张涿高速公路黑山隧道塌方段处治技术

于宝胜

（中铁十九局集团第五工程有限公司 大连 116100）

1 工程概况

张家口至涿州高速公路位于张家口市东南部。L4合同段位于涿鹿县境内的下井沟村附近，线路总长2.4km，公路等级为高速公路－I级，计算行车速度v＝100km／h［1］。

黑山隧道是一座长大隧道，是左右线分幅双向6车道隧道。隧道净高5m，净宽14.25m，开挖宽度最大达到17.06m，开挖面积最大达到159 m2。洞口所处地貌为低山丘陵地貌，山体自然坡度为15°～18°。V 级围岩为黄土状土，地下水影响较小，围岩具有湿陷性，开挖后沉降及收敛时间长不易稳定，易坍塌。IV 级围岩为风化白云岩，较破碎，地下水影响较大，开挖时易掉块，易塌落。隧道区存在7条断层，断层多为张性，岩脉充填较多，少数为压性逆向断层。隧道左线K23＋220～K23＋720区段内为湿陷性黄土、碎石、白云岩、f7断层破碎带等富集的变坡区，地下水较发育，地质构造十分复杂，是隧道掘进中的一大难点。

塌方前，掌子面施工至K23＋636里程，仰拱施工至K23＋553，二衬混凝土施工至K23＋528。

塌方前，初期支护拱顶沉降量监测数值反映出日沉降量速度急剧加快，为前1周内的近5倍；初期支护裂缝宽度在持续加大；初期支护表面渗水湿润面积加大，个别处出现滴水现象；偶可听见初期支护“嘣嘣”的轻响。

2010年8月29日07：25，黑 山 隧 道 左 线K23＋562～K23＋568已初期支护段右上方发生塌方，现场观察塌穴深度6 m，塌方段前方K23＋568～K23＋573及塌方段后方K23＋562～K23＋556初期支护出现严重裂缝。

经观察，塌方体间隔20min左右间断从塌穴开口处（即K23＋562～K23＋568段）涌出，至8月30日16：30，塌方体下落间隔时间开始变长，约1h左右。为了防止塌方继续扩大，立即组织施工人员在塌方段后方搭设脚手架，准备打小导管注浆固结渣体。

8月31日凌晨2：30左右，当脚手架基本搭设完毕时，塌方体上方发生较大响动，所有人员及设备立即撤离塌方段，约20min后，原塌穴口左侧初期支护被大量松散石块压落，30 min 后，大量的滑落碎石将隧道已开挖的全断面封闭，紧接着塌方段前方传出多次较大的响动。塌方体非常松散，呈破碎状流出状，石块间夹有泥，有较大的水流出。

针对塌方情况，如何安全、快速、高质量地进行处理，是保证高速公路工程顺利进行的关键。

2 塌方处治

2.1 准备工作

设计前需要充分做好以下工作：施工图、地质水文勘察资料、施工规范的准备；施工日志、施工质检表格、旁站记录、开挖爆破记录、地质素描等施工原始记录的准备；沉降及收敛等监控数据的准备；类似工程塌方处理文献、经验数据等的查阅准备；从塌方发生开始的24h监控记录，响动情况、渣体滑动情况、渣体破碎情况、水流情况等的记录。并且聘请多位有经验的专家教授来现场“会诊”，对处理方案进行论证，并对处理施工进行指导。

2.2 技术与措施

（1）向塌方段推进二次衬砌混凝土，确保塌方段后方的安全与稳定。在已完成二次衬砌混凝土的前端（K23＋528）距塌方处34 m，抓紧向塌方处施作2 台车长的衬砌混凝土，共24 m（K23＋528～K23＋552），确保塌方段后方的安全与稳定，保证抢险后方作业空间的安全。

（2）对塌方段后方已支护段进行加强支护。为了防止塌方向小里程扩大给已完成初期支护造成破坏，对于塌方段后方（现场条件限制）不能施作二次衬砌混凝土的K23＋552～K23＋562已支护段进行加固，具体措施为：

①采用I 25b工字钢拱架临时支撑，并增加临时仰拱支撑成环。临时支护钢架间距50cm 并与原初期支护密贴，间隙用木楔顶紧，对纵向直径25mm 螺纹钢筋环距50cm 进行钢架连接，采用3.5m 长、直径42mm 的钢管锁脚。

②喷C25混凝土将临时支护钢拱架与原初期支护面间隙喷实（临时仰拱喷C25 混凝土封闭），使之形成整体结构。此加强结构在二衬混凝土浇注前拆除。

③对K23＋552～K23＋562段，采用全环径向自进式中空注浆锚杆注浆，对初期支护周圈较大范围内的围岩进行加固，防止坍塌。自进式锚杆型号为直径35mm，长3.5m×2，环向间距20 cm，纵向排距2.5m，锚杆周壁按15cm 间距交错设置注浆孔，孔径8mm。注浆浆液采用1∶1水泥浆，注浆压力0.5～1.0 MPa。施工流程为：搭建脚手架→径向施作自钻式中空锚杆3.5 m×2→注C30水泥浆。

（3）塌方段处理设计。考虑确保正常使用年限内不会出现二次病害，各结构设计要适当加强。

隧道塌方长度直接决定隧道塌方处理方法，如何合理确定塌方长度成为一个关键问题。为此，采用基于超前地质预报技术来确定塌方长度。采用瑞典MALA 公司Cu III主机，25 MHz超前耦合天线和100，250及500m 屏蔽天线。确定塌方长约40～50m，为长大坍塌。

渣体十分松散破碎，呈流出的状态，判断周边围岩不可能自稳二次成拱。再根据“小坍清，大坍堵”的经验，不可能采用清走塌渣、施工初期支护、回填塌穴的处理方式，得向注浆固结再开挖的思路去考虑。现场渣体破碎情况表明，渣体及周边围岩不易钻孔，钻孔后不易出钻，成孔后易塌孔，不可能采用小导管或普通中空锚杆去注浆，因此，设计如下：

①塌方段后方加固处理完成后，对塌方渣体喷C25钢纤维混凝土封闭止浆，厚度10cm。

②从K23＋562开始全环采用双排（排间距10cm）自进式中空注浆锚杆注浆，对上方及侧方松散围岩进行固结，以利成拱。自进式锚杆型号为直径35mm、长3.5m×2，环向间距20cm，纵向排距2.4m（见图1、图2），锚杆周壁按15cm间距交错设置注浆孔，孔径8mm。

图1 塌方段处理断面图

图2 双排自进式锚杆施工图（尺寸单位：cm）

浆液采用1∶1水泥水玻璃双液浆，双液浆堵水的同时凝结速度快，可提高塌方处理速度，注浆压力0.5～1.0 MPa。注浆前喷10cm 厚钢纤维混凝土封闭掌子面止浆。

施工流程：以75°角施作第一排中空锚杆3.5 m×2→第一排锚杆注浆→以45°角施作第二排中空锚杆3.5m×2→第二排锚杆注浆。

③从K23＋562处开始，以15°全环施作超前自进式中空注浆锚杆。自进式锚杆型号为直径35mm、长3.5m，环向间距20cm，纵向排距1.5 m（见图3），锚杆周壁按15cm 间距交错设置注浆孔，孔径8mm。

④对塌方体人工风镐开挖，个别处辅以小药量的松动爆破，每次开挖支护进尺控制在0.3m。采用三步短台阶开挖，上台阶留核心土。

采用I 25b工字钢拱架进行支护，并增加临时仰拱工字钢拱架支撑成环。工字钢架纵向间距为30cm，采用直径25 mm 纵向连接钢筋，采用3.5m 长、直径42mm 钢管锁脚。然后挂直径8 mm 双层钢筋网，钢筋网格间距10cm×10cm，喷C25 钢纤维混凝土（临时仰拱用石渣回填压实），喷混凝土厚度为31cm。初期支护沉降预留由设计的12cm 增加至20cm。

图3 超前锚杆施工图（尺寸单位：cm）

⑤重复以上各步骤施工，直至塌方处理完成。

⑥二衬混凝土及时紧跟初期支护浇筑。二衬混凝土厚度由原设计的60cm 加厚至80cm，环向主筋由原设计的20cm 间距加密至10cm 间距，以承担塌方处的较大的围岩压力。

（4）塌方段前方处理。因围岩自稳能力差，为保证安全，对塌方段前方10m 设防，加强方式同塌方段后方K23＋552～K23＋562段。

（5）处理工艺流程见图4。

图4 处理工艺流程图

3 施工注意事项

（1）为了保证塌方处理能有序、安全地进行，应迅速成立塌方处理领导小组和安全领导小组。

（2）塌方处理的工前教育较正常施工更显重要，必须让一线所有施工的人员了解熟悉处理方案、安全注意事项等。

（3）塌方处理施工要遵循软弱围岩的施工原则，即要做到“短进尺、弱爆破、早封闭，强支护、勤量测、快衬砌”［2］。

（4）通过监控量测和实测等手段，做到动态地调整优化各种施工参数。本处理工程在锚杆施工至第三个循环时，根据固结效果，边墙3排锚杆调整为45°施工的一排锚杆。

（5）锚杆端部最好与钢拱架施以焊接，这样可成整体。

（6）在少水或无水地段，可将双液浆调整为单液浆来固结松散围岩，这样可以降低塌方处理的工程成本。

（7）为了可再利用，可将临时仰拱工字钢拱架的半径加工成与仰拱永久结构拱架的半径相同。

（8）上台阶开挖核心土可能失稳时，可竖向布设自进式锚杆注浆对其进行加固。

（9）必须做好水的疏导、引排工作，防止水浸泡拱脚和临时仰拱。要适当加强永久结构的引、排、堵水的设计。

（10）衬砌混凝土必须紧跟，不要整台车的浇筑，要小段小段的浇筑，这样衬砌能尽早地与初期支护、围岩共同受力。

（11）采用GPR 检测技术对处理后的坍塌段的治理效果进行检测。

4 结语

从2010年10月31日塌方处理施工到施工结束，2个月处理了长达45.6 m 的塌方，施工过程中无一例滑塌现象，无一例人员伤亡事故。无论是在处理施工过程中，还是在处理后一年半的时间内，监控量测及处理后的检测其各项数据均在合理正常的范围内。因此，从实施效果来看，处理方案贴合现场实际，是比较成功的塌方处理实例。

［1］刘治宇.张涿高速公路L4合同段施工图设计［Z］.沈阳：辽宁交通勘测设计院，2009.

［2］JTG F60－2009公路隧道施工技术规范［S］.北京：人民交通出版社，2009.