关于铁路高风险隧道塌方处理加固技术的探讨

梅雪峰

摘要: 本文作者结合多年工作实际，主要就铁路高风险隧道塌方处理加固方面进行了简单探讨，希望对相关从业人员有所帮助。

关键词：高风险隧道；塌方；加固处理；安全措施

中图分类号：U458文献标识码：A

引言

随着我国铁路隧道修建技术的不断发展，隧道的发展趋势是线路越修越长、越修越宽，穿越的地质也越来越复杂，所需要的技术要求越来越难、风险也越来越高，相应的铁路隧道塌方特别是高风险隧道塌方问题也日益增多。如何在铁路高风险隧道施工中规避塌方事故的发生，以及当事故发生后如何有效进行二次处置，已成为亟待解决的重要技术难题。下面本人结合多年工作和理论研究经验，主要就铁路高风险隧道断层破碎塌方二次处理加固方面浅谈几点看法，仅供同行参考研究。

1 铁路高风险隧道塌方原因

对于铁路高风险隧道塌方来说其原因很多，成因复杂，概括起来归为两类：一类是自然因素，二类是人为因素。其中自然因素主要有地质状态，受力状态，涌水侵害，瓦斯病害等；人为因素则主要指设计不合理，施工不规范等。易塌围岩大体可分为三类：一类为软弱围岩，二类为节理发育的炭质板岩，三类为膨胀性围岩。下面，本人结合兰渝铁路高风险隧道实例主要就断层破碎塌方处理加固方面进行详细阐述。

2 铁路高风险隧道断层破碎塌方概述

2.1工程概况

纸坊隧道位于西秦岭中山区，山高沟深，地形起伏大，洞身穿越经过的地层有第四系全新统坡积粉质粘土、碎石土；二叠系下统炭质板岩、板岩、砂岩，三叠系中统板岩、砂岩等。受合作-岷县断裂构造带f3影响隧道工程范围内发育多条次级断层及构造破碎带，主要有f22，f23，f24，其中f24断层位于出口DK206+120～DK205+855段，断层带宽200m，围岩极破碎，开挖揭示围岩主要为压碎岩，灰色-灰黑色，压碎结构，受构造影响严重，揉皱发育，板理不清，呈碎石角砾含泥状结构，岩石完整性差，稳定性差，易发生坍塌、掉块，基岩裂隙水较大。现场开挖至DK206+064位置，掌子面围岩发生滑移现象，线路右侧拱部随即发生塌方，造成施工现场无法正常施工，机械设备损坏，在影响施工进度的同时，加大了施工成本的投入。

2.2塌方过程

隧道施工进入f24断层段采用三台阶七步开挖法施工，当开挖至DK206+064掌子面时拱顶右侧发生了塌方，施工人员立即撤离至安全区域，拱顶右侧不断出现掉块坍塌，形成一个高3m，长5m，环向13m的坍腔体。施工单位根据现场情况迅速反应，采用喷射混凝土封闭措施，由于围岩非常破碎，不断进行掉块，无法承受塌方体自重力，喷射混凝土无法对该段围岩形成有效封闭。根据现场资料，塌方量多达300立方米。

2.3塌方原因分析

⑴隧道走向与岩层走向不同，裂隙节理发育。掌子面开挖接近背斜的核部；超前支护打设不及时，超前注浆未起到岩体粘结效果，隧道开挖给拱部坍塌提供了临空面。

⑵该段地层围岩为压碎岩，灰黑色，弱风化，薄层状结构，岩石稳定性差，软弱破碎。掌子面开挖后，由于受f24断层的影响，该处有一厚0.6～1.0m的软弱泥质夹层，遇裂隙水软化，自稳及抗剪切能力极差。同时该夹层切割起拱线部位形成应力集中，在岩石软弱破碎的情况下，易发生局部破坏，拱顶右侧位置易发生切层掉块，引起塌方。

⑶塌方段原设计为Ⅴ级围岩Ⅴ级加强支护，I20b工字钢0.6m/榀全环布置，拱墙锚杆环纵向间距为1.2×1.0m，长度4.0m；Φ8钢筋网片（20×20cm），采用C25喷射混凝土，锚喷厚度27cm。从现场施工情况来看，围岩类别偏于保守，初期支护加固措施不能起到有效的支护作用。对岩体走势的误判导致支护过程中锚杆的布设基本与断层平行，不能与周边稳固围岩连接，不能实现锚杆的组合梁作用。同时由于喷射混凝土强度有一定增长期，前期强度较弱，难以阻挡拱部的松动荷载，无法抑制变形的进一步增长。

⑷随着开挖的进行，隧道埋深迅速增加，，二次应力效应明显增加，围岩二次变形增大，在裂隙发育，岩石软弱的破碎带段，围岩表现为收敛变形和松动坍塌。

⑸超前预报缺乏及时性，超前支护措施不当，针对这样的地质条件，应采取合理的超前支护措施，同时超前周边注浆缺乏整体受力的针对性。

⑹量测点的布置位置缺乏针对性。断层破碎带围岩变形具有突发性，特别是出现局部塌方后如何安全布置量测点、如何检测等都是问题，对断层破碎带围岩不能起到有效的监控量测效果。

2.4施工工艺及方法

2.4.1施工工艺及步骤

①对掌子面、拱墙暴露部位及塌腔口部进行初喷 ②对塌腔体后方3m范围进行初期支护加固（拱墙径向小导管注浆，变形较大处采用型钢钢架支撑）③待塌腔稳定后对迅速对掌子面进行初期支护 ④对塌腔部位进行初期支护 ⑤塌腔部位采用同级混凝土回填及注浆⑥处理完毕后续施工。

2.4.2施工方法

⑴进入断层影响带前，采用TSP203进行长距离宏观控制超前地质预报，根据预报成果合理调整施工方法及支护参数。

⑵由于岩体赋存裂隙水发育，采用红外物探法进行红外探水。

⑶超前周边注浆及超前支护施作完毕，由于围岩破碎、岩体松软掉块，在施工处理时可采用三台阶设置临时仰拱法施工。开挖采用风镐或弱爆破，循环进尺控制在0.4～0.5m，以减小对周边岩体的扰动，做到“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”。

⑷在原设计的基础上可采用H175型钢钢架及双排超前小导管、锚杆加强支护，同时对坍腔内进行混凝土充填密实，已确保施工安全。开挖后需及早施做仰拱及衬砌，封闭成环。

2.5处理方案

2.5.1初喷。采用机械手对掌子面、拱墙暴露位置及坍腔口部进行初喷，初喷厚度5～8cm，坍腔口部初喷加强，厚度为15cm，临时稳定围岩；逐步清理掌子面洞渣，并观察掌子面围岩完整性，如果围岩破碎，则停止扰动渣体，围岩较完整，则采用挖机将洞渣转至底部，堆积成台阶，上部洞渣每下降2m，对暴露围岩进行初喷支护；将核心土位置台阶进行放坡，机械手行驶至台阶上，机械臂尽量升高对塌腔内部尽可能进行初喷支护，初喷厚度15cm。掌子面保证足够照明，安排专人对掌子面及塌腔体进行观察，发现异常，立即采取相应措施。

2.5.2 塌腔体后方3m范围进行初期支护加强。采用H175型钢钢架进行支护，钢架间距0.6m，系统锚杆长度4.0m，间距1.2m（环）*1.0m(纵),挂设Φ8钢筋网片，网格尺寸20*20cm。线路右侧每处钢架连接板位置加设2根Φ42锁脚锚管，锁脚锚管与基岩面成45°往下打入，每2根锚管连接成U型，与钢架焊接牢靠，对锁脚锚杆注浆后用锚固剂将钻孔填塞饱满，最后用C25混凝土湿喷密实。

2.5.3对掌子面初期支护。掌子面按Ⅴ级加强型衬砌类型支护参数对该段进行初期支护。采用I20b工字钢钢架进行支护，钢架间距0.5m，系统锚杆长度4.0m，间距1.2m（环）*1.0m(纵),挂设Φ8钢筋网片，网格尺寸20*20cm。线路右侧每处钢架连接板位置加设长4.0m的Φ42锁脚锚管，共4根；线路左侧按设计参数布置锁脚锚管，锁脚锚管与基岩面成45°往下打入，每2根锚管连接成U型，与钢架焊接牢靠，对锁脚锚杆后用锚固剂将钻孔填塞饱满，最后用C25混凝土湿喷密实。

2.5.4对塌腔部位初期支护。该段处于下锚段，右侧加宽为110cm，预留变形量50cm，实际需比标准断面扩挖160cm，扩挖前，应先判断塌腔是否稳定，如存在隐患，则先对上断面进行支护，再进行扩挖。扩挖时，采用短进尺，每次不超过0.6m，弱爆破，尽量减少对坍腔的扰动，防止继续坍塌。扩挖完成后，应立即进行初喷支护，厚度10cm，稳定开挖面。初喷完成，采用I20b工字钢钢架进行支护，间距0.5m，系统锚杆长度4.0m，间距1.2m（环）*1.0m(纵),相邻钢架内外层均安装连接钢筋，环向间距50cm，内侧连接钢筋布置成Z型，外侧平行隧道中线布置；全断面挂设Φ8钢筋网，网格尺寸20*20cm。线路右侧每处钢架连接板位置加设长4.0m的Φ42锁脚锚管，共4根；线路左侧按设计参数布置锁脚锚管，锁脚锚管与基岩面成45°往下打入，每2根锚管连接成U型，与钢架焊接牢靠，对锁脚锚杆后用锚固剂将钻孔填塞饱满；在塌腔位置拱背施工小导管，小导管一端尽可能深入围岩，一端与钢架可靠连接，小导管环向间距30cm；最后采用湿喷C25混凝土封闭，厚度不小于35cm。封闭前预留2个洞腔及2根注浆管(伸至坍腔顶部)，方便后续对坍腔进行混凝土及注浆回填。

2.5.5塌腔回填及注浆。利用初期支护预留的洞腔，将湿喷机喷嘴伸入其内进行C25混凝土喷填，每次喷填方量不超过2方，防止钢架短时间承受巨大应力，直至无法将混凝土喷入，再采用注浆泵进行注浆，填塞坍腔。坍腔回填完毕后，应立即开展监控量测，加强初期支护观察，每隔2小时观测一次为宜，发现数据异常，及时采取措施加固。监控量测变形数据稳定后，应尽早施工仰拱封闭成环。

2.5.6后续施工。结合现场实际施工条件，及时施做塌方段二次衬砌。衬砌必须紧跟开挖工作面，当开挖长度满足二衬施做条件时，需马上停止开挖，施工二次衬砌，已确保二次衬砌提前承受荷载。施工下一循环开挖支护时，应做好超前地质预报工作，主要为TSP、超前水平钻，且在每循环施工5个6m长的加深炮孔，以对前方地质条件进行探测。并严格按设计参数施工超前小导管，控制每循环进尺(不超过1.2m)，开挖完毕后及时进行初喷，已确保隧道安全掘进。

3 结束语

高风险隧道是目前铁路建设施工的难点，也是易出现安全事故的风险所在，需引起高度重视。通过纸坊隧道f24断层破碎带的施工实践表明，超前地质预报是非常重要的一环，其准确性将直接影响到施工措施的制定及其有效性；选择合理的隧道开挖方法是保证围岩整体稳定性以及避免大面积坍塌的重要保证；可靠的支护方式及小导管注浆措施是高风险隧道施工的灵魂所在，具有特别重要的地位。将上述措施合理的结合与灵活运用而形成高风险隧道关键技术，通过以上关键技术的有效运用，安全并快速地通过了断层，同时对破碎围岩条件下的隧道塌方施工具有普遍的适应性。