隧道施工塌方治理技术应用与分析

李杰

河南省新县公路事业发展中心，中国·河南 信阳 464000

1 引言

近年来，中国丘陵、高山峡谷地区在修建大量公路的同时，也会遇到许多施工难度大的长大山岭隧道，在公路隧道施工中最大特点为地质条件复杂、开挖断面大，在开挖隧道过程中，因涌水、围岩变形等情况，将严重危害隧道安全。隧道围岩失稳而塌方是隧道施工最常见的事故之一，如何有效控制或降低隧道塌方灾害成为了当前急需解决的重点问题。

2 工程概况

某隧道右线于YK195+433 断面处开挖，伴随开挖深度的增加，围岩地下水愈加丰富，围岩条件越来越差，随开挖进尺的推进初期支护表面产生了大量开裂情况。经研究、讨论决定，采用注浆、换拱等进行YK95+433～YK195+413段支护加固处理。然而，伴随施工进度的不断加快，此段围岩变形问题并未得到解决。待施工至隧道出口工区右洞—掌子面YK195+405 段时，隧道此处变形过大，经商议决定暂停施工，探讨后期施工措施，但随后一段时间内，YK95+433～YK195+413 段出现塌方（见图1），将接近掌子面的数榀钢架、超前支护等损坏，且上台阶初支表面出现渗水问题，整个隧道断面被坍渣体堵塞。事故出现后，针对坍塌体迅速采用洞渣反压，从而保证塌方体稳固[1]。

图1 塌方实拍图

3 隧道施工塌方原因分析

塌方前，隧道选择的施工法为上下两台阶开挖法，上下台阶高度分别为6m、4m，因塌方发生时，二衬滞后距离较远，为此，二衬支护影响可忽略不计。

①通过监测隧道周围产生的位移及应力分布规律变化情况，本断面围岩属于薄层千枚岩、板岩，与水结合极易软化。为此，应在无水状态下分析断面处变形情况。具体条件下，随着地下水的作用推进蠕变不断发展，周围围岩的位移、应力状态持续扩展，从而产生隧道塌方[2]。

经塌方原因调查可知，有一条冲沟存于隧道塌方处地表下，且有大量水源汇集。因此处围岩为薄层千枚岩、板岩，岩质极软，节理裂隙发育，围岩在地下水长期浸泡下，稳定性越来越差。开挖隧道施工中，此处围岩渗水问题愈加严重，水量剧增。因此，在原因分析中必须考虑渗流作用。经塌方典型断面YK195+430 段围岩体稳定性受地下水影响较大，也是该隧道塌方的主要原因。在地下水影响下，隧道围岩体的应力场、位移场均发展变化，且呈现出增长趋势。随着时间的不断推进，增长量越来越大，当隧道支护结构无法对围岩产生的变形进行有效支撑时，则会破坏隧道结构，从而导致隧道结构稳定性下降，产生塌方[3]。

②为分析隧道掌子面变形情况，监测得到随掌子面开挖进尺变化断面水平收敛及拱顶沉降情况，见图2、图3。

图2 水平收敛随开挖时程图

图3 拱顶沉降随开挖时程图

由此可见，伴随掌子面开挖进尺不断增加，水平收敛及拱顶沉降不断变大，当开挖进尺在6m 以下时，已产生了显著位移情况，当开挖进尺为6m 时，此时位移增大率最大，随之慢慢趋于缓和。水平收敛和拱顶下沉最大在第15 天趋于稳定；塌方前开挖里程为YK195+405，二衬施工里程为YK195+458，表明二衬与掌子面施工距离尚远。其中，塌方段与掌子面之间的距离也在15m 以上，在掌子面空间效应之外，此时围岩变形的根本原因为岩体流变出现挤压变形情况，伴随施工的不断进行，蠕变变形逐步增加，从而出现围岩净空现象，产生塌方。此外，在开挖进尺速度持续加快的状态下，掌子面空间效应过早消失，围岩因流变性影响也将提前，导致围岩变形情况加快，因失衡严重，从而导致塌方事故产生[4]。

4 隧道施工塌方治理技术应用

4.1 应急处理技术分析

塌方第一时间，应及时采取措施进行应急处理。要求停止所有施工活动，从隧道右线快速撤出，并做好坍渣面封闭，可选择大块石洞渣码砌渣脚，随后将钢筋网设于坍渣面，喷洒C25 混凝土，固化塌渣体表面。

按照渗水具体情况，在初支表面、坍塌体进行泄水孔设置，本工程需在6～10m 内控制钻孔深度，孔口管以Φ108钢花管为准，插入深度为1～2m。通过波纹管向临时水沟排放，并做好洞内排水施工，避免施工场地积水[5]。

4.2 未塌方段治理技术分析

为避免塌方事故范围扩大，需加固处理相邻支护结构。具体措施如下：

第一，与塌方相近处，即YK195+433～450 段，可将118 临时钢架设于初期支护内表面，50cm 为每榀间距，纵向上钢架可与Φ22 钢筋相连，环向同样以50cm 间距进行设置。每榀钢架需进行Φ22 药卷锚杆锁脚设置，数量为4 根，长度为3m。

第二，泄水孔打设时，可灌注YK195+433～450 段周围围岩，水灰比为0.5 ∶1～1 ∶1，0.5～1.0MPa 为注浆压力，若仍无法控制地下水出水量，需选择加水玻璃双液浆处理。

4.3 塌方段治理技术分析

4.3.1 塌体稳固

选择大块石洞渣码砌渣脚，随后将钢筋网设于坍渣面，喷洒C25 混凝土，固化塌渣体表面。选用8@20cm 钢筋网，20cm 为混凝土喷射厚度。要求将小导管设于塌体上部斜向处，400cm 长，Φ42mm。经小导管注浆处理，从而达到良好加固效果。

4.3.2 塌体处理

第一，渣堆反压回填。YK195+433～450段运渣回填施工，为后续施工提供施工平台。

第二，超前注浆锚杆。采用自进式锚杆加固YK195+413～433 段塌体，注浆材料为双液浆，环向按30cm 为间距设置，1.0m 为浆液加固圈范围。

第三，超前地质预报探测。塌方掌子面YK195+433 前方可采用地质雷达等进行监测，可探测出塌方体大小，即20x12x5m。

第四，开挖坍塌段。完成上述作业，可稳定塌体，此时可将超前注浆锚杆设于拱部130°角处，3m 长，Φ42mm。开挖时，按三台阶法施工，进尺一榀，可采用120b 型工字钢支护，50cm 纵向间距。按照具体施工情况及地质条件，随时做好开挖方案调整工作，上台阶施工过程中，可进行临时仰拱增设。中台阶开挖时，可分左、右开挖。此外，还需将注浆锁脚锚管设于上下台阶拱脚位置。

第五，排水处理。在此次隧道塌方事故中，地下水影响较大，为此必须做好排水处理，避免二次危害。隧道开挖面部位的涌水可通过Φ159 钢管设置向洞外抽排，尽可能确保施工场地干燥。随后采用风钻对较大渗水量处进行钻孔，深度控制在3m 以上，并将Φ50 软式透水管插入孔内，以此排出水。在二衬段施工前，间隔2m 进行环向排水管设置，横向排水管间距则为5m，并保证管道全面连接中央水管。

5 隧道施工塌方治理评价分析

隧道塌方处治后，为更加全面、详细地对处治效果进行评价，可选择断面YK195+430 为例，自塌方段治理开始，详细统计、记录断面拱顶沉降、水平收敛等信息，以此获取拱顶沉降与水平收敛速率、平均速率等，具体见图4～图7。

图4 沉降速度与平均沉降速度时程图

图5 沉降累计值与拟合值时程图

图6 水平收敛速度与平均收敛速度时程图

图7 水平收敛累计值与拟合值时程图

由此可见，在开挖处治塌方段的过程中，拱顶、边墙位移变形较大，伴随支护施工的结束，变形速率逐渐变小，在此过程产生异常反转现象，但整体来讲，仍呈逐步减小趋势，并趋于稳定。经监测数据可见，沉降速率在0.5mm/d以下，收缩速率在1.0mm/d 以下，在可控范围内。通过沉降及收敛变形累计曲线可见，前期增长速度很快，后期增长逐步变缓，直到稳定，最终拱顶变形累计值28.1mm，边墙变形累计值为40.5mm，均满足允许范围。由此表明，隧道塌方治理效果良好，可满足预期效果[6]。

6 结语

综上所述，改革开放以来，中国经济迅速发展，交通运输业作为国民经济发展的支柱型产业，在社会经济发展中占据着重要的地位。隧道作为公路建设的重要组成部分，隧道塌方问题将严重威胁隧道施工人员及设备的安全。为此，如何防治隧道塌方成为了隧道施工的关键。应在充分掌握隧道塌方原因的基础上，合理选择治理措施，稳定塌体，提高施工质量及安全。