隧道塌方处治研究

李 鹏

(山西省交通科学研究院 太原市 030006)

0 引言

在隧道施工过程中，塌方是最为常见的施工事故类型。笔者通过收集到的几十例隧道塌方处治案例，根据围岩地质情况，塌方后是否存在明显的塌方空腔，以及地表是否存在下陷等，将隧道塌方分为两种类型：空腔型塌方和贯穿型塌方。

两种类型塌方的形成机理、发生部位、破坏规模、处治措施等都有着根本性的区别。空腔型塌方大多发生在洞身内埋深较深围岩自稳能力较好的Ⅴ级、Ⅳ级甚至是Ⅲ级围岩段。主要形成原因是围岩局部节理发育、掉块严重，开挖进尺偏大，核心土偏小，支护偏弱或不及时等。贯穿型塌方大多发生在隧道洞口段，常见的是埋深较浅围岩节理发育、破碎松散的Ⅴ级石质，或者是在降雨集中时期，受地下水影响，胶结性降低的土质围岩段，开挖后原有应力平衡被打破，围岩在应力重组过程中不能达到平衡而发生的规模较大的坍塌。

图1 空腔型塌方

1 隧道围岩变形及控制

隧道开挖后的围岩变形包含：掌子面的拱顶下沉、掌子面的挤出位移、掌子面后方下沉位移。这三种位移中，掌子面的拱顶下沉最为激烈，也是我们保证隧道稳定性最应该重视的环节。保证隧道开挖后稳定性的工作其实就是控制上述三种位移的工作。为了控制掌子面的挤出位移，在Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ级围岩开挖中，都会要求必须保留核心土。而在隧道塌方处理中，为了控制掌子面挤出位移常会采用反压和正面锚杆加喷射早强混凝土的方法来保证掌子面正面稳定性。为了控制掌子面拱顶下沉和掌子面后方下沉位移，无论是正常开挖或者处理塌方事故，都会依据围岩自稳能力选择强度不同的超前支护措施。比如大管棚、双排小导管超前支护、小导管超前支护、超前锚杆等。为了控制掌子面拱顶下沉，根据围岩自稳能力的强弱可以选择规格、间距不同的钢拱架或者格栅支护，配合锚杆、钢筋网、喷射混凝土共同组成完整的受力体系参与围岩应变，达到最终的应力、应变平衡状态，见图3。

图3 隧道掌子面拱顶下沉图

2 空腔型塌方

范家庄隧道全长2628m，围岩为强～微风化泥岩，施工至洞口约300m处发生了塌方事故。事故发生处围岩节理较发育，开挖过程中无明显渗水，围岩级别为Ⅳ级。事故发生后在掌子面左上方形成了一个环向宽度约为4.0m，纵向长度约为3.0m，高度约为4.0m的空腔。总结事故原因为：围岩局部节理、裂隙发育，自稳能力差，开挖进尺偏大，支护不及时等多种因素造成。

图4 空腔型塌方处治方案图

具体处治措施为：对塌腔体表面初喷C20早强混凝土约5cm，以使塌腔表面较为平滑，洞内按照1.0m间距打设3.0m长药卷锚杆，外漏1.0m。将格栅钢架分段支撑在塌腔内，方向、长度可自由调整以受力稳固为原则。C20早强混凝土喷平。沿设计开挖轮廓线外加20cm预留变形量架设Ⅰ20a钢拱架，间距50cm，下垫模板，预留注浆管三根，一短两长，利用短注浆管先泵送浇注底部1.0m厚混凝土作为护拱，养护3d后，再利用长管泵送浇注塌腔其它空间，长管作为排气管。养护1周后按照正常支护参数施工。

处治方案原理：围岩在塌方后出现了稳定的塌腔，围岩具有一定的自稳能力且已经达到初步的稳定。这种情况下的处理侧重点在于如何填充空腔，既要保证密实，避免有空洞造成围岩的进一步应变，又要避免填充体的重力传导至隧道初支和二衬上。因此在塌腔内设置格栅钢架结合喷射混凝土、锚杆、钢筋网使其成为一个整体，达到应力平衡。而锚杆外漏1.0m，和护拱的作用都是为了填充物的自重不要传导至初支和二衬上。这种处理方法适用于塌方空腔较大的情况。如果空腔规模较小，可以取消格栅钢架和护拱，采用沙袋码砌预留注浆管直接注浆来填充塌腔。

3 贯穿型塌方

大草坪隧道全长1977m，进口段78m为Ⅴ级浅埋全风化片麻岩上覆粉土层，开挖至洞口约60m处时，发生了贯穿型塌方事故，塌方掌子面处地表发现明显沉降。总结塌方原因为围岩岩体破碎，层间结合力非常差，近期降雨量偏大，地下水下渗明显，施工开挖进尺偏大，仰拱施工不及时，多种因素叠加造成了此次塌方事故的发生。

具体处治措施为：首先对塌方对应段地表进行细致调查，测量并绘制准确的地表沉陷范围图，与洞内塌方掌子面相对应，确定二者的立体位置关系。根据两者的空间位置关系，确定地表处理范围。对于土质地表应挖除受影响地表松动土体后，回填碎石土夯实，最表层回填种植土1.0m加30cm黏土隔水层，对于石质地表则应对受影响地表注浆后地表浇注C25混凝土30cm。结合实际地形，在处理后的地表迎水面现浇C25混凝土截水沟将汇水排至自然沟渠。洞内处理方案为：为了防止塌方进一步发育，在塌方发生的最初期应避免对坍塌体进一步扰动，对坍塌松渣表面挂网并喷射20cm早强混凝土固结。暂时停止开挖掌子面，加快施工隧道仰拱，使其在不影响掌子面处施工所必须的工作面积的前提下，尽可能地接近掌子面。待仰拱施工至掌子面后对塌方体进行三台阶七步开挖，初步预留变形量为20cm，施工中必须勤量测，必要时增大预留变形量，以保证二次衬砌厚度。开挖进尺为1.0m，每次开挖后都要对掌子面、核心土挂网喷射C20早强混凝土20cm。对塌方段落以及前后10m，采用双排长度为4.5m的Φ42超前小导管注双液浆，环向间距40cm，纵向间距3.0m。第一排角度为30°，主要作用为注浆加固岩体。第二排角度为10°，主要作用为超前支护，结合岩体形成组合拱。3.5m长Φ25中空注浆锚杆间距1.5m×0.5m，挂Φ8双层钢筋网，Ⅰ20a钢拱架@50cm，采用Φ42小导管锁脚，钢拱架底部垫槽钢扩大拱脚接触面并设置临时仰拱，边墙施工必须马口跳槽开挖和落底，严禁两头同时开挖落底，避免拱架悬空。及时跟进仰拱施工进度，改善上部支护结构受力条件，将隧道上部的围岩压力通过边墙传递到地下，同时抵抗隧道下部围岩反力。仰拱与二次衬砌构成隧道整体，增加结构稳定性。

处治方案原理：这种没有稳定的塌方空腔，特别是地表有明显下陷的塌方类型，其主要成因在于围岩风化破碎严重，自稳能力极差，开挖进尺偏大，支护偏弱或者不及时等多重因素的叠加结果。处理这种塌方事故基于围岩已经没有自稳能力，因此更多地应该偏重于基于松弛荷载理论的“矿山法”开挖支护方式，可以概括为“短进尺、强支护、早成环”。特别需要注意在初支成环之前拱脚的稳定性。在初支方案中，设计采用了Φ42小导管锁脚，钢拱架底部垫槽钢扩大拱脚接触面并设置临时仰拱等一系列措施，来加强拱架的稳定性，起到强支护的作用，并且设置了仰拱钢拱架和混凝土仰拱来进一步提高衬砌整体受力性能。

4 结论

(1)空腔型塌方多发生在埋深较深围岩段。该类围岩掌子面的挤出位移、掌子面后方下沉位移均不明显，主要控制的是掌子面拱顶下沉，所以配合必要的超前支护和初支结构即可，一般不需施加其他临时辅助措施。

(2)贯穿型塌方多发生在洞口浅埋、软弱围岩段。尤其在雨季或地下水发育时，围岩承载力不足并进一步松弛，导致拱顶压力较大、初期支护脚部下沉明显，使松弛区域会进一步扩大，引起拱顶附近的作用荷载的进一步增加以及周边围岩出现更大变形。这类地形地质及水文条件下，隧道稳定的最核心点在于保证初支拱脚的稳定性[1]。施工时发现变形加大现象应停止开挖、加密拱架，必要时加设竖撑和横撑，拱脚加设槽钢或混凝土垫块垫脚，锁脚加设小导管锁脚，必须设置仰拱钢拱架以改善支护结构受力条件，择机尽早施工二衬衬砌。