下洋2号隧道洞身塌方掉拱处理施工技术

陈志强

（中铁一局集团有限公司，陕西 西 安 7 14000）

1 工程概况

泉三高速公路下洋2号隧道左线长662 m，起讫里程ZK103+790~ZK104+452，位于地震基本烈度Ⅵ度区。隧道处于构造剥蚀中低山地貌单元，隧道轴线经过地段最大高程为740 m，线路横穿一近东西向展布山梁，隧址区地形起伏较大，隧道进出口两端地形较陡，坡度30°~45°，最陡可达60°。隧址区线路两侧沟谷发育，以隧道中部山岭为分水岭，两侧均有常年流水，附近沟谷有地下水出露，隧道线状流水或涌水主要为基岩裂隙水和地表渗水。隧道洞身段通过多条小型构造破碎带，洞身段岩石为弱~微风化炭质泥岩、粉砂岩，大部地段含碳，围岩破碎，胶结性差，结构松散，隧道开挖时，易出现线状流水或涌水，易引起冒顶坍塌，施工时应引起足够的重视，及时加强支护及防排水措施，防止洞室坍塌及涌水。

2 隧道设计

道路等级为双向四车道高速公路，设计时速80 km/h，路面设计荷载为公路Ⅰ级，行车道宽度为2×3.75 m（单洞）。

隧道结构按新奥法设计，采用复合式衬砌，以锚杆、湿喷混凝土（钢筋挂网）、钢拱架等为初期支护，大管棚、超前注浆小导管、超前锚杆等为施工辅助措施，充分调动和发挥围岩的自稳能力，在监控量测信息的指导下施作初期支护和二次模筑衬砌。

3 坍塌情况

下洋2号隧道左线ZK103+990~ZK103+997段因煤炭地质原因，加之开挖仰拱和对存在欠挖但已初支完毕的仰拱进行返工的过程中操作不当，于2007年5月24日7时右侧墙初支钢拱架失稳内移开裂，并与拱部初支钢拱架一起坍塌。该塌方影响纵向长度为25 m（ZK103+990~ZK104+015），塌落环向长度从右侧拱脚至过拱顶向左3 m，塌落及变形工字钢拱架共33榀，左侧壁其余部分无变化。所幸塌方发生时，施工人员及施工机具及时撤离至安全地带。塌方使正常的开挖掘进施工一度中断达3个月之久。

4 坍塌原因

4.1 地质原因

塌方段原设计为Ⅲ级围岩，实际属于Ⅴ级围岩，工程地质条件属二选石炭系炭质泥岩，洞身及其周边围岩均为煤矸石和泥质页岩夹层细砂岩，围岩破碎，节理裂隙发育，地下水发育，并伴有大量裂隙水从侧墙与拱部渗出，形成松散的流动体，围岩自稳性较差，顶板及侧壁不稳定，开挖易塌，初支结构受力较大，导致侧墙与拱部失稳、坍塌，是造成塌方的主要原因。

4.2 连带因素

该塌方段上断面开挖施工过程中曾出现过几次小塌方，与之临近的ZK103+984处2007年1月30日曾发生过较大塌方。上述塌方造成周边围岩基本失去自稳能力，致使初支结构受力较大，围岩已难经受住再次挠动，对后续仰拱开挖时顶板及侧壁稳定性产生极为不利的影响，是造成塌方的重要原因。

4.3 其他因素

对于围岩类别的降低并伴有大量裂隙水从侧墙与拱部渗出可能造成坍塌的隐患，在施工仰拱时本应引起足够的重视，及时加强支护及防排水措施，防止洞室坍塌及涌水，然而由于疏忽了上述隐患，在开挖仰拱和对存在欠挖但已初支完毕的仰拱进行返工的过程中操作不当，导致已施工好的右侧壁边墙与拱部掉拱、初期支护开裂坍塌，是造成塌方的人为原因。

5 塌方处理方案

（1）先加固ZK103+975~ZK103+990段初支，采用I18工字钢环向加固15榀，间距1.0 m，打设Φ50锁脚锚管并注浆（锚管长度为3.0 m），按环向间距1.0 m焊接φ25纵向连接筋，防止塌方向前发展。

（2）将二衬台车推至ZK103+960~ZK103+951段浇注二衬砼；同时将φ500钢管逃生通道从该二衬头一直安置到塌方尾部，确保安全逃生。

（3）再加固ZK104+015~ZK104+030段初支，采用I18工字钢环向加固15 m，间距0.75 m，打设锁脚锚管并注浆（锚管长度为3.0 m），纵向连接筋间距1.0 m，避免塌方继续发展。

（4）拉碴回填塌方段，回填至上下断面交界高度位置处，并进行压实，喷射C20砼20 cm厚封闭虚碴面，施工时注意安全。

（5）对塌方段左侧打设Φ50锁脚锚管并注浆饱满，每榀共打设3对（6根），对左侧壁进行初支补强。

（6）对ZK103+990~ZK104+015段塌腔进行注浆加固，避免塌腔坍塌扩大。

（7）从ZK103+990右侧起施作第1环Φ50超前导管，开始换拱，换拱必须确保安全，逐榀进行换置，先换至上断面，换拱是处理塌方的关键工序，应高度重视各个环节，确保换拱顺利通过，各工序如下：①根据实际情况，往小里程紧邻ZK103+990的第2榀已初支拱架未发生裂缝、沉降与变形等不利变化，先将此榀拱架拱顶向左侧3 m、向右侧9 m，环向共12 m范围内喷射砼用风镐凿开，露出I18a工字钢肋部，按环向间距25 cm对型钢肋部烧孔48个，施做48根φ50超前注浆钢管，钢管长5.0 m/根，并注浆至饱满，之后对此榀拱架进行30 cm厚C20砼复喷，恢复支护，形成棚架式支护体系。塌方段以后每榀照此施作1环超前导管。②根据左侧壁未发生裂缝变化的实际情况，先将过拱顶左侧第一个拱架连接头用风镐凿开，卸掉螺栓。③在对进行换拱的拱架与下一品需换拱的拱架间的初支砼面上用电钻打孔，孔深20cm，环向孔间距为1 m，然后装微量炸药进行爆破，达到露出纵向连接筋的效果。④在已露出的纵向连接筋上面关木模，形成保护平台，防止掉碴伤人，然后割除纵向连接筋。⑤用挖掘机拆除已被分离的该榀拱架，在现场加工成品拱架，成品拱架应已焊好纵向连接筋（环向间距50 cm）及双层钢筋网片，用挖掘机将成品拱架安装就位。⑥在右侧拱脚处纵向安装工字钢，将成品拱架拱脚直接落在该工字钢上面。⑦工人站在左侧安全初支下面喷射C20砼，外露出与下一榀拱架纵向连接头。⑧对已换置好拱架右侧采用一根2 m长的工字钢进行斜向支撑，并加横向支撑（一端顶住左侧壁，一端顶住已换拱架侧壁），避免右侧再次塌方对拱架造成偏压变形。⑨按照上述步骤逐榀进行上断面换拱。

（8）进行右侧下断面换拱及仰拱施工，要求逐榀拆除、逐榀施工，逐榀施工仰拱及填充，下断面型钢拱架插入仰拱偶脚处围岩内1 m，确保仰拱开挖时不暴露出拱脚，而仰拱拱架安装时采用与下断面拱架进行侧面焊接。

（9）左侧仰拱及填充和右侧同时施工，及时封闭成环。

（10）施作塌方段二衬前，对右侧塌腔分次泵送砂浆进行充填密实。

（11）塌方段ZK103+990～ZK104+015段二衬加设钢筋，二衬砼标号提高到C30。

6 塌方抢险施工工艺

6.1 施工设计（见图1、图2、图3）

图1 塌方抢险处理洞身俯视示意图

图2 Ⅰ-Ⅰ（Ⅲ-Ⅲ）剖面图

图3 Ⅱ-Ⅱ剖面图

6.2 超前导管（锚管）设计参数

（1）注浆材料为水泥浆，水泥浆水灰比1∶1。当地下水较大时，注浆材料采用水泥-水玻璃浆液，水泥浆与水玻璃体积比1:0.5，水玻璃浓度35波美度，水玻璃模数为2.4。

（2）注浆压力：初压力 0.5 MPa～1.0 MPa，终压力 2.0 MPa～3.0 MPa，终压力持续30 min。

（3）超前导管（锚管）采用φ50热扎无缝钢管，壁厚4 mm，管节长度锁脚锚管3.0 m、左侧壁注浆管5.0 m、超前导管5.0 m，管口段1.2 m钢管不开孔，其余部分按15 cm间距交错设置注浆孔，孔径8 mm，钢管头部10 cm长度加工成锥形的导向帽。超前导管搭接长度4.2 m，外插角为10°孔口处设置止浆塞，止浆塞应能承受最大注浆压力。

6.3 抢塌方施工工艺

6.3.1 超前小导管的制作与安装

超前导管接长采用“V”型对焊。在塌体松散部分安装超前导管直接采用挖掘机撞击推入至设计位置，原岩部分及塌体较硬部分则采用凿岩钻机钻孔，钻孔直径60 mm，之后人工下管至设计位置，见图4。

图4 Φ50注浆小导管大样图

6.3.2 注浆

按施工配合比要求配制单液浆，视具体情况，如果地下水位较大时，配制双液浆，采用双液注浆机进行注浆，严格控制水灰比及注浆压力（初压力与终压力），注浆开始应采用较大的水灰比，之后逐渐变小，注浆压力逐渐增大，达到终压时应继续注浆30min，直至饱满为止。注浆应从底孔位向高孔位的顺序进行，使浆液能快速分散至塌体及周边围岩内，充满塌体及周边围岩间之裂缝、起到固结塌体及周边围岩之目的。

6.3.3 成品钢拱架制作

在现场加工制作成品拱架，成品拱架应已焊好纵向连接筋（环向间距50 cm）及双层钢筋网片。6.3.4 上断面换拱施工

换拱每循环进尺仅限于1榀的间距，采用电钻打浅孔，微量炸药爆破塌腔变形初支砼，露出并分离工字钢拱架、纵向连接筋及钢筋网片，用挖掘机拆除已被分离部分，之后采用人工或风镐开挖固结体，开挖断面应有30 cm的预留沉降量，并对开挖面立即初喷5 cm厚砼，紧跟施作系统锚杆，用挖掘机将成品拱架安装就位，施作Φ50锁脚注浆锚管，复喷砼覆盖钢拱架，完成初支。如此循环，上断面塌体贯通后，转入塌体下断面换拱施工。

6.3.5 下断面换拱施工

右侧下断面换拱也是每循环进尺仅限于1榀的间距，采取逐榀拆除、开挖固结体、初喷、施作系统锚杆、安装钢拱架和挂网支撑、复喷施工。下断面型钢拱架插入仰拱偶脚处围岩面1 m深度，仰拱拱架安装时采用与下断面拱架进行侧面焊接，确保仰拱开挖时不暴露出拱脚。如此循环，下断面塌体贯通后，转入塌体仰拱施工。

6.3.6 仰拱施工

左右半幅仰拱同时施工，仰拱施工同样每循环进尺仅限于1榀的间距，逐榀完成开挖、初喷、施作系统锚杆、安装钢拱架和挂网支撑、复喷施工，并逐榀完成仰拱现浇砼与填充，及时封闭成环。

6.3.6 塌腔充填

在施作二衬前，对右侧塌腔分次泵送砂浆充填密实，恢复初支背后拱形受力体系，消除安全隐患。

6.3.7 二衬施工

按设计要求绑扎塌方段二衬钢筋网，及时施作二衬，使二衬作为一个受力结构，确保整个塌方段安全。

6.2 抢塌方施工工艺流程图

见图5。

6.3 抢塌方处理时间和效果

塌方抢险从2007年5月26日至8月30日结束，整个施工期间安全无事故。塌方段前后端初支得到及时加固，塌方不再延伸发展；塌方段左侧壁经过锚管注浆、初支补强后，保持了稳定、无变化。塌腔经过注浆固结，换拱开挖后情况表明，塌体已基本固结成为一个整体，边墙及拱部围岩具备了一定的自稳能力，为上下断面换拱开挖及初支施工、仰拱开挖及初支施工，全断面顺利封闭成环奠定了坚实的基础。塌方段初支系统全断面封闭成环后，经过监控量测的周边收敛及拱顶下沉时态曲线图表资料分析显示，水平收敛速度小于0.15mm/d、拱顶位移速度小于0.1mm/d，围岩已基本稳定，塌方抢险施工顺利完成，达到预期目的。

7 抢塌方处理总结和体会

（1）隧道施工中，我们虽然按设计及规范施工，对炭质围岩及地质条件的变化有一定认识，施工中也积极采取了一些措施，但实践证明我们的认识和方法还存在不足，尤其对炭质围岩的复杂不利性没有得到充分的重视，所采取的措施仍需改进加强。

图5 工艺流程图

（2）科学谨慎的施工力度不够，虽然对炭质围岩的施工反复强调“管超前，严注浆，短开挖，强支护，勤量测，早封闭”的原则，但在实际施工中却因盲目抢进度而忽视了炭质围岩的危害性，未能及时调整施工方法和工序，导致损失。

（3）该塌方抢险期间未发生一起事故，大塌方的成功处理确保了隧道施工安全，也保证了将来隧道运营安全，这得益于行之有效的处理方法和科学合理的施工组织管理，为今后类似塌方处理施工积累了宝贵的经验。