复杂地质隧道进洞坍塌处治施工技术

黄正彬

（中交四航局第一工程有限公司 广州 510420）

1 工程概况

某高速公路隧道左线（ZK56+720～ZK57+368）长648 m，隧道右线（K56+745～K57+383）长638 m，设计为分离式小净距隧道，建筑界限15.5 m×5 m，左右线进口洞门采用肖竹式，出口采用端墙式，自然通风；进洞口设计标高268 m，出洞口设计标高254 m；隧道最大埋深约145 m，其中Ⅲ级围岩占25.5%，Ⅳ级围岩占40.9%，Ⅴ级围岩占33.6%，采用进口段单向掘进施工。

隧道右洞进口设计里程K56+745，明暗分界里程为K56+760，边仰坡为两级，防护采用喷锚防护，锚杆采用φ22 砂浆锚杆，长度3.5 m，喷射C25 混凝土厚度为10 cm，挂φ8 mm钢筋网。

2 地形地貌

隧道位于构造剥蚀低山地貌区，区内最高标高在K57+050 处，高程430 m，最低标高在隧道出口，高程255 m，相对高差175 m。隧道走向与山脊走向近于垂直。隧道进口端山坡坡度较缓，自然坡度一般15°～20°；出口端山坡坡度较陡，自然坡度一般25°～35°；隧道洞身坡度起伏较大，坡度一般20°～25°，植被发育及水土保持较好。

3 地质条件

4 现场施工情况

4.1 坍塌前施工情况

项目于2018年5月10日隧道进口开始清表施工，洞顶截水沟及边仰坡已完成施工，于2018年8月20日开始右洞进洞施工。进洞掘进施工，严格按照施工图设计文件及施工规范要求，采用双侧壁导坑法掘进，左导坑已掘进7 m，右导坑已掘进3 m。

4.2 拱顶坍塌情况

2018 年9 月16 日，受“山竹”台风影响停工，项目部对台风过后现场进行安全排查。发现隧道进口右洞出现地表开裂、局部隆起，K56+770 里程洞顶地表塌陷两处，拱顶溜塌如图1所示，坍塌土体被水冲进已开挖导坑内，填充左右导坑。右导坑地下水从洞内流出，水量较大。由左右洞之间截水天沟处往大里程方向延伸出一条地表裂缝，裂缝宽度约10 cm，裂缝与线路中线夹角约30°，延伸长度约40 m。

4.3 监控量测情况

截止2018 年10 月5 日，隧道右线进口K56+760～K56+766 段拱顶沉降累计变化值为-243.1～-96.4 mm（预留沉降量200 mm），周边位移监测点因受台风影响破坏，洞口浅埋段地表下沉累计变化值为-495.8～-19.3 mm，如图2所示。

监测数据分析表明K56+761～K56+766 洞内监测点变化速率未超过报警值，已稳定，累计变化量超过报警值。套拱水平向外横移值19 cm，如图3 所示。监控数据如表1所示。

5 坍塌原因分析

⑴坡面较缓，排水能力较差；

⑵ 隧道覆盖层围岩为粉质粘及全风化泥岩高岭土化，透水性强，遇水液化，失去自稳力及承载能力；

⑶经长期雨水浸泡后，又遇强台风强降雨，在坡面低洼处形成积水，土体中含水量达到一定程度，失去自稳能力而出现流动现象，形成轻微泥石流，是造成本次坍塌的主要原因［1-3］。

6 坍塌处理方案的比选及确定

6.1 方案1：换拱掘进方案

施工思路为隧道明暗交界维持原设计不变，充分利用已经施工的套拱及管棚支撑，使围岩自稳，将已经变形的初期支护拆除，重新施作初期支护［4］。本方案减少对边仰大面积开挖，减少对边仰坡扰动，确保山体自稳，有效规避天气等因素对施工进度的影响，有利于施工安全。

6.2 方案2：明洞掘进方案

施工思路将已变形的原边仰坡全部开挖，开挖后对新的边仰坡进行支护，施工明洞及长管棚，然后对明洞进行回填，最后再开挖掘进［5］。本方案重新征地，将已变形的边仰坡及已施工初期支护全部拆除，规避了换拱存在的安全风险，同时本方案开挖对左洞造成一定影响。

换拱掘进方案和明洞掘进方案的优缺点对比如表2所示。

表2 坍塌处理方案对比Tab.2 Comparison of Collapse Treatment Schemes

经过方案比选，对于初支变形的采用换拱方案，结合多次现场查看，并召开施工方案专家评审会，会上通过了专家论证。

7 坍塌处理方案

坍塌处治方案包含洞顶地表截水、洞顶土体加固、塌腔处理和洞内换拱4个部分。

7.1 截水天沟施工

原来已经施工完成的截水天沟不变，在原截水沟5 m 以外重新开挖一条新的截水沟，坡度不小于3%，开挖时采用人工配合机械开挖遇石质时辅以弱爆破，截水沟采用C25 混凝土砌筑施工，每隔10～15 m 设置一道沉降缝，截水沟与原设计天沟顺接。施工中尽量避免施工对边仰坡范围以外植被的破坏。

7.2 自然坡面地表注浆

新旧截水沟之间自然坡面，为避免重新征地，保留原有植被，地表采用施钻钢花管注浆加固，钢花管长度4.0～4.5 m，间距1.2 m×1.2 m 梅花型布置，钢花管保持与地面垂直，靠近裂缝处与裂缝垂直，注浆压力2～3 MPa，两次注浆，确保注浆效果达到预期目标。

7.3 边仰坡注浆加固处理

原套拱至旧截水沟之间仰坡受坍塌影响，局部围岩受扰动，采用施钻钢花管注浆加固处理，钢花管长度仰坡部分按6.0 m，边坡部分4.0～4.5 m，间距1.2 m×1.2 m 梅花型布置，局部受地形条件制约间距可适当调整，注浆压力1～2 MPa 分两次注浆，确保效果达到预期作用。

边仰坡加固处理时，对周边裂缝进行封闭。确保地表水不沿裂缝流进土体，确保整个边坡稳定。塌陷区截水沟及注浆加固图如图4所示。

7.4 回填坍塌腔体

组织地表注浆施工同时，组织对坍塌腔体进行处理，首先将坍塌体表面松散土体清除，在脱空的长管棚上浇筑一层厚20 cm钢筋网片混凝土，防止土体掉进洞内；其次对坍塌腔体边坡用C25 喷射混凝土封闭边坡，用C15 混凝土回填坍塌腔体。

7.5 换拱施工

⑴先将已经开挖成型的左右导坑回填至上台阶；

⑵然后将中导坑开挖；

⑶拆除已经侵限的左导坑初期支护拱架及喷射混凝土：①目前左导坑已掘进7 m，测量显示大部分已经侵限，需要进行左导坑换拱；②每次只能换一榀钢拱架，凿除主要以人工配合风镐开挖为主［6］，尽量减少对围岩的扰动；③先用风镐破除钢拱架背后的岩土，凿除后用氧气乙炔割除钢拱架；④切割前用顶撑顶住被切割段的型钢，先割纵向连接筋，再割与拱架焊接的锚管等；⑤用锤头先轻敲震动钢拱架，使拱架松动，由工人配合拖住钢拱架，用撬棍从一端到另一端逐步撬动，直至钢拱架顺利拆除。

⑷在钢拱架拆除完后，人工进行欠挖处理，对于局部残留的混凝土采用风镐破除。锚杆超前支护等钢结构采用电气焊切除［7］，直至轮廓满足施工和设计要求，并预留沉降量；

⑸重新挂设钢筋网、安装新的钢拱架；且每榀换拱设锁脚锚管2根，锁腰锚管2根，间距为80 cm；锁脚锚管距地面20～30 cm，设有自由向下倾斜角度；

⑹每批换拱拱脚处，适当加大［8］，采用混凝土填充密实；

⑺喷射混凝土支护。

7.6 监控量测

完成换拱施工后，对隧道右线进口56+760～K56+770段进行了监测，通过一周的监测，拱顶沉降累计变化值为（-49.1）～9.9 mm，周边位移累计变化值为（-3.5）～1.5 mm，洞口浅埋段地表下沉累计变化值为（-58.8）～（-6.2）mm。洞口浅埋段地表下沉速率为（-0.17）～0.04 mm/d，通过对监测数据及巡视结果分析（见图5～图6），隧道及附近围岩处于稳定状态。

8 结论

⑴本文主要浅析了隧道坍塌的处理方案，造成隧道坍塌的原因主要有：坡面较缓，排水能力较差；隧道覆盖层围岩为粉质粘及全风化泥岩高岭土化，透水性强，遇水液化，失去自稳力及承载能力；经长期雨水浸泡后，又遇强台风强降雨，在坡面低洼处形成积水，土体中含水量达到一定程度，失去自稳能力而出现流动现象，形成轻微泥石流［9］。

⑵结合工程施工情况分析遇到的问题，并对采取的方案对比后进行数值模拟分析，一方面通过对进洞施工时遇到的恶劣天气及环境导致的坍塌机理进行综合管控，另一方面提出的明洞掘进方案和换拱掘进方案进行综合比对，对于初支变形的采用换拱方案，施工更具有连贯性，且不须重新征地。

⑶对处治后的隧道坍方情况进行数值模拟和现场实地测量跟踪，发现各项力学指标和物理指标、以及指标的变化率均在预测范围内，数据可控且安全可靠［10］，表明经过处治后的进洞坍塌现象得到根治。

本文通过详细的分析和论证，对于隧道塌方的处理施工工法和施工手段，进行了阐述和介绍，在施工过程中应做到“弱爆破、短进尺、强支护、早衬砌、快封闭、勤测量”等原则稳步前进［11］，确保隧道施工安全，对于隧道塌方的处理问题，类似的隧道施工企业、掘进施工企业可参考该实施方案，故本文的测算、跟踪和处治方式具有一定的参考意义和价值。