郴寧高速公路虎形山隧道塌方處理方法探討

作者簡介：王鳳觀（1983—），工程師，主要從事公路橋梁工作。

在地質(zhì)不良的地段修筑隧道，易發(fā)生塌方事故，極大地影響工程建設(shè)。文章結(jié)合工程實例，在分析隧道塌方成因的基礎(chǔ)上，提出隧道塌方的處理和防治措施，對施工有一定的指導(dǎo)意義。

隧道;塌方冒頂;原因分析;處理措施

U458.3A341163

0 引言

近些年來，隨著大規(guī)模建設(shè)高速公路、鐵路項目，隧道越來越多，規(guī)模也越來越大。但在隧道施工的時候，由于很多因素造成的約束，如地質(zhì)不良、地質(zhì)狀況與設(shè)計情況不相符、施工方法不正確等問題，施工中容易出現(xiàn)塌方地質(zhì)災(zāi)害。塌方是比較嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害，一旦產(chǎn)生塌方，不僅增加施工難度，影響施工時間，產(chǎn)生額外的經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重時甚至發(fā)生重大質(zhì)量安全事故。因此，在隧道施工中應(yīng)預(yù)防塌方現(xiàn)象發(fā)生，如無法避免，必須采取合理的處置手段，以減少塌方帶來的危害。

1 工程概況

虎形山隧道為郴州至寧遠(yuǎn)高速公路第二合同段關(guān)鍵控制性工程之一，設(shè)計為雙向四車道分離式隧道，隧道左線長1 015 m，隧道右線長

985 m。隧道穿越虎形山脈，山高坡陡，沖溝發(fā)育，與隧道軸線走向近似平行。地表為巖溶侵蝕、剝蝕深切形成的低山-丘陵地貌，地形上表現(xiàn)為較陡斜坡，植被發(fā)育，覆蓋密集的灌木叢。隧道穿過區(qū)域的底層巖性主要有灰?guī)r、砂巖、粉砂巖夾頁巖、泥巖及白云質(zhì)灰?guī)r，巖層上覆種植土、碎石土、亞黏土、黏土，巖體弱-強(qiáng)風(fēng)化，節(jié)理裂隙一般發(fā)育，整座隧道的巖體均較破碎。隧道進(jìn)出口段均處于松散的殘坡積層中，成洞條件差，容易坍塌。隧道地下水主要為裂隙水和巖溶水兩種類型，其中裂隙水主要賦存于地層巖石的裂隙中，巖溶水主要賦存于灰?guī)r中，該地層裂隙、巖溶較發(fā)育，是地下水賦存的有利地層，水量較豐富。根據(jù)鉆探調(diào)查，流量為0.05 L/s和0.01 L/s，鉆探未發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定地下水位，但由于圍巖裂隙、巖溶發(fā)育，隧道施工中易產(chǎn)生滲水、突水、突泥現(xiàn)象。

2 施工狀況與原因

2.1 施工狀況

2009-04-23，施工隊于隧道出口左洞單向進(jìn)洞（進(jìn)洞樁號ZK116+923），掌子面施工至ZK116+894發(fā)生小塌方冒頂，施工至ZK116+877發(fā)生大塌方冒頂;2009-06-11，施工隊對隧道出口右洞實施進(jìn)洞（進(jìn)洞樁號K116+846），掌子面掘進(jìn)至K116+813、K116+765分別發(fā)生小塌方冒頂，隨著工程推進(jìn)，由于洞內(nèi)溶洞、溶槽極其發(fā)育，溶洞壁節(jié)理裂隙發(fā)育、不穩(wěn)定，溶洞填充大量松散土體，且隧道富水，多次發(fā)生突泥、突水及涌水，導(dǎo)致發(fā)生數(shù)次塌方。2009-06-18晚上9點左右，本隧道左洞ZK116+877掌子面按SZ5+型初期支護(hù)、噴射混凝土即將完時，拱頂開始出現(xiàn)少量掉土情況，約20 min后，拱頂靠左側(cè)（面向隧道）突然掉下兩塊大的孤石，孤石不規(guī)則，每塊孤石體積約3 m3，重量約5 t，隨后即發(fā)生持續(xù)不斷的大面積坍塌直至地表沉陷冒頂，并導(dǎo)致洞內(nèi)一定范圍初期支護(hù)完全破壞。由于發(fā)生塌方的時間是晚上，且當(dāng)天晚上塌方一直持續(xù)不斷，為了保證人員的安全，當(dāng)天晚上項目部禁止相關(guān)人員上山調(diào)查。第二天早上，通過對地表塌陷情況的調(diào)查，基本情況如下：地表沉陷的縱向長度約為20 m（樁號ZK116+885～ZK116+865，其中ZK116+885～ZK116+877初期支護(hù)完全破壞），寬度約為18.5 m，同時塌陷體周圍出現(xiàn)2～6 m寬度、長度不同的牽拉裂縫，裂縫最大寬度為40 cm。

2.2 原因分析

（1）面向隧道掌子面右側(cè)開挖輪廓以下約1.2 m為紅黏土，極其松散，紅黏土下面為白云質(zhì)灰?guī)r夾土，巖石強(qiáng)度較高，開挖輪廓外長有石筍，下部需進(jìn)行爆破開挖;面向隧道掌子面左側(cè)開挖輪廓以下約4 m為紅黏土夾少量孤石，紅黏土以下為白云質(zhì)灰?guī)r，下部需爆破開挖。塌方情況如圖1所示。

（2）塌方處初期支護(hù)距離前方掌子面約有40 cm的工作空間，盡管上次爆破后對掌子面進(jìn)行了素噴混凝土，但爆破對土體產(chǎn)生較大的擾動，上覆地表土層較薄、松散，沒有自穩(wěn)能力，無法形成承載拱，導(dǎo)致左側(cè)出現(xiàn)掉土現(xiàn)象，隨著孤石周圍土掉空，孤石掉落，進(jìn)一步導(dǎo)致周圍土體塌下。

3 塌方處理措施

針對出現(xiàn)的塌方、冒頂情況，項目部會同相關(guān)人員集中討論，采用洞內(nèi)洞外綜合治理的方法，具體處理方案及其步驟如下：

3.1 塌體加固處理

坍塌停止、排除危險情況后，在洞內(nèi)利用塌下的土體及漿砌片石、噴射混凝土等封堵掌子面。

3.2 地表截水排水

在地表塌陷體四周 5～10 m位置處設(shè)置截水溝，地表塌陷體上覆蓋防水布、裂縫處用水泥砂漿填塞，防水布周圍做好臨時排水溝，截、排水溝應(yīng)保證水流順排，且在地形較低處設(shè)置引出口，使水能夠及時排出，防止降雨和地表水流入洞內(nèi)導(dǎo)致出現(xiàn)更大范圍的坍塌。

3.3 洞內(nèi)已施工地段臨時支護(hù)加固

對沒有損壞部分的初期支護(hù)沿掌子面后退方向設(shè)立縱向5 m的臨時支護(hù)加固措施，支護(hù)的措施是采用與原支護(hù)斷面相一致的工字鋼，工字鋼的環(huán)向間距為1 m，工字鋼與初期支護(hù)面空隙處采用木楔楔緊，同時通過縱向連接筋將所有的工字鋼連接成一整體。

3.4 洞外坍塌面處理

地表塌陷形成坑體的四周坡面先按1∶0.75坡率清除松土，清除一級，防護(hù)一級，防護(hù)措施采用錨噴掛網(wǎng)方式臨時穩(wěn)固四周坡面。噴射混凝土厚度15 cm、8 mm鋼筋網(wǎng)孔尺寸為20×20 cm，臨時穩(wěn)固坡面后與坡面基本呈垂直方向打入89×6 mm鋼管，注漿以穩(wěn)固塌陷體周圍地表。前坡面（樁號減少方向）鋼管打入長度平均為18 m，后坡面為10 m，左右坡面則打入50×5 mm小導(dǎo)管，小導(dǎo)管單根長度為3.5 m，鋼管均按橫豎1×1 m梅花形布置，隨后用1∶1水泥漿進(jìn)行注漿，注漿壓力為1.5～2MPa。四周坡面處理完畢進(jìn)一步對塌陷坑底打入長6 m、50×5 mm小導(dǎo)管，小導(dǎo)管平面布置為縱橫1×1 m，然后采用與上述相同參數(shù)注漿。洞外坍塌面相關(guān)處理如圖2所示。

3.5 洞內(nèi)處理

（1）地表加固完畢后進(jìn)行洞內(nèi)處理，洞內(nèi)穩(wěn)固掌子面后沿隧道輪廓打設(shè)89×6 mm鋼管并注漿，注漿參數(shù)與以上相同，鋼管長度以穿過塌陷體3～4 m為宜，環(huán)向間距20 cm，每次打入鋼管長度為7 m。考慮2 m縱向搭接長度，同時工字鋼間距由原設(shè)計的50 cm調(diào)整到30 cm，并增設(shè)徑向小導(dǎo)管注漿（50×5 mm、0.5×0.5 m縱橫布置），其他參數(shù)采用設(shè)計的S5+型支護(hù)參數(shù)。處理長度自目前初期支護(hù)已破壞的ZK116+885起至塌陷體縱向前方5 m左右。

（2）對ZK116+877～ZK116+885段已損壞的初期支護(hù)中的噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)、錨桿按原設(shè)計參數(shù)重新補(bǔ)強(qiáng)。

（3）對洞內(nèi)處理時，為了保證施工的安全，鋼管超前支護(hù)注漿完畢后，架立拱架時先掏出擬設(shè)工字鋼環(huán)向一榀鋼架位置的土體，隨后架立鋼架，鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)、噴混凝土。洞內(nèi)相關(guān)處理如圖3所示。

（4）加快二次襯砌施工，增加塌方處的受力結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)監(jiān)控量測。當(dāng)支護(hù)面已處于穩(wěn)定狀態(tài)，并且二次襯砌已到該處時，再進(jìn)行臨時拱架的拆除。

3.6 洞外坍塌坑體回填

待隧道二次襯砌施工完成后，對坍塌坑體采用回填土夯實，并用水泥砂漿封面。

3.7 后續(xù)施工防塌控制

（1）做好前方掌子面的探測工作。隧道施工雖有地質(zhì)超前預(yù)報工作作為輔助指導(dǎo)，然而預(yù)報設(shè)備及技術(shù)仍然不很成熟，預(yù)報反映情況與實際情況出入較大，因此施工隊必須做好超前水平鉆工作，即開挖掌子面前可用風(fēng)槍進(jìn)行超前鉆探來探測前方地質(zhì)水文情況。

（2）在不能準(zhǔn)確確定掌子面前方地質(zhì)條件的情況下，盡量做到短進(jìn)尺、弱爆破，即使掌子面圍巖狀況較好，這樣可降低塌方的風(fēng)險。

（3）當(dāng)掌子面有發(fā)生少量滲水時必須引起高度重視，開挖、支護(hù)必須小心謹(jǐn)慎，特別是發(fā)現(xiàn)圍巖間隙夾有土層時更應(yīng)注意，很可能該處存在溶洞、溶槽及填充物。

（4）當(dāng)掌子面出現(xiàn)突水、涌泥時，在能堵的情況下盡量以堵為主，隨后注入雙液或單液漿進(jìn)行固結(jié)，否則，隨著泥土、水不斷地涌出，很容易發(fā)生塌方。對松散的土體，除了強(qiáng)調(diào)注漿效果外，應(yīng)改變開挖工法，可采用分步小斷面進(jìn)尺，挖開一部分即支護(hù)一部分，減少臨時外荷載的作用，盡早形成結(jié)構(gòu)受力體系，同時加快仰拱及二次襯砌的施工。

（5）要選擇業(yè)務(wù)素質(zhì)高、專業(yè)技術(shù)可靠的施工隊伍，同時必須加強(qiáng)現(xiàn)場監(jiān)控及管理工作，發(fā)現(xiàn)問題及時匯報、指正，規(guī)避塌方風(fēng)險。

4 處理效果

本工程根據(jù)以上處理方案，安全地完成了虎形山隧道塌方處理的各項工作。通過檢測，加固后的圍巖是穩(wěn)定的，確保了隧道后續(xù)施工能順利進(jìn)行，減輕了塌方后對項目工期、造價和安全等造成的一系列問題。

5 結(jié)語

總之，在巖溶較發(fā)育區(qū)域進(jìn)行隧道施工，發(fā)生塌方風(fēng)險較大。施工過程中，需加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報，加強(qiáng)施工監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)存在巖溶時，應(yīng)及時進(jìn)行超前鉆探，探明巖溶范圍并采取有效的開挖支護(hù)方式，以避免和防止塌方，確保隧道施工順利進(jìn)行。本文通過分析隧道塌方的原因，提出處理和預(yù)防措施，希望能對隧道施工有所幫助。

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