高邊坡大滑坡體塌方段施工成洞研究與實(shí)踐

馮述平

（中鐵二十局集團(tuán)市政工程有限公司，甘肅 蘭州 730000）

1 工程概況

兩河口水電站交通工程主線隧道出口端洞口位于瓦支溝左岸，距溝口約200m，洞口處設(shè)計(jì)基線高程2733.51m，洞口上方約2773.00m（高程）處有11#公路施工便道通過(guò)。洞口處斜坡總體走向N78°W，洞口至上方便道間坡度40～45°，便道至山頂50～60°。洞口以下及便道至山頂基巖裸露，其余均為覆蓋層。出露的地層主要有新都橋組（T3xd）上段的粉砂質(zhì)板巖、絹云母板巖以及后期侵入的花崗巖或石英巖脈，巖層產(chǎn)狀為N70～80°W/SW ∠70～80°；覆蓋層為崩坡積塊碎石土（col+dlQ）。地表調(diào)查未見(jiàn)大的斷層，主要發(fā)育板理及節(jié)理裂隙，以板理面最發(fā)育。斜坡巖體卸荷作用強(qiáng)烈，可見(jiàn)卸荷拉裂縫充填次生泥。斜坡為順向陡傾岸坡，基巖變形破壞主要表現(xiàn)為傾倒破壞及卸荷拉裂，覆蓋層有蠕滑現(xiàn)象。斜坡中分布的第四系崩坡積物及傾倒變形體，松散、破碎，穩(wěn)定性差，在暴雨及人工擾動(dòng)下容易失穩(wěn)。坡體巖體以板巖為主，絹云母板巖巖性軟，易風(fēng)化，遇水軟化，風(fēng)化卸荷作用強(qiáng)烈，邊坡巖體松弛、破碎，完整性差，工程巖體分類為Ⅴ類，巖體質(zhì)量差。

該洞口邊仰坡于2010 年3 月開(kāi)始施工，7 月2 日按照設(shè)計(jì)處理意見(jiàn)施工完成，5 月10 日隧道出口段貫通。受出洞口地質(zhì)原因及汛期降雨等因素影響，2010 年7 月27 日出洞口仰坡開(kāi)口線以上坡體發(fā)生大規(guī)模坍塌，主線隧道出口端洞身全部坍塌，洞身塌方段為K4+563.60～K4+603.00，近40m。

2 設(shè)計(jì)原則

坡體發(fā)生大規(guī)模坍塌后，經(jīng)參建各方充分溝通，設(shè)計(jì)單位通過(guò)與相關(guān)專業(yè)協(xié)調(diào)，深入研究后，制定了處理總體原則如下：

（1）根據(jù)本邊坡地質(zhì)情況，綜合考慮施工條件、進(jìn)度和投資等方面的因素，不再重新進(jìn)行改線施工，原則上對(duì)邊坡進(jìn)行削坡卸載處理。

（2）由于洞口2733～2820m 主要為強(qiáng)卸荷體邊坡塌渣和堆渣體，對(duì)邊坡2820m 高程以下強(qiáng)卸荷體邊坡原則上不進(jìn)行開(kāi)挖，只對(duì)洞內(nèi)塌方體采取固結(jié)處理等方式形成固結(jié)圈進(jìn)行出洞施工。

（3）設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)。坡面按照1∶0.75 坡度開(kāi)挖后，進(jìn)行噴錨支護(hù)，采用12cm 厚C20 砼掛網(wǎng)噴砼支護(hù)ф6.5鋼筋網(wǎng)（網(wǎng)格尺寸20cm×20cm），錨桿采用Φ25 自進(jìn)式中空錨桿L=4.5m，間排距2m×2m 布置。洞內(nèi)塌方體開(kāi)挖支護(hù)參數(shù)：隧道拱部120°范圍內(nèi)，4.5m 長(zhǎng)超前小角度注漿小導(dǎo)管環(huán)向間距30cm，縱向排距200cm，注P.O42.5 水泥漿100kg/根。隧道拱墻全斷面3.0m 長(zhǎng)大角度固結(jié)注漿小導(dǎo)管，梅花形布置，環(huán)向間距100cm，縱向排距100cm，注P.O42.5 水泥漿150kg/根。

3 隧道塌方段施工難點(diǎn)

（1）該段坍塌體坐落滑移松散體埋深大（最大約90m），松散體壓力大。

（2）洞身開(kāi)挖跨度大（最大開(kāi)挖跨度16.3m），對(duì)開(kāi)挖方法及為開(kāi)挖安全施工提供保護(hù)殼體固結(jié)圈效果要求高，安全風(fēng)險(xiǎn)高。

（3）隧道塌方段處理長(zhǎng)度長(zhǎng)（40m），連續(xù)固結(jié)拱圈形成完整的拱效應(yīng)更為重要。

（4）開(kāi)挖輪廓線內(nèi)外均存在大量塊石架空現(xiàn)象，吃漿量大，流失嚴(yán)重，施工難度大。

（5）隧道外邊坡斜坡巖體卸荷作用強(qiáng)烈，卸荷拉裂縫充填次生泥，在暴雨及施工擾動(dòng)下容易失穩(wěn)再次滑塌，處理好洞內(nèi)外施工關(guān)系尤為重要。

4 施工總體思路

由于3#公路隧道出口邊坡及洞內(nèi)塌方處理施工難度大，為保證施工安全、質(zhì)量和進(jìn)度，根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定了以下總體施工思路：

（1）結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，根據(jù)洞口邊仰坡處理與洞內(nèi)塌方處理的相互影響關(guān)系，確定總體施工順序?yàn)橄榷赐夂蠖磧?nèi)的施工原則，即先治理邊坡后處理洞內(nèi)塌方，接近洞頂2820m 強(qiáng)卸荷體邊坡塌渣和堆渣體高程時(shí)，為減少洞內(nèi)施工對(duì)邊坡擾動(dòng)，可進(jìn)行洞內(nèi)開(kāi)挖支護(hù)。

（2）邊坡開(kāi)挖設(shè)計(jì)高程為2925m，最大開(kāi)挖高度達(dá)192m，開(kāi)挖從每級(jí)馬道自上而下分2 層，每層控制7～8m 高度；分段開(kāi)挖每段15～20m，分層支護(hù)，每層邊坡高度不能超過(guò)8m，支護(hù)未完成，嚴(yán)禁進(jìn)行下部開(kāi)挖。邊坡卸載開(kāi)挖應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)提供地質(zhì)情況，合理布設(shè)孔眼和裝藥量，設(shè)置減震孔，采用預(yù)裂爆破方案，調(diào)整爆破參數(shù)盡量減少對(duì)邊坡的二次擾動(dòng)。

（3）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)多次勘查，洞口2733～2820m 約90m 主要為強(qiáng)卸荷體邊坡塌渣和堆渣體，隧道K4+563.60～K4+603.00 塌方體處理成敗直接影響隧道上方邊坡穩(wěn)定性，隧道塌方處理的重點(diǎn)是對(duì)隧道開(kāi)挖線外2～3m 內(nèi)松散體進(jìn)行固結(jié)，形成固結(jié)拱圈，同時(shí)控制好洞內(nèi)溜踏。結(jié)合以上客觀原因，選擇從洞內(nèi)向外頂進(jìn)施工，采用短進(jìn)尺、預(yù)留核心土、分部分臺(tái)階開(kāi)挖以及超前注漿錨桿支護(hù)、固結(jié)漿錨桿支護(hù)、型鋼鋼架支護(hù)、噴射混凝土緊密配合，協(xié)調(diào)跟進(jìn)的原則進(jìn)行。

5 塌方段隧道處理施工方法

按照總體施工方案要求，2011 年11 月順利完成邊坡2810～2925m 段邊坡開(kāi)挖支護(hù)工作。為確保強(qiáng)卸荷體邊坡塌渣和堆渣體穩(wěn)定性，人工只對(duì)洞口周圍孤石和松散體進(jìn)行清理，先進(jìn)行洞內(nèi)塌方段開(kāi)挖支護(hù)，出洞后在進(jìn)行邊坡塌渣和堆渣體支護(hù)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在該段洞身開(kāi)挖支護(hù)過(guò)程中應(yīng)堅(jiān)持以下原則：

（1）洞內(nèi)塌方體處理采用短進(jìn)尺、預(yù)留核心土方式開(kāi)挖支護(hù)。每循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺不大于60cm，分部開(kāi)挖高度不能超過(guò)200cm。上循環(huán)支護(hù)工作未完成，嚴(yán)禁進(jìn)入下循環(huán)開(kāi)挖施工。

（2）為確保洞內(nèi)支護(hù)安全，在洞內(nèi)塌方體開(kāi)挖前對(duì)未受損段K4+552.62～K4+563.60 段進(jìn)行拱架加強(qiáng)支護(hù)。

（3）先施工完畢小角度超前注漿錨桿后，再施工大角度固結(jié)注漿錨桿，每榀拱架定位后及時(shí)進(jìn)行大角度錨桿鎖腳固結(jié)施工，所有錨桿必須與鋼架焊接牢固。

（4）錨桿注漿選擇注水泥漿，注漿總量進(jìn)行控制，注漿壓力只作為注漿效果參考，達(dá)到隧道開(kāi)挖輪廓線外形成2～3m 固結(jié)圈目的。如有超出設(shè)計(jì)注漿量的情況出現(xiàn)，需現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)實(shí)際情況確定方案。

（5）二次襯砌、仰拱作業(yè)待初期支護(hù)圍巖穩(wěn)定后立即進(jìn)行，緊跟初期支護(hù)的原則，具備6m 長(zhǎng)度澆筑成型一倉(cāng)。

（6）施工過(guò)程中嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)定做好洞外邊坡及洞內(nèi)變形量測(cè)工作，量測(cè)結(jié)果及時(shí)進(jìn)行分析，為開(kāi)挖作業(yè)提供保障。

5.1 塌方體洞身開(kāi)挖

（1）洞身開(kāi)挖施工方法確定。由于該段坍塌體坐落滑移松散體埋深之大，松散體壓力大，洞身開(kāi)挖跨度之大（最大開(kāi)挖跨度16.3m），塌方段處理長(zhǎng)度之長(zhǎng)，及隧道開(kāi)挖輪廓線外存在大量塊石架空現(xiàn)象，吃漿量大，施工難度大、安全風(fēng)險(xiǎn)高等特點(diǎn)，將隧道的開(kāi)挖方法確定為四臺(tái)階十步開(kāi)挖法，臺(tái)階控制在高度2m 左右。四臺(tái)階十步開(kāi)挖法將隧道一個(gè)斷面分為10 個(gè)小的斷面進(jìn)行開(kāi)挖，即上斷面開(kāi)挖支護(hù)、中左斷面開(kāi)挖支護(hù)（兩分部）、中右斷面開(kāi)挖支護(hù)（兩分部）、下左斷面開(kāi)挖支護(hù)、下右斷面開(kāi)挖支護(hù)、核心土開(kāi)挖（核心土預(yù)留面積＞斷面面積50%）、仰拱開(kāi)挖支護(hù)，開(kāi)挖橫斷面和縱斷面分別如圖1、圖2 所示。

（2）分部臺(tái)階開(kāi)挖循環(huán)施工程序。因本段屬于塌方體，主要采用人工進(jìn)行開(kāi)挖、扒渣，機(jī)械車輛運(yùn)輸，嚴(yán)禁使用任何爆破，對(duì)于局部孤石采用風(fēng)鎬鑿除，其每分部開(kāi)挖施工工序如圖3 所示。

5.2 注漿錨桿支護(hù)

圖2 開(kāi)挖縱斷面

圖3 分部開(kāi)挖循環(huán)施工流程

（1）施工參數(shù)調(diào)整。本塌方隧道段位于坡體坐落滑移形成的大塊石及碎塊石中，巖性為砂板巖及部分花崗巖，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔及觀察，隧道坍塌后開(kāi)挖輪廓線內(nèi)外均存在塊石架空現(xiàn)象，回填注漿量較大。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)幾天鉆孔試驗(yàn)，小導(dǎo)管鉆孔施工存在無(wú)法成孔，卡鉆和鉆桿無(wú)法拔出現(xiàn)象，因此無(wú)法按照原設(shè)計(jì)小導(dǎo)管施工。為克服小導(dǎo)管施工成孔難問(wèn)題，改為自進(jìn)式中空注漿錨桿。支護(hù)參數(shù)調(diào)整如下：隧道拱部150°范圍內(nèi)，Ф32，4.0m 長(zhǎng)小角度注漿自進(jìn)式錨桿，環(huán)向間距25cm，縱向排距100cm，注P.O42.5 水泥漿100kg/根；隧道拱墻全斷面，Ф32，4.0m長(zhǎng)大角度固結(jié)注漿自進(jìn)式錨桿，梅花形布置，環(huán)向間距100cm，縱向排距50cm，注P.O42.5 水泥漿350kg/根。

（2）自進(jìn)式錨桿成孔、制作。自進(jìn)式注漿錨桿雖然克服小導(dǎo)管施工成孔難問(wèn)題，但是自進(jìn)式注漿錨桿的注漿主要是從尾部反沖漿液壓力形成巖體固結(jié)，注漿效果遠(yuǎn)不如小導(dǎo)管，對(duì)形成2～3m 固結(jié)圈有很大影響。為此，對(duì)自進(jìn)式錨桿管壁設(shè)置注漿孔，孔徑由24mm 改為32mm，在管壁上每排間距80cm 梅花型鉆眼，眼孔直徑為不小于5mm，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巖石情況和鉆桿剛度情況適當(dāng)調(diào)整間距，確保每根不少于9 個(gè)孔，尾部長(zhǎng)度不小于50cm 作為不鉆孔的止?jié){段。為增加錨桿剛度，壁厚由4mm 改為6mm，每2m 鉆進(jìn)后設(shè)置聯(lián)結(jié)套連接，成孔和擴(kuò)漿起到很好效果。

（3）自進(jìn)式錨桿注漿。第一，注漿效果分析。自進(jìn)式注漿錨桿采用GS20EC 灌漿泵壓注水泥漿。注漿時(shí)在孔口處設(shè)置能承受規(guī)定的最大注漿壓力和水壓的止?jié){塞或自制閥門，確保漿液不外流。但由于本塌方隧道段位于坡體坐落滑移形成的大塊石及碎塊石中，巖性為砂板巖及部分花崗巖，隧道坍塌后開(kāi)挖輪廓線內(nèi)外均存在塊石架空現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)存在超灌漿量，吃漿量大。漿液流失嚴(yán)重，開(kāi)挖時(shí)存在掌子面松散渣體向洞內(nèi)溜塌現(xiàn)象，超挖較嚴(yán)重，不易形成固結(jié)拱圈，支護(hù)很難進(jìn)行。第二，注漿工藝改進(jìn)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和統(tǒng)計(jì)分析，成立質(zhì)量管理了小組，采用因果分析圖，從人、機(jī)、料、法、環(huán)5個(gè)方面入手找出各種原因，進(jìn)行要因確認(rèn)，制定對(duì)策，對(duì)注漿配合比變漿濃度、適當(dāng)摻加外加劑、調(diào)整注漿量、改變注漿順序、分段、跳孔、間歇等方法改進(jìn)注漿工藝，開(kāi)挖揭示通過(guò)超前預(yù)注漿為開(kāi)挖安全施工提供保護(hù)殼體，穩(wěn)定掌子面渣體，控制超欠挖，為固結(jié)注漿提供屏障。通過(guò)固結(jié)錨桿在開(kāi)挖線外形成2～3m 厚的連續(xù)固結(jié)拱圈，起到拱效應(yīng)作用。第三，注漿工藝總結(jié)。根據(jù)吃漿量大小選擇水泥漿或水泥砂漿，塊石架空現(xiàn)象較大時(shí)，可先注水泥砂漿后注水泥漿，注漿漿液先濃后稀，由下至上、間歇、跳孔及吃漿量大時(shí)適當(dāng)參加速凝劑分段分次順序進(jìn)行。注漿選用水泥漿液摻加2%速凝劑，采用每次50 kg水泥量進(jìn)行分段注漿，間歇4～5min，根據(jù)地質(zhì)及吃漿量情況，對(duì)個(gè)別錨桿注漿量適當(dāng)增減，控制總量不變。小角度自進(jìn)式超前注漿錨桿超前角度調(diào)整為15～25°，一環(huán)角度15°，間隔一環(huán)25°，大角度固結(jié)錨桿超前向上（外）不小于60°，每次注漿前對(duì)掌子面采用10～12cm 厚C20 噴射混凝土進(jìn)行封閉，錨桿端頭設(shè)置止?jié){閥門，可避免漿液流失。為防止固結(jié)漿液流失同時(shí)保證施工安全，對(duì)固結(jié)錨桿滯后1 榀拱架（50cm）可跳孔注漿到孔深的一半，待下循環(huán)再次進(jìn)行補(bǔ)注漿。

5.3 鋼架及噴射砼作業(yè)

隧道各分部開(kāi)挖固結(jié)錨桿注漿完成后，鋼架采用HW150X150 型鋼鋼架，縱向間距為0.5m 分單元及時(shí)安裝，與雙側(cè)鎖腳注漿錨桿進(jìn)行固定，縱向采用Φ22 鋼筋連接，鋼架之間鋪掛鋼筋網(wǎng)，然后復(fù)噴C30 混凝土到設(shè)計(jì)25cm 厚度。

5.4 仰拱及洞身襯砌

為保證施工安全，仰拱、洞身襯砌同步推進(jìn)的方式施工，擬在開(kāi)挖、支護(hù)落底作業(yè)面進(jìn)尺約6m 后即視已支護(hù)段穩(wěn)定情況（以監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)作參考）進(jìn)行仰拱、洞身砼襯砌及其他附屬工程施工，以保證洞身盡早獲得永久可靠的支撐。

6 安全監(jiān)控量測(cè)

（1）監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目及量測(cè)工具和方法如表1 所示。

（2）洞內(nèi)、外觀察分開(kāi)挖工作面觀察和已施工地段觀察兩部分。第一，開(kāi)挖工作面觀察應(yīng)在每次開(kāi)挖后進(jìn)行。觀察中發(fā)現(xiàn)圍條件惡化時(shí)，應(yīng)立即采取相應(yīng)處理措施。對(duì)已施工地段的觀察每6h 應(yīng)進(jìn)行一次，主要觀察噴射砼、錨桿和鋼架等的工作狀態(tài)。第二，洞外觀察重點(diǎn)應(yīng)在洞口段和洞身埋置深度較淺地段，變形觀測(cè)點(diǎn)采用國(guó)產(chǎn)萊卡棱鏡，將連接桿牢固焊接于系統(tǒng)錨桿上，水平垂直位移采取極坐標(biāo)法進(jìn)行觀測(cè)。

表1 監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目及量測(cè)工具和方法

（3）監(jiān)控量測(cè)資料的應(yīng)用。繪制拱頂下沉、水平收斂的位移～時(shí)間變化曲線，如表2 所示，要求隨時(shí)繪制。

表2 變形管理等級(jí)

觀察及量測(cè)發(fā)現(xiàn)異常時(shí)，及時(shí)通知施工管理人員，采取加強(qiáng)措施，確保隧道不塌方；嚴(yán)重時(shí)施工人員須迅速撤離施工現(xiàn)場(chǎng)，保證人身安全。

7 結(jié)束語(yǔ)

目前用運(yùn)該技術(shù)，圓滿地完成了本項(xiàng)目出口段高邊坡大滑坡體隧道長(zhǎng)距離塌方段出洞施工任務(wù)?？偨Y(jié)高邊坡大滑坡體隧道塌方段成洞施工，有以下幾點(diǎn)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)：

（1）隧道塌方處理的關(guān)鍵是通過(guò)超前預(yù)注漿為開(kāi)挖安全施工提供保護(hù)殼體，穩(wěn)定掌子面渣體，控制超欠挖，為固結(jié)注漿提供屏障。通過(guò)固結(jié)錨桿在開(kāi)挖線外形成2～3m 厚的連續(xù)固結(jié)拱圈，起到拱效應(yīng)作用。

（2）由于該段坍塌體坐落滑移松散體埋深大（最大約90m），松散體壓力非常大；洞身開(kāi)挖跨度大（最大開(kāi)挖跨度16.3m）；隧道開(kāi)挖長(zhǎng)度長(zhǎng)（40m）；斜坡巖體卸荷作用強(qiáng)烈，形成傾倒變形體，致使隧道偏壓嚴(yán)重，施工難度大、安全風(fēng)險(xiǎn)高，采用四臺(tái)階十步開(kāi)挖法短進(jìn)尺、預(yù)留核心土方式開(kāi)挖支護(hù)得到很好運(yùn)用。

（3）塌方隧道段位于坡體坐落滑移形成的大塊石及碎塊石中，巖性為砂板巖及部分花崗巖，當(dāng)小導(dǎo)管鉆孔施工無(wú)法成孔，或卡鉆和鉆桿無(wú)法拔出時(shí)，使用自進(jìn)式中空注漿錨桿，通過(guò)調(diào)整錨桿孔徑和壁厚，對(duì)自進(jìn)式錨桿管壁設(shè)置注漿孔，使得成孔和注漿都起到很好效果。

（4）針對(duì)塌方體位于坡體坐落滑移形成的大塊石及碎塊石中，坍塌后開(kāi)挖輪廓線內(nèi)外均存在大量塊石架空現(xiàn)象，存在超灌漿量，吃漿量大、漿液流失嚴(yán)重等困難，通過(guò)改進(jìn)注漿工藝，即注漿漿液先濃后稀，按照由下至上、間歇、跳孔順序，當(dāng)吃漿量過(guò)大時(shí)適當(dāng)摻加速凝劑后再按照分段分次的順序進(jìn)行，以起到預(yù)期固結(jié)作用。