隧道施工塌方治理技術(shù)應(yīng)用研究

毛鵬飛

（總裝備部工程建設(shè)監(jiān)理部，北京 100028）

1 隧道塌方原因

1.1 設(shè)計(jì)原因

隧道設(shè)計(jì)方法包括現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控法、理論計(jì)算法和工程類比法。工程類比法是不少單位常用方法，此方法對(duì)于設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)有很強(qiáng)的依賴性，通常是直接套用類似工程項(xiàng)目的方案，缺乏對(duì)工程具體情況的考量，導(dǎo)致設(shè)計(jì)方案不夠合理，這也是公路工程隧道塌方事故頻繁發(fā)生的重要原因[1]。

1.2 施工原因

在隧道施工中，不少參與施工的工作人員的專業(yè)素質(zhì)不能完全滿足施工要求，導(dǎo)致施工環(huán)節(jié)經(jīng)常出現(xiàn)開挖數(shù)據(jù)和爆破參數(shù)不準(zhǔn)確、支護(hù)方式不合理的情況，塌方問(wèn)題也會(huì)隨之出現(xiàn)。

1.3 地形地質(zhì)原因

隧道工程施工受地形地質(zhì)因素的影響很大。在不良地形地質(zhì)路段，隧道圍巖宜破碎，塌方事故發(fā)生的可能性也非常大。若缺少超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，或預(yù)報(bào)信息缺乏準(zhǔn)確性和完整性，使施工過(guò)程中缺少有效的地質(zhì)信息參考，只能借鑒自身經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行施工，會(huì)使施工的科學(xué)性無(wú)法得到保證。

1.4 監(jiān)控測(cè)量原因

隧道施工多采用新奧法，強(qiáng)調(diào)對(duì)施工全過(guò)程的監(jiān)測(cè)，但很多項(xiàng)目的施工過(guò)程中，管理人員沒(méi)有認(rèn)識(shí)到監(jiān)控測(cè)量工作的重要性，進(jìn)行隧道開挖及支護(hù)時(shí)，缺乏有效的數(shù)據(jù)資料，增加了塌方事故發(fā)生的概率[2]。

2 治理隧道塌方的原則

隧道工程施工首先要做好預(yù)防工作，對(duì)存在的安全隱患進(jìn)行排查，盡可能避免事故的發(fā)生。在制訂塌方處理方案時(shí)，應(yīng)充分結(jié)合實(shí)際，確保方案的可行性和針對(duì)性：（1）做好塌方原因的分析，對(duì)塌方范圍進(jìn)行勘察，確定事故對(duì)后續(xù)施工產(chǎn)生的影響；（2）依據(jù)勘察結(jié)果提出有針對(duì)性的處理方法，對(duì)塌方區(qū)域及周邊區(qū)域進(jìn)行處理，保證隧道施工的順利進(jìn)行；（3）做好處理過(guò)程的監(jiān)管工作，對(duì)于存在的隱患，采取后續(xù)措施盡量消除，避免發(fā)生二次事故。

3 隧道施工塌方治理技術(shù)

3.1 小導(dǎo)管注漿技術(shù)

小導(dǎo)管注漿技術(shù)工作效率高，可采用多臺(tái)鉆機(jī)同時(shí)鉆孔，保證實(shí)施的有效性和靈活性。需要注意的是：（1）小導(dǎo)管應(yīng)選擇焊接鋼管或者無(wú)縫鋼管，直徑為40～50 mm，長(zhǎng)度通常為3～5 m，可以分為單層小導(dǎo)管和雙層小導(dǎo)管。應(yīng)沿隧道拱部輪廓線的外側(cè)設(shè)置，環(huán)向布設(shè)范圍和間距由地層性質(zhì)決定，其位置、深度應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求。（2）注漿材料應(yīng)具備良好的可注性，確保漿液固結(jié)后具備較高的強(qiáng)度，抗?jié)B性和穩(wěn)定性良好。常見材料包括改性水玻璃漿、普通水泥漿液、水泥-水玻璃雙漿液。（3）應(yīng)采用由下而上的注漿順序，間隔對(duì)稱進(jìn)行，相鄰孔位錯(cuò)開，注漿壓力控制在0.1～0.4 MPa，終壓由地層條件和周邊環(huán)境控制的要求確定，通常不超過(guò)0.5 MPa，穩(wěn)壓時(shí)間不少于2 min，如果采用劈裂法，壓力應(yīng)超過(guò)0.8 MPa，應(yīng)嚴(yán)格控制注漿速度，確保其不大于30 L/min，同時(shí)做好監(jiān)測(cè)工作。

3.2 管棚注漿法

管棚注漿法可以對(duì)隧道拱頂進(jìn)行加固，在隧道周邊設(shè)置鋼管，對(duì)圍巖進(jìn)行注漿加固，產(chǎn)生的加固圈可以幫助巖層更好地承受荷載。施工應(yīng)“先外后內(nèi)”“跳孔注漿”“由稀到濃”，注漿前，需要在鋼管中沿管壁設(shè)置直徑為15 mm 的排氣管。等到排氣孔有漿液流出并且漿液濃稠時(shí)，實(shí)施終壓注漿，直至達(dá)到設(shè)計(jì)注漿壓力。注漿結(jié)束后，需要對(duì)注漿管內(nèi)的漿液進(jìn)行清理，使用30 號(hào)水泥砂漿充填，提高管棚的強(qiáng)度和剛度[3]。注漿孔仰角需要依照鉆孔深度和鉆桿強(qiáng)度確定，通常為1°～1.5°，鉆機(jī)最大下沉量和左右偏移量應(yīng)為鋼管長(zhǎng)度的1%。管棚不能侵入開挖線內(nèi)，相鄰鋼管不能立交或者碰撞。

4 隧道塌方治理要點(diǎn)

4.1 明確施工步驟

1）做好掌子面的加固處理，避免塌方范圍擴(kuò)大，常用的加固處理方法包括中空錨桿、小導(dǎo)管注漿、止?jié){墻等；

2）對(duì)塌方影響段進(jìn)行處理，可選擇的處理方式包括工字鋼加固、鋼筋網(wǎng)噴射混凝土等；

3）做好塌方段的管理工作，常用的方法為護(hù)拱法，需要提前做好圍巖處理，對(duì)排水管設(shè)施進(jìn)行完善，然后使用混凝土噴射的方式進(jìn)行封閉，控制混凝土厚度最小為16 cm；

4）繼續(xù)進(jìn)行隧道的開挖應(yīng)該嚴(yán)格依照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，避免出現(xiàn)二次塌方問(wèn)題。

4.2 優(yōu)化施工管理

優(yōu)化施工管理工作，應(yīng)安排專業(yè)技術(shù)人員收集隧道所處區(qū)域的地質(zhì)環(huán)境信息，結(jié)合實(shí)際情況確定支護(hù)參數(shù)、設(shè)計(jì)出合理的治理方案，配合先進(jìn)的施工設(shè)備和專業(yè)的施工隊(duì)伍，保證處理效果。施工中需要合理應(yīng)用地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)，明確圍巖的實(shí)際情況，做好缺陷部位的準(zhǔn)確定位，為后續(xù)處理工作做準(zhǔn)備。

5 工程實(shí)例

5.1 工程基本情況

某隧道所在場(chǎng)區(qū)地貌為黃土梁峁，沖溝發(fā)育，地形起伏較大，洞身位于Ⅱ～Ⅲ級(jí)自重濕陷黃土中，圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)。隧道掘進(jìn)采用“三臺(tái)階七步法”。掘進(jìn)過(guò)程中，在A-A 剖面發(fā)生塌方，該隧道第二岔洞塌方區(qū)平面圖如圖1 所示。

圖1 隧道第二岔洞塌方區(qū)平面圖

5.2 塌方基本情況

對(duì)該隧道主洞掘進(jìn)支護(hù)到塌方部位時(shí)，曾發(fā)生過(guò)一次小型塌方，塌腔以31 m3混凝土噴實(shí)后做了鋼拱架加錨噴支護(hù)。在對(duì)第二岔洞進(jìn)行上臺(tái)階（拱部）開挖支護(hù)過(guò)程中，拱部、側(cè)墻及前方掌子面發(fā)生多次“即挖即塌”的現(xiàn)象，遂采取邊開挖邊用方木、背板支撐的方法加固，對(duì)前方掌子面坍塌較深的部位（向前、向上約2～3 m），采取外徑φ48 mm，壁厚3.5 mm 鋼管桁架及方木、“背柴”填塞法支護(hù)。某日開挖處突然發(fā)生較大規(guī)模的塌方，作業(yè)腳手架被掩埋壓壞，未切割的拱頂附近DN108 mm 超前支護(hù)管棚全部塌落、擠彎，部分焊接接口斷裂。塌方高度約7.55 m，塌腔頂部相對(duì)標(biāo)高12.90 m（即地坪標(biāo)高-15.000 m，此時(shí)以±0.000 m 計(jì)），其上山體表面距室內(nèi)地面高29.31 m，上覆土厚度16.41 m。塌方量約95 m3。

5.3 塌方原因分析

1）地質(zhì)因素是決定因素。塌方部位正好處于地表較大沖溝的底部，在塌方前有幾次大中雨，致使?jié)裣菪渣S土受雨水浸潤(rùn)，變得更為松軟易塌。

2）主洞施工期間雖塌方量較小，當(dāng)時(shí)采用模噴的方法處理，極易形成頂部的小型空腔（側(cè)洞開挖后得到了證明），經(jīng)一年多的松弛變形，使山體松動(dòng)的范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，形成了“即挖即塌、不挖也塌”情況。

5.4 采取的處理措施

5.4.1 塌方洞口封堵

第二岔洞停止開挖，對(duì)現(xiàn)有洞口進(jìn)行封閉。

1）圍巖監(jiān)控測(cè)量點(diǎn)埋設(shè)及測(cè)量頻率嚴(yán)格按照要求實(shí)施，必要時(shí)加強(qiáng)測(cè)量頻次，及時(shí)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析。

2）安裝水平導(dǎo)管,在塌方洞口范圍水平設(shè)置3 排φ48 mm導(dǎo)管加固，長(zhǎng)6.0 m，水平間距150 mm，垂直間距800 mm，每排導(dǎo)管下部與初噴I18 工字鋼焊接固定。在第一排水平錨管下的工字鋼下部再設(shè)置一排錨管，間隔300 mm 布置，與工字鋼焊接。

3）導(dǎo)管安裝后，安裝鋼骨架（I18 工字鋼），鋼骨架采用mm 螺紋鋼與主洞初襯I18 鋼拱架焊接固定，再掛網(wǎng)片（最上層掛雙層網(wǎng)片，封閉塌腔洞口；下兩層沿工字鋼垂直掛網(wǎng)）。鋼骨架采用I18 工字鋼，網(wǎng)片采用φ8 mm 鋼筋。然后噴厚25 cm 的C25 混凝土，預(yù)留注漿孔與通氣孔，使圍巖初步穩(wěn)定（見圖2）。

圖2 塌方洞口封堵

5.4.2 塌腔灌注混凝土

1）塌腔采用泵送C25 混凝土進(jìn)行回填處理，分次泵送混凝土，混凝土的澆筑厚度控制在2 m 以內(nèi)。

2）灌注混凝土之后，用I18 的工字鋼與主洞初襯鋼拱架切割部位焊接，恢復(fù)初襯拱架。掛雙層鋼筋網(wǎng)片并噴射混凝土C25 至設(shè)計(jì)厚度，如圖3 所示。

圖3 塌腔灌注混凝土

3）彈簧透水軟管引出后，被切割的主洞二襯墻體部分及防水部分須根據(jù)設(shè)計(jì)修改圖而制訂詳細(xì)實(shí)施方案。

5.4.3 塌腔后續(xù)處理

采取上述措施后，阻止了塌方的進(jìn)一步發(fā)展，保證了施工的繼續(xù)進(jìn)行，但其屬于緊急搶險(xiǎn)，未能對(duì)塌腔進(jìn)行完全加固。隧道貫通后，側(cè)洞仰拱澆筑完畢，硐室穩(wěn)定性大幅提高，對(duì)塌腔進(jìn)行后續(xù)處理。

1）塌方區(qū)影響范圍確定

根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告，黃土的內(nèi)摩擦角φ 取32°。塌腔高度D 為7.5 m，上覆土厚度C 為16.41 m，C/D=2.19，一般認(rèn)為C/D＞3 時(shí)，空硐的坍塌不會(huì)影響到地表。因此，可假定塌腔影響區(qū)土體破壞模式為朗肯主動(dòng)破壞模式，將塌腔形狀簡(jiǎn)化為直徑為4.337 m，高7.5 m 的圓柱體，則破壞線與水平面的夾角為45°+φ/2=61°，塌腔影響區(qū)范圍如圖4 所示。

圖4 隧道塌腔影響范圍及處理示意圖

2）加固準(zhǔn)備

在塌腔影響區(qū)外5 m，山頂一側(cè)，打入直徑25 mm，長(zhǎng)2.5 m 的螺紋鋼20 跟，間距1 m，用以固定安全帶；距塌腔地表中心點(diǎn)7 m，開挖寬40 cm，深30 cm 的圓形排水溝；以塌腔地表中心點(diǎn)為中心，搭建高5 m，寬5 m，長(zhǎng)5 m 的防雨棚。

在山頂一側(cè)，距離塌腔地表中心點(diǎn)1.5 m 和塌腔地表中心點(diǎn)打直徑200 mm 的圓孔直達(dá)塌腔，圓孔用直徑200 mm 的PVC 給水管護(hù)壁，管壁與孔壁空隙用細(xì)砂填實(shí)（見圖4）。在以塌腔地表中心點(diǎn)2.0 m 為半徑的圓上，間隔60°，分別打孔深為3 m、6 m、9 m、12 m 和15 m，直徑為110 mm 的監(jiān)測(cè)孔，監(jiān)測(cè)孔用直徑110 mm 的PVC 給水管護(hù)壁，管壁與孔壁空隙用細(xì)砂填實(shí)。

3）加固措施

塌腔注漿漿液中所含水分過(guò)高容易造成濕陷性黃土的再次塌陷，因此，采用C25 混凝土填充塌腔。用長(zhǎng)桿或者鉛垂線測(cè)量填充孔深，當(dāng)填充孔深小于初始孔深即為填滿；沉降監(jiān)測(cè)頻率為2 次/h，當(dāng)監(jiān)測(cè)孔深不小于9 m 的沉降值都大于10 mm/d 時(shí)，停止施工；用長(zhǎng)桿深入填充孔檢測(cè)填充體硬度，待填充體開始硬化后，用水泥漿將填充孔和沉降監(jiān)測(cè)孔全部堵死，表層孔口用黃土夯實(shí)。

5 結(jié)語(yǔ)

在隧道施工中，塌方是常見的工程事故，其產(chǎn)生的原因包括設(shè)計(jì)、施工、地質(zhì)、測(cè)量等，而一旦出現(xiàn)隧道塌方問(wèn)題，將會(huì)造成巨大的損失，需要采取有效的措施進(jìn)行處理，避免事故影響范圍擴(kuò)大。因此，施工單位應(yīng)切實(shí)做好隧道塌方事故的預(yù)防工作，盡可能減少施工中的不良影響，結(jié)合實(shí)際情況做好現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)工作，提高工程施工的技術(shù)水平。