郴宁高速公路虎形山隧道塌方处理方法探讨

作者简介：王凤观（1983—），工程师，主要从事公路桥梁工作。

在地质不良的地段修筑隧道，易发生塌方事故，极大地影响工程建设。文章结合工程实例，在分析隧道塌方成因的基础上，提出隧道塌方的处理和防治措施，对施工有一定的指导意义。

隧道;塌方冒顶;原因分析;处理措施

U458.3A341163

0 引言

近些年来，随着大规模建设高速公路、铁路项目，隧道越来越多，规模也越来越大。但在隧道施工的时候，由于很多因素造成的约束，如地质不良、地质状况与设计情况不相符、施工方法不正确等问题，施工中容易出现塌方地质灾害。塌方是比较严重的地质灾害，一旦产生塌方，不仅增加施工难度，影响施工时间，产生额外的经济损失，严重时甚至发生重大质量安全事故。因此，在隧道施工中应预防塌方现象发生，如无法避免，必须采取合理的处置手段，以减少塌方带来的危害。

1 工程概况

虎形山隧道为郴州至宁远高速公路第二合同段关键控制性工程之一，设计为双向四车道分离式隧道，隧道左线长1 015 m，隧道右线长

985 m。隧道穿越虎形山脉，山高坡陡，冲沟发育，与隧道轴线走向近似平行。地表为岩溶侵蚀、剥蚀深切形成的低山-丘陵地貌，地形上表现为较陡斜坡，植被发育，覆盖密集的灌木丛。隧道穿过区域的底层岩性主要有灰岩、砂岩、粉砂岩夹页岩、泥岩及白云质灰岩，岩层上覆种植土、碎石土、亚黏土、黏土，岩体弱-强风化，节理裂隙一般发育，整座隧道的岩体均较破碎。隧道进出口段均处于松散的残坡积层中，成洞条件差，容易坍塌。隧道地下水主要为裂隙水和岩溶水两种类型，其中裂隙水主要赋存于地层岩石的裂隙中，岩溶水主要赋存于灰岩中，该地层裂隙、岩溶较发育，是地下水赋存的有利地层，水量较丰富。根据钻探调查，流量为0.05 L/s和0.01 L/s，钻探未发现稳定地下水位，但由于围岩裂隙、岩溶发育，隧道施工中易产生渗水、突水、突泥现象。

2 施工状况与原因

2.1 施工状况

2009-04-23，施工队于隧道出口左洞单向进洞（进洞桩号ZK116+923），掌子面施工至ZK116+894发生小塌方冒顶，施工至ZK116+877发生大塌方冒顶;2009-06-11，施工队对隧道出口右洞实施进洞（进洞桩号K116+846），掌子面掘进至K116+813、K116+765分别发生小塌方冒顶，随着工程推进，由于洞内溶洞、溶槽极其发育，溶洞壁节理裂隙发育、不稳定，溶洞填充大量松散土体，且隧道富水，多次发生突泥、突水及涌水，导致发生数次塌方。2009-06-18晚上9点左右，本隧道左洞ZK116+877掌子面按SZ5+型初期支护、喷射混凝土即将完时，拱顶开始出现少量掉土情况，约20 min后，拱顶靠左侧（面向隧道）突然掉下两块大的孤石，孤石不规则，每块孤石体积约3 m3，重量约5 t，随后即发生持续不断的大面积坍塌直至地表沉陷冒顶，并导致洞内一定范围初期支护完全破坏。由于发生塌方的時间是晚上，且当天晚上塌方一直持续不断，为了保证人员的安全，当天晚上项目部禁止相关人员上山调查。第二天早上，通过对地表塌陷情况的调查，基本情况如下：地表沉陷的纵向长度约为20 m（桩号ZK116+885～ZK116+865，其中ZK116+885～ZK116+877初期支护完全破坏），宽度约为18.5 m，同时塌陷体周围出现2～6 m宽度、长度不同的牵拉裂缝，裂缝最大宽度为40 cm。

2.2 原因分析

（1）面向隧道掌子面右侧开挖轮廓以下约1.2 m为红黏土，极其松散，红黏土下面为白云质灰岩夹土，岩石强度较高，开挖轮廓外长有石笋，下部需进行爆破开挖;面向隧道掌子面左侧开挖轮廓以下约4 m为红黏土夹少量孤石，红黏土以下为白云质灰岩，下部需爆破开挖。塌方情况如图1所示。

（2）塌方处初期支护距离前方掌子面约有40 cm的工作空间，尽管上次爆破后对掌子面进行了素喷混凝土，但爆破对土体产生较大的扰动，上覆地表土层较薄、松散，没有自稳能力，无法形成承载拱，导致左侧出现掉土现象，随着孤石周围土掉空，孤石掉落，进一步导致周围土体塌下。

3 塌方处理措施

针对出现的塌方、冒顶情况，项目部会同相关人员集中讨论，采用洞内洞外综合治理的方法，具体处理方案及其步骤如下：

3.1 塌体加固处理

坍塌停止、排除危险情况后，在洞内利用塌下的土体及浆砌片石、喷射混凝土等封堵掌子面。

3.2 地表截水排水

在地表塌陷体四周 5～10 m位置处设置截水沟，地表塌陷体上覆盖防水布、裂缝处用水泥砂浆填塞，防水布周围做好临时排水沟，截、排水沟应保证水流顺排，且在地形较低处设置引出口，使水能够及时排出，防止降雨和地表水流入洞内导致出现更大范围的坍塌。

3.3 洞内已施工地段临时支护加固

对没有损坏部分的初期支护沿掌子面后退方向设立纵向5 m的临时支护加固措施，支护的措施是采用与原支护断面相一致的工字钢，工字钢的环向间距为1 m，工字钢与初期支护面空隙处采用木楔楔紧，同时通过纵向连接筋将所有的工字钢连接成一整体。

3.4 洞外坍塌面处理

地表塌陷形成坑体的四周坡面先按1∶0.75坡率清除松土，清除一级，防护一级，防护措施采用锚喷挂网方式临时稳固四周坡面。喷射混凝土厚度15 cm、8 mm钢筋网孔尺寸为20×20 cm，临时稳固坡面后与坡面基本呈垂直方向打入89×6 mm钢管，注浆以稳固塌陷体周围地表。前坡面（桩号减少方向）钢管打入长度平均为18 m，后坡面为10 m，左右坡面则打入50×5 mm小导管，小导管单根长度为3.5 m，钢管均按横竖1×1 m梅花形布置，随后用1∶1水泥浆进行注浆，注浆压力为1.5～2MPa。四周坡面处理完毕进一步对塌陷坑底打入长6 m、50×5 mm小导管，小导管平面布置为纵横1×1 m，然后采用与上述相同参数注浆。洞外坍塌面相关处理如图2所示。

3.5 洞内处理

（1）地表加固完毕后进行洞内处理，洞内稳固掌子面后沿隧道轮廓打设89×6 mm钢管并注浆，注浆参数与以上相同，钢管长度以穿过塌陷体3～4 m为宜，环向间距20 cm，每次打入钢管长度为7 m。考虑2 m纵向搭接长度，同时工字钢间距由原设计的50 cm调整到30 cm，并增设径向小导管注浆（50×5 mm、0.5×0.5 m纵横布置），其他参数采用设计的S5+型支护参数。处理长度自目前初期支护已破坏的ZK116+885起至塌陷体纵向前方5 m左右。

（2）对ZK116+877～ZK116+885段已损坏的初期支护中的喷射混凝土、钢筋网、锚杆按原设计参数重新补强。

（3）对洞内处理时，为了保证施工的安全，钢管超前支护注浆完毕后，架立拱架时先掏出拟设工字钢环向一榀钢架位置的土体，随后架立钢架，铺设钢筋网、喷混凝土。洞内相关处理如图3所示。

（4）加快二次衬砌施工，增加塌方处的受力结构，加强监控量测。当支护面已处于稳定状态，并且二次衬砌已到该处时，再进行临时拱架的拆除。

3.6 洞外坍塌坑体回填

待隧道二次衬砌施工完成后，对坍塌坑体采用回填土夯实，并用水泥砂浆封面。

3.7 后续施工防塌控制

（1）做好前方掌子面的探测工作。隧道施工虽有地质超前预报工作作为辅助指导，然而预报设备及技术仍然不很成熟，预报反映情况与实际情况出入较大，因此施工队必须做好超前水平钻工作，即开挖掌子面前可用风枪进行超前钻探来探测前方地质水文情况。

（2）在不能准确确定掌子面前方地质条件的情况下，尽量做到短进尺、弱爆破，即使掌子面围岩状况较好，这样可降低塌方的风险。

（3）当掌子面有发生少量渗水时必须引起高度重视，开挖、支护必须小心谨慎，特别是发现围岩间隙夹有土层时更应注意，很可能该处存在溶洞、溶槽及填充物。

（4）当掌子面出现突水、涌泥时，在能堵的情况下尽量以堵为主，随后注入双液或单液浆进行固结，否则，随着泥土、水不断地涌出，很容易发生塌方。对松散的土体，除了强调注浆效果外，应改变开挖工法，可采用分步小断面进尺，挖开一部分即支护一部分，减少临时外荷载的作用，尽早形成结构受力体系，同时加快仰拱及二次衬砌的施工。

（5）要选择业务素质高、专业技术可靠的施工队伍，同时必须加强现场监控及管理工作，发现问题及时汇报、指正，规避塌方风险。

4 处理效果

本工程根据以上处理方案，安全地完成了虎形山隧道塌方处理的各项工作。通过检测，加固后的围岩是稳定的，确保了隧道后续施工能顺利进行，减轻了塌方后对项目工期、造价和安全等造成的一系列问题。

5 结语

总之，在岩溶较发育区域进行隧道施工，发生塌方风险较大。施工过程中，需加强超前地质预报，加强施工监控，发现存在岩溶时，应及时进行超前钻探，探明岩溶范围并采取有效的开挖支护方式，以避免和防止塌方，确保隧道施工顺利进行。本文通过分析隧道塌方的原因，提出处理和预防措施，希望能对隧道施工有所帮助。

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