高速公路黄土隧道坍塌冒顶施工技术及预防措施

摘 要：文章以某高速公路黄土隧道施工中坍塌冒顶施工处理为例，阐述了高速公路黄土隧道施工中发生坍塌冒顶的施工方法，提出了相应的施工要点和相应的预防措施，为类似工程的施工提供了参考。

关键词：高速公路;黄土隧道;坍塌冒顶处理技术

中图分类号：U457.5;U458.3

文章编号：2095-624X（2019）06-0145-03

一、工程概况

某高速公路隧道，右线起点里程ZK16+650，终点里程YK18+180，全长1530m，隧道设计车速为80km/h，为双线分离式隧道，左、右幅间距为36m左右，每幅为单向双车道。建筑界限净宽为10.25m，界限高度5m，拱顶高7.03m。

二、工程地质条件

隧道洞顶围岩埋深0～57m，围岩主要为中更新世离石黄土，稍湿，坚硬，土质不均，古土壤层粘粒含量较高，致密，含白色粉末呈团状或条纹状;41.1～43.0m段含水量大，有少量渗水，可塑状;43.0m以下潮湿，松散结构为主。进出口为马兰黄土和坡积黄土，大孔隙，疏松，呈松软结构。洞顶最大埋深57m，洞顶有可见深度在2～10m左右的水冲陷穴数个，勘察期间未见明显水位，洞室开挖后易坍塌，进出口处理不当会出现大坍塌，侧壁起拱线处极易小坍塌，浅埋地段易出现地表下沉或坍塌至地表。围岩基本无自稳能力，属V级围岩。

三、坍塌冒顶情况

该工程2#隧道左线，于2016年7月8日掌子面K18+150开挖之后进行处理欠挖过程中，发现掌子面有土块滑落，现场管理人员立即安排施工人员及机械撤离施工现场，并封闭洞口，派专人24小时值班。19时掌子面涌土量约120m3，凌晨22时掌子涌土量约500m3。期间派专人在洞顶查看，并进行地表观测，次日6时50分线路正上方K18+120处地面开始塌陷，左侧山体不断掉块，10时塌陷停止，形成坍坑，坍坑在隧道中线右侧约3m处，长15m、宽14.5m，深约15m。坍塌前隧道内掌子面里程为YK18+150，仰拱里程为K18+170，二衬里程为K18+180。

四、处理方案

对于坍方及其影响段的处理以改善坍体和围岩的物理力学性能。提高其自稳能力为目的，遵循“小塌方，先支后清”“大塌方，先棚后穿”“治塌先治水”的原则，根据现场条件、施工现状以及所处段落的地质条件分析，采取地表处理与洞内处理相结合的方法进行处理。

（一）洞内坍体坡面反压

a.洞内坍体进行反压形成斜坡道。

b.于坍体坡脚堆码填土编织袋，确保坡脚稳定。

（二）YK18+150-154段初期支护加固

为保证施工安全，先进行YK18+150-154段采用自进式锚杆加固初期支护。自进式锚杆直径32mm，长6m，1.5m×1.5m梅花形布置。

（三）塌方段开挖及初期支护

采用台阶双侧壁导坑法开挖YK18+150-YK18+135段。施工时，每级台阶长度不超过3m。临时钢架采用I16工字钢支撑，临时横向支撑采用方木支撑。

YK18+152-YK18+155段采用I22b钢架与φ133钢管配合用作管棚导向，管棚采用φ108钢管，长20m，斜插角控制25°，插入3根Φ25钢筋加强刚度，三根钢筋成正三角形，管棚注浆采用1∶1水泥净浆。

K18+150-YK18+140段拱部坍塌体采用长6m， Ф42×4mm小导管超前预加固围岩，每环30根，按照50cm×50cm布置、斜插角45°（见图1）。

K18+150-YK18+135段采用I22b型钢拱架支护，纵向间距50cm，每榀钢拱架间采用Ф22钢筋连接，环向间距50cm，内外侧交叉焊接;C25模筑混凝土一次衬砌70～80cm（变截面），上导坑拱脚处采用扩大拱脚至120cm，并在拱脚上方50cm处增设双排锁脚来进行加固，以保证初支的稳定性和安全性。二衬为C30钢筋混凝土结构，二次衬砌厚45cm，预留量20cm，环向钢筋采用Φ22，间距20cm，纵向钢筋采用Φ14，间距25cm。

具体施工方法（见图2、图3）

1.（1）利用上一循环架立的钢架施作隧道超前支护。

（2）掌子面打入Ф42mm钢管注浆对掌子面松散土体进行充分固结，按照1.5m×1.5m梅花形布置，注浆钢管施工里程K18+150-K18+140段，每循环钢管长6m，浆液采用1∶1水泥净浆，注浆压力控制2Mpa以内。

（3）开挖①部，每循环进尺0.5m。

（4）施作①部导坑周边的一次衬砌和临时支护，即架立钢架，每侧设置6根4m长Ф42mm锁脚钢管，立模浇筑一次衬砌;架立导坑的临时钢架，喷射26cm厚混凝土。

（5）0.5m每道架设方木横撑。

2.（1）①部支护3m后，开挖②部，每循环进尺0.5m。

（2）施作②部导坑的一次衬砌，即接长钢架，立模浇筑砼。

（3）0.5m每道架设方木横撑。

3.②部支护1m后，开挖③部导坑，施作支护，即接长钢架（包括导坑的临时钢架），每侧设置2根4m长Ф42mm锁脚钢管，立模浇筑一次衬砌，临时侧壁喷射18cm厚混凝土，每0.5m设置一道方木横撑。

4.③部支护2m后，开挖④部导坑，施作一次衬砌及临时支护，步骤及工序同 3。

5.④部支护3m后，开挖⑤部。

6.⑤部开挖4m，开挖仰拱，施作仰拱砼及片石砼填充。

7.仰拱初期施作6m后进行二次衬砌施工，二次衬砌跟进后以3m每循环正常施作。

（四）地表回填

待二衬从此处施工过去后沿坍坑外围扩挖，去除不稳定土体，挖出长25m，宽25m，挖至Q2表层，深度约10m，土坑放坡，坡度为1：0.75，再对土坑壁打设Φ42mm，长度为3.5m的小导管，并挂设Φ8钢筋网片，然后喷射C25混凝土。坍坑底部放入2层Φ22钢筋网，20cmx20cm网格，鋼筋层间距50cm，然后浇筑C25混凝土，形成护拱盖板。

待护拱混凝土强度达到90%后，用土分层回填夯实坍坑至接近地表1.5m处换填50 cm三七灰土作为隔水层，地面1m回填耕植土，并高出地面一定高度，恢复原地表，防止地表水流入隧道内。

（五）监控量测

认真做好各项施工监测，根据对监测数据的分析和判断，对围岩及支护体系的稳定状态进行判断和预测，及时采取措施来确保围岩和结构的稳定，以确保施工安全。在该段塌方处理完毕后，在拱顶布设一个测点，并在腰线处左右布设两个测点。地表处理完成后，在坍坑50m×50m范围内，每10m设置一个地表沉降观测点，每天做好观测记录，通过监测来评定所采取的措施和取得的效果。

五、施工安全及注意事项

（1）施工时严格按照有关规范进行，确保施工安全和质量。如发现异常及时向上级领导汇报，以便及时处理，并立即采用应急预警措施，以确保施工安全。

（2）加强隧道应急物资的储备，特别是应急型钢架，确保临时应急。

（3）施工过程中，采用地质超前预报仪和钻孔等手段加强隧道地质的超前预测预报工作。发现开挖前方有异常情况出现时，及时研究并采取相应的措施;并加强监控量测，随时掌握围岩的变形情况，以便进行及时处理，同时保证施工安全。在初期支护施工过程中应增加预留拱顶沉降量和收敛量，防止出现坍塌事故。

（4）拱脚处应进行夯实处理，同时支垫砼预制块。拱架背后必须填补密实，不允许有任何空洞，以免留下安全隐患。

（5）若有侵限段、坍塌段应引起高度重视，严格按照施工规范和交底的要求进行施工，同时对洞内外该段进行严密观察量测，设置专人值班，发现问题及时将人员安全撤离，并快速上报处理。

（6）现场技术人员应进行跟班作业，做好记录及收集影像资料（特别是小导管注浆和锁脚的焊接质量）;加强监督检查，严格控制，保证每一工序的施工质量，对于上道工序不能达到技术标准、质量要求的，严禁进行下道工序的施工，防止安全事故的发生。

（7）施工过程中要严格控制进尺长度。浅埋地段、地质条件较差的洞身地段及根据监测数据初支变形量较大的地段，必须严格控制每循环进尺长度为1榀拱架间距，坚决杜绝冒进情况发生。

（8）施工中要及时封闭仰拱，二衬紧跟，确保施工安全。

（9）加强机械施工安全和用电安全意识并采取措施进行防范。

（10）加强防坍塌应急演练，成立以项目主管领导等组成的应急救援小组，明确分工，责任到人。

六、 隧道坍塌方处理

（一）处理坍塌方的一般步骤和方法

1.防止坍方扩大范围

①坍方发生后，首先应防止坍方继续扩大，切忌盲目大面积清理坍塌体：在坍方范围顶部、侧壁上的松散土体及大裂缝，应先行清除或锚固;②对坍方范围前后原有的支护进行加固，以防止坍方扩大;③在坍塌方范围内架设支撑或喷射混凝土，必要时加设锚杆;④加快衬砌。对坍方两端应尽快做好局部衬砌，以保证坍塌方不再扩大。

2.处理坍塌的措施

①如坍塌体积较小，且坍方范围内已进行了喷锚，或已架设好较为牢固的构件支撑，可由两端或一端先上后下地逐步清除坍渣，随挖随喷射混凝土，架设临时构件支撑支顶，即“小坍方，先支后清”;②如坍塌体积较大，或地表已下沉，或因坍体堵塞，无法进入坍方范围进行支护时，则可注浆加固坍方体，然后用“穿”的办法在坍体内进行开挖、衬砌，即“大坍方，先棚后穿”;③处理坍塌方的同时，应加强排水，即“治坍先治水”。

（二）处理坍塌常用支护方式

（1）喷锚处理。采用喷锚处理较大型坍方，较之采用架设支撑，更加安全、快速，且省工省料。①由外而内、由上而下，逐段边清边向岩壁喷射砂浆，然后再喷射混凝土。混凝土宜分层喷射，每层厚5cm左右;② 喷射1～2层混凝土后，可随即加设锚杆再喷射混凝土;③ 坍渣清除后，随即做好衬砌。

（2）构件支撑处理。①在坍塌体不太高、坍塌洞穴略呈锥形、坍壁不太松散的情况下，使用钢支撑，支撑材质与锚杆焊接;②当坍塌体较高，但坍塌体两侧壁形状较整齐，且侧向压力不大时，可按垂直于隧道中线的方向架设横向排架。先将坍塌体顶的坍渣扒平，铺上横梁，再在其上架设排架。排架间距根据坍穴围岩情况而定，一般为1～2m。须注意在排架间用剪刀撑撑稳，下部横梁要随坍渣的清除随时倒换撑稳;③当坍塌方较大，且围岩压力也较大时，宜在坍方范围内全部用纵向钢管支撑。先将坍渣顶部适当扒平，沿隧道中线方向平行设置纵向地梁数根（地梁下铺设横梁），于纵向地梁上按照导坑支撑的形式以1m左右的间距架设箱形棚架。以后逐层向上架设至坍方顶部，用楔形木塞紧。随着坍渣的清除，加设木立柱，并以纵撑撑牢。支撑材质可为红松，最小头直径不小于200mm。在其棚护下，再用网锚喷钢架支护;④当坍塌方直至地表而深度不大时（小于10m），可设置井箍。由地面向下逐步清除坍渣，随即架设箍架支撑。箍架的形式可为多边形、矩形或方形，视坍穴的形状而定，架距不大于1m;当塌方较深时，则可先将进口至坍方体顶面一段箍好，不清理坍渣，而在洞内采用穿过坍方体的施工方法;⑤坍塌空成斜孔时，處理方法根据斜度而定，倾角≤30°时，可按斜井的施工方法进行出渣及支撑;倾角≥35°时，运用井箍支撑及由上而下地清渣。

（三）衬砌措施与回填方法

（1）衬砌施工。坍方体清除过程中，随着坍方体的清除，衬砌及时跟进，快速成环、封闭。在坍穴位最高处两端衬砌接头处预留回填及进出料孔。如坍塌方范围的围岩不稳定，在处理坍塌方中有继续坍方可能时，可在坍方范围内选择适当位置做坍体护拱，以掩护施工操作，保证安全。护拱上用碎渣铺填2m厚左右作为缓冲层，预防可能出现掉块的冲击。

（2）坍体回填。坍方体清除后，拱背先用浆砌片石回填2～3m厚，其上再用干砌片石回填，回填高度应尽量填满坍穴范围，坍体内木撑尽量拆除;坍穴护拱与拱圈间应全部回填密实，坍穴护拱以上回填厚度可根据具体情况而定，但不小于2m;如坍塌方范围高大，在坍穴内进行回填操作不便时，可选择适当位置另行开凿专供回填的坑道;如坍塌方直达地表，除按规定做好拱部回填外，另用一般土石回填夯实至距地表1～2m，再用粘土回填至略高于地表并向四周倾斜，周围应做好排水沟。

七、预防坍塌的措施

高速公路黄土隧道冒顶坍塌多发生在洞口浅埋、偏压段，施工中以“强支护”为施工原则，作业时严格按照“短进尺、早封闭、勤量测”的标准，特别重视拱脚的加固处理和锁脚锚杆等重点部位的施工质量控制。我们通过分析沉降观测数据，动态调整控制预留沉降量，有效地控制围岩的变形。当原设计不能满足围岩安全时应立即调整加强支护参数，提高初支支撑的整体性，防止基础失稳，及时跟进仰拱和二衬。重视超前地质预报，有效地降低施工阶段由于不良地质引发的坍塌冒顶等风险。

参考文献：

[1]孔余江.高速公路隧道坍塌预防及治理措施[J].黑龙江交通科技，2014（4）：135.

[2]徐言松，罗家强.隧道坍塌的预防及处理措施[J].黑龙江科技信息，2011（36）：307.

作者简介：张瑞华（1978—），男，陕西蓝田人，工程师，本科，供职于中铁十五局集团第五工程有限公司，研究方向：隧道工程。