公路特殊地质隧道塌方原因分析及处治措施

邓杨健，李乐友

(1.广西交科集团有限公司，广西 南宁 530007；2.广西交科工程咨询有限公司，广西 南宁 530007)

0 引言

处于断层破碎带内的隧道段落，其围岩一般复杂多变，岩体破碎，自稳能力差，往往容易发生洞内坍塌、冒顶等事故灾害，给施工中的生命财产带来很大的安全隐患。安全有效地处治隧道塌方，对保障隧道施工及运营安全具有重要的意义。本文基于新寨隧道塌方实例，分析隧道断层破碎带走向对隧道围岩的影响，探讨了隧道塌方的原因，为新寨隧道塌方提供了相关的处治方案以及建议，并结合现场监控测量结果对处治效果进行了评价。本文研究结果可为处于断层破碎带的公路隧道塌方处治提供借鉴。

1 工程概况

田林至西林高速公路新寨隧道位于广西田林县福达乡境内，呈东西走向，分离式中隧道，隧道左线ZK21+804～ZK22+405，长601 m，右线K21+812～K22+443，长631 m。经钻探揭露：ZK22+148～ZK22+212段，长64 m，钻孔深度范围内的围岩为中风化砂岩夹泥岩(T2b)，局部发育有宽约4.3 m的断层破碎带，岩体破碎，呈碎裂结构，Rc=20 MPa，Kv=0.30，呈潮式状或点滴状-淋雨状出水。该段存在电阻率低阻区，主要是由裂隙水引起，局部为断层破碎带引起，隧道施工中可能会出现不良地质问题。

2 现场施工情况

隧道施工在进入S5c断层破碎带后，采用环形开挖预留核心土工法，以短进尺每循环开挖不超过一榀钢架间距，强支护及时跟进。由于地质及裂隙水影响，期间仍多次出现掌子面垮塌现象。所幸该破碎段钻探地质资料和超前地质预报准确，已引起各方高度重视，现场派有经验丰富的专业值班人员紧盯观察，当发现有小股石块碎落时，及时通知作业人员撤离作业面，因此，每次隧道塌方均未造成任何人员伤亡。

11月5日，隧道左线桩号ZK22+175处发生垮塌，主要范围为拱顶，垮塌岩体破碎，夹杂泥岩较多，左拱腰存在点滴状渗水。

11月18日，左线于桩号ZK22+196处再次发生垮塌，主要范围为拱顶，垮塌岩体破碎，夹杂泥岩较多，塌体全部封闭了掌子面，开挖台车全部报废，左拱腰有股状出水。

此次垮塌体沿隧道西林方向一直持续至ZK22+202，其中在ZK22+200～202，垮塌体多为大块径较坚硬岩石，断裂面较整齐，夹杂少量泥岩。

11月25日，右线桩号K22+197掌子面拱顶处发生小面积垮塌，垮塌体主要为泥岩夹少量大块径石块，拱顶出现渗水，呈淋雨状。

11月25日，左线桩号ZK22+198.5处沿拱顶垂直方向打探管，约4.5 m处探到空腔；桩号ZK22+200处沿西林方向与隧道轴线约40°夹角打设探管，在7 m处探到空腔。

3 原因分析

3.1 地质原因

ZK22+175～ZK22+212与K22+197～K22+208段处于V级围岩，原设计支护类型为S5c，隧道围岩主要为中风化砂岩夹泥岩，局部发育有断层破碎带，岩体破碎，呈碎裂结构，呈潮湿状或点滴状-淋雨状出水。

结合几次垮塌的位置和围岩情况，初步判断断层破碎带与隧道左线在桩号ZK22+175的左拱腰交汇；在ZK22+175～200范围，断层与隧道掌子面交汇面积逐渐增大，ZK22+200处交汇范围为左拱腰至拱顶；ZK22+200～202垮塌体块直径大、质地较坚硬、断裂面较整齐，断层与隧道轴线夹角为60°～70°，方向为西林方向，初步判断此处破碎带已在隧道上方，垮塌原因主要为破碎带与隧道夹角处的岩体承压能力稍差，受破碎带影响，发生垮塌，示意图如图1所示；结合右线K22+197垮塌情况，初步判断破碎带走向示意图如图2～4所示。

图1 ZK22+200破碎带走向示意图

图2 推测破碎带(1)示意图

本次隧道塌方主要受破碎带影响较大，一是破碎带岩体破碎程度高，二是山体裂隙水大量汇集在破碎带内，导致开挖断面后清渣过程或支护过程中突然出现出水情况，引发塌方。

图3 推测破碎带(2)示意图

图4 推测破碎带(3)示意图

3.2 其他因素

对于围岩伴有大量裂隙水从侧墙与拱部渗出可能造成坍塌的隐患，在现场施工时未引起足够的重视，应及时加强支护及防排水措施，防止洞室坍塌及涌水。

4 处治方案

详细调查其范围、形状、塌穴地质构造，查明其诱发原因和塌方类型，再据此确定处治方案。

4.1 封闭围岩

对掌子面及塌方范围喷射C25混凝土进行封闭，厚度≥10 cm。喷射混凝土施工过程中安排专人观察围岩状况，如有异常立即组织现场人员撤离。

4.2 反压回填洞渣

对掌子面进行洞渣反压回填，防止出现更严重的垮塌。

4.3 垮塌体稳固

根据现场情况，拱顶埋设φ108 mm注浆管，对拱顶垮塌体进行注浆，将垮塌体进行固结稳定。

4.4 隧道开挖支护

(1)注浆固结后，施工双层超前注浆小导管，对掌子面前方的岩体进行固结稳固，ZK22+202～ZK22+212段超前小导管长度加长至6 m，扩大固结范围。

(2)开挖工法为三台阶开挖法，开挖进尺不超过1榀拱架距离，开挖后立即完成初支支护，初支过程中钢架拱脚必须用钢板垫实。

(3)初支采用S5c支护，确保每次初支支护贴合掌子面。

4.5 空腔回填混凝土

(1)初支过程中，埋设φ150 mm钢管用于空腔回填，根据现场探测，左线空腔位于拱顶4.5 m以上，右线空腔位于拱顶约2 m，预埋钢管管顶延伸至空洞最顶端10 cm处作为混凝土灌注，同时在该管旁50 cm处预埋φ42 mm钢管作为排气孔和观察孔，管头延伸至空洞顶点5 cm处。

(2)待形成稳定的初支后，对空腔进行泵送混凝土回填，混凝土采用C25混凝土，回填厚度至少2 m，要求分次进行回填。

第一次灌注50 cm厚混凝土，使其形成混凝土护拱，后续回填必须在前一层回填混凝土具备一定强度后进行。在混凝土灌注过程中若发现初支钢架及混凝土有异常现象时立即组织现场人员撤离，并立即报告。

4.6 设计变更方案保证塌方整体稳定性

按上述步骤施工至塌方终点ZK22+202后，为保证塌方的整体稳定性，经四方单位现场进行设计变更方案，前方开挖时，采用双层超前小导管长度为6 m，每单元钢拱架设置钢管φ50×5 mm锁脚锚杆，长度为4.5 m。

5 现场实际处理情况

(1)首先固结塌渣堆采取环向固结方式，采用φ42 mm×4 mm注浆小导管，4.5 m/根，共计30根，注浆采用1∶1水泥浆。注浆前对塌渣体表面进行喷射混凝土加以固结封闭。然后对塌穴口封闭，封闭采用钢管及钢筋作骨架喷射C25混凝土封闭。为确保后续施工效果和安全，必须对塌方段洞内空腔部分回填。因此，在封闭前预留注浆管，注浆管伸入塌穴空洞内，外漏端头，用于接管泵送混凝土。

(2)对塌体上方空洞用混凝土输送泵向塌穴内泵送C25混凝土回填，泵送混凝土分层进行，每次控制在1 m左右，层层之间有一定的停顿时间，保证下层混凝土形成一定强度后才进行上层混凝土浇筑，泵送混凝土总高度为2～3 m，密实、无空洞，形成稳定护拱。

(3)回填泵送混凝土达100%强度后，开始对拱部范围出渣，高度根据现场塌渣稳定情况而定。然后支立钢拱架，先支立拱部钢拱架。钢拱架锁脚锚杆采用φ50 mm×5 mm小导管，长度为4～6 m，每侧≥8根；及时对下部剩余渣体出渣，然后把上部工字钢向下顺接，形成闭合。

6 处理后的效果评价

为判断塌方治理后围岩的稳定性情况，该段每10 m设置一个断面，每断面布置3个观测点(1个拱顶下沉，2个周边收敛)，每天进行观察，一个月后的各断面累计沉降值和收敛值都在35 mm以内，现场喷射混凝土无发现开裂、脱皮现象，满足规范要求。因此，可以认为该塌方治理方案是可靠有效的。

7 总结

(1)隧道在穿越不良地质地段时常会发生塌方现象，因此需在施工前考虑各种因素，采取必要的预防措施。

(2)严格规范施工，采取短进尺、弱爆破、强支护、早衬砌、勤量测的施工方法，制定出切实可行的施工方案和安全防护措施。

(3)塌方一旦出现应马上处理，分析情况，找到原因后应对未塌方段进行加固处理，防止继续发展。