山区隧洞掌子面塌方处理方法研究

李守华，袁玉林，吴学智

(1.中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都 6102131；2.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 611130)

0 前 言

中国正处于基建高速发展期，很多水电、公路、铁路工程项目均涉及山区隧洞施工，施工过程中经常会发生隧洞塌方事故。隧洞塌方处理属于危险性极大工程，处理方法不当会给工程建设安全、质量、工期、造价带来极大的损失。

有专家学者[1-4]针对某处隧洞的塌方原因、塌方处理技术进行了研究，但没有对各种类型的塌方进行系统地总结分类。针对目前的研究现状及存在的问题，文章只对掌子面大塌方处理方法总结研究，其他塌方形式另行研究。

1 塌方分类

根据工程经验及相关规定[5]，从隧洞塌方位置、塌方规模、塌腔稳定情况3个方面对隧洞塌方进行简单的探索性分类(见图1)。

图1 隧洞塌方分类

根据塌方位置分，可分为:洞内塌方和洞口塌方。洞内塌方分为:掌子面塌方(塌方部位靠近隧洞掌子面，或距掌子面10 m范围内塌方)和关门式塌方(塌方部位距掌子面最近距离大于10 m)。洞口塌方分为:洞口及仰坡滑塌、仰坡内(浅埋段)塌方冒顶、洞内局部塌方。

根据塌方大小分为:小塌方(塌方高度<3 m，或塌方体积<30 m3)；中塌方(塌方高度3～6 m，或塌方体积30～100 m3)；大塌方(塌方高度>6 m，或塌方体积>100 m3)。

根据塌腔稳定情况分为2种:收敛型塌方和不收敛型塌方。

2 掌子面大塌方处理方法

根据隧道大塌方后塌腔稳定情况，掌子面塌方可分为收敛型塌方和不收敛型塌方。经验总结定义:塌方3 d后，在不扰动的情况下，塌腔不再掉块及塌方，视为收敛型塌方；塌方3 d后，塌腔继续间歇性掉块或塌方，视为不收敛型塌方。

隧洞塌方处理应坚持“安全第一”的原则，根据现场实际情况，对2类塌方处理方法逐一总结研究。

2.1 不收敛型塌方处理方法

不收敛型塌方一般采取如下处理方法。不收敛型塌方处理横、纵断面示意见图2～3。

图2 不收敛型塌方处理横断面示意

2.1.1 应急处理

当隧洞出现塌方后，应该立即启动应急预案，及时采用洞渣回填反压塌方段及隧洞掌子面的关键部位，以约束隧洞过大变形及塌方。

如果不及时约束隧洞塌方，或采取的措施不当，则会使隧洞塌方扩大。因此，在确保安全的前提条件下，及时利用洞渣快速反压塌方段隧洞下部，封堵隧洞塌方口。从回填拱顶外缘向下放坡反压塌方影响区域，坡比不宜陡于45°，达到快速约束隧洞变形，阻止塌方范围继续扩大，并为后续加固处治工作提供安全保障和作业平台的目的。

图3 不收敛型塌方处理纵断面示意

2.1.2 加固塌方影响段

洞渣反压应急处理工作完成后，隧洞塌方段处理前，先排查紧邻塌方体附近隧洞变形情况及潜在的安全隐患，然后根据需要在塌方影响段既有初期支护上增设临时钢拱架支护，并对紧临塌方段的塌方影响段进行加固。

塌方影响段范围及加固方法:首先，在离塌口5～20 m塌方影响区段，根据实际需要按照纵向80～100 cm间距，在现有初期支护的基础上增设临时钢拱架支护，设钢架锁脚锚杆和纵向连接钢筋。其次，紧邻塌方区0～5 m段范围内，设置纵向间距为50～80 cm的钢拱架作临时支撑，然后采用注浆小导管或自进式中空注浆锚杆对紧邻塌方区隧洞影响段进行注浆加固。若初期支护背后与岩面之间存在空腔，空腔部位可采用混凝土回填。对隧洞开挖轮廓线外的2～3 m的松弛破碎围岩进行注浆固结加固，在隧道开挖轮廓线外形成一个连续的受力拱圈。

塌方影响段的临时支护及注浆回填等工作应按照 “由远及近”的原则稳步推进，即:从远离塌方段的安全区域向紧邻塌方段的危险区域推进。

2.1.3 塌方段处理

塌方段一般参照Ⅴ级围岩衬砌类型，结合现场实际情况，局部调整衬砌类型支护参数。根据实际需要试验确定隧洞开挖预留变形量，一般取预留变形量15～20 cm。

完成隧洞塌方影响段加固工作后，进入隧洞塌方段的处理工作。隧洞塌方处理前，先对塌方情况进行全面调查，应调查隧洞塌方纵向长度、隧洞塌方横向宽度、大概轮廓线、塌高、塌腔稳定情况、塌渣块体大小、塌渣软硬程度、塌渣孔隙率、地下水情况、塌渣厚度、塌方段埋深及上部是否存在建筑物、塌方冒顶后对隧洞及周边的危害程度等。塌渣堆满掌子面，隧洞开挖轮廓线拱顶外存在不少于200 cm厚度的塌渣体后，便可采用以下方案依次施工。

(1)施工超前支护。采用单根长为3～5 m的小角度和大角度注浆小导管(或自进式中空注浆锚杆)注浆加固塌渣体。

(2)施工大角度注浆小导管(注浆锚杆)。对隧洞塌方段开挖轮廓线外一定范围内的塌渣进行固结注浆，注浆后，在隧洞开挖轮廓线外形成不小于200 cm厚度的连续固结加固拱圈。

(3)隧洞开挖。根据注浆加固效果、钢拱架支护纵向间距、钢架接头位置选择单循环开挖进尺及开挖断面大小。每循环开挖进尺不超过100 cm，每次开挖高度不超过200 cm，采用中间预留核心土，环形分部开挖。

(4)安装钢拱架。按照设计支护参数安装钢拱架，施工钢拱架间纵向连接钢筋、锁脚锚杆(或注浆锁脚小导管)。

(5)锚喷支护。按照设计支护参数，依次铺设钢筋网，施工水泥砂浆锚杆等系统支护，并喷混凝土支护。

按照以上步骤，依次循环，完成塌方段隧洞初期支护及开挖工作。

(6)钻排水孔。完成隧洞塌方初期支护工作，二次混凝土衬砌前，在隧洞拱部塌方区域径向布设排水孔，打开塌方加固区外可能存在裂隙水的排水通道，并接排水管，引排水至隧洞两侧边沟。

(7)铺设防水板及排水管。按照设计支护参数铺设隧洞排水盲管及防水板。

2.1.4 二次衬砌

按照Ⅴ级围岩衬砌类型施工二次衬砌，并根据隧洞初期支护的强弱及洞径大小提高二次衬砌混凝土标号或加强配筋，尽早施工塌方段二次钢筋混凝土衬砌。

2.2 收敛型塌方处理方法

收敛型塌方一般采取如下处理方法。收敛型塌方处理横、纵断面示意见图4～5。

图4 收敛型塌方处理横断面示意

图5 收敛型塌方处理纵断面示意

2.2.1 施工塌方处理作业平台

隧洞塌腔收敛(不再掉块或塌方)后，利用现有塌渣，采用挖机整平塌渣，反压隧洞两侧边墙及隧洞掌子面底部，从洞外回采细石洞渣回填塌渣上部并整平，形成塌方处理施工作业平台，便于后续塌方处理施工。

2.2.2 加固塌方影响段

隧洞塌方影响段分为已开挖塌方影响段及未开挖塌方影响段。

已经开挖、紧邻塌腔边缘、受塌方体影响、潜在可能塌方的隧洞段为已开挖塌方影响段；未开挖、掌子面可能出现滑塌的段落为未开挖塌方影响段。根据现场实际情况确定塌方影响段长度及加固方案。

已开挖塌方影响段的加固方法:在紧邻塌方区0～5 m内，根据现场实际需要，按照纵向50～100 cm间距，沿隧洞开挖轮廓线或现有初期支护面安装钢拱架临时支护。沿钢架内外侧，按照环向100 cm间距交错布置Ф22纵向连接钢筋。采用Ф22，L=4.0 m水泥砂浆锁脚锚杆固定钢架，每榀钢架设置6根锁脚锚杆。锁脚锚杆端部钢筋弯成5～8 cm长的直弯钩，直弯钩紧扣钢架内侧翼缘面，弯钩钢筋与钢架间焊接连接牢固。钢架与隧洞开挖轮廓面及隧洞初期支护之间间隙采用喷水泥砂浆或混泥土回填密实。

未开挖塌方影响段的加固方法:在施工作业平台上紧靠隧洞掌子面，根据需要，采用大块石堆填反压掌子面底部一定范围，防止掌子面失稳滑塌。反压块石范围及高度以不侵占后续隧洞塌方处理台架位置，达到稳定掌子面的目的为宜。

隧洞塌方处理完毕后需拆除侵占隧洞限界部分的支护设施。

2.2.3 喷锚支护塌腔

根据实际需要确定塌腔喷锚支护参数。一般对张开裂隙、围岩破碎、结构面及节理面相交处喷C20封闭岩面，并根据需要设锚杆，挂网，喷混凝土支护，平均厚度6～15 cm 。

2.2.4 塌方段钢架及模板工程

按照以下施工顺序和施工方法进行塌方段钢架及模板工程施工。

(1)施工支模钢架底部混凝土基础。在隧洞塌方处理作业平台上、紧靠隧洞两侧边墙、准备施工钢架的底部，设置2条纵向C20混凝土条形基础(宽度50 cm，高度20 cm)，基础长度与隧洞塌方纵向长度匹配，并根据实际需要加长。

(2)施工塌方下部支模临时钢架。为了回填塌腔混凝土，必须在塌腔下部支模板，并施工支模钢架。支模钢架底部落在C20混凝土条形基础上，紧贴现有隧洞开挖轮廓面或支护面，钢架纵向间距50 cm。每榀钢架设置6根Ф22，L=4.0 m水泥砂浆锁脚锚杆固定钢架，锚杆端部钢筋弯成5～8 cm长度的直弯钩，直弯钩紧扣钢架内侧翼缘面，弯钩钢筋与钢架间焊接连接牢固。在钢架内侧(远离塌腔侧)，按照环向50 cm间距设Ф22纵向连接钢筋，钢筋与钢架焊接牢固。

(3)支模。在钢架外侧(靠近塌腔侧)的塌腔范围内，利用钢架作为依托，从下向上，两侧对称铺设钢模板。根据现场情况选择钢模板型号，钢模板正面(模板面)紧靠钢架外侧，模板与钢架间点焊连接固定，模板间采用模板卡扣连接固定。混凝土浇筑完后，模板不拆除，钢模板作为永久支护工程的一部分。

(4)制作多功能人孔。在塌方段中部的隧洞拱顶位置预留一个横截面为正方形的人孔(兼排气孔及排水孔)，边长80 cm，垂直布置，人孔高度根据隧洞拱顶设计泵送混凝土厚度确定，人孔底部与钢架及模板焊接固定。人孔制作成长60 cm，宽40 cm的小块钢模板，通过钢模板组装及拼接成人孔。首先，采用8块钢模板制作成高度为60 cm的方形人孔节，根据泵送混凝土进度，逐层向上拼接人孔节(每泵送一层混凝土后安装上层人孔段，逐层安装人孔模板直至设计塌方隧洞回填混凝土顶面)。人孔模板光面靠混凝土，在人孔内侧，选择一侧在模板侧面焊接Ф12螺纹钢筋“U”形爬梯。模板间采用模板卡扣连接牢固。多功能人孔为泵送混凝土管的安装通道，也是施工人员进入塌腔内施工混凝土溜槽、振捣混凝土的施工通道，兼做施工期间施工用电及照明布线、通风换气和后期塌腔排水的重要通道，不封堵，二次衬砌后留于衬砌背后即可。

(5)回填塌腔混凝土。采用C20混凝土回填隧洞塌腔。隧洞拱顶以下塌腔满填，隧洞拱顶以上塌腔不满填。应根据实际工程地质条件、塌方范围大小、塌腔形状及隧洞跨度等综合条件，确定隧洞拱部塌腔回填混凝土厚度，一般填厚50～200 cm。施工方法为从下向上，从无水处到有水处，两侧对称，分层、分次泵送混凝土回填隧洞拱顶以下部分混凝土；分层回填拱顶以上混凝土，每层厚度60 cm。下层混凝土强度不低于10 MPa，后进行上层混凝土回填施工。

(6)施工塌方周界锚杆。塌腔回填混凝土强度达到设计强度70%后，不拆除钢架，在回填混凝土拱壳下部，施工回填混凝土与塌腔岩面接触范围内的水泥砂浆锚杆。锚杆排数不少于2排，锚杆纵向间距100 cm，排距为50～100 cm，梅花形布置。锚杆型号为:Ф25，L=400～600 cm/根水泥砂浆锚杆。锚杆设置方向从塌腔下部隧洞中心向外、向上大角度设置锚杆，锚杆穿过回填混凝土进入完好岩石，锚杆锚入岩石长度不少于100 cm，锚杆外露端部采用锚垫板锚固，并用水泥浆封闭锚垫板及锚杆外露端部。

(7)拆除影响段加固钢架。若影响段加固钢架侵占隧洞限界，完成上述工序后，拆除侵限钢架，挖除塌方施工处理作业平台。

2.2.5 后续施工

完成以上塌方处理工作后，按照原设计参数施工隧洞排水管、防水板，施工二次衬砌混凝土。

3 结 论

(1)隧洞塌方主要发生在隧洞掌子面附近，文章根据塌腔稳定情况对隧道掌子面塌方分为“收敛型塌方”和“不收敛型塌方”，并按照确保安全施工的原则，规定了施工先后顺序，并提供了部分支护参数。但岩土工程具有各向异性，加之隧洞跨度大小、使用功能、隧洞塌方情况等边界条件各不相同，在实际应用中，应结合现场实际情况制定切实可行的塌方处理方案及施工方法。

(2)在施工过程中，必须按照要求做好洞内变形观察工作及监控量测工作，指导动态设计及安全施工。

(3)根据实际围岩情况及塌方处理参数试验，确定塌方段预留变形量，预防隧道变形侵限问题。

(4)隧洞塌方处理的基本原理是充分认识并利用围岩的自承能力，或适当改造围岩后，利用改造的围岩及支护形成有一定厚度的连续拱圈承载体系，形成“隧洞拱效应”，达到处理各种隧洞塌方的目的。