周家窊黄土隧道冒顶塌方分析与处治技术

2021-11-23赵兵许立张栋王双现李翼延

中外公路 2021年5期

赵兵，许立，张栋，王双现，李翼延

(1.三门峡市国道310南移项目公司，河南三门峡 472000；2.河南省三门峡市公路局；3.中南大学土木工程学院)

黄土是中国工程建设中常遇的一类特殊土，具有明显的竖向节理结构特性。黄土隧道建设过程中，竖向节理及软弱面易导致地面沉降、支护结构大变形乃至塌方问题，引发施工安全风险，迟滞施工进度、增加工程造价。

近年来，黄土隧道建设如火如荼，施工期间围岩失稳破坏机制以及塌方预防等方面的研究成果丰硕。赖金星等分析某浅埋偏压黄土隧道洞口段塌方原因，提出了超前大管棚联合注浆小导管加固方案，对处治效果进行了现场实测及计算评价；赵虎生分析了梨树塔湿软黄土隧道塌方特征及成因，采用地表旋喷桩加固进行塌方处理取得了良好效果；徐松芳等分析了大管棚在黄土隧道塌方处理中的应用效果，通过数值计算与现场实测研究了大管棚在黄土地层的作用机制。

三门峡市国道310南移新建工程周家窊黄土隧道，左线隧道于双向贯通仅余30 m、隧道埋深70 m处的紧急停车带加宽段施工时，进口一侧掌子面发生冒顶塌方。该文对项目塌方案例开展原因分析及现场处治方案的探讨，提出塌方处掌子面封闭、出口端大管棚及径向注浆加固并单向掘进等综合处治措施。现场实施后效果良好，隧道安全顺利贯通，研究成果可为类似大断面黄土深埋隧道冒顶塌方处治提供借鉴。

1 工程概况

周家窊隧道位于河南省三门峡市陕州区，是国道310洛三界至豫陕界段南移新建项目的控制性工程之一。隧道按分离式双洞四车道设计，左洞起讫里程为ZK86+502～ZK87+642，全长1 140 m，右洞起讫里程为YK86+585～YK87+618，全长1 033 m。

周家窊隧道穿越区域为均质黄土梁区，隧址区上覆20～25 m黄土状粉土，为上更新统新黄土，具Ⅵ级湿陷性，承载力基本容许值为100～120 kPa；局部夹有黄土状粉质黏土，承载力基本容许值为120～150 kPa；下部为中更新统粉土，中密～密实状，承载力基本容许值为140～200 kPa。洞身土层竖向节理发育，层理不明显。

隧道全长均为Ⅴ级围岩，采用3种复合式衬砌结构形式，如图1所示。即：Ⅴ级洞口段，Ⅴ级深埋段和Ⅴ级紧急停车带衬砌。分为标准断面[图1(a)与图1(b)]和紧急停车带加宽断面[图1(c)]。

图1 周家窊隧道复合式衬砌结构类型(单位：cm)

3种复合式衬砌均设单层小导管注浆超前支护，小导管选用长4.5 m的φ42 mm×4 mm钢管；此外，拱脚与边墙底部沿斜向下45°每处各打设2根长4 m、φ42 mm×4 mm锁脚锚管。

2 周家窊隧道塌方概述及原因分析

2.1 塌方概述

自2017年10月开工以来，周家窊隧道左洞采用短台阶法施工，其中上台阶单循环进尺0.5 m(一榀拱架)，中下台阶单循环进尺1 m(两榀拱架)。仰拱单循环进尺2 m(4榀拱架)；为防止上部初期支护两侧拱脚同时悬空，下半断面的开挖采用左右交错开挖；采用42 mm的小导管注浆进行超前加固，小导管外插角的10°～15°，按拱部120°范围布置，超前加固2 m(4榀拱架)一循环。进出口两端同时掘进，原计划左洞于ZK87+128里程处贯通。2019年1月15日，隧道左洞洛三界端(进口)上台阶掌子面施工至紧急停车带加宽段(ZK87+063～ZK87+132)内里程ZK87+102处，当晚23：30之后，进口端上台阶开挖完毕准备架立钢拱架时，掌子面附近土体出现持续掉块，初期支护发生开裂变形；凌晨24：00左右，现场随即组织施工人员撤离，用时约10 min。人员安全撤离后不久，洞外听见持续6～8 s巨响，事后发现掌子面滑塌并沿小里程方向连续塌方至ZK87+080，洞内涌进土方量约1 600 m3。塌方时进口段仰拱里程为ZK87+63，上中下台阶分别开挖至ZK87+102、ZK87+86、ZK87+72。

塌方段地质纵剖面示意如图2所示。隧道上方地表地形平坦，埋深约70 m。涌进隧道内的土体主要以松散黄土为主，夹杂有约1.5 m尺度土块。塌方地段处于果园灌溉区，土质疏松，可能存在水囊空腔，加之降雨影响，塌方后下台阶仰拱处出现持续渗水现象，短时间内渗水量可达2～3 m3/h，并且土体含水率较高，约为20.3%，隧道的上覆荷载增大，是导致塌方的重要原因。洞内塌方现场见图3。

图2 左线塌方段地质纵剖图

图3 ZK87+080塌方情况

尽管隧道埋深约70 m，该塌方仍冒顶至地表，现场陷坑照片如图4所示。位于左洞ZK87+088～ZK87+100正上方地表，呈直径约12 m、深度8.5 m的近圆形，坑周四壁陡立，可观察到垂直裂隙发育。地表排查发现ZK87+885、ZK87+090及ZK87+012几处上方地表位置各有1处直径8 m、深6 m、内有50 cm水深的圆形水窖，3处水窖至左线线路中线的距离分别为21、5.3和12 m。此外，坑洞正西方向约10 m位置为一条灌溉水渠。

图4 ZK87+088～ZK87+100上方地表陷坑

2.2 塌方原因分析

(1)周家窊隧道洞身穿越黄土地层，黄土竖向节理发育，围岩压力以竖向压力为主，侧向压力小，隧道承载拱效应弱。

(2)隧道采用短台阶法施工，塌方段上台阶单循环进尺0.5 m(一榀钢拱架)，恰好处于紧急停车带加宽段，开挖跨度增大，黄土地层松弛压力随之增加。

(3)塌方发生时，左洞进出口两端掌子面纵向相距约30 m，对向施工可能存在相互影响；开挖卸载进一步引起水平向应力降低，黄土地层稳定性变差。

(4)塌方后沿地表巡查发现，上方地表存在果园灌溉渠道及长期通水储水的水窖，下方地层含水量增加，土体强度降低。

综上，在多种因素交织影响下，即便隧道埋深较大，开挖后支护结构将承受较大竖向荷载作用，施工稍有不慎易引发小范围垮塌，直至连锁反应快速恶化，最终形成埋深70 m条件下直通地表的连续冒顶塌方。

3 塌方处治方案

隧道冒顶塌方后，经各方商议，决定遵循“稳定塌体、超前加固、单向掘进、地表回填”的总体处治原则，依据图5流程对塌方进行洞内外综合处治，具体处治方案如图6所示。

图5 塌方处治方案流程图

图6 塌方处治方案示意图

3.1 应急处治

为防止塌方进一步发展，对洞内塌方体及地表陷坑进行紧急处理，主要措施如下：

(1)塌方临时稳定后，对垮塌土体喷射25 cm厚C25早强混凝土封闭，打设8 m长注浆钢管以稳固垮塌面坡脚，随后外运土体反压成两台阶状，并在上台阶前端施作40 cm厚混凝土挡墙以支撑垮塌土体坡顶后方拱架。

(2)尽快施作进口端仰拱及二衬，紧跟至垮塌土体坡脚ZK87+070；抓紧施作出口端仰拱及二衬，跟进至下台阶后方。

(3)地表应急处治与洞内应急处治同时进行。首先对地表陷坑底部土体进行人工整平，并回填20 cm厚素混凝土垫层，随后在陷坑周围搭设防雨棚和安全防护栏杆，以阻止地表水坑内汇聚渗入。

3.2 洞内处治

鉴于塌方段ZK87+080～ZK87+102初期支护已严重变形，从进口端处理需进行换拱施工，风险较高，加之塌方后进出口两端掌子面仅相距52 m，继续采用两端掘进的方式可能导致二次塌方，故决定塌方处保持封闭，由出口端单向掘进ZK87+132～ZK87+080段。

如图6所示，出口端按短台阶法施工，掘进过程中采用“衬砌支护加强+超前大管棚+径向注浆”联合加固，严格遵循“短进尺、强支护、早闭合”原则，每开挖一钢支撑间距，立即架设一榀钢支撑并喷射混凝土至设计厚度，使之形成强度后及时承载。此外，及时施作仰拱和二次衬砌，控制掌子面至仰拱距离在25 m内，掌子面至二衬距离在70 m内。

待出口端单向掘进至ZK87+080隧道贯通后，对ZK87+070～ZK87+080段初支进行排查，若侵限不超过5 cm则立即施作二次衬砌，否则采取换拱处理。换拱位置需保持每天监测，待稳定后施作二次衬砌。

3.2.1 衬砌支护加强

ZK87+132～ZK87+113段衬砌支护由原Ⅴ级-深埋型[图1(b)]更改为Ⅴ级-洞口型[图1(a)]。ZK87+113～ZK87+080段衬砌支护由原Ⅴ级-紧急停车带型[图1(c)]更改为Ⅴ级-塌方加强型，其支护参数具体变更如下：

(1)维持原设计内轮廓尺寸，中线及防排水设施不变。

(2)初支混凝土厚度由28 cm增至30 cm；钢筋网由φ6.5 mm(单层)增至φ8 mm(双层)，环×纵间距由原15 mm×15 mm调整为20 mm×20 mm；型钢支护采用H200 mm×200 mm(原设计为I20b工字钢)，间距仍保持50 cm，预留变形量增大至60 cm。

(3)锁脚锚杆规格及打设方式均不变，钢管直径由φ42 mm增至φ76 mm。

(4)二次衬砌环向主筋直径由22 mm增至25 mm，模筑混凝土等级C30，厚度65 cm。

3.2.2 大管棚超前支护

如图7所示，出口端按短台阶法单榀循环进尺施工至ZK87+113后，洞内扩挖0.5～1 m形成管棚工作室(ZK87+113～ZK87+107，长6 m)，进一步施作套拱(ZK87+109～ZK87+107，长2 m)。套拱采用C25混凝土，厚度60 cm，拱内设置4榀20a工字钢(纵向间距50 cm)，底部设置C15混凝土垫块基础，套拱浇筑前在拱部120°范围布置环距为40 cm的φ133 mm×4 mm孔口管。

套拱施工完成后开始施作大管棚，管棚支护参数如表1所示。管棚采用φ108 mm×8 mm热轧无缝钢管，管中增设3根加强筋，并采用等边三角形布置，管棚沿孔口管以1°～2°的倾角打入土体，随后注入水灰比为1∶1的水泥浆液，注浆压力控制在0.5～1.0 MPa，注浆结束后管体内填满水泥砂浆以增加管体强度与刚度。

表1 管棚支护参数

3.2.3 径向注浆加固

在ZK87+113～ZK87+080段增设径向小导管注浆，加固范围为临塌方侧150°内，小导管及注浆参数见表2。径向注浆在初期支护完成后紧跟施作，以3 m为一个段落循环，小导管管壁钻注浆孔，孔径8 mm，孔距10 cm，呈梅花形布置，尾部30 cm不钻注浆孔作为止浆段。注浆材料采用水灰比为1∶1的纯水泥浆，在地下水较大时采用水泥-水玻璃双液浆(水泥浆/水玻璃体积比1∶0.8)，注浆后采用注水泥砂浆充填导管孔，以增加导管刚度。

表2 径向注浆小导管参数

3.3 地表陷坑处治

地表陷坑处治待二衬全部施工完成后实施。首先拆除应急处理时搭设的雨棚及防护栏杆，对陷坑底面进行清渣并浇筑20 cm厚钢筋混凝土作为隔水层；考虑取材方便及恢复果园种植功能，分层回填的材料采用三七灰土，其中每层回填土中均设钢筋网以增加回填土的整体性；此外，为防止陷坑回填处地表积水下渗，在回填处地表周围设置截水沟，回填土顶部设置1 m厚的黏土隔水层和0.5 m的种植土层，并保证该处地表回填后高出周围地表不小于50 cm。

4 处治效果

周家窊隧道采用塌方处注浆回填封闭，另一端在“衬砌支护加强+大管棚+径向注浆”联合加固下单向掘进、地表陷坑分层回填的总体方案，共52 m的单向掘进段总耗时7个月顺利贯通，全段初支变形较小无需换拱施工，图8为紧急停车带加宽段正常施工照片。处治完成后，根据衬砌60 d、地表20 d的监测及后续观察量测，施作贯通后隧道的二次衬砌应力应变值及地表沉降值趋于稳定，说明整体处治效果良好。