高速公路隧道塌方处置措施及塌方段施工技术

孙权

（河北雄安京翼质量检测服务有限公司，河北 保定 071700）

1 工程概况

某高速公路隧道右洞进口端K118+195—K118+230段原设计地质条件为：围岩拱顶及底板岩体为强～中风化粉砂质泥岩，左右边墙岩体为强～中风化粉砂质泥岩，岩质极软，裂隙较发育，岩体完整性较差，地下水出水状态为点滴状～淋雨状，围岩级别为Ⅴ级。衬砌类型为浅型衬砌，超前支护为直径42mm 注浆小导管，初期支护为I18@60cm，喷24cm 厚的C20 混凝土，二衬采用50cm 钢筋混凝土。隧道开挖由大桩号向小桩号掘进，右洞于2020 年1 月实现掌子面上台阶开挖贯通。春节后复工，监测数据显示右洞K118+195—K118+230 段发生侵限，最大侵限值达44cm。2020 年3月9日，在未施作临时钢架及周边注浆的情况下进行拆除换拱作业时，K118+230 处拱顶左侧发生塌方冒顶，形成洞内2m、地表5m的漏斗形坍塌孔。

2 塌方原因

根据现场施工情况以及初期支护变形状况分析，造成塌方的主要原因如下。

（1）地质原因

塌方段落处于倒转向斜核部，物探地阻异常区，为硅质岩夹页岩，岩层较薄，岩体破碎，地质探测表明附近存在溶洞和断层，推测坍塌体存在挤压后松散碎石破碎带，碎石粒径为0.2～2.0cm，无黏结性，自稳性差，易坍塌。

（2）地下水作用

由于该隧道位于较长的向斜核部破碎带，岩体节理裂隙发育，地表水系丰富，富水随岩体裂隙入渗破碎带，加上排水不及时，导致掌子面失稳塌方。

（3）勘察设计问题

设计的开挖方法、支护方式不满足实际要求，比如：按Ⅳ级围岩进行设计，但实际施工揭露后发现是Ⅴ级。由于不同围岩对应的支护类型不同，错误的支护方式导致出现多次支护变更施工。

（4）施工原因

施工管理水平和工人操作水平有限，缺乏施工经验，没有严格按图施工。对于塌方段的开挖按照设计应该是环形开挖预留核心土，而实际施工中，盲目追求开挖进度，没有及时采取初期支护措施等。现场调查发现，隧道开挖段地质揭示情况与原勘察报告基本一致。隧道开挖至浅埋段（洞顶岩土厚度约为10～12.5m），岩性主要为粉质黏土及强风化粉砂质泥岩，力学指标较差，易产生变形；变形段地层可能存在贯通至地表的裂隙，地表水（稻田及小池塘的水）下渗（洞内出现较明显的渗水现象），造成岩土体饱水，改变了岩土体的物理力学性质，使洞顶围岩体的自稳能力下降，加上地下水的渗水压力，从而使洞顶支撑出现变形沉陷。因春节假期影响，隧道初期支护长时间单独受力，初期支护未封闭成环，且未及时监测反馈，使得洞内变形失控，演变成塌方冒顶。

3 塌方处置措施

2020 年3 月，工程参建各方到隧道右洞现场察看，开挖揭示地质条件与原勘察报告基本一致。要求施工单位暂停掘进，喷混凝土封闭塌落的洞渣，施作临时钢拱架，实时监测地表及洞内变形情况。采取的应急处置措施主要如下。

3.1 安全管制

对地表及洞内塌陷等危险区域进行管制，在塌陷危险区域设置醒目的危险提示标识标牌，并且安排专人值守。

3.2 封闭坍渣面

编织袋装弃碴码砌坍渣脚，铺设钢筋网，并喷C20混凝土封闭坍渣面。因左右洞间距较小，停止左洞掘进，抓紧施作对应右洞段的二衬、仰拱。

3.3 梳理地表排水

在地表塌陷区周边施作截水沟，采用防水板或塑料布覆盖穴口，防止地表水由空腔进入隧道。

3.4 加固相邻巷道

K118+190—K118+235 段初期支护内表面架设I18环形临时钢架，沿隧道轴线60cm 间距布置，两榀钢架间采用直径22mm 的纵向连接钢筋按环向间距1m 连接，每榀钢架设4根长3m、直径42mm的注浆小导管锁脚。

3.5 回填坍穴

支模板封堵坍塌口，模板置于初期支护钢架上方，并在塌腔口K118+230 采用三榀初期支护钢架作为模板支撑，从地表灌入2m 高的C20 混凝土回填坍穴。待该段二衬施作完成后再继续回填土石，注意分层浇筑，避免一次加载过大。

3.6 加强监控

加强地表及洞内沉降变形监测，及时反馈相关数据。为了及时掌握施工塌方段围岩和初期支护变形收敛程度，确保洞内开挖安全及施工安全，必须进行监控量测。在塌方体附近ZK146+925桩号位置布置3个周边位移测点，按照1 次/d 的频率对测点拱顶下沉位移进行监测，采用隧道收敛计进行测量，连续监测7d。统计后发现，最大收敛速率为0.30mm/d，累计收敛7.08mm。检验结果表明：ZK146+925 断面水平收敛位移逐渐趋于稳定，说明在支护结构的作用下，围岩应力逐渐释放，变形无较大变化，收敛逐渐趋于稳定。但是由于支护结构为柔性结构，位移仍然在发展，因此后期仍然要继续监测；ZK146+925 断面处在Ⅴ级围岩，位移小于极限值的1/3，因此采取Ⅲ级管理。

3.7 制定结构修复方案

完成上述抢险措施并待塌方情况基本稳定后，结合监控量测、地质预报结果进一步研究制定结构修复方案。

4 塌方段施工技术

4.1 侵限及冒顶处治

2020 年3 月23 日，经现场勘察，应急处置已基本完成。目前空腔壁稳定，洞内塌腔口已封闭。侵限及冒顶处治方案如下：

（1）围岩加固

对K118+195—K118+230 段周边围岩进行注浆加固。采用直径42mm 的注浆小导管（兼做系统锚杆），长4.5m，环向间距1.2m，纵向间距60cm。全孔注纯水泥浆，水灰比及注浆压力根据现场试验确定，参考水灰比为0.6∶1～1∶1，参考注浆压力为0.5～1.0MPa。

（2）侵限换拱

注浆固结后，逐榀拆除临时钢架及初支侵限钢架并扩挖（K118+230 空腔部位在应急处置中已扩挖并埋设三榀初期支护），替换新钢架，并复喷至设计位置。

（3）初期支护

K118+195—K118+230 段初期支护采用I18@50cm工字钢架全环布置，喷24cm 厚的C20 混凝土，预留变形量为15 cm。

（4）二次衬砌

K118+195—K118++235 段拱墙及仰拱衬砌加强采用60cm 钢筋混凝土（K118+230—K118+235 段未侵限，原设计已预留12cm 变形量，满足衬砌结构加强的尺寸要求）。

（5）回填

施作完成K118+195—K118+235 段换拱及二衬浇筑后，于空腔内分次回填土石（应急处置中已先行回填2m厚的C20混凝土），回填至与地表齐平。地表最上层采用50cm厚的黏土覆盖，回填过程中应避免一次加载过大。

4.2 坍塌段施工

为了保证塌方段处理时的安全，处理塌方前，从距掌子面20m处由内向外施作仰拱，采用复合式衬砌结构，拱架间距调整至0.5m，二衬跳槽至该段完成一模二衬后，进行塌方处理。根据开挖情况确定是否预留直径127mm 的吹砂管。如果塌腔底部堆积的洞渣不足2m，预留吹砂管，后期吹砂至初支以上2m，形成缓冲层。

4.2.1 双层超前小导管预加固

从距掌子面20m处开始进行小导管预注浆。首先用全站仪在隧道上测量放线，做好标记，确定小导管中心线和间距，采用手持式钻机钻孔，孔眼深度应略大于导管长度，导管外插角按10°和30°交错布置，分为两排，第一排外插角为10°，小导管长度为4.5m。小导管采用直径为42mm 的无缝钢管，壁厚3.5mm，在隧道上呈梅花形布置，沿隧道纵向间距2.4m，环向间距40cm，两排小导管搭接长度不小于1m，超前小导管尾部与钢拱架焊接在一起，以增强稳定性。

4.2.2 三台阶临时仰拱开挖、衬砌支护

坍塌体部位采用台阶开挖法，人工辅助机械开挖塌方体，做好现场技术交底，严格按照要求科学组织施工，确保施工安全和质量。

4.2.3 塌腔处理

塌腔段初支处预留2根直径127mm的粉煤灰泵送管兼检查管，待塌腔段初支施工完成并达到强度后，吹粉煤灰（厚度控制在1.5～2m）作为缓冲层。

4.3 施工注意事项

左洞于年前发生侵限，在左洞（先行洞）处治方案中已强调左右洞掌子面间距宜控制在50m 以上且隧道贯通面宜设置于洞内围岩条件较好处，但现场未照此实施，右洞（后行洞）直接出洞，春节后发生侵限。为避免此类事故再次发生，施工过程中必须严格执行设计文件的要求；右洞二衬施作完成后左洞才能开挖掘进；鉴于右洞出洞侵限，要求左洞贯通须选在洞内围岩条件较好处贯通，不宜直接出洞；加强施工安全保障措施，强化工作人员安全操作意识，确保侵限段安全顺利处置完成；加强洞内外监控量测，动态掌握变形情况，并及时向相关单位反馈信息；塌方处置工作应以安全第一、质量可靠为原则，切忌冒险、抢抓工程进度；处理措施宁强勿弱，留足安全系数；施工过程中应小心谨慎，用材用料扎实到位；严格遵循二衬紧跟掌子面的原则，切忌初期支护长时间单独受力。

5 结论

对该隧道塌方采取了应急处置措施后，采取合理的施工技术进行塌方段施工，有效保障了项目的后续推进，总结得出以下经验。

（1）本项目隧道塌方是多方面原因造成的，主要可以概括为地质因素、地下水作用、勘察设计中的人为影响和施工因素。大多数隧道塌方是可以避免的。对于前方不良地质情况，如涌水、断层等，施工中应予以高度重视，通过采用合理的开挖方式，及时支护，做好预案，通过超前地质预报等手段，一旦发现地质及水文条件发生变化，要高度重视，严格对照设计图纸及施工规范要求，采取应对措施。对于因假期影响而停工等情况，应及时封闭掌子面，必要时采取增设临时护拱等方式，加强结构支护，并做到实时监测，对围岩自稳能力不能过于高估。

（2）对于高速公路山岭隧道塌方的治理，要遵循“管超前、短开挖、弱爆破、严注浆、强支护、快封闭、勤量测”的七大原则，采用超前双层小导管注浆与钢拱架支撑的治理方案，可有效处理隧道顶板塌方，减少隧道施工的安全隐患。

（3）要重视和加强隧道的地质预报及监控量测工作，重点加强洞顶地表裂缝及塌陷变形观测，工程地质及初期支护状态的观察，地表下沉量测，水平净空收敛量测，拱顶下沉量测，锚杆抗拔力等指标的测量；出现裂缝及时采用黏土封闭，塌方及影响段加密量测断面、测点布设并提高量测频率；加强与左洞塌方及影响段相对应的右洞二衬段变形、裂缝的监测，出现异常及时反馈。