隧道施工塌方治理技术应用研究

毛鹏飞

（总装备部工程建设监理部，北京 100028）

1 隧道塌方原因

1.1 设计原因

隧道设计方法包括现场监控法、理论计算法和工程类比法。工程类比法是不少单位常用方法，此方法对于设计人员的经验有很强的依赖性，通常是直接套用类似工程项目的方案，缺乏对工程具体情况的考量，导致设计方案不够合理，这也是公路工程隧道塌方事故频繁发生的重要原因[1]。

1.2 施工原因

在隧道施工中，不少参与施工的工作人员的专业素质不能完全满足施工要求，导致施工环节经常出现开挖数据和爆破参数不准确、支护方式不合理的情况，塌方问题也会随之出现。

1.3 地形地质原因

隧道工程施工受地形地质因素的影响很大。在不良地形地质路段，隧道围岩宜破碎，塌方事故发生的可能性也非常大。若缺少超前地质预报，或预报信息缺乏准确性和完整性，使施工过程中缺少有效的地质信息参考，只能借鉴自身经验进行施工，会使施工的科学性无法得到保证。

1.4 监控测量原因

隧道施工多采用新奥法，强调对施工全过程的监测，但很多项目的施工过程中，管理人员没有认识到监控测量工作的重要性，进行隧道开挖及支护时，缺乏有效的数据资料，增加了塌方事故发生的概率[2]。

2 治理隧道塌方的原则

隧道工程施工首先要做好预防工作，对存在的安全隐患进行排查，尽可能避免事故的发生。在制订塌方处理方案时，应充分结合实际，确保方案的可行性和针对性：（1）做好塌方原因的分析，对塌方范围进行勘察，确定事故对后续施工产生的影响；（2）依据勘察结果提出有针对性的处理方法，对塌方区域及周边区域进行处理，保证隧道施工的顺利进行；（3）做好处理过程的监管工作，对于存在的隐患，采取后续措施尽量消除，避免发生二次事故。

3 隧道施工塌方治理技术

3.1 小导管注浆技术

小导管注浆技术工作效率高，可采用多台钻机同时钻孔，保证实施的有效性和灵活性。需要注意的是：（1）小导管应选择焊接钢管或者无缝钢管，直径为40～50 mm，长度通常为3～5 m，可以分为单层小导管和双层小导管。应沿隧道拱部轮廓线的外侧设置，环向布设范围和间距由地层性质决定，其位置、深度应满足设计要求。（2）注浆材料应具备良好的可注性，确保浆液固结后具备较高的强度，抗渗性和稳定性良好。常见材料包括改性水玻璃浆、普通水泥浆液、水泥-水玻璃双浆液。（3）应采用由下而上的注浆顺序，间隔对称进行，相邻孔位错开，注浆压力控制在0.1～0.4 MPa，终压由地层条件和周边环境控制的要求确定，通常不超过0.5 MPa，稳压时间不少于2 min，如果采用劈裂法，压力应超过0.8 MPa，应严格控制注浆速度，确保其不大于30 L/min，同时做好监测工作。

3.2 管棚注浆法

管棚注浆法可以对隧道拱顶进行加固，在隧道周边设置钢管，对围岩进行注浆加固，产生的加固圈可以帮助岩层更好地承受荷载。施工应“先外后内”“跳孔注浆”“由稀到浓”，注浆前，需要在钢管中沿管壁设置直径为15 mm 的排气管。等到排气孔有浆液流出并且浆液浓稠时，实施终压注浆，直至达到设计注浆压力。注浆结束后，需要对注浆管内的浆液进行清理，使用30 号水泥砂浆充填，提高管棚的强度和刚度[3]。注浆孔仰角需要依照钻孔深度和钻杆强度确定，通常为1°～1.5°，钻机最大下沉量和左右偏移量应为钢管长度的1%。管棚不能侵入开挖线内，相邻钢管不能立交或者碰撞。

4 隧道塌方治理要点

4.1 明确施工步骤

1）做好掌子面的加固处理，避免塌方范围扩大，常用的加固处理方法包括中空锚杆、小导管注浆、止浆墙等；

2）对塌方影响段进行处理，可选择的处理方式包括工字钢加固、钢筋网喷射混凝土等；

3）做好塌方段的管理工作，常用的方法为护拱法，需要提前做好围岩处理，对排水管设施进行完善，然后使用混凝土喷射的方式进行封闭，控制混凝土厚度最小为16 cm；

4）继续进行隧道的开挖应该严格依照相关标准，避免出现二次塌方问题。

4.2 优化施工管理

优化施工管理工作，应安排专业技术人员收集隧道所处区域的地质环境信息，结合实际情况确定支护参数、设计出合理的治理方案，配合先进的施工设备和专业的施工队伍，保证处理效果。施工中需要合理应用地质预报技术，明确围岩的实际情况，做好缺陷部位的准确定位，为后续处理工作做准备。

5 工程实例

5.1 工程基本情况

某隧道所在场区地貌为黄土梁峁，冲沟发育，地形起伏较大，洞身位于Ⅱ～Ⅲ级自重湿陷黄土中，围岩级别为Ⅴ级。隧道掘进采用“三台阶七步法”。掘进过程中，在A-A 剖面发生塌方，该隧道第二岔洞塌方区平面图如图1 所示。

图1 隧道第二岔洞塌方区平面图

5.2 塌方基本情况

对该隧道主洞掘进支护到塌方部位时，曾发生过一次小型塌方，塌腔以31 m3混凝土喷实后做了钢拱架加锚喷支护。在对第二岔洞进行上台阶（拱部）开挖支护过程中，拱部、侧墙及前方掌子面发生多次“即挖即塌”的现象，遂采取边开挖边用方木、背板支撑的方法加固，对前方掌子面坍塌较深的部位（向前、向上约2～3 m），采取外径φ48 mm，壁厚3.5 mm 钢管桁架及方木、“背柴”填塞法支护。某日开挖处突然发生较大规模的塌方，作业脚手架被掩埋压坏，未切割的拱顶附近DN108 mm 超前支护管棚全部塌落、挤弯，部分焊接接口断裂。塌方高度约7.55 m，塌腔顶部相对标高12.90 m（即地坪标高-15.000 m，此时以±0.000 m 计），其上山体表面距室内地面高29.31 m，上覆土厚度16.41 m。塌方量约95 m3。

5.3 塌方原因分析

1）地质因素是决定因素。塌方部位正好处于地表较大冲沟的底部，在塌方前有几次大中雨，致使湿陷性黄土受雨水浸润，变得更为松软易塌。

2）主洞施工期间虽塌方量较小，当时采用模喷的方法处理，极易形成顶部的小型空腔（侧洞开挖后得到了证明），经一年多的松弛变形，使山体松动的范围进一步扩大，形成了“即挖即塌、不挖也塌”情况。

5.4 采取的处理措施

5.4.1 塌方洞口封堵

第二岔洞停止开挖，对现有洞口进行封闭。

1）围岩监控测量点埋设及测量频率严格按照要求实施，必要时加强测量频次，及时对测量数据进行整理分析。

2）安装水平导管,在塌方洞口范围水平设置3 排φ48 mm导管加固，长6.0 m，水平间距150 mm，垂直间距800 mm，每排导管下部与初喷I18 工字钢焊接固定。在第一排水平锚管下的工字钢下部再设置一排锚管，间隔300 mm 布置，与工字钢焊接。

3）导管安装后，安装钢骨架（I18 工字钢），钢骨架采用mm 螺纹钢与主洞初衬I18 钢拱架焊接固定，再挂网片（最上层挂双层网片，封闭塌腔洞口；下两层沿工字钢垂直挂网）。钢骨架采用I18 工字钢，网片采用φ8 mm 钢筋。然后喷厚25 cm 的C25 混凝土，预留注浆孔与通气孔，使围岩初步稳定（见图2）。

图2 塌方洞口封堵

5.4.2 塌腔灌注混凝土

1）塌腔采用泵送C25 混凝土进行回填处理，分次泵送混凝土，混凝土的浇筑厚度控制在2 m 以内。

2）灌注混凝土之后，用I18 的工字钢与主洞初衬钢拱架切割部位焊接，恢复初衬拱架。挂双层钢筋网片并喷射混凝土C25 至设计厚度，如图3 所示。

图3 塌腔灌注混凝土

3）弹簧透水软管引出后，被切割的主洞二衬墙体部分及防水部分须根据设计修改图而制订详细实施方案。

5.4.3 塌腔后续处理

采取上述措施后，阻止了塌方的进一步发展，保证了施工的继续进行，但其属于紧急抢险，未能对塌腔进行完全加固。隧道贯通后，侧洞仰拱浇筑完毕，硐室稳定性大幅提高，对塌腔进行后续处理。

1）塌方区影响范围确定

根据岩土工程勘察报告，黄土的内摩擦角φ 取32°。塌腔高度D 为7.5 m，上覆土厚度C 为16.41 m，C/D=2.19，一般认为C/D＞3 时，空硐的坍塌不会影响到地表。因此，可假定塌腔影响区土体破坏模式为朗肯主动破坏模式，将塌腔形状简化为直径为4.337 m，高7.5 m 的圆柱体，则破坏线与水平面的夹角为45°+φ/2=61°，塌腔影响区范围如图4 所示。

图4 隧道塌腔影响范围及处理示意图

2）加固准备

在塌腔影响区外5 m，山顶一侧，打入直径25 mm，长2.5 m 的螺纹钢20 跟，间距1 m，用以固定安全带；距塌腔地表中心点7 m，开挖宽40 cm，深30 cm 的圆形排水沟；以塌腔地表中心点为中心，搭建高5 m，宽5 m，长5 m 的防雨棚。

在山顶一侧，距离塌腔地表中心点1.5 m 和塌腔地表中心点打直径200 mm 的圆孔直达塌腔，圆孔用直径200 mm 的PVC 给水管护壁，管壁与孔壁空隙用细砂填实（见图4）。在以塌腔地表中心点2.0 m 为半径的圆上，间隔60°，分别打孔深为3 m、6 m、9 m、12 m 和15 m，直径为110 mm 的监测孔，监测孔用直径110 mm 的PVC 给水管护壁，管壁与孔壁空隙用细砂填实。

3）加固措施

塌腔注浆浆液中所含水分过高容易造成湿陷性黄土的再次塌陷，因此，采用C25 混凝土填充塌腔。用长杆或者铅垂线测量填充孔深，当填充孔深小于初始孔深即为填满；沉降监测频率为2 次/h，当监测孔深不小于9 m 的沉降值都大于10 mm/d 时，停止施工；用长杆深入填充孔检测填充体硬度，待填充体开始硬化后，用水泥浆将填充孔和沉降监测孔全部堵死，表层孔口用黄土夯实。

5 结语

在隧道施工中，塌方是常见的工程事故，其产生的原因包括设计、施工、地质、测量等，而一旦出现隧道塌方问题，将会造成巨大的损失，需要采取有效的措施进行处理，避免事故影响范围扩大。因此，施工单位应切实做好隧道塌方事故的预防工作，尽可能减少施工中的不良影响，结合实际情况做好现场勘测工作，提高工程施工的技术水平。