钟家二号隧道塌方处理技术

李洪涛

(中铁十八局集团华北区域指挥部，天津 300461)

1 工程概述

兰新铁路第二双线是国家实施西部大开发战略的标志性工程，也是亚欧大陆桥铁路通道的重要组成部分。位于该铁路线的钟家二号隧道设计为单洞双线，起讫里程为 DK97+327—DK99+846，全长2 519 m，隧道围岩以Ⅳ，Ⅴ级为主，其中Ⅳ级围岩占隧道总长71.5%，Ⅴ级围岩占隧道总长28.5%。

隧道下穿一低中山体及湟水河支流，沿线地势起伏较大，进出口两端低，洞身部位高。隧道出口为松树沟高阶地前缘陡坡，自然坡度为45°～50°，横向冲沟较发育。据地勘资料及隧道开挖揭示，隧道出口端围岩主要为第四系上更新统风积黄土、冲积砂质黄土、黏质黄土、细圆砾土、卵石土及第三系中新统泥岩、泥岩夹砂岩。隧道洞身以泥岩为主，局部夹砂岩，岩体破碎，开挖面多潮湿、渗水。泥岩遇水后易膨胀崩解，膨胀率为30%～50%。

2 隧道塌方情况

隧道塌方段原设计为两台阶法施工，从出口端施工至DK99+146处发生坍塌，坍塌体范围为DK99+164—DK99+146，长 18 m，塌方量约2 000 m3，塌体将整个隧道断面填满。该段围岩为泥岩夹砂岩，呈水平层理，其中砂岩多分布在拱顶以上，为粗粒结构，胶结性差，手掰易碎，且掌子面局部出现大量渗水，围岩遇水后拱顶塌落掉块严重。

3 塌方原因分析

1)隧道掌子面拱部上方砂岩岩体破碎、胶结性差，承载力低，开挖后易引起围岩变形失稳。

2)掌子面右侧拱顶出现大量渗水，浸泡岩体，使岩体软化、承载力降低，致使钢架受力增加、变形过大。

3)该段围岩级别为Ⅳ，采用两台阶法施工，上台阶高度过大致使初期支护变形过大。

4)施工过程中围岩变形监控量测数据没有及时分析和反馈，对围岩变形没有引起足够的重视。

4 塌方处理方案

4.1 分段处理

针对隧道开挖后围岩收敛变形大，岩层渗水量大等特点，对塌方影响段、塌方段采用了不同的处理方案。

1)DK99+172—DK99+164塌方影响段

为确保施工安全，首先对塌方后方影响段DK99+172—DK99+164进行加强支护。具体措施为:①在已施作初期支护的拱脚及墙脚位置均增设2根4 m长的φ42锁脚锚管，并进行注浆加固。②采用φ42径向小导管(2.0 m×2.0 m梅花形布置)进行水泥—水玻璃双液浆注浆加固地层并堵水。③在已施作的初期支护内侧加设I25b型钢钢架形成双层支护结构，钢架间距为0.5 m，与外侧钢架错开布置。钢架之间设φ22纵向连接筋，环向间距0.8 m。每榀钢架的拼装连接处均采用2根4 m长的φ42锁脚锚管加固。④对塌方体前缘进行反压回填，以防塌方进一步发展。

2)DK99+164—DK99+146塌方段

根据塌方段围岩特征、地下水情况及施工条件制定了以下塌方段处理方案:①在掌子面附近整理出施工平台，先对掌子面的塌方松散体进行挂网喷锚，然后喷射混凝土封闭掌子面，形成不小于20 cm厚的止浆墙。②施作第一层φ42注浆小导管，对滑塌段拱顶上方及前方松散体进行注浆加固(如图1所示)，初步形成整体护拱，提高自身承载力。小导管长6 m，环向间距40 cm，外插角15°。浆液采用单水泥浆液，有条件可适当加入水玻璃。浆液配合比采用1∶1，注浆水泥用量一般控制在每延米3～5 t。③初次注浆结束后，停滞12 h左右待浆液固结，在原有注浆小导管上部环向交错施作第二层φ42注浆小导管，小导管长6 m，环向间距40 cm，外插角45°，进一步扩大注浆加固范围。④向塌方体前方进行跟管钻孔，打设导水孔。⑤开挖改用三台阶预留核心土扩大拱脚法，循环进尺为0.5 m。⑥初期支护采用喷锚网+钢架的支护形式，喷射C25混凝土厚32 cm，系统锚杆为间距1.0 m×1.0 m长4 m梅花形布置的φ42中空注浆锚杆，全断面架设间距0.5 m的I25b型钢钢架。⑦在拱脚处施作2根锁脚锚管并注浆加固，抑制钢架下沉。⑧对塌方段二次衬砌进行加强，拱墙厚度由原来的45 cm提高到65 cm，仰拱厚度从55 cm提高到75 cm，并加设钢筋。

3)DK99+146—DK99+136塌方影响段

对塌方前方影响段DK99+146—DK99+136段进行加强支护，全断面设置2榀/m的I22a型钢钢架;拱部采用φ42超前小导管注浆加固，小导管长5 m，环向间距0.3 m，外插角 45°。

4.2 处理效果

为验证塌方处理方案实施的效果，在施工过程中加强了隧道围岩的监控量测工作。隧道拱顶下沉和净空变化的量测断面间距由《铁路隧道监控量测技术规程》要求的20 m变为5 m，对变形数据及时分析并反馈给施工队，以便及时调整和修正支护参数，保证围岩稳定和施工安全。

1)塌方影响段

对塌方后s方影响段DK99+172—DK99+164和塌方前方影响段DK99+146—DK99+136段的监控量测结果表明，变形管理等级均为Ⅲ级，可正常施工，说明该处理方案可行。

2)塌方段

量测断面DK99+160的拱顶下沉和净空收敛变化数据正常，变形管理等级为Ⅲ级，可正常施工，说明DK99+164—DK99+155可按塌方段处理方案施工。

量测断面DK99+155的拱顶下沉和净空变化数据偏大，变形管理等级为Ⅱ级，应对 DK99+155—DK99+146段调整和修正支护参数，加强支护。另外，此段在现场施作超前小导管时，在拱部钢架上割孔，由于割孔直径过大、形状不规则，大大降低了钢架的承载能力，钢架受力后形成应力集中，在拱腰割孔部位发生扭曲变形。因此，应对DK99+155—DK99+146塌方段的处理方案进行改进。

5 塌方段处理方案的改进措施

1)注浆加固

为了增强塌方体开挖过程中隧道的稳定性，对洞内滑塌段松散体施作6 m长φ42小导管进行注浆加固，提高其变形和强度力学指标，避免了塌方体边开挖边滑塌的现象发生。

2)改进超前支护施作工艺及支护参数

针对在钢拱架上割孔定位小导管带来的问题，采用在钢拱架外侧施作小导管，避免了割孔对钢拱架的损伤，保护了钢拱架的承载能力。调整超前支护参数:双层φ42超前小导管外插角采用10°和30°环向交替使用(如图2)，环向间距缩小为0.3 m，纵向搭接长度3.0 m，提高了超前加固圈强度。

图2 改进后双层超前小导管设置示意

3)加强拱脚

在拱架拱脚部位以下倾45°打设4根长4 m锁脚锚管，并进行注浆加固，抑制拱脚沉降，提高洞室整体稳定性。

4)调整施工参数

减小上台阶一次处理长度，使初期支护尽早封闭成环，二次衬砌紧跟;加强变形监测，及时进行信息分析与反馈。

6 结论

兰新铁路第二双线钟家二号隧道出口端施工至DK99+146时发生坍塌，坍塌体长度18 m，塌方量约2 000 m3。通过对塌方原因分析和现场实践，总结形成了隧道塌方处理技术:对塌方影响段主要采取径向注浆加固堵水、打设锁脚锚管、双层支护等措施;对塌方段采取了加固塌落松散体、双层超前小导管预支护、径向注浆、导管超前引水、拱脚加强、三台阶预留核心土扩大拱脚开挖和缩短仰拱封闭距离等综合措施。该技术的成功应用对其它类似工程有一定借鉴价值。

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