淺埋山嶺隧道軟巖段塌方原因分析及處理技術(shù)

陳文龍

（中交一公局第五工程有限公司， 北京 100020）

0 引言

淺埋山嶺隧道工程建設(shè)務(wù)必要保證軟巖段穩(wěn)定性，現(xiàn)場(chǎng)組織施工如果缺乏穩(wěn)定性，不僅會(huì)延長(zhǎng)工期，還有可能會(huì)導(dǎo)致后期塌方。所以對(duì)于隧道軟巖段的施工，應(yīng)該要提前進(jìn)行判斷，以免發(fā)生形變、塌方等事故。如果淺埋山嶺隧道軟巖段塌方處理不當(dāng)，不僅會(huì)對(duì)施工人員人身安全帶來(lái)極大的危害，還有可能會(huì)導(dǎo)致二次危害，所以總結(jié)分析軟巖段塌方原因是非常必要的。

1 淺埋山嶺隧道軟巖段塌方處理必要性

隧道塌方在我國(guó)隧道工程建設(shè)中，屬于高發(fā)事故。一般淺埋山嶺隧道施工多采取礦山爆破法，由于開(kāi)發(fā)環(huán)境比較單一，爆破法本身存在有害效應(yīng)，但這種效應(yīng)并沒(méi)有得到足夠的重視[1]。爆破安全規(guī)范中要求，現(xiàn)場(chǎng)施工采用測(cè)震儀等專(zhuān)業(yè)設(shè)備，隧道經(jīng)過(guò)軟巖伴生粉砂黏土類(lèi)地層之后，產(chǎn)生的隧道變形量、振動(dòng)速度控制指標(biāo)等均會(huì)異常升高，從而引發(fā)掌子面局部冒頂坍塌。圍巖壓力超過(guò)了初期支護(hù)抗力后會(huì)直接導(dǎo)致塌方。針對(duì)隧道進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)了解到軟巖段狀態(tài)，如果發(fā)現(xiàn)有塌方可能性便會(huì)及時(shí)預(yù)警，預(yù)判二次襯砌的施工時(shí)間[2]。但是工程地質(zhì)處于變化狀態(tài)，提前制定監(jiān)控量測(cè)方案并不能完全符合現(xiàn)場(chǎng)施工需求。所以，根據(jù)淺埋山嶺隧道軟巖段塌方事故的分析，應(yīng)該與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況充分結(jié)合，加強(qiáng)塌方事故處理的靈活性。

2 淺埋山嶺隧道軟巖段塌方原因

監(jiān)測(cè)軟巖偏壓段，需要針對(duì)地表沉降、水平收斂、拱頂沉降、掌子面地質(zhì)素描進(jìn)行。為了保證支護(hù)體系穩(wěn)定，重點(diǎn)要監(jiān)控量測(cè)拱頂沉降與水平收斂，一般會(huì)采用了徠卡全站儀和反射片，測(cè)定之后可以確定土質(zhì)類(lèi)型。在得出數(shù)據(jù)后，可以判斷發(fā)生大面積塌方事故的可能性。一般塌方之前掌子面開(kāi)挖結(jié)束需要架設(shè)拱架，裝載車(chē)負(fù)責(zé)拱架運(yùn)輸，在隧道一側(cè)的拱架有可能會(huì)因?yàn)槭Х€(wěn)導(dǎo)致折斷，后期一些松散巖體開(kāi)始冒落，這是導(dǎo)致塌方的根本原因[3]。當(dāng)發(fā)生了塌方事故之后，施工人員馬上組織撤離，而且要將機(jī)械設(shè)備撤離現(xiàn)場(chǎng)，時(shí)刻觀測(cè)是否有后續(xù)再次坍塌的可能性。

總結(jié)導(dǎo)致塌方的原因，包括地質(zhì)條件、現(xiàn)場(chǎng)施工、監(jiān)控量測(cè)這3 點(diǎn)，具體分析如下：

（1）地質(zhì)條件。塌方段圍巖等級(jí)不高可能出現(xiàn)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，然而最終預(yù)報(bào)結(jié)果并不會(huì)得到關(guān)注，加上施工時(shí)可能會(huì)受到降雨、地下水等因素的影響，致使強(qiáng)風(fēng)化巖體出現(xiàn)砂狀松散現(xiàn)象，預(yù)留保護(hù)層受到擠壓便增加了拱架承受壓力，以致形成塌方。

（2）現(xiàn)場(chǎng)施工。淺埋山嶺隧道施工過(guò)程中，上臺(tái)階單循環(huán)、總裝藥量等經(jīng)過(guò)爆破測(cè)震儀檢定，整體施工方案欠缺精細(xì)度，例如掏槽間距大這一問(wèn)題，掏槽炸藥能量不斷轉(zhuǎn)換成爆破振動(dòng)，或者單循環(huán)進(jìn)尺比較大，導(dǎo)爆管毫秒延時(shí)，減震爆破缺乏有效性，致使掩體受損，出現(xiàn)滑移現(xiàn)象。設(shè)計(jì)規(guī)定開(kāi)挖隧道上臺(tái)階，初期支護(hù)、圍巖中間位置會(huì)有預(yù)留變形層，在松散巖體發(fā)生爆破震動(dòng)后，拱架承受壓應(yīng)力增加，是引發(fā)塌方的關(guān)鍵原因。下臺(tái)階推進(jìn)式爆破次數(shù)過(guò)多，便會(huì)導(dǎo)致原本松散巖體出現(xiàn)二次震動(dòng)，進(jìn)而引發(fā)塌方。除此之外，軟巖段在前期設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)運(yùn)用超前小導(dǎo)管（如圖1）在隧道中注漿，經(jīng)過(guò)檢測(cè)與觀察發(fā)現(xiàn)注漿參數(shù)和其余加強(qiáng)圍巖段相同，對(duì)比松散巖體而言加固能力有待提高，同樣會(huì)導(dǎo)致塌方[4]。

圖1 小導(dǎo)管布設(shè)方案

（3）監(jiān)控量測(cè)。結(jié)合隧道圍巖流變特征，針對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，需要?jiǎng)?chuàng)建西元模型，遵循西元正夫理論。根據(jù)監(jiān)控量測(cè)設(shè)計(jì)要求，得出加強(qiáng)圍巖量測(cè)斷面之間的距離，分析之后判斷軟巖段圍巖變形速率。設(shè)計(jì)人員確定監(jiān)控量測(cè)頻率后可保證監(jiān)控圍巖的整體質(zhì)量。但軟弱圍巖段受監(jiān)控量測(cè)頻率這一因素的干擾，初期支護(hù)頻率無(wú)法完全達(dá)標(biāo)，當(dāng)量測(cè)頻率過(guò)高還會(huì)導(dǎo)致大量人力資源浪費(fèi)，無(wú)法起到動(dòng)態(tài)預(yù)警的效果，這與軟巖段監(jiān)控預(yù)警要求不符。

3 淺埋山嶺隧道軟巖段塌方處理方法

一旦淺埋山嶺隧道工程出現(xiàn)塌方這一事故，必須要及時(shí)組織專(zhuān)家、監(jiān)理與施工人員等進(jìn)行討論，確定塌方處理的最佳方案。一般要在加強(qiáng)塌體穩(wěn)定性、填充塌腔、超前注漿這三個(gè)方面分別展開(kāi)有效處理。施工人員在現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖地表截水溝，以免降雨雨水滲透到坑陷內(nèi)部，在洞中注漿起到加固的效果。已經(jīng)松散的巖體經(jīng)過(guò)凝固處理后，堆積成為拱形，而地表塌陷坑的坑壁則要做好支護(hù)施工，這也是加固的有效處理方法，以免出現(xiàn)坑壁松土滑落現(xiàn)象[5]。洞中注漿凝固強(qiáng)度觀察與檢測(cè)發(fā)現(xiàn)超過(guò)75%時(shí)，可開(kāi)始地表注漿，地表注漿凝固強(qiáng)度若是達(dá)到了75%以上時(shí)，可以開(kāi)始初期支護(hù)侵限段、塌方段換拱。除此之外，關(guān)于軟巖段塌方事故的有效處理，還應(yīng)該按照臨時(shí)處理、塌方區(qū)處理、混凝土回填、軟巖段快速掘進(jìn)施工這四個(gè)方面總結(jié)有效的處理方案。

3.1 施工現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)處理方案

為了避免隧道施工現(xiàn)場(chǎng)軟巖段塌方影響范圍擴(kuò)大，對(duì)于塌方區(qū)域周?chē)仨氁龊门R時(shí)處理工作，起到控制塌體范圍的效果。結(jié)合淺埋山嶺隧道工程所在地區(qū)，分析當(dāng)?shù)亟邓闆r，例如降水比較多，便可以在塌方現(xiàn)坑附近5m 范圍內(nèi)開(kāi)挖截水溝，噴射混凝土支護(hù)，可避免雨水向塌陷坑中滲漏。施工時(shí)遇到突發(fā)降雨可提前準(zhǔn)備帆布覆蓋。塌腔達(dá)到了臨時(shí)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，露出塌方體外側(cè)需要及時(shí)噴射混凝土，噴射厚度達(dá)到9cm 即可。混凝土終凝時(shí)在碴體面準(zhǔn)備小導(dǎo)管，間距為30cm、長(zhǎng)度4.5m，縱向間距以2m 為宜。從左拱腰到右側(cè)邊墻這一區(qū)間放置超前小導(dǎo)管，采用整環(huán)加固的方式，挑選小導(dǎo)管注漿材料時(shí)，水泥漿水灰比調(diào)整為1:1，控制注漿壓力為0.5～1MPa。在施工現(xiàn)場(chǎng)塌方區(qū)前方，必須提前制定應(yīng)急方案，及時(shí)開(kāi)展二次襯砌施工。建議襯砌單循環(huán)的長(zhǎng)度以9m 為宜，對(duì)于施工現(xiàn)場(chǎng)的支護(hù)侵限段，盡管初期支護(hù)并沒(méi)有完全達(dá)到失穩(wěn)狀態(tài)，但有時(shí)也會(huì)發(fā)生變形。所以這一范圍內(nèi)進(jìn)行套拱施工，控制間距在50cm 左右，而且還可以運(yùn)用超前小導(dǎo)管進(jìn)行注漿加固。檢查發(fā)現(xiàn)洞內(nèi)注漿凝固強(qiáng)度達(dá)到了75%以上馬上組織加固地表。一般地表加固需要用到鋼花管，控制間距為1m×1m，而且要布置成為梅花型，注漿范圍設(shè)定在30m×30m×30m[6]。

3.2 塌方區(qū)處理方案

塌方區(qū)制定處理方案，一般要從碴石、換拱、閉合仰拱、襯砌這四個(gè)方面提出科學(xué)有效的處理建議。

（1）施工現(xiàn)場(chǎng)的碴石處理。在注漿漿體固結(jié)之后，洞外松散碴體穩(wěn)定性能得到改善，建議施工人員操作機(jī)械設(shè)備進(jìn)行開(kāi)挖，應(yīng)用三臺(tái)階法，要求循環(huán)進(jìn)尺不能超過(guò)0.5m。開(kāi)挖施工結(jié)束開(kāi)始巖面初噴，注意上方可掛設(shè)鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距以20cm×20cm 為準(zhǔn)。巖面初噴這一作業(yè)結(jié)束后，沿著開(kāi)挖輪廓面上方可安裝鋼架，并掛設(shè)鋼筋網(wǎng)，放置錨桿，該錨桿的長(zhǎng)度以5m為宜。注漿、噴射混凝土施工環(huán)節(jié)，噴射厚度為32cm，混凝土強(qiáng)度大于設(shè)計(jì)強(qiáng)度80%可開(kāi)始后面環(huán)節(jié)的作業(yè)。

（2）換拱施工處理。針對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)侵限超過(guò)5cm 這一部分，務(wù)必要及時(shí)展開(kāi)換拱處理，按照測(cè)量最終數(shù)據(jù)可明確需要換拱的部位、更換鋼架，將端部鎖定導(dǎo)管予以保留，導(dǎo)管長(zhǎng)度統(tǒng)一設(shè)定為5m，鎖定導(dǎo)管、鎖腳毛管采用相同的施工方法?，F(xiàn)場(chǎng)施工人員應(yīng)用風(fēng)鎬拆除鋼架中間混凝土。按照從下到上的順序一一拆除，確定開(kāi)挖已經(jīng)達(dá)到符合規(guī)定斷面，便可以針對(duì)開(kāi)挖面展開(kāi)初噴，建議采用氣割機(jī)，割除鋼架中間的連接鋼筋，逐一安裝鋼架。若發(fā)現(xiàn)鋼頭沒(méi)有放置在指定設(shè)計(jì)部位，應(yīng)用幫焊這一形式將鋼架連接。當(dāng)開(kāi)始架設(shè)鋼筋網(wǎng)，系統(tǒng)錨桿、鎖腳導(dǎo)管、噴射混凝土等環(huán)節(jié)可隨之展開(kāi)，注意換拱施工循環(huán)不能大于一榀，換拱之前必須要將臨時(shí)支撐拆除。

（3）閉合仰拱施工處理。二次襯砌施工可改善回填塌腔成效，換拱施工結(jié)束后，緊接著隧道下臺(tái)階開(kāi)挖、下導(dǎo)拱架作業(yè)，搭建閉合支護(hù)體系。下導(dǎo)爆破單循環(huán)進(jìn)尺可按照1m 進(jìn)行，單孔裝藥量應(yīng)該結(jié)合實(shí)際爆破效果調(diào)整，既要加強(qiáng)出碴塊度規(guī)范性，又可以盡可能地減小圍巖帶來(lái)的影響。

（4）襯砌施工處理。隧道工程軟巖段侵限、塌方加強(qiáng)一模襯砌，襯砌小里程端部、后續(xù)處理位置中間的部分，要預(yù)留出2～3m 左右的侵限與塌方段處理空間，當(dāng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)襯砌混凝土滿足一定強(qiáng)度要求，便可以開(kāi)始下一階段換工以及二次襯砌。

3.3 混凝土澆灌處理方案

當(dāng)隧道施工現(xiàn)場(chǎng)的二次襯砌臺(tái)車(chē)經(jīng)過(guò)了塌方段，通過(guò)挖掘機(jī)可以在塌腔內(nèi)部填充沙袋，施工人員堆碼沙袋的過(guò)程中要同時(shí)保證準(zhǔn)確性、密實(shí)度。完成沙袋堆積約4m，便可以在沙袋上澆筑混凝土，使其能夠固結(jié)成為整體[7]。混凝土澆筑環(huán)節(jié)，隧道中插入空心管，塌腔內(nèi)部壓力更加平衡，而且混凝土持續(xù)性澆筑也提高這一環(huán)節(jié)的施工效率。

3.4 快速掘進(jìn)施工處理方案

對(duì)于隧道施工塌方事故的處理，以免再次發(fā)生塌方且快速經(jīng)過(guò)軟巖段，在爆破施工時(shí)建議采取減震爆破技術(shù)。通過(guò)導(dǎo)爆管雷管具備的孔內(nèi)外延期這一基本功能，控制掏槽起爆時(shí)差，要求不超過(guò)40ms。附近炮孔孔距和光爆層厚度比以0.8 為宜[8]。除此之外，加強(qiáng)施工現(xiàn)場(chǎng)所有工種協(xié)調(diào)性，提高施工效率，盡可能地將圍巖暴露時(shí)間縮短，從而達(dá)到封閉成環(huán)的效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，針對(duì)淺埋山嶺隧道工程軟巖段塌方這一事故，為了避免塌方發(fā)生，結(jié)合以往軟巖段施工經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)塌方的根本原因通常與地質(zhì)條件、現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境等有直接關(guān)系。以此為前提提出塌方處理措施，科學(xué)選擇塌方處理技術(shù)，提高隧道工程整體質(zhì)量，以免發(fā)生塌方之后帶來(lái)嚴(yán)重的危害。