隧道浅埋段冒顶应急处治技术研究

张羽 孙合朋 李强

中交路桥南方工程有限公司 北京 100000

在山岭重丘区隧道施工时，时常会遇到浅埋段，易出现冒顶病害。如何提升冒顶病害处治施工效率、降低病害处治难度、改善处治结构的整体性一直是工程技术研究的重点[1-3]。

依托工程由于地质原因洞内施工多次出现塌方，初期支护侵限等问题，先后采用双侧壁、三台阶+临时钢架等施工工艺，仍无法有效控制洞内外塌方及沉降过大等问题[4-7]，现场施工存在以下难题：

（1）在雨季期间，因雨水灌入山体，导致山体自重加大，洞内中中隔墙及初期支护开裂，侵限。

图2 初期支护开裂

（2）先行导坑右上导围岩情况好转，需进行爆破开挖，其他导坑仍处于软弱围岩段，未封闭成环，爆破施工时对其影响较大，导致沉降速率加大。

历经多次冒顶、坍塌后，山体已成松散、破碎状态，山体完整性遭到破坏。出口端洞顶出现大大小小可见裂缝100余条，其中隐藏在草丛无法探查裂缝遍布山体，伴随塌坑附近产生的纵向裂缝，裂缝宽度平均达到6cm，裂缝走向多数与隧道行进方向近乎平行。

图3 山体裂缝

图4 洞顶塌坑

1 工程技术难题

1.1 隧道浅埋段土体自稳性差

依托工程拱顶上覆土层厚度不足隧道拱圈直径的1倍，且存在一定厚度的松散填充体，存在积水现象。隧道开挖施工时，需采用适宜的技术措施对浅埋段土体进行固化，增强土体结构的整体性。

1.2 冒顶塌方段内部支撑增强

冒顶塌方段的稳定性受支撑结构体系、混凝土配合比、现场施工措施、现场施工时间等因素影响显著[8-9]。同时，内部支撑结构体的稳定性与支撑施工时间关系紧密，亟需提升支撑结构体系布设的效率，避免塌方区域不断扩大。

1.3 冒顶塌方段临时稳固

在进行冒顶塌方病害处治施工时，亟需采取适宜的工程措施，并将装配式反压结构应用于现场施工过程中，在提升施工安全性的同时，提高塌方处治施工的效率，降低施工的难度，保护施工环境。

2 隧道内塌方土体装配式补强稳定结构设计及特点分析

2.1 改善设计

基于依托工程实际情况和现状研究成果，结合依托工程隧道冒顶塌方区域的病害处理和结构增强的技术难题，研发了隧道内塌方土体装配式补强稳定结构。

图5 隧道内塌方装配式补强稳定结构示意图

借助堆积体加筋管向冒顶堆积体内压浆，形成堆积注浆体；同时，在冒顶堆积体靠近待开挖土体侧设置了吹填支撑体，另一侧设置了撑压块体和填缝囊袋，并在填缝囊袋内压灌囊袋注浆体；一侧设置了吹填支撑体。

自隧道开挖面向冒顶松散体内引孔插设支撑导管，并通过外部压浆设备向支撑导管压浆，形成管周注浆体。

在冒顶松散体与冒顶堆积体之间的空隙引孔插设劲性撑管和管间支撑板，并通过锚固连接筋将劲性撑管与洞顶土体连接牢固。

在冒顶松散体的顶部换填轻质填充体和顶部封盖层，并在顶部封盖层的两侧预设排水沟槽；在冒顶松散体顶面向下引孔插设加筋撑桩。

2.2 特点分析

（1）隧道内塌方土体装配式补强稳定结构在冒顶堆积体内设置了堆积体加筋管和堆积注浆体，提升了冒顶堆积体的整体性和稳定性，并可实现了冒顶堆积体上部冒顶松散体的竖向支撑。

（2）隧道内塌方土体装配式补强稳定结构将装配式工程结构引入现场施工过程中，可借助撑压块体、填缝囊袋和吹填支撑体对冒顶堆积体提供侧向支撑，避免了冒顶堆积体的进一步变形。

（3）隧道内塌方土体装配式补强稳定结构在洞顶土体及冒顶松散体内部设置了支撑导管和管周注浆体、下部设置了劲性撑管和管间支撑板，顶部设置了轻质填充体，改善了冒顶松散体的受力性能，实现了冒顶堆积体的多角度稳固。

3 隧道内部冒顶塌方处治施工技术

3.1 隧道内部冒顶塌方处治施工技术要点

隧道内部冒顶塌方处治施工流程图如下：

图6 隧道内部冒顶塌方处治施工工艺流程

1）施工准备：勘测确定冒顶松散体和冒顶堆积体的土性参数，引孔排除冒顶区域的地下水，制备施工所需的材料和装置；

2）冒顶堆积体加筋注浆：先采用静压方式向冒顶堆积体内插设堆积体加筋管，再向堆积体加筋管压浆，在冒顶堆积体内形成堆积注浆体；

3）冒顶堆积体双侧支挡：在冒顶堆积体背离开挖掌子面侧设置撑架底板和撑架立板，并在撑架底板上堆砌撑压块体，在撑架立板面向冒顶堆积体侧设置填缝囊袋，向填缝囊袋内压浆形成注浆支撑体；在撑压块体的顶部设置撑压控位体；通过囊袋压浆管向填缝囊袋内压注囊袋注浆体；通过吹填横管向冒顶堆积体与待开挖土体的间隙填充吹填支撑体；

4）支撑管棚布设：在隧道内部冒顶塌方段设置大管棚套拱；大管棚套拱采用规格为I22b工字钢制作管棚套拱架。在管棚套拱架的工字钢上预设φ120的导管穿设孔，大管棚套拱的倾斜角度为5°；先在管棚套拱架上焊接φ120钢管做为管棚套管，并再喷射30cm厚的C25混凝土层；钢拱架安装结束后，进行锁脚注浆小导管安装，并向注浆小导管注浆固化；

图7 组合支撑管棚布设结构示意图

5）沉降观测体系布设：自冒顶松散体的顶面向下引孔插设测量套筒及测量内杆，并使测量内杆的底端插入冒顶松散体内；在洞顶土体外侧的稳定土体上设置测量撑墩，并在使测量撑墩的顶端的测量顶板与测量内杆顶端的内杆连板之间设置位移传感器；

6）冒顶松散体稳固：自隧道开挖面向冒顶松散体内引孔插设支撑导管，并通过外部压浆设备向支撑导管压浆，形成管周注浆体；在冒顶松散体与冒顶堆积体之间的空隙引孔插设劲性撑管和管间支撑板，并通过锚固连接筋将劲性撑管与洞顶土体连接牢固；

7）冒顶松散体顶部稳定：在冒顶松散体的顶部换填轻质填充体和顶部封盖层，并在顶部封盖层的两侧预设排水沟槽；在冒顶松散体顶面向下引孔插设加筋撑桩。

8）冒顶堆积体清除：待冒顶松散体和冒顶堆积体稳定后，先解除部分撑压块体和囊袋注浆体对冒顶堆积体的约束，再采用挖掘设备将冒顶堆积体清除，并同步监测上部冒顶松散体的变形。

3.2 隧道内部冒顶塌方处治施工安全保障措施

（1）隧道内部的施工地质情况复杂，已发生塌方、高处坠落、物体打击等安全事故，对此，应形成专门的安全预警机制和成立应急救援小组[10]，并明确应急救援小组各成员的责任和分工。

（2）冒顶处治施工时，应先确保喷浆材料形成强度，喷浆厚度不小于10cm，用以固化浅层松散土体，防止发生浅层滑坡、塌方问题，确保下部作业人员的安全。

（3）在冒顶土体开挖施工时，设置专门的安全监测员，做到边开挖边观测，及时发现浅层可能发生的滑塌问题，对预报给下部作业人员，避免开挖作业人员承受物体打击伤害，提升作业过程中的安全性。

（4）现场作业人员应按照相关安全施工规范要求进行施工作业，必须按规范要求做好安全防护，严禁冒雨作业和雨后赶工作业。

（5）锚杆的质量、长度，喷混凝土的质量、厚度，以及钢架的安装位置、间距等严格按设计施工，施工期间，应加强监控量测，如发现量测数据有突变或异变时，应立即采取应急措施。

4 结论

受诸多不确定性因素影响，浅埋段隧道的安全性、稳定性与整体性一直是工程施工控制的难点。文章针对工程实际中隧道浅埋段冒顶塌方处治施工的技术难点，进行了有针对性的技术研究，得到了以下结论：

（1）基于工程实际情况和现状研究成果，提出了隧道内塌方土体装配式补强稳定结构，并对隧道内塌方土体装配式补强稳定结构的承载性能进行分析研究，降低了浅埋段隧道土体补强加固的效果。

（2）结合隧道内塌方土体装配式补强稳定结构的特点，进行施工技术创新，形成了一套较为完善的隧道内塌方土体装配式补强稳定结构施工技术，保证了隧道浅埋段处治施工的质量。