié)論

1)由于地質(zhì)情況復雜多變，隧道斷層塌方很難避免，故施工中應加強超前地質(zhì)預報和預控，盡量減少塌方﹒

2)由于隧道塌方段地質(zhì)情況、開挖斷面和塌方原因不盡相同，故處理方案也相應有所不同﹒塌方處理方案首先必須確保施工人員的安全，然后再綜合考慮施工速度、經(jīng)濟效益和現(xiàn)場材料及設(shè)備情況﹒

3)在拱部周邊采用不同角度和長度的注漿鋼花管進行分次分段注漿加固的措施不但能起到加固拱周形成加固拱圈的作用，而且還能有效緩解止?jié){墻的防滲漏壓力，減少對開挖范圍內(nèi)堆積體不必要的注漿浪費以及因不必要的注漿加固而增加的開挖范圍內(nèi)堆積體的拆除費用﹒

4)此斷層大塌方處理施工技術(shù)在施工中基本不受二次塌方影響，能有效避免發(fā)生二次災害﹒