分离式四车道隧道塌方段处治技术

王 伟

(中铁十九局集团第六工程有限公司，江苏 无锡 214000)

1 工程概况

上、下行分离式四车道高速公路某隧道上、下行线起讫里程分别为SK97+280～SK99+010、 XK97+295～XK99+037，属松软黄土、亚黏土和弱胶结岩石型深埋长隧道。隧道出口端上行线暗洞进洞45.5 m，掌子面里程SK98+944.4,仰拱里程SK98+962.5，仰拱距掌子面18.1 m；下行线暗洞进洞46 m，掌子面里程XK98+973.5,仰拱里程XK98+986，仰拱距掌子面12.5 m。掌子面围岩为强风化泥岩，青灰色，亚黏土状，风化裂隙及层理发育，呈碎裂状松散结构。上行线拱顶开挖、下行线左侧拱部侧壁开挖时，拱顶均发生塌方。为防止塌方扩大，在塌方稍稳定后对塌腔多次喷射砼以封闭支护，封闭完成后现场查看，上行线拱顶形成不规则漏斗状塌腔，高约7 m，宽约8 m。2019年7月9日凌晨，下行线出口端开挖XK98+949.4～+950段拱部，进尺0.6 m，早晨7:30完成该段钢拱架支撑，8:00正准备拱部喷射砼时，线左由拱脚至拱顶偏线右约2 m范围岩体突然出现大面积滑塌，至上午9:00拱部坍塌体已将线左掌子面封堵，之后该段一直有零星岩体滑塌，至7月11日早晨基本稳定。根据现场观察，塌方体长约3.0 m，塌体高度7～8 m，塌方量约400 m3。为保证人员安全，立即停止了掌子面施工，并对洞顶地表进行观察，发现XK98+948～+950段地表已出现8～10 cm裂缝，XK98+950～+980地表已出现4～6 cm裂缝，如图1所示。XK98+950～+960段拱部一次衬砌已出现1.0 cm宽环向裂纹，见图2。

图1 地表裂缝与隧道平面位置关系示意图

图2 洞内环向裂缝现状图

2 隧道塌方段塌方处治

塌方发生后，多次进行喷射砼支护，防止塌腔的进一步扩大，待塌腔稳定后按以下方法处治该塌方。

(1)考虑到隧道围岩极其破碎，无任何自稳性和黏结力，采用先喷射砼稳定塌腔，待喷射砼厚度和强度达到对围岩面能形成自稳性要求后，进行塌方处理[1]。

(2)为确保操作工人的安全，在塌腔经喷射砼形成自稳性后，纵向铺设环向间距30 cm的I20a工字钢，工字钢长度应满足一端能支撑在已完成的一次衬砌砼顶部，另一段能伸入未坍塌的掌子面上，并形成一定的倾斜角度，见图3。完成工字钢及木板铺设后，敷设隧道顶部钢筋网，钢筋网间距10 cm×10 cm，然后喷射砼，形成坚固的护拱。

(3)护拱喷射砼强度满足要求后，进行一次衬砌的拱架架立及一次衬砌模板安装，然后完成一次衬砌砼浇注工作，再利用预留的三根注浆孔进行喷射砼施工，喷射砼应填满塌腔体。

(4)塌腔填充密实后，按正常的开挖方式进行下一循环开挖。考虑此段围岩自稳性差，开挖进尺调整为每循环0.5 m，然后挂网喷射砼进行临时支护，再开挖下一循环。待开挖长度达到1.5 m，安装模板浇注一次砼。

(5)超前支护的施作质量是影响开挖能否成功的关键所在。此段原设计为大管棚支护，后来因洞内管棚支护无法施工调整为超前注浆小导管，小导管采用外径42 mm、壁厚4 mm、长450 cm的热扎无缝钢管，环向间距40 cm，每环35根，纵向间距200 cm，外插角控制在15°左右，尾端支撑于钢架上。超前小导管注浆采用水泥浆(水玻璃添加量应为水泥浆重量的5%)，水灰比为1∶1，水玻璃浓度为35波美度，模数为2.4，注浆压力为0.5～1.0 MPa[2-3]。施工期间全程跟踪超前小导管注浆的效果，并对其做出效果对比分析。

图3 拱顶坍方处理

3 隧道塌方段裂缝处理

3.1 裂缝成因分析

对XK98+960、XK98+966及XK98+976断面进行拱顶沉降和上台阶水平收敛量测，典型的测量结果见图4和图5。对测量数据、现场施工条件和施工方法等进行综合分析，认为裂缝产生的原因如下：

(1)地形条件是产生洞内外裂缝、洞身变形的主要原因。根据隧道出口端平面布置图、现场断面测量资料和实地踏勘，XK98+900～XK99+017段受偏压地形影响，尤其在XK98+930～+980段线左7～12 m受地形切割较深因素影响，产生较明显偏压。暗洞开挖后，拱顶产生沉降，部分土体扰动；加之洞顶受偏压地形影响，造成拱顶岩体松动区域范围逐步扩大，地表出现不均匀沉降，继而产生地表裂纹；地表裂纹逐步发展，与洞顶松动区相互影响，洞顶裂缝与洞内松动区之间形成贯通面后，隧道洞顶部受自重荷载明显大于偏压荷载，引起土体松散，导致洞身变形，使得成型拱部一衬出现拱顶下沉和拱脚明显收敛[4]。洞顶地表裂缝主要走向与线左线路走向及切割地形等基本一致，且洞内一衬在线左拱墙连接处和拱脚处多处出现斜裂纹，而线右仅出现沿施工缝环向裂纹，由此可证明洞身一衬变形主要由地形偏压引起。

(2)围岩地质特点是产生洞内外裂缝、洞身变形的又一原因。隧道暗洞进洞约35 m开始下台阶出现泥岩地层，上台阶由灰褐色水平分层状泥岩和第四系黄土、黏土层组成，泥岩地层随洞身掘进增加逐步向拱顶发展，存在含水量相对较丰富的泥质胶结的结合部，结合部由黄土和泥岩层组成。洞室开挖后在台阶界面及隧底等低洼处出现积水现象，受开挖后风化加剧和泥岩遇水后软化、承载能力降低等因素影响，开挖轮廓线外岩体对一衬压力增加，造成洞内外产生裂缝、洞身出现变形。

(3)气候变化因素影响。7月份后，本地区下雨量明显增加，因隧道埋深小于20 m，地表水渗入造成隧道拱顶一定范围内岩体软化导致洞内支护下沉；加上K98+950～+980段拱部多处渗水，洞内受地下水影响明显，在地表水和地下水共同作用下，部分洞内外裂缝形成贯通面，导致隧道洞身变形。

(4)施工条件局限和施工工法缺陷对隧道变形也有一定影响。采用台阶法施工，拱部开挖至仰拱封闭成环时间相对较长，拱脚及拱顶出现下沉。

(5)隧道在地表裂缝逐步发展贯通至洞顶和掌子面突然出现塌方两种因素共同作用下，XK98+948.4～+980段在开始开挖后14 h内出现拱顶下沉4.7 cm，拱脚收敛4～16 mm，若不采取临时仰拱封闭上台阶和拱部，加设枕木垛等加固措施，则该段发生坍塌、甚至“冒顶”的风险性极大；此外，K98+954～+980线左拱脚和拱墙连接部位多处出现斜向裂缝，说明隧道自掌子面至二衬作业面受偏压荷载影响较明显。

图4 洞内上台阶拱脚处收敛变形曲线图

图5 洞内上台阶拱顶下沉变形曲线图

3.2 裂缝处治方法

(1)根据监测数据和洞内外裂缝出露情况，分析XK98+948.4～+963段在当日15:00左右已处于急剧变形阶段，若不采取果断的加强措施，极易引起大的塌方事故。采取先在XK98+954～+960段设钢支撑，台阶界面处设腰撑，之后浇注40 cm厚C25砼临时仰拱。临时仰拱完成后发现拱脚砼出现斜裂纹，随后对裂纹进行标记和观测，发现变形在继续扩大而且收敛变形结果显示水平收敛在变大，于是在隧道中心位置设置枕木垛进行支撑，抑制变形。枕木垛搭设完成后继续每隔1 h进行监控量测，变形趋于稳定。

(2)掌子面塌方区域处理。先喷混5 cm厚C20混凝土封闭固结塌体表面。然后自塌体坡脚至拱顶按台阶法码砌编织袋挡墙，缝隙采用10 cm厚喷射砼封闭，以防止塌体进一步溜塌。在塌方体端部用潜孔钻钻上仰角约50°、Ф150 mm的孔2个，钻至端部塌方岩体顶部后，采用大锤、风钻顶入Ф108 mm钢管，钢管上端超出塌方岩体顶部3.0 m以上。再采用C25泵送砼填充塌腔端部，填充高度3 m，并在拱部一衬端面后退2 m，打入长10 m、间距0.4 m、仰角8°～10°的Ф89 mm管棚。完成后，在一衬砼面设厚40 cm、宽100 cm套拱，形成止浆盘，孔内压浆，注浆压力1～4.0 MPa。预留核心土采用台阶法开挖，开挖时，根据管棚注浆效果，确定是否增加30°～45°、Ф42 mm的注浆小导管。

(3)受偏压地层影响较严重地段处理。①地表处理。受偏压地层影响较严重的XK98+920～+980段，自线右30 m向线左30 m，按1∶3～1∶4横坡切除洞顶松散土体，洞顶中轴线处挖除高度6～8 m，洞顶卸载土体运至线右回填。洞顶卸载完成后，在SK98+945～+965洞顶平面内，采用地质钻机钻Φ108 mm注浆孔。注浆孔由地表至隧顶长12～19 mm，间距1.5～2.5 m。采用超细水泥劈裂注浆，成孔一个注浆一个，注浆压力2.0～2.5 MPa，注浆深度为隧顶至地表下3～5 m，采取由下至上分段注浆，分段高度约2.0 m[5-6]。注浆结束后，地面采用3∶7灰土夯填。②洞内处理。XK98+980～+985段仰拱两次施作，做到一衬尽早封闭成环。按先线右、后线左错开3 m开挖边槽，边墙厚度增加15～20 cm，每次开挖与衬砌长度为1.5～3.0 m。边墙与仰拱填充交替施工，至XK98+960填充完毕，二衬紧跟。完成洞顶注浆且二衬施工至XK98+960后，先开挖XK+960～961.5边槽，槽宽1.5～2.0 m，开挖长度0.75～1.5 m/次，完成该段左边墙一衬后再施工对应右边墙，拆除该段临时仰拱；按此顺序完成剩余临时仰拱段边墙施工；对应仰拱及填充进尺1.5～3.0 m/次，完成后浇注该段二衬。

(4)其他施工措施。①在台阶界面处沿钢拱架拱脚或连接处各设2根3.5 m长注浆小导管，小导管与拱架之间采用“L”形钢筋焊接。②缩小分部开挖高度，将掌子面与仰拱作业面距离控制在20 m左右，尽可能缩短拱部开挖到仰拱封闭之间的时间；一衬面渗水明显部位增设透水盲管。③使用裂缝观测仪观察洞内裂缝变化规律，加强一衬砼拱顶、拱脚沉降和收敛量测，通过量测数据判断一衬稳定性，并优化开挖方法。④洞身一衬变形加剧时，采用临时仰拱、对口撑等使分部开挖形成闭合环，必要时采取搭设枕木垛、在一衬面加设砼“拱带”等加固措施。

4 结语

隧道塌方段处治直接关系到隧道施工的安全、工期和经济效益，是隧道出现塌方后必须解决的关键问题。出现地表开裂会给隧道塌方段的处治带来更大的困难，对该塌方段进行处理时，应通过变形监测及实地考察，分析塌方及引发地表开裂的原因，采取有效的处治措施。该分离式四车道隧道通过采取上述处理措施，顺利安全地完成了塌方段的施工，表明采取的处治方法是成功的，为解决隧道塌方段塌方及地表裂缝处理以及预防隧道塌方积累了技术资料。