小断面软岩隧道塌陷式塌方处理

高 巍，方 良，刘同山

(黄河建工集团有限公司，河南 郑州 450000)

小断面软岩隧道塌陷式塌方处理

高 巍，方 良，刘同山

(黄河建工集团有限公司，河南 郑州 450000)

软岩隧道塌陷式塌方处理过程中危险性极大，稍有不慎，极易引起二次塌方，给掌子面工作人员的生命安全造成巨大威胁。以大唐林州2×300 MW级热电机组引水隧洞出口段洞内塌方处理施工实践为例，通过优化小导管注浆布局，巧妙配合工字钢拱架的施工方法，遵循短开挖强支护的原则，得出了塌方处理施工经验，为此类工程提供技术参考。

小导管注浆；工字钢拱架；短开挖强支护

隧道开挖过程中极易塌方，塌方按部位主要以洞口塌方和洞内塌方两种类型为主。通常情况下，隧道洞口段岩体风化和破碎现象较为严重，这也使其整体稳定性较差，再加之埋置深度较浅，极易在重力作用下出现开裂或是下沉，从而导致塌方事故发生。洞内塌方主要是在开挖过程中，在应力作用下洞内周围岩石出现变形或是下沉，而且没有采取有效的支护措施，从而造成塌方事故。一旦塌方事故发生，不仅严重威胁施工人员的人身安全，还会对施工单位的声誉带来较大的影响，导致施工工期延长、增加成本。因此对塌方原因及处理方法进行研究很有必要。目前隧洞塌方处理常见有设置管棚、小导管注浆、旋喷技术、冰冻等处理方法，以管棚最为常见[1-5]。

1 工程概况

大唐林州2×300 MW级热电机组引水隧洞洞长3786.5 m,进口桩号K0+000，出口桩号K3+786.5，洞身结构设计为2.5 m×3 m城门洞形，进口段与出口段同时掘进施工。涵洞地下水活动总体微弱，但由于发育有林州断裂，可能存在断层水，局部洞段有突水的可能。且由于围岩渗透系数大、渗透能力强，雨季有可能发生短时渗水、涌水现象。

出口段围岩为第四系冲洪积(al+plQ4)、冲积(alQ4)形成的黏性土夹碎石等松散堆积物。下覆基岩中发育有林州断裂带，与洞线呈大角度相交。该洞段围岩为Ⅴ类，围岩松散，极不稳定，块石多，施工困难。隧道出口段施工至K3+402处，首次出现塌方涌泥现象，坍塌体淤泥中夹杂着大量碎石块，并伴有渗水现象。装载机清理淤泥过程中又多次出现塌方涌泥现象，当清理至桩号K3+416处，累计清理淤泥约2566 m3，隧道塌方处正上方地表出现塌坑，此时局部塌方演变成为整体式塌陷。

如图1所示，塌方出现在桩号K3+408～K3+402之间(约为6 m)。

图1 隧道塌方剖面图

此时，混凝土衬砌已施工至桩号K3+418，混凝土底板已浇筑至桩号K3+408，一次支护已达桩号K3+402,其中桩号K3+408～K3+402一次支护已破坏。塌方处隧道顶拱至地表距离约70 m，地表塌坑直径约12 m，深约10 m。塌坑体积约为πr2h=3.14×62×10=1130 m3，清理淤泥约2566 m3,则洞顶塌方坍体内必有约1436 m3的松土空腔。

2 塌方处理过程

2.1 方案选择

隧道塌方处理常用的方法为管棚配合小导管注浆作为超前预支护，然后开挖。因此初期编制的专项施工方案为采用设置管棚的施工方案。但经过多次组织专家对该施工方案进行研究，并结合现场的实际情况，认为原方案存在以下问题：(1)塌方段围岩土质黏性较大易裹挟钻杆，洞内操作空间有限潜孔钻机臂伸展不开等原因必然造成管棚孔成孔困难。(2)管棚工作室所需空间较大，而安设区域处于危险区域，不宜重新开挖较大空间。(3)管棚造价较高。经讨论，放弃管棚施工方案，改为洞内加密小导管注浆并配合工字钢拱架的施工方法。

2.2 塌方处理

隧道顶部荷载可分为塌陷荷载和冲击荷载。塌陷荷载由顶部土体自重引起，冲击荷载由塌腔内部岩土体掉落成倍增加的冲击力引起。

(1)塌方段分两段分别来处理，第一段为桩号K3+416～K3+410，如图2所示，共6 m，此部分一次支护完整，只对掌子面坍体进行处理，隧洞围岩不作处理。第一步，将掌子面打入小导管并注浆，进行固结，形成“塞”状固结体，来抵抗塌陷荷载形成的推力，防止掌子面坍体再次被推出。第二步，开挖部分“塞”状固结体，留足剩余固结体继续抵抗塌陷荷载。第三步，进行下一循环，直至施工至桩号K3+410。

图2 掌子面坍体小导管布置图

(2)第二段为桩号K3+410～K3+400。共10 m，此段正处于塌方正下方，为塌方处理的关键部位。此部分一次支护已经破坏，隧道围岩与掌子面坍体都必须进行处理。

隧道围岩加固采用超前小导管注浆配合工字钢拱架的方法，顶拱小导管与钢拱架具体位置如图3所示，小导管夹在两榀刚拱架之间。以工字钢拱架2作为支点，小导管注浆后，形成的“棚”状固结体分别受到隧道顶部向下土压力F1和工字钢拱架1提供的向上支撑力F2的作用，达到力矩平衡。工字钢拱架将受到的力传递给周围岩土体进行消散。

图3 小导管与刚拱架相互作用示意图

掌子面坍体小导管注浆后(如图4所示)，形成整体性结石体。隧道顶部向下土压力经过超前小导管形成的“棚”状固结体抵消部分后剩余土压力F被坍体小导管注浆后的固结体承受，然后再传递给隧道底板进行消散。

图4 坍体小导管作用示意图

施工工序为：第一步，打顶拱和侧壁小导管并注浆，作为超前预支，形成类似管棚式结构。第二步，打掌子面小导管并注浆，形成固结体，与顶拱及侧壁小导管共同支撑顶部塌方荷载。第三步，开挖部分掌子面固结体，留足够的固结体继续支撑顶部荷载。第四步，开挖过部分立拱架，打锚杆，挂钢筋网等进行锚喷支护。第五步，进行下一循环，当开挖长度达到4 m，施做3 m衬砌，留1 m作为下一循环施做空间。

2.3 施工试验段

由于此塌方段地质复杂，很多参数不能确定，从理论上很难得出符合实际的解析解和数值解进行承载力验算，可以通过施做试验段，验证施工方案的承载力是否达到要求。桩号K3+410～K3+400位于塌方正下方，是最危险的部位，因此在此段上选取最具有代表性。由于二次衬砌最短需要施做3 m，正常浇筑为12 m，经设计院监理单位施工单位及部分专家共同研究决定，以3 m施做一循环，且需要留出1 m作为下一循环的施做空间，因此至少需要开挖4 m，才能满足施做二次衬砌的要求。如果开挖4 m后，施做过的超前预支护配合工字钢拱架形成的一次支护能够满足承载力要求，不发生较大变形，满足浇筑二次衬砌的条件，则视施工方案能够满足承载力要求。以桩号K3+410～K3+406共计4 m作为试验段。

试验工序为：顶拱及两侧打6 m小导管并注浆—掌子面打6 m小导管并注浆—开挖50 cm掌子面—立工字钢拱架、挂钢筋网—工字钢拱架下面立矿用液压柱作为临时支撑—进行下一循环，当达到4 m进行喷浆支护—去掉所有液压柱—查看初次支护是否有较大变形，能否满足施做二次衬砌的要求，如果能，说明施工方案可行，如果不能，及时将掌子面用砂袋封堵，另编制其他施工方案。临时支撑如图5所示。

经试验，能够满足承载力要求，故施工方案可行。

图5 临时支撑

3 施工工艺流程

3.1 桩号K3+416～K3+410施工工艺

施工流程图如图6所示。

图6 施工流程图

(1)封闭掌子面。对坍体喷射标号C20的混凝土，厚度20 cm，以封闭坍体，确保掌子面工作人员生命安全。

(2)打坍体小导管。小导管制作：小导管采用Ф42热轧无缝钢花管，壁厚3.5 mm，长度6 m，小导管一端做成15 cm的尖头，另一端留1 m不做任何处理，其余全部钻成直径1 cm过浆孔，成梅花型布置，环向设置四个孔。如图7所示。

图7 小导管加工大样图

小导管布置：小导管采用Φ42小导管注浆，梅花型布置，间距60 cm，长度6 m。

打小导管：成孔设备采用TY-28型气腿式凿岩机，Φ50 mm钻头，成孔后埋入小导管，外漏20 cm，便于喷浆后与注浆管路连接。此段软岩易塌孔段，可以直接在短钻头上安装套管，直接将小导管打入。

(3)设置止浆墙。向掌子面喷标号C20、厚度10 cm的混凝土作为止浆墙。设置止浆墙前先将各个小导管端部用胶带封死，以防止喷混凝土过程中堵住小导管端部而影响注浆效果。

(4)小导管注浆。浆液的选用材料和配比：浆液材料采用水泥水玻璃双液浆，水泥采用标号42.5的普通硅酸盐水泥，水玻璃采用波美度Be'=40的水玻璃。水泥浆水灰比=1∶1；水泥浆∶水玻璃浆液=1∶1。注浆压力为0.5 MPa，注浆过程中采用注浆压力和注浆量进行双控，以确保注浆效果。

单孔注浆量计算：单孔注浆量按式(1)计算。

Q=3.14r2Hnβ

(1)

式中：Q为单孔注浆量，m3;r为浆液扩散半径，取0.3 m；H为注浆孔深度，取6 m；n为围岩体积裂隙率，取8%；β为浆液在裂隙内的有效充填系数，取0.8。

则Q=3.14r2Hnβ=0.1086 m3,即108.6 L。

注浆施工：根据文献[6]中试验数据见表1。

表1 水泥水玻璃浆液初凝终凝时间

由表1可知，水泥浆水灰比=1∶1、水泥浆∶水玻璃浆液=1∶1的水泥水玻璃浆液初凝时间约为30 min。即在30 min内，向注浆孔内注入108 L浆液，根据实际地质情况，完全可行。

注浆顺序采用自下而上，从无水少水的地段向有水多水处进行。注浆时，将两个进浆管分别插入水泥浆和水玻璃浆容器内，打开阀门启动注浆泵注浆，通过终压浆液吸入量、终压力实行双控，确保注浆效果。

(5)开挖掌子面。浆液终凝时间约为47 min，终凝后浆液强度迅速上升。注浆完毕1 h后再进行开挖，每个掌子面所有小导管注浆完毕需要约24 h，则每个小导管内的浆液有1～25 h不等的时间上升强度，一个小时后能满足开挖要求。开挖时，先以微爆破开挖30 cm厚掌子面混凝土，再利用钩机开挖坍体，用装载机出渣，当开挖到2 m，停止开挖。再进行下一循环。

(6)混凝土衬砌。由于塌方段地下水丰富，周边围岩受到地下水浸泡变软，为确保二次衬砌施做后的稳定性，满足施工要求，软弱底板基础采用厚度50 cm强度C25片石混凝土进行换填处理。混凝土衬砌结构按照原施工图纸进行。

塌方段衬砌遵循短开挖强支护原则，原则上每12 m一循环衬砌，特殊地段衬砌长度也可3 m、6 m，衬砌与衬砌之间施工缝用预埋Φ25连接筋连接，环向间距30 cm，以保证塌方段施工安全。

3.2 桩号K3+410～K3+400施工工艺

施工流程框图如图8所示。

(1)封闭掌子面。喷射标号C20的混凝土，厚度40 cm，以保证掌子面安全。

(2)打小导管。此段小导管分为超前小导管和坍体小导管。顶拱和侧壁超前小导管采用Φ42小导管注浆，环向间距30 cm，长度6 m，外插角5°～7°。坍体小导管采用Φ42小导管注浆，梅花型布置，间距60 cm，长度6 m。

(3)设置止浆墙。向掌子面喷标号C20、厚度10 cm的混凝土作为止浆墙。

(4)小导管注浆。与桩号K3+416～K3+410做法相同。

(5)开挖掌子面。先以微爆破开挖50 cm厚掌子面混凝土，再以人工利用大风镐对注浆塌方坍体沿轮廓开挖环向槽，中间预留核心土，保证坍体的稳定。

(6)打锚杆，立工字钢拱架，挂钢筋网。于桩号K3+408～K3+400，架设16#工字钢钢架，间距每榀50 cm，Ф25螺纹钢焊接连接(环向间距50 cm)，安设2 m长锚杆(Ф22螺纹钢,环向间距1 m,排距0.5 m)、钢筋网(间距15 cm×15 cm)，并在拱脚上1 m处斜向下打设锁脚锚管，Ф42热轧无缝钢管，长度2 m,壁厚3.5 mm，并注入砂浆。

图8 施工流程图

(7)喷混凝土。采用标号C20的混凝土喷至设计厚度23 cm。

(8)混凝土衬砌。与桩号K3+416～K3+410做法相同。做完混凝土衬砌然后下一循环，直到通过塌方段。

3.3 地表塌坑处理

塌坑的回填在坍体通过后采用外购三合土，三合土采用生石灰粉、黏土、砂为原料，按体积比为1∶2∶3的比例，夯实回填以防地表水的渗入。回填前，洞内停止作业，回填结束查验安全后方可继续作业。

4 结 论

(1)隧道顶部超前小导管与工字钢拱架巧妙结合，使超前小导管形成类似“管棚式”结构，增强支撑能力。

(2)在掌子面密集打小导管并注浆，使掌子面坍体固结，小导管与周围岩土体形成结石体，增强抵抗隧道顶部塌陷荷载及冲击荷载的能力。

(3)塌方处理由管棚配合小导管注浆的施工方法作为预支护改为小导管注浆的施工方法，具有以下显著特点：使用的设备小巧灵活，能够在施工空间有限的情况下运用，避开了大型设备无法操作的弊端；技术难点小，工艺简单，施工精度及施工控制较低；短开挖，强支护，二次衬砌能够及时跟进，显著降低施工安全风险，确保工程顺利进行；设备投入少，降低各种材料用量，节约大量施工成本，经济效益显著；缩短了工期，保证项目按计划投入使用。

[1] 岩土注浆理论与工程实践协作组. 岩土注浆理论与工程实践[M]. 北京：科学出版社, 2001.

[2] Gothall R,Stille H. Fracture-fracture interaction during grouting[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2010, 25( 3): 199-204.

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高 巍(1973-)，男，河南郑州人，工程师，主要从事隧道一线施工工作。E-mail：582232831@qq.com。

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