隧洞施工塌方处理技术探讨

【摘要】塌方给隧道施工带来不安全和不稳定因素，制定合理、科学、有效的塌方处理方案对隧道安全施工非常重要。本文以广西桂中治旱乐滩水库引水灌区一期工程北干一标段钻爆法隧洞施工为例对隧洞施工过程中的塌方处理技术进行简要的介绍和探讨。

【关键词】隧洞；塌方；处理；预防

1、工程概况

广西桂中治旱乐滩水库引水灌区一期工程北干一标段项目为从北干渠渠首分水闸后明渠起至屯武渡槽进口止，全长29.44km。本项目包括明渠、节制闸、泄水闸、隧洞等施工内容。渠道沿东北向行至桩号B2+449甘劳村附近的石山处进入窑瓦～六浪隧洞，窑瓦～六浪隧洞全长23.75km，其中桩号B2+449～6+075、B10+275～13+275、B25+184～26+196.783为钻爆法施工。

1.1窑瓦～六浪隧洞（窑瓦～陈村段）

窑瓦～六浪隧洞（窑瓦～陈村段）全长3620m，洞身段主要采用城门洞形断面和圆形断面。其中城门洞形断面衬砌后的净空尺寸5m×5.29m （宽×高），洞内底坡采用1/3500；圆形断面洞段直径5.4m，洞内底坡采用1/3500。隧洞沿线穿过采空区、保安煤柱等不良地质洞段，地层岩性以燧石灰岩、灰岩为主，局部上覆有效岩体较薄，岩体完整性程度属完整性差，结构面较发育。Ⅴ类围岩洞段拟采取管棚、钢支撑和全断面混凝土衬砌等措施；Ⅳ类围岩洞段拟采取锚喷支护和全断面混凝土衬砌等措施；Ⅲ类围岩洞段拟采取锚喷支护、边墙和底板进行混凝土衬砌等措施。

1.2窑瓦～六浪隧洞陈村～六浪段

窑瓦～六浪隧洞（陈村～六浪段）全长20.12km，洞身段采用圆型断面，直径5.2～6.04m，洞内底坡采用1/4000。隧洞沿线岩层普遍较平缓，沿线围岩类别以Ⅱ～Ⅲ类为主，局部岩溶发育，地下水位高，水量较丰富，需对溶洞采取堵漏或充填处理。土洞段拟采取管棚、钢支撑和全断面混凝土衬砌等措施；Ⅳ类围岩洞段拟采取锚喷支护和全断面混凝土衬砌等措施；Ⅱ～Ⅲ类围岩洞段拟采取锚喷支护等措施。

1.3洞室围岩分类

隧洞围岩分类根据《水利水电工程地质勘察规范》（GB50487-2008）附录N的规定进行，按招标提供的地质资料进行统计，隧洞围岩类别比例如下图所示：。

钻爆法隧洞地层围岩类别比例饼图

2、塌方情况介绍

窑瓦隧洞进口洞段自向下游开挖掘进，围岩情况始终较差，施工单位在处理掌子面（桩号：B3+643）左侧突出围岩时，该桩号拱顶右上方出现土石坍塌，并形成高约4～5m，纵深约3～4m，宽约2～3m的空腔，坍塌物损毁该位置拱架拱顶部位已施设的Ф42超前支护导管。经业主、设计、监理和施工单位四方联合进行现场调查分析后认为隧洞塌方主要由地质因素引起。该洞段地质情况不良，岩体稳定性很差，判定围岩类别为Ⅴ类，再加上地表降水渗入岩体，使围岩强度大幅度降低而产生自重滑塌。

3、隧洞塌方处理技术探讨

待塌方现场稳定后，业主、设计、监理和施工单位四方根据现场实际情况，制定了相应的处理措施。

3.1喷射混凝土封闭掌子面

在未探明前方地质情况之前，为防止前方出现涌水突泥情况发生，首先保留并加固坍塌体，依靠坍塌体的支撑掌子面，防止塌方进一步扩大，立即对掌子面进行封闭处理。采用喷射C20混凝土封闭坍塌体表面，厚度为20cm。

3.2调整拱顶超前小导管布置

原设计用Ф42小导管作为超前小导管，布设范围为顶拱180O范围，环向间距500mm，纵向间距2400mm，仰角5°。对塌方段超前小导管布置间距进行调整，环向间距调整为300mm，纵向间距调整为2000mm。小导管从没有破坏的靠近掌子面的第一榀钢拱架顶穿过，使得小导管与钢拱架形成一个支撑体系，支撑该排导管以上的塌方破碎岩体。

3.3侧壁的加固

加固塌体附近未塌部分，对未塌部分的边墙及拱部适当加密锚杆及小导管，以保证作业面的塌体的开挖安全稳定。

3.4洞身开挖及支护

洞身采用微台阶法开挖，台阶长3～4m，开挖尽量采用机械配合人工开挖方式，而不采用爆破方式，如因破碎大的孤石时必须采用尽可能少的炸药，保证不致扰动塌方体，同时开挖时尽可能多的保留核心土，以防止出现二次塌方。开挖后立即施做初期支护结构，并采用喷射混凝土立即封闭掌子面。

3.5边墙及基底加固处理

对隧道顶部进行注浆预加固处理仅保证隧道拱部开挖安全，边墙及基底围岩力学性能得不到改善，并且曾受到过扰动，极有可能会发生坍塌事故；另外，即使开挖安全通过塌方段，也会因塌方段与未塌方前后隧底岩性不同，可能使后期隧道衬砌结构沉降不均，从而造成衬砌开裂，甚至影响隧洞运行安全。因此，必须对边墙及基底进行加固处理。

3.5.1边墙采用Ф42超前小導管注浆加固

小导管每根长L=4.5m，环向间距500mm，纵向间距2000，浆液采用1：1水泥单浆液，采用劈裂注浆方式，注浆压力为2MPa。

3.5.2基底采用φ75钢管桩对隧底围岩注浆加固

加固范围为仰拱开挖轮廓线以下5m。钢管桩间距为1.0m，梅花形布置。钢管桩采用φ75 mm、δ=6mm的无缝钢管加工制作，每根长L=5.5m，尾端50cm伸入仰拱支护结构内，同时为增强结构的纵向刚度，钢管桩尾端之间采用I16工字钢连接，以增强整体受力性能。浆液采用1：1水泥单浆液，亦采用劈裂注浆方式，注浆压力2.0MPa。

3.6拱部坍塌溶腔回填处理

为确保隧道衬砌结构安全，需对拱部坍塌的空腔进行回填处理。在综合考虑周边环境并结合隧道结构特点，采用C20泵送混凝土回填。为减小流塑态的泵送混凝土对支护结构的冲击力和侧压力，回填应对称、分次、分层施工完成，隧道支护结构两侧混凝土面每次施工高差不得超过0.3m，层厚不大于15cm，每次泵送混凝土厚度不得超过1m，且方量不超过20m3。

4、隧道塌方处理的辅助事项

4.1变形观测

施工时，按照规范进行拱顶下沉及净空收敛变形观测，如变形量较大，则对初期支护进行加强。

4.2安全警戒

开挖以及打眼施工中，派专人进行安全警戒，一旦有异常声响或者加剧坍塌的危险，发出警告，保证人员安全。在塌方处理时，不可预见性及危险性的因素较多，施工安全要得到高度地重视，加强施工量测及现场情况变化的观察，提高预警能力，确保施工人员的人身安全。

4.3隧道塌方处理效果的GPR检测

对塌方进行治理后，隧道仍需继续向前施工。治理后的塌方隐患是否消除，隧道建成后能否安全使用，这就需要对塌方处理效果进行检测，并对其进行准确评价。GPR检测技术可以无损、快速、准确地检测隧道塌方处理效果和质量，为准确评价隧洞塌方处理效果提供科学依据。GPR是利用地下介质对广谱电磁波（107～109HZ）不同频率的响应来确定目标介质的分布特征。GPR向目标介质发射一个高频电磁波短脉冲，其中部分能量被地下具有电性差异的界面反射到地表，在地表用一个接收器接收反射的电磁波。电磁波从发射到接收所需的时间、波速、电磁场强度和波形与介质的电性质和几何形状有关。所以，通过对时域波形的采集、处理和分析，可以确定地下界面或地质体的空间位置及结构。

5、隧洞坍塌防治措施

5.1超前地质预报

为确保隧洞施工安全，加快隧洞施工进度，建议在施工中采用超前地质预报技术。超前地质预报技术包括隧洞不良地质超前地质预报和重大施工灾害两大部分。隧洞施工地质灾害的发生，与不良地质的存在和施工辅助办法不当密切相关，主要是不良地质的存在。隧洞不良地质的超前预报，依据预报距离，分长期和短期两种预报形式。施工地质灾害临近警报技术是在长期、短期超前地持预报的基础是进行的。该技术计要包括隧洞内掌子面初步揭露的可以造成塌方的断层破碎带、岩溶陷落柱和可以造成岩爆的围岩环境的准确鉴别技术，临近水源体时的超前探水及其监测技术，包括塌方、突泥突水、煤与瓦斯突出和岩爆可能发生的判断技术。

5.2掌握坍塌前的第一手资料

坍塌发生是有许多前兆的，如岩石颜色的变化，钻进速度与回水量的大小及钻进感觉变化等，都是重要的第一手资料。所以一线工人应将有关信息及时反馈有关方面，在下序爆破作业时对爆破参数进行调整，做到既保证有效进尺，又不破坏软弱围岩的应力平衡。

有下述现象发生时：①围岩量测所反映的围岩变形速度急剧加快；②围岩面不断掉块剥落；③初期支护喷混凝土表面龟裂、裂缝或脱皮掉块，钢架严重变形，应先撤出工作面上的施工人员和机械设备，指定专人观察和进行加固处理。

5.3提高围岩自支护能力

根据国内外施工经验，提高围岩自支护能力是控制围岩的松弛和坍塌的基本方法，其原则是：稳定掌子面、及时封闭断面和加固地层等。

6、结束语

通过上述处理措施的实施，安全通过了塌方地段，经长时间不间断量测表明，该段围岩变形已稳定，支护结构表面无明显渗漏水现象。但是在今后的不良地质隧洞施工中，必须加强地质超前预探、预报工作，对隧洞前方地质情况进行准确预测。地质情况不良时容易产生塌方冒顶等地质灾害事故，有時甚至带来较大的人员伤害和财产损失，有的还影响到结构的使用安全，作为工程技术人员一定要以高度的责任心，严谨的工作作风，实事求是工作态度，对工程负责，对质量负责，对生命负责，认真对待每一个工作细节，保证质量，保证安全。

作者简介：黄忠顺（1983-），男，工程师，主要从事工程施工技术及管理工作。