復(fù)雜地質(zhì)隧道進洞坍塌處治施工技術(shù)

黃正彬

（中交四航局第一工程有限公司 廣州 510420）

1 工程概況

某高速公路隧道左線（ZK56+720～ZK57+368）長648 m，隧道右線（K56+745～K57+383）長638 m，設(shè)計為分離式小凈距隧道，建筑界限15.5 m×5 m，左右線進口洞門采用肖竹式，出口采用端墻式，自然通風(fēng)；進洞口設(shè)計標高268 m，出洞口設(shè)計標高254 m；隧道最大埋深約145 m，其中Ⅲ級圍巖占25.5%，Ⅳ級圍巖占40.9%，Ⅴ級圍巖占33.6%，采用進口段單向掘進施工。

隧道右洞進口設(shè)計里程K56+745，明暗分界里程為K56+760，邊仰坡為兩級，防護采用噴錨防護，錨桿采用φ22 砂漿錨桿，長度3.5 m，噴射C25 混凝土厚度為10 cm，掛φ8 mm鋼筋網(wǎng)。

2 地形地貌

隧道位于構(gòu)造剝蝕低山地貌區(qū)，區(qū)內(nèi)最高標高在K57+050 處，高程430 m，最低標高在隧道出口，高程255 m，相對高差175 m。隧道走向與山脊走向近于垂直。隧道進口端山坡坡度較緩，自然坡度一般15°～20°；出口端山坡坡度較陡，自然坡度一般25°～35°；隧道洞身坡度起伏較大，坡度一般20°～25°，植被發(fā)育及水土保持較好。

3 地質(zhì)條件

4 現(xiàn)場施工情況

4.1 坍塌前施工情況

項目于2018年5月10日隧道進口開始清表施工，洞頂截水溝及邊仰坡已完成施工，于2018年8月20日開始右洞進洞施工。進洞掘進施工，嚴格按照施工圖設(shè)計文件及施工規(guī)范要求，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法掘進，左導(dǎo)坑已掘進7 m，右導(dǎo)坑已掘進3 m。

4.2 拱頂坍塌情況

2018 年9 月16 日，受“山竹”臺風(fēng)影響停工，項目部對臺風(fēng)過后現(xiàn)場進行安全排查。發(fā)現(xiàn)隧道進口右洞出現(xiàn)地表開裂、局部隆起，K56+770 里程洞頂?shù)乇硭輧商?，拱頂溜塌如圖1所示，坍塌土體被水沖進已開挖導(dǎo)坑內(nèi)，填充左右導(dǎo)坑。右導(dǎo)坑地下水從洞內(nèi)流出，水量較大。由左右洞之間截水天溝處往大里程方向延伸出一條地表裂縫，裂縫寬度約10 cm，裂縫與線路中線夾角約30°，延伸長度約40 m。

4.3 監(jiān)控量測情況

截止2018 年10 月5 日，隧道右線進口K56+760～K56+766 段拱頂沉降累計變化值為-243.1～-96.4 mm（預(yù)留沉降量200 mm），周邊位移監(jiān)測點因受臺風(fēng)影響破壞，洞口淺埋段地表下沉累計變化值為-495.8～-19.3 mm，如圖2所示。

監(jiān)測數(shù)據(jù)分析表明K56+761～K56+766 洞內(nèi)監(jiān)測點變化速率未超過報警值，已穩(wěn)定，累計變化量超過報警值。套拱水平向外橫移值19 cm，如圖3 所示。監(jiān)控數(shù)據(jù)如表1所示。

5 坍塌原因分析

⑴坡面較緩，排水能力較差；

⑵ 隧道覆蓋層圍巖為粉質(zhì)粘及全風(fēng)化泥巖高嶺土化，透水性強，遇水液化，失去自穩(wěn)力及承載能力；

⑶經(jīng)長期雨水浸泡后，又遇強臺風(fēng)強降雨，在坡面低洼處形成積水，土體中含水量達到一定程度，失去自穩(wěn)能力而出現(xiàn)流動現(xiàn)象，形成輕微泥石流，是造成本次坍塌的主要原因［1-3］。

6 坍塌處理方案的比選及確定

6.1 方案1：換拱掘進方案

施工思路為隧道明暗交界維持原設(shè)計不變，充分利用已經(jīng)施工的套拱及管棚支撐，使圍巖自穩(wěn)，將已經(jīng)變形的初期支護拆除，重新施作初期支護［4］。本方案減少對邊仰大面積開挖，減少對邊仰坡擾動，確保山體自穩(wěn)，有效規(guī)避天氣等因素對施工進度的影響，有利于施工安全。

6.2 方案2：明洞掘進方案

施工思路將已變形的原邊仰坡全部開挖，開挖后對新的邊仰坡進行支護，施工明洞及長管棚，然后對明洞進行回填，最后再開挖掘進［5］。本方案重新征地，將已變形的邊仰坡及已施工初期支護全部拆除，規(guī)避了換拱存在的安全風(fēng)險，同時本方案開挖對左洞造成一定影響。

換拱掘進方案和明洞掘進方案的優(yōu)缺點對比如表2所示。

表2 坍塌處理方案對比Tab.2 Comparison of Collapse Treatment Schemes

經(jīng)過方案比選，對于初支變形的采用換拱方案，結(jié)合多次現(xiàn)場查看，并召開施工方案專家評審會，會上通過了專家論證。

7 坍塌處理方案

坍塌處治方案包含洞頂?shù)乇斫厮?、洞頂土體加固、塌腔處理和洞內(nèi)換拱4個部分。

7.1 截水天溝施工

原來已經(jīng)施工完成的截水天溝不變，在原截水溝5 m 以外重新開挖一條新的截水溝，坡度不小于3%，開挖時采用人工配合機械開挖遇石質(zhì)時輔以弱爆破，截水溝采用C25 混凝土砌筑施工，每隔10～15 m 設(shè)置一道沉降縫，截水溝與原設(shè)計天溝順接。施工中盡量避免施工對邊仰坡范圍以外植被的破壞。

7.2 自然坡面地表注漿

新舊截水溝之間自然坡面，為避免重新征地，保留原有植被，地表采用施鉆鋼花管注漿加固，鋼花管長度4.0～4.5 m，間距1.2 m×1.2 m 梅花型布置，鋼花管保持與地面垂直，靠近裂縫處與裂縫垂直，注漿壓力2～3 MPa，兩次注漿，確保注漿效果達到預(yù)期目標。

7.3 邊仰坡注漿加固處理

原套拱至舊截水溝之間仰坡受坍塌影響，局部圍巖受擾動，采用施鉆鋼花管注漿加固處理，鋼花管長度仰坡部分按6.0 m，邊坡部分4.0～4.5 m，間距1.2 m×1.2 m 梅花型布置，局部受地形條件制約間距可適當(dāng)調(diào)整，注漿壓力1～2 MPa 分兩次注漿，確保效果達到預(yù)期作用。

邊仰坡加固處理時，對周邊裂縫進行封閉。確保地表水不沿裂縫流進土體，確保整個邊坡穩(wěn)定。塌陷區(qū)截水溝及注漿加固圖如圖4所示。

7.4 回填坍塌腔體

組織地表注漿施工同時，組織對坍塌腔體進行處理，首先將坍塌體表面松散土體清除，在脫空的長管棚上澆筑一層厚20 cm鋼筋網(wǎng)片混凝土，防止土體掉進洞內(nèi)；其次對坍塌腔體邊坡用C25 噴射混凝土封閉邊坡，用C15 混凝土回填坍塌腔體。

7.5 換拱施工

⑴先將已經(jīng)開挖成型的左右導(dǎo)坑回填至上臺階；

⑵然后將中導(dǎo)坑開挖；

⑶拆除已經(jīng)侵限的左導(dǎo)坑初期支護拱架及噴射混凝土：①目前左導(dǎo)坑已掘進7 m，測量顯示大部分已經(jīng)侵限，需要進行左導(dǎo)坑換拱；②每次只能換一榀鋼拱架，鑿除主要以人工配合風(fēng)鎬開挖為主［6］，盡量減少對圍巖的擾動；③先用風(fēng)鎬破除鋼拱架背后的巖土，鑿除后用氧氣乙炔割除鋼拱架；④切割前用頂撐頂住被切割段的型鋼，先割縱向連接筋，再割與拱架焊接的錨管等；⑤用錘頭先輕敲震動鋼拱架，使拱架松動，由工人配合拖住鋼拱架，用撬棍從一端到另一端逐步撬動，直至鋼拱架順利拆除。

⑷在鋼拱架拆除完后，人工進行欠挖處理，對于局部殘留的混凝土采用風(fēng)鎬破除。錨桿超前支護等鋼結(jié)構(gòu)采用電氣焊切除［7］，直至輪廓滿足施工和設(shè)計要求，并預(yù)留沉降量；

⑸重新掛設(shè)鋼筋網(wǎng)、安裝新的鋼拱架；且每榀換拱設(shè)鎖腳錨管2根，鎖腰錨管2根，間距為80 cm；鎖腳錨管距地面20～30 cm，設(shè)有自由向下傾斜角度；

⑹每批換拱拱腳處，適當(dāng)加大［8］，采用混凝土填充密實；

⑺噴射混凝土支護。

7.6 監(jiān)控量測

完成換拱施工后，對隧道右線進口56+760～K56+770段進行了監(jiān)測，通過一周的監(jiān)測，拱頂沉降累計變化值為（-49.1）～9.9 mm，周邊位移累計變化值為（-3.5）～1.5 mm，洞口淺埋段地表下沉累計變化值為（-58.8）～（-6.2）mm。洞口淺埋段地表下沉速率為（-0.17）～0.04 mm/d，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)及巡視結(jié)果分析（見圖5～圖6），隧道及附近圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。

8 結(jié)論

⑴本文主要淺析了隧道坍塌的處理方案，造成隧道坍塌的原因主要有：坡面較緩，排水能力較差；隧道覆蓋層圍巖為粉質(zhì)粘及全風(fēng)化泥巖高嶺土化，透水性強，遇水液化，失去自穩(wěn)力及承載能力；經(jīng)長期雨水浸泡后，又遇強臺風(fēng)強降雨，在坡面低洼處形成積水，土體中含水量達到一定程度，失去自穩(wěn)能力而出現(xiàn)流動現(xiàn)象，形成輕微泥石流［9］。

⑵結(jié)合工程施工情況分析遇到的問題，并對采取的方案對比后進行數(shù)值模擬分析，一方面通過對進洞施工時遇到的惡劣天氣及環(huán)境導(dǎo)致的坍塌機理進行綜合管控，另一方面提出的明洞掘進方案和換拱掘進方案進行綜合比對，對于初支變形的采用換拱方案，施工更具有連貫性，且不須重新征地。

⑶對處治后的隧道坍方情況進行數(shù)值模擬和現(xiàn)場實地測量跟蹤，發(fā)現(xiàn)各項力學(xué)指標和物理指標、以及指標的變化率均在預(yù)測范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)可控且安全可靠［10］，表明經(jīng)過處治后的進洞坍塌現(xiàn)象得到根治。

本文通過詳細的分析和論證，對于隧道塌方的處理施工工法和施工手段，進行了闡述和介紹，在施工過程中應(yīng)做到“弱爆破、短進尺、強支護、早襯砌、快封閉、勤測量”等原則穩(wěn)步前進［11］，確保隧道施工安全，對于隧道塌方的處理問題，類似的隧道施工企業(yè)、掘進施工企業(yè)可參考該實施方案，故本文的測算、跟蹤和處治方式具有一定的參考意義和價值。