胡 強(qiáng) 楊春平

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 貴陽 550081)

作為地下結(jié)構(gòu)物，隧道的施工難度較大，施工風(fēng)險(xiǎn)較高，其中隧道塌方具有突發(fā)性強(qiáng)、施工安全風(fēng)險(xiǎn)大、處治耗時(shí)長等特點(diǎn)，一旦發(fā)生，必然費(fèi)工費(fèi)時(shí)，故其已成為影響隧道施工安全及施工進(jìn)度的重大障礙[1]。其中，花崗巖地層存在著風(fēng)化程度高、差異風(fēng)化明顯等特點(diǎn)，施工過程中因掌子面圍巖突變或地下水變化導(dǎo)致的塌方事故相對(duì)頻發(fā)[2-3]。故而，針對(duì)花崗巖地層的隧道塌方處治一直是工程技術(shù)領(lǐng)域的重點(diǎn)研究對(duì)象。徐瑩等[4]以拉丁拉山全風(fēng)化花崗巖隧道大型塌方處治工程為依托，對(duì)塌方產(chǎn)生的原因、處治措施及處治效果進(jìn)行了系統(tǒng)分析；甘露等[5]依托福州市湖東東路南線隧道K0+920強(qiáng)風(fēng)化花崗巖段塌方事故，在對(duì)塌方的成因進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)而提出采用“雙層注漿小導(dǎo)管”的處治方案；陳德金[6]以羅家寨隧道為工程依托，采用多種分析方法對(duì)全、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖段落施工過程中塌方事故頻發(fā)的災(zāi)害機(jī)制進(jìn)行了系統(tǒng)研究；尚彥軍等[7]以集寧隧道為例，分析得出了太古代片麻狀花崗巖的變形破壞形式以多組節(jié)理切割下塊體掉落和塌方為主，并進(jìn)而提出針對(duì)性的加強(qiáng)支護(hù)措施。

可以看出，現(xiàn)階段針對(duì)花崗巖地層隧道塌方病害的研究已經(jīng)取得了一定的成績，但其主要集中在災(zāi)害機(jī)理分析及處治方案研究方面，對(duì)隧道塌方的預(yù)防性對(duì)策則尚有欠缺。針對(duì)上述情況，本文結(jié)合本項(xiàng)目風(fēng)化花崗巖地層隧道施工的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在分析塌方事故頻發(fā)原因的基礎(chǔ)上，擬提出系統(tǒng)的預(yù)防控制措施。

1 工程概況

某高速公路線路共計(jì)19座隧道，其中有12座隧道的圍巖以元古界(Pt)花崗混合巖、印支期入侵(γ51)花崗巖為主。通過地勘資料、補(bǔ)充勘探資料及實(shí)際開挖發(fā)現(xiàn)，本項(xiàng)目花崗巖地層具有風(fēng)化層厚，差異分化明顯，礦物組成中黏土礦物含量大、節(jié)理裂隙間夾雜大量砂質(zhì)填充等特點(diǎn)，導(dǎo)致圍巖自穩(wěn)能力整體較差，隧道掌子面開挖過程中拱部圍巖掉塊、局部坍塌現(xiàn)象異常頻發(fā)，若遇到地下水富集段落，則極易引發(fā)隧道塌方甚至冒頂事故。

分析本項(xiàng)目塌方事故的現(xiàn)場情況、圍巖特性及地下水情況，發(fā)現(xiàn)塌方事故多由拱部圍巖突然由好變差、拱部揭露軟弱夾層及拱部圍巖出水量突然增加等原因引發(fā)。不同風(fēng)化程度花崗巖段落掌子面塌方的圍巖特性分析見表1。

表1 不同花崗巖段落掌子面塌方的圍巖特性分析

由于塌方事故突發(fā)性強(qiáng)，對(duì)施工安全的威脅性大，且處治過程費(fèi)時(shí)費(fèi)力，已成為影響本項(xiàng)目隧道施工安全及施工進(jìn)度的最大障礙。統(tǒng)計(jì)本項(xiàng)目的災(zāi)害處治變更臺(tái)賬，2021年1月1日-8月31日期間共計(jì)發(fā)生塌方事故32起，延誤工期達(dá)406 d，增加直接投入近600萬元。

2 塌方事故的原因分析

2.1 圍巖突變性極強(qiáng)

花崗巖為侵入巖漿巖，受地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及化學(xué)風(fēng)化等作用的影響，其差異分化現(xiàn)象明顯。同時(shí)，本項(xiàng)目起終點(diǎn)高差較大，線路從起點(diǎn)至終點(diǎn)幾乎全程下坡。受整體線路限制，項(xiàng)目縱向高程方面的調(diào)整靈活度嚴(yán)重受限，前半段的隧道埋深相對(duì)較小，局部段落位于花崗巖風(fēng)化線分界位置，進(jìn)而導(dǎo)致掌子面圍巖突變情況頻發(fā)。

差異風(fēng)化的花崗巖導(dǎo)致隧道圍巖極不穩(wěn)定，即使是同一個(gè)掌子面也可能出現(xiàn)風(fēng)化程度迥異的多種花崗巖。鑒于隧道圍巖的多變性，單通過掌子面肉眼觀測的形式來判斷掌子面前方圍巖存在著預(yù)判難度大、可靠性不高等問題，而一旦未能提前預(yù)判出前方圍巖由強(qiáng)變?nèi)醯内厔?，則極有可能引發(fā)掌子面塌方事故。

2.2 水文條件復(fù)雜多變

花崗巖地層中地下水類型主要為基巖裂隙水，地下水分布受巖體完整性影響較大，圍巖破碎帶一般亦是富水段落。受花崗巖差異風(fēng)化的影響，本項(xiàng)目場區(qū)地下水也存在著明顯的不均勻分布特點(diǎn)，同一個(gè)掌子面不同位置打設(shè)的超前排水孔的出水量可能存在著較大的差異。此外，場區(qū)地下水受大氣降水及地表地形影響明顯，雨季期間溝谷地表水匯集，進(jìn)而沿著下伏基巖的節(jié)理、風(fēng)化裂隙向下滲透，源源不斷地補(bǔ)給地下水。

全風(fēng)化花崗巖遇水后，圍巖易軟化崩解，支護(hù)不及時(shí)易坍塌，若水量較大甚至存在著涌水突泥的風(fēng)險(xiǎn)。強(qiáng)、中風(fēng)化花崗巖的節(jié)理裂隙間多夾雜泥質(zhì)、砂質(zhì)等填充物，填充物遇水后易軟化，導(dǎo)致圍巖自穩(wěn)能力顯著下降，若支護(hù)不當(dāng)，在施工擾動(dòng)作用下亦存在塌方的風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 超前小導(dǎo)管施作效果欠佳

通過現(xiàn)場調(diào)查及與施工班組長的座談等多種途經(jīng)了解到，本項(xiàng)目普遍存在著超前小導(dǎo)管注漿效果偏差、超前小導(dǎo)管實(shí)際施作長度存在不足等實(shí)際問題。超前小導(dǎo)管注漿效果差多是受風(fēng)化花崗巖自身特性的影響[9]，同時(shí)注漿工序繁雜且耗時(shí)較長導(dǎo)致現(xiàn)場工人對(duì)注漿施工有一定的抵觸情緒也是不可忽視的重要原因。此外，現(xiàn)場超前小導(dǎo)管的實(shí)際施工長度大多在2.5～3.5 m之間，上述現(xiàn)象的出現(xiàn)存在2個(gè)客觀原因：其一是風(fēng)化花崗巖本身自穩(wěn)能力差，打孔過程中容易塌孔；其二是施工機(jī)械功能限制，現(xiàn)場采用的手持風(fēng)鉆打孔效率較低，打孔深度受限。

超前小導(dǎo)管不注漿或少量注漿，導(dǎo)致拱部圍巖無法凝結(jié)成整體，圍巖在地下水沖刷及施工擾動(dòng)的雙重作用下易發(fā)生失穩(wěn)坍塌。同時(shí)，超前小導(dǎo)管實(shí)際施工長度不足導(dǎo)致超前支護(hù)無法有效穿過潛在的滑動(dòng)面或無足夠的嵌巖長度，整體支護(hù)能力存在不足。此時(shí)，一旦掌子面圍巖失去自穩(wěn)能力，拱部欠長的超前小導(dǎo)管不足以鎖固拱部圍巖，往往隨著掉落的巖塊一起被折彎。

3 塌方預(yù)防措施

塌方事故相對(duì)頻發(fā)，處治頗為耗時(shí)，已成為制約項(xiàng)目有序推進(jìn)的重大障礙。文中提出一套相對(duì)全面的塌方預(yù)防措施，重點(diǎn)如下。

3.1 加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作

本項(xiàng)目隧道圍巖突變性極強(qiáng)，單一方法難以及時(shí)、準(zhǔn)確預(yù)判前方圍巖情況，通過加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，采用物探、鉆探等多種手段探測前方圍巖情況，并結(jié)合已開挖段落圍巖情況，對(duì)探測結(jié)果進(jìn)行綜合分析，相互驗(yàn)證，從而大幅提高圍巖預(yù)判的準(zhǔn)確性。

1) 每次放炮后對(duì)掌子面進(jìn)行地質(zhì)素描，以初步推斷前方巖層情況；對(duì)局部重點(diǎn)地段，如斷層破碎帶、節(jié)理密集帶、巖性接觸帶、地下水富集帶、差異風(fēng)化或軟硬相間等，應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查與分析。

2) 采用TSP隧道地震探測儀進(jìn)行遠(yuǎn)距離較宏觀長期預(yù)報(bào)，一般洞身段每100～150 m探測1次，地質(zhì)復(fù)雜地段視情況增加探測次數(shù)；采用GPR(地質(zhì)雷達(dá))進(jìn)行近距離探測，通過長、短結(jié)合，對(duì)圍巖情況進(jìn)行綜合判斷。

3) 在圍巖富水段段落，應(yīng)采用TEM等手段探測前方圍巖富水情況，進(jìn)而結(jié)合TSP、GPR、TEM等預(yù)報(bào)結(jié)果確定是否需要打超前探孔，以及超前探孔打設(shè)位置和數(shù)量(1～5個(gè)為宜)，鉆孔時(shí)應(yīng)對(duì)鉆進(jìn)速度、取芯情況、出水點(diǎn)位置、流量、水壓、水溫及出水狀態(tài)等作詳細(xì)記錄。

3.2 加強(qiáng)超前排水工作

針對(duì)本項(xiàng)目場區(qū)地下水在時(shí)間和空間2個(gè)維度上均存在不均勻分布的情況，通過加強(qiáng)超前排水工作，提前引排掌子面前方的地下水，以改善隧道內(nèi)的作業(yè)環(huán)境，減小施工風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，針對(duì)初期支護(hù)出水嚴(yán)重的段落，通過施作徑向泄水孔引排墻后積水，從而有效減小運(yùn)營期隧道滲漏水的風(fēng)險(xiǎn)。具體的圍巖排水措施包括如下3個(gè)方面。

1) 掌子面仰斜式排水孔排水。當(dāng)通過超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)探測發(fā)現(xiàn)隧道前方圍巖富水時(shí)，應(yīng)展開洞內(nèi)、外調(diào)查，查明水源點(diǎn)。對(duì)于隧道圍巖情況較差，施工過程存在涌水突泥風(fēng)險(xiǎn)的段落，必須從掌子面向圍巖深部打設(shè)仰斜式排水孔對(duì)地下水進(jìn)行提前引排。

仰斜式排水孔應(yīng)從推測圍巖富水區(qū)段前方5 m開始鉆孔，每循環(huán)鉆孔深度30～50 m，連續(xù)鉆探每循環(huán)孔深應(yīng)能滿足前后2循環(huán)鉆孔重疊長度不小于5 m的要求，最后一循環(huán)鉆孔應(yīng)穿出圍巖富水段不少于5 m，施工示意見圖1。鉆孔數(shù)量一般為3～5個(gè)，鉆孔角度控制在10°～15°范圍，鉆孔直徑不應(yīng)小于76 mm，推薦采用108 mm，以保證排水效果。鉆孔過程中如有塌孔，應(yīng)塞入打孔的PVC塑料管或者鋼花管以保證排水孔通暢。

圖1 掌子面仰斜式排水孔施工示意圖

2) 初期支護(hù)背后斜向排水孔排水。當(dāng)隧道穿越較長富水段落，掌子面及已施工的上臺(tái)階初期支護(hù)滲水嚴(yán)重，明顯影響隧道正常施工或存在施工安全隱患的情況下，可在初期支護(hù)背后增設(shè)斜向排水孔對(duì)地下水進(jìn)行二次引排，其施工示意見圖2。增設(shè)排水孔的位置原則上應(yīng)設(shè)置護(hù)拱，以確保支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，并作為打設(shè)排水孔的定位鋼架。排水孔的縱向位置宜設(shè)置在上、中臺(tái)階分界位置附近，鉆孔長度20～30 m；環(huán)向位置則應(yīng)根據(jù)掌子面及上臺(tái)階初期支護(hù)出水情況靈活設(shè)置，原則上排水孔的孔位應(yīng)盡可能的低，以保證排水效率。

圖2 初期支護(hù)背后仰斜式排水孔施工示意圖

3) 徑向泄水孔排水。對(duì)于初期支護(hù)背后有積水、冒水時(shí)應(yīng)設(shè)置徑向泄水孔。若初期支護(hù)變形較大時(shí)，應(yīng)先設(shè)置護(hù)拱，護(hù)拱施工完成后方能施做泄水孔排水，以保證施工安全。

3.3 加強(qiáng)超前支護(hù)工作

1) 密排式超前支護(hù)。當(dāng)隧道圍巖自穩(wěn)能力較差，開挖過程中拱部掉塊嚴(yán)重，而超前小導(dǎo)管實(shí)際施工長度受限時(shí)，可采用密排式超前支護(hù)方案，具體方案為：超前小導(dǎo)管單根長度3.5 m，每循環(huán)兩榀工字鋼，奇偶循環(huán)的超前導(dǎo)管環(huán)向錯(cuò)開布置，單循環(huán)超前導(dǎo)管的環(huán)向間距為30 cm，奇偶循環(huán)聯(lián)合支護(hù)后注漿導(dǎo)管的環(huán)向間距可加密至15 cm。通過密排布置導(dǎo)管的骨架支護(hù)作用，可有效預(yù)防塊狀巖塊從導(dǎo)管間隙中掉落。

此外，奇偶循環(huán)超前導(dǎo)管的施作仰角按5°～15°及20°～30°控制，配合上導(dǎo)管的注漿固結(jié)，可在隧道拱部形成一個(gè)致密可靠的注漿加固區(qū)，從而有效預(yù)防施工過程中可能產(chǎn)生的拱部圍巖坍塌事故。支護(hù)示意見圖3。

圖3 密排式超前支護(hù)施工示意圖

2) 灌漿式超前支護(hù)。當(dāng)隧道處于相對(duì)干燥的全、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖段，拱部圍巖開挖臨空后存在一定的自穩(wěn)時(shí)間時(shí)，可考慮采用灌漿式超前支護(hù)。灌漿式超前支護(hù)指通過灌注水泥砂漿完全填充管體，使之成為有一定剛度的混凝土鋼管，同時(shí)可視情況在鋼管內(nèi)插入加強(qiáng)筋進(jìn)一步提高鋼管的整體抗折強(qiáng)度，其施工示意見圖4。

圖4 灌漿式超前支護(hù)施工示意圖

灌漿式超前支護(hù)的使用有2個(gè)必要前提條件：①其一是地下水不發(fā)育，圍巖相對(duì)干燥或略潮濕；②漿液的擴(kuò)散難度大，注漿效果不佳。未經(jīng)擾動(dòng)的全、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖本身相對(duì)致密，注漿施工過程中漿液的擴(kuò)散效果不理想，主要以劈裂注漿為主[9]，注漿施工要求相對(duì)較高，施工難度整體偏大，且頗為耗時(shí)。與注漿小導(dǎo)管相比，灌漿式超前支護(hù)的洞外灌漿工序可與洞內(nèi)支護(hù)工序平行施工，可大幅提高超前小導(dǎo)管的施工速度。此外，通過管內(nèi)插入加強(qiáng)筋強(qiáng)化管體剛度的形式增強(qiáng)超前支護(hù)的抗折性能，可在一定程度上彌補(bǔ)欠佳的小導(dǎo)管注漿加固效果，從而保證施工安全。

3) 聯(lián)合支護(hù)式超前支護(hù)。當(dāng)通過超前探孔及綜合物探等手段預(yù)判掌子面前方圍巖極其破碎，主要以全、強(qiáng)風(fēng)化圍巖為主，且地下水相對(duì)發(fā)育，評(píng)估隧道開挖過程中大規(guī)模塌方的風(fēng)險(xiǎn)較大時(shí)，建議提前采用超前管棚進(jìn)行支護(hù)，管棚可選擇長×直徑×壁厚為9 m×89 m×6 mm的超前中管棚或長×直徑×壁厚為12 m×108 m×6 mm的超前大管棚。此外，根據(jù)實(shí)際開挖情況，可在管棚范圍內(nèi)環(huán)向錯(cuò)開打設(shè)直徑×壁厚為42 mm×4 mm超前小導(dǎo)管作為超前管棚段的加密補(bǔ)強(qiáng)措施，支護(hù)示意見圖5。

圖5 超前管棚與超前小導(dǎo)管聯(lián)合支護(hù)示意圖

4) 自進(jìn)式錨桿支護(hù)。當(dāng)隧道掌子面圍巖破碎，自穩(wěn)能力較差，且超前支護(hù)鉆孔施工過程中容易卡鉆或成孔困難時(shí)，可考慮采用自進(jìn)式中空注漿錨桿作為超前支護(hù)，以保證超前支護(hù)的施工質(zhì)量。

3.4 加強(qiáng)開挖工法的過渡管控

經(jīng)過現(xiàn)場施工實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，V級(jí)圍巖采用三臺(tái)階環(huán)形開挖預(yù)留核心土法是合理可行的，但要加快初期支護(hù)工字鋼封閉成環(huán)的時(shí)間。為控制結(jié)構(gòu)變形，降低后期換拱風(fēng)險(xiǎn)，要求做到以下兩點(diǎn)：時(shí)間上，初期支護(hù)工字鋼封閉成環(huán)的時(shí)間宜盡量控制在25 d以內(nèi)；空間上，掌子面到仰拱距離不宜大于30 m。

IV級(jí)圍巖原則上采用兩臺(tái)階法開挖，在圍巖情況較好且相對(duì)均勻的段落，兩臺(tái)階法開挖可有效保障施工進(jìn)度要求。但是，考慮到該項(xiàng)目圍巖突變性較強(qiáng)，在由V級(jí)圍巖剛切換為IV級(jí)圍巖的過渡段落，建議先采用三臺(tái)階法作為過渡開挖方法。此外，針對(duì)IV級(jí)圍巖較差段落，建議結(jié)合實(shí)際施工情況，考慮采用兩臺(tái)階預(yù)留核心土法進(jìn)行開挖，以有效預(yù)防可能發(fā)生的塌方事故。

3.5 加強(qiáng)支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

結(jié)合項(xiàng)目前期的施工經(jīng)驗(yàn)及施工監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，認(rèn)為花崗巖地層宜適當(dāng)加強(qiáng)初期支護(hù)參數(shù)，以確保施工期間安全。鑒于上述考慮，在現(xiàn)有襯砌參數(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)初期支護(hù)參數(shù)(包括工字鋼型號(hào)及間距、系統(tǒng)錨桿、鎖腳錨桿、超前支護(hù)和注漿參數(shù)等)進(jìn)行了精細(xì)化設(shè)計(jì)，形成了一套相對(duì)完備的支護(hù)參數(shù)體系，以應(yīng)對(duì)隧道圍巖的高突變性，從而滿足現(xiàn)場施工需求[10]。

4 實(shí)際施工成效

在明確現(xiàn)場施工難題及相對(duì)應(yīng)的預(yù)防措施后，對(duì)后續(xù)施工效果進(jìn)行了跟蹤。統(tǒng)計(jì)2021年1月1日-8月31日期間本項(xiàng)目隧道的平均月進(jìn)尺情況見表2。

表2 隧道平均月進(jìn)尺統(tǒng)計(jì)表 m

由表2可見，全風(fēng)化花崗巖段的隧道施工速度提升33.3%，強(qiáng)風(fēng)化花崗巖段的施工速率提升37.2%，中風(fēng)化花崗巖的施工速率提升56.0%，施工成效較為明顯。結(jié)合現(xiàn)場施工情況，總結(jié)施工速率加快的原因如下：全、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖段隧道開挖過程中的拱部掉塊、局部坍塌乃至掌子面塌方現(xiàn)象明顯減少，耗費(fèi)在塌腔回填、塌方事故處治方面的時(shí)間顯著縮短；通過加強(qiáng)超前排水和超前支護(hù)，掌子面圍巖自穩(wěn)能力顯著改善，現(xiàn)場施工在保證安全的前提下將開挖步距及初期支護(hù)工字鋼間距適當(dāng)拉大，是強(qiáng)、中風(fēng)化花崗巖段施工速率大幅提升的主要原因。

5 結(jié)語

針對(duì)本項(xiàng)目隧道施工過程中塌方事故頻發(fā)的現(xiàn)象，在分析花崗巖圍巖特性、場區(qū)地質(zhì)水文條件及現(xiàn)場施工難題的基礎(chǔ)上，提出了一套相對(duì)全面的預(yù)防對(duì)策，并通過長時(shí)間的施工進(jìn)度跟蹤驗(yàn)證了相應(yīng)措施的實(shí)施效果，主要結(jié)論如下。

1) 花崗巖差異風(fēng)化明顯，加之本項(xiàng)目隧道局部段落正好處于花崗巖風(fēng)化線分界位置，導(dǎo)致隧道圍巖突變性強(qiáng)，掌子面前方圍巖的預(yù)判難度大。施工過程中應(yīng)采用多種方法綜合探測前方圍巖情況，以提高圍巖預(yù)判準(zhǔn)確性，為現(xiàn)場施工提供必要的指導(dǎo)性信息。

2) 花崗巖地層水力聯(lián)系較強(qiáng)，地下水分布不均，且圍巖的水穩(wěn)性較差，施工過程中應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)超前排水作業(yè)。通過掌子面仰斜式排水孔、初期支護(hù)背后斜向排水孔等提前引排地下水，可大幅改善施工作業(yè)環(huán)境，有效降低潛在的施工風(fēng)險(xiǎn)。

3) 超前小導(dǎo)管注漿效果不佳、施工長度不足是導(dǎo)致隧道塌方頻發(fā)的直接原因。根據(jù)圍巖情況適當(dāng)加強(qiáng)超前支護(hù)是預(yù)防塌方事故發(fā)生的必要措施。相對(duì)干燥的全、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖段落可考慮采用灌漿式超前支護(hù)，以提高隧道的施工進(jìn)度；在難以成孔的軟弱圍巖段落則可考慮采用自進(jìn)式錨桿或自進(jìn)式管棚施工，以保證超前支護(hù)的施工質(zhì)量。

4) 通過加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、加強(qiáng)超前排水施工、適當(dāng)加強(qiáng)超前支護(hù)、加強(qiáng)開挖方法的過渡管控及加強(qiáng)支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)等系列措施，形成一套相對(duì)全面的隧道塌方預(yù)防方案，可明顯減少塌方事故的發(fā)生頻率，有效提高施工安全和結(jié)構(gòu)質(zhì)量，并大幅提升施工速度。