浅埋隧道软弱围岩坍塌处理技术研究

张文慧

摘要： 因地质条件复杂多变，导致隧道施工时塌方事件多有发生，不仅严重影响了施工质量、安全及经济效益，也对工期造成拖延。本文详细描述了白草坡隧道塌方原因的分析及相应的处理措施，以期为其他进行隧道施工的工程技术人员带来处理隧道塌方问题的思路。

Abstract： Due to the complicated and changeable geological conditions， landslides occurred during tunnel construction， which not only seriously affected the construction quality， safety and economic efficiency， but also delayed the construction period. This paper describes in detail the analysis of the reasons for the collapse of the Baicaopo tunnel and the corresponding treatment measures， in order to bring the idea of dealing with the tunnel collapse problem to other engineering and technical personnel who carry out the tunnel construction.

关键词： 铁路隧道；塌方；原因研究；处理措施；施工

Key words： railway tunnel；landslide；reason research；treatment measures；construction

中圖分类号：U455.4 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）19-0128-03

0 引言

由于现在铁路向着高速方面发展，为满足高速线路曲线半径的要求，更多的地段将以隧道通过，设计在地质不良地段的隧道也越来越多，意味着隧道施工时常会遇到围岩软弱、浅埋破碎段等复杂多变的不良地质情况，但由于地质勘察、设计、施工等诸方面的原因，隧道施工时出现塌方甚至是不可避免的。所以，准确分析及研究隧道塌方的具体原因，对隧道塌方采取针对性地处理作为一门隧道施工技术需经常被用到，从现实意义上讲，塌方处理是从事隧道施工的工程技术人员必须掌握的隧道施工技术。

1 工程概况

新建太原至焦作铁路山西段站前工程TJZQ-5标段白草坡隧道起点里程为DK123+820，终点里程为DK125+765，隧道全长1945m。隧址位于山西省长治市武乡县，属太岳山南侧中低山丘陵区，黄土台塬，沟谷发育，地势起伏较大。海拔约950～1200m，相对高差50～200m。

沿线主要地层为上覆第四系上更新统坡洪积层新黄土；第四系中更新统坡洪积层老黄土；第三系上新统黏土、粉质黏土、粉砂、粉质黏土胶结层及砂半胶结层；下伏三叠系中统二马营组第二亚组砂岩、泥质砂岩及泥岩；冲沟内局部为第四系全新统冲洪积层新黄土。

因受构造运动的影响，节理裂隙发育，岩体完整性差。

白草坡隧道为铁路双线隧道，采取双口掘进，新奥法爆破施工，无轨运输方式。

2 隧道施工期间坍塌情况

2017年7月18日，白草坡隧道出口掘进掌子面达到里程DK125+485处，当日上午约9：00，正在架立紧邻掌子面的工字钢拱架，围岩变形监测发现DK125+505、DK125+510断面拱顶下沉变形值出现异常变大的情形。于是加强了监控量测频率。监测表明隧道拱顶下沉持续、快速的增大，至上午12：25时，拱顶下沉最大值达到32.3mm，同时发现DK125+498～+516工字钢拱架出现严重变形，该段拱腰以上初期支护出多条纵向、横向裂纹。因情况危急，所有施工人员及机具撒离50m以外，现场仅留现场施工技术负责人及监控量测人员进行监测。

工字钢拱架变形及裂缝持续增大，至下午15：18时隧道顶部开始出现塌方掉块，至19：40左右，塌方趋于稳定。组织人员进行了现场调查，大致确认出现塌方的里程为DK125+502～+517，塌方出现的空腔最高处约为11.5m，塌方量约为1900m3。

该段隧道地面处为冲沟，隧道埋深约为23m，经勘测，隧道处地表没有产生明显下沉，也没有出现地表裂缝。

3 分析隧道产生塌方的原因

3.1 水对隧道围岩稳定的影响

该段隧道地表为冲沟，通常无长年流水，但施工时正值7月，为武乡县当地多降雨时节，塌方前已连续降雨（中雨）多日，冲沟出现季节性地表流水。

地质勘测资料表明，此段隧道围岩为Ⅴ级，围岩节理裂隙发育，破碎。推测地表水由破碎围岩下渗，使得隧道围岩含水量增高，从塌方体泥碴含水量非常高可证明上述推测的合理性。渗水对围岩起到严重的软化作用，降低了岩体间的粘连性，破坏了围岩的整体性，故地渗入的地表水的作用是隧道塌方的主要因素之一。

3.2 地质构造因素

且该段隧道为浅埋段，隧道顶上覆土层厚度仅为25m，未达到普氏理论的自稳平衡拱的埋深，故其围岩本身就缺乏稳定所必需的覆土厚度条件。

本段隧道围岩主要由砂岩、泥质砂岩及泥岩构成，冲沟内局部为第四系全新统冲洪积层新黄土。因受构造运动的影响，隧道围岩节理裂隙发育，岩体完整性差，为软弱围岩，虽然按常规的Ⅴ级围岩进行初支方案的设计，但在渗水及其它复杂因素的影响下，隧道出现塌方。

3.3 地质勘测、设计及施工原因

①由于受到地质勘测手段有限的制约及地质勘测孔位密度不足。几乎不可能对地质情况进行完全正确无误的鉴定与评估，故使用地质勘察资料的设计人员也不可能就隧道存在的安全风险进行合面的判定，从而设计出完善适宜的初支方案以避免隧道坍塌。

②隧道掘进过程中，虽然该段地质情况与设计地质勘察资料所述要差很多，但现场施工人员却未能将实际情况及时反馈予设计人员。使得施工管理违背了按实际围岩地质情况进行动态设计的原则，从而没能及时采取针对性的加强防护措施，导致初期支护强度不足，最终导致隧道围岩失稳塌方。

③现场施工调查发现，因围岩破碎软弱，工字钢拱架的拱脚不能支撑在稳定牢固的岩石上，但施工人员却没有采用加强措施；塌方地段初支喷射混凝土部分地段厚度不足；围岩破碎软弱的该段隧道，施工时没有实行“衬砌紧跟”的基本原则（衬砌滞后塌方段达360m），使得围岩的变形没能得到及时及强有力的约束。

故以上诸多客观和主动因素导致了本隧道塌方。

4 塌方施工处理

隧道塌方后需采取措施及时迅速的处理，但也不可急燥冒进。更不可旷日拖延，贻误战机。处理前，详细勘察了塌方涉及的范围、形状、塌方处的地质构造。分析了解塌方发生具体的原因和地下水活动情况，制定针对性的有效处理方案，抓住时机，备足人力物力，按施工方案投入施工。

本项目部组织了有设计、监理及建设单位人员参与的塌方调查及处理小组。综合分析了本隧道塌方的原因，结合了现场实际情况、施工条件、现有机具及材料情况，制定了如下处理措施。

4.1 截排地表水及围岩加固

①塌方出现后，项目部立即组织人员进行截排地表水的处理，以防塌方进一步扩大。将地表的坑洞用黄土填筑并夯实、整平，同时做成向外的排水斜坡，以排出积水，并喷射10cm混凝土进行地表封闭。对于出现的临时流水河床，则采用彩条布垫铺在河床上。以上措施有效地截排了地表水。

②采取注浆的技术措施对塌方段上覆土体进行加固，通过向破碎围岩中压入浆液，浆液凝固后的胶体将分散的围岩胶结成密实的整体，不仅提高了围岩的自稳能力，同时增强了围岩的抗渗能力。本项目的注浆宽度为18m，注浆里程为DK125+480～+525，长度为45m，注浆高度范围为拱顶以上10m至拱底，注浆加固范围如图1所示。注浆管为？准42mm钢花管，在注浆范围内按间距为1.3m，呈梅花形布孔。采用净水泥漿压注，压注压力为1.0～1.2MPa。

4.2 对塌方体的临时加固

19日上午，隧道塌方已稳定且经评估无安全风险后，在塌方体前填筑土体，对塌方体形成反压，以加强塌方体的稳定性，避免塌方扩大。完成反压土体填筑后，在塌方体表面喷射厚10cm的C20混凝土进行表面封闭。

表面封闭混凝土达到一定强度后，设置了5根？准42mm钢花管对塌方体注浆加固，注入1∶1的水泥净浆，注浆压力按0.8～1.0MPa控制。

4.3 受塌方影响的大里程段加固措施

大里程方向的DK125+517～+537为受塌方影响的隧道段，因此段受塌方的扰动，其围岩和初支的稳定及安全性受到一定程度的不利影响，此段产生塌方的风险极高。为了避免塌方的扩大，根据受影响的程度不同，而采取不同的加固处理措施。

其中DK125+527～+537设置小导管注浆加固。通过小导管注浆加固，增强围岩自稳能力，避免塌方的扩大。小导管注浆为两侧拱墙及拱顶，小导管长度为5m，直径为？准42mm，纵横向间距为1.5m梅花形布孔，垂直于隧道。小导管的外端焊接在工字钢拱架上。注入1∶1的水泥净浆，注浆压力按0.8～1.0MPa控制。

DK125+517～+527段加固处理，将此段受影响变形超限的工字钢凿除换拱，采用I22a工字钢拱架，间距加密至60cm，重新进行锚喷，也设置与DK125+527～+537段相同的小导管注浆加固。

4.4 空腔壁处理

地表压浆及受影响段小导管压浆等措施施工完成后，清理部分塌方体，出露塌方空腔。对塌方空腔进行了评估，无再塌方的安全风险后人工进行空腔内，用钢管在空腔内搭设满堂支架作业平台，钢管顶端顶紧空腔的岩体，起到支撑围岩稳定性的作用。同时在支架顶部安设钢筋网，以防松散石块下掉砸人。

脚手架平台施工完成后，对空腔岩面进行锚喷防护。采用长度为4m的？准22mm砂浆锚杆，按间距为2.5m，呈梅花形排列。喷射混凝土的厚度为10cm。

完成空腔的锚喷防护，完全解除空腔塌方掉块的安全隐患后，清除塌方的岩土及变形破坏的工字钢拱架。随后在塌方处架立间距为50cm I20工字钢拱架，每侧钢拱架拱脚处设两根长5m的Φ42mm锁脚钢管。钢拱架设立环向Φ22mm纵向钢筋连接，间距为100cm。

拱架外侧设置外挂木模，并要预先埋设空腔压入混凝土及砂浆的压浆管（Φ18cm）及最高处的排气管（Φ5cm）。全环铺挂Φ8mm的20×20cm钢筋网，然后喷射C20混凝土。

待喷射的混凝土达到强度后，由预埋压浆管压入C15混凝土，压入混凝土要使拱顶处厚度厚超过100cm。压入的混凝土相当于形成保护隧道的护拱，随后再压入M5砂浆，把剩余塌方空腔全部填满。隧道塌方综合处理见图2。

隧道塌方空腔处理后，采用三台阶预留核心土法掘进施工，受塌方的影响的小里程隧道段加固与相应大里程段相同。

5 后续掘进的超前预报

为避免塌方事故的再发生，提前采取应对措施，白草坡隧道随后的施工时采取了超前地质探测与预报，以减少不良地质给隧道施工带来的不良影响，使施工方案和技术 措施更科学、更合理。本隧道的地质预报工作遵循“安全优质、高效、低耗”的宗旨，结合施工实际和地质复杂程度及本公司现有仪器及设备情况，施工中主要采用水平钻孔法进行超前探测，钻孔深度以30m为限。从钻进的时间、速度、压力、冲洗液的颜色、成份以及卡钻、跳钻等和岩性、构造性质及地下水等情况掌握隧道前方地质条件。没出现异常情况时，按正常程序施工。出现异常时参照设计给出的隧道地质条件说明资料，认真分析隧道的地质断面图、平面图及根据地质超前预报结果，掌握隧道的地质特点和水文特点，宏观预报隧道可能出不良地质情况，从而采取相应的处理措施。

由于超前钻孔法能最直接的揭示了掌子面前方的地质特征，准确率很高，确保了白草坡隧道后续的顺利施工。

6 结束语

本隧道塌方处理方案充分利用了隧道平常施工所用的材料设备及施工技术，而不是专门或特殊的设备及技术，便于抢险方案的快速实施，且塌方处理方案能够在最大限度地保障了施工人员的人身安全，体现了以人为本的生产管理方针。

“凡事预则立，不预则废”，此次塌方事件出现后，项目部组织有关人员认真研究了后续未掘进段的地质、设计文件，周密地对现场地质进行调查研究，认为该隧道还存在塌方的较高风险。为此，项目部制定了可能出现不同规模和不同情况的塌方的处理预案。如果再发生塌方事故，能迅速现场定案，现场下达任务，明确要求事项，快速完成处理，以取得最好的经济及社会效益。在随后的施工中，因围岩极差，还发生过一次掌子面塌方的情况，根据预案中的处理办法，及时有效地进行了处理。因此，我们认为今后进行隧道施工时，预案的准备是十分必要的，建议工程技术人员做好各种情况下的预案准备。

参考文献：

[1]关宝树，赵勇.软弱围岩隧道施工技术[M].北京：人民交通出版社，2008.

[2]文宁.浅析铁路双线隧道塌方处理措施[J].工业C，2015，12（24）.

[3]梁学成，冉鹏.包西铁路某双线隧道塌方处理施工[J].水利水电施工，2014（4）.