公路隧道拱顶塌方处理措施分析

2023-12-25何廷峰

四川水泥 2023年12期

何廷峰

（中铁十七局集团第六工程有限公司，福建福州 350014）

0 引言

为了加强交通建设，隧道工程在公路工程、市政道路工程、铁路工程中十分常见。一些隧道施工面临的地质条件复杂多变，在软弱围岩、浅覆盖层等地段施工时极易出现塌方问题。如何快速高效地处理塌方，尤其是施工难度大、安全风险高的隧道塌方处理，是施工人员面临的难题。本文结合工程实例，详细介绍隧道塌方的具体处置措施。

1 工程概况

茶地坋隧道全长605m，为单洞隧道，里程桩号K15+670～K15+275，其中Ⅴ级围岩150m，Ⅳ级围岩140m，Ⅲ级围岩315m。隧道净宽10.5m，隧道净高5.0m。隧道位于华力西—大田—印支拗陷带—龙岩拗陷的闽西南东北方向，全线贯通。地质构造复杂的政和-大埔深断层西北侧由于受到强烈的燕山运动影响，使地壳产生强烈褶皱，断裂发育，断裂在深部岩浆源中交汇，从而引起火山强烈运动，岩浆侵入，岩浆在深部岩浆源中发生断裂。深部岩浆隧道洞身围岩主要是岩体破碎～较完整的侏罗系梨山组粉砂岩和石英砂岩，根据工程地质分析结果，在隧道洞身K15+985处有一处钻孔暴露构造破碎带，使围岩等级降低[1]。

隧址区地下水以水量丰富的基岩裂隙水、构造裂隙水为主。隧址区地表水随降雨量的变化，以沟谷中的山涧水为主。隧道洞口地下水稳定，水位一般分布在碎块状强风化岩层中，地下水位基本低于隧道顶板。

隧道施工采用从出口K16+275顺坡开挖，开挖至K16+200时，拱顶发生坍塌（见图1所示），拱顶形成较大的塌腔，塌方体以松散土层夹杂碎石为主，含水量较高，此处隧道埋深44m。经现场测量，K16+200～K16+205初支已施工段拱顶出现下沉变形，初支侵限，最大变形量达到40cm。

图1 塌方断面图

掌子面围岩以节理裂隙发育、岩质松软、岩体稳定性差、裂隙水发育的砂土状～碎块状强风化岩为主。结合超前地质预报，K16+200～K16+190段围岩级别综合判定为V级围岩。

2 塌方原因分析及处理思路

经仔细勘察发现，塌方体以松散土层夹杂碎石为主，隧道洞顶存在遗留矿洞，地表水渗入矿洞内，导致隧道洞顶围岩松散软弱，整体性差。隧道开挖至K16+200时洞顶距离原矿洞较近，覆盖层较薄，原矿洞开挖破坏岩体整体性，隧道爆破开挖振动产生坍塌。

根据现场勘察情况，本次塌方处理思路主要是：封闭排水、临时加固、缓慢开挖。先治理洞顶地表水，减少表层水渗入矿洞。然后对洞内初支变形段及开挖面进行临时加固。临时加固完成后按照“短进尺，强支护，快封闭，勤测量”的原则，采用中隔壁开挖方法进行推进[2]。

首先将地表矿洞回填封闭，四周开挖截水沟、引水沟，将地表水引至远离矿洞位置，避免地表水继续渗入矿洞内。然后对侵限段K16+200～K16+205进行临时加固，对掌子面反压回填，封闭塌腔。最后采用预注浆加固、塌腔回填等进行处理。

未施工段K16+190～K16+200 段Z4 支护变更为ZDK-1型支护（28cm厚C25喷射混凝土+双层Φ6 20cm×20cm钢筋网+间距70cm工20b钢支撑+防水层+55cm厚C30钢筋混凝土衬砌），超前辅助措施采用F2-2小导管注浆（环向间距15cm，纵向间距1.8m，钢管长5m），将侵限段K16+200～K16+205原Z4支护变更为ZDK-1支护，将影响段K16+205-K16+215二衬加固。

塌方治理纵断面示意图见图2。

图2 塌方治理纵断面示意图

3 塌方处理施工技术

3.1 侵限段及影响段临时钢支撑加固

K16+200～K16+205侵限段及K16+205～K16+210影响段设置临时钢支撑，临时钢支撑的施工工序如下：

（1）清除原初支钢支撑（工18型钢）上的喷射混凝土保护层，用砂纸打磨后清水冲洗干净。

（2）搭设临时钢支撑，采用工20b型钢，间距同已支护的初支钢支撑相同，为0.7m；临时钢支撑与初支钢支撑翼板相贴合，并用U型卡扣锁紧焊接，每榀临时钢支撑需与初支钢支撑紧密贴合，若不贴合须采用钢板楔块挤紧。U型卡扣在两侧侧墙各设置2道，拱顶设置1道。

（3）临时钢支撑环向每1m采用Φ25钢筋纵向焊接连接，连接钢筋应与工字钢焊接牢固，见图3所示。

图3 临时钢支撑加固布置图

（4）每榀钢支撑的基础与[28b槽钢焊接，两侧槽钢全段落布置，确保两侧槽钢在同一水平面，且落于坚硬实地，若临时钢支撑落底围岩较差，可采用锁脚小导管加固，小导管按要求注水泥浆加固[3]。

3.2 注浆预加固

采用临时钢支撑加固完成后，对K16+200～K16+205侵限段及K16+205～K16+215影响段进行径向小导管注浆加固，小导管长度为5m，间距为1.0m×1.0m，梅花型布置。小导管注浆采用0.5∶1.0水灰比的水泥浆液，注浆压力0.5～1.0MPa。钻孔采用1台风枪施工，减少对拱顶产生较大振动，钻孔完成后应立即将小导管顶进并完成注浆[4]。

3.3 掌子面临时加固

侵限段及影响段加固完成后，在掌子面前设置反压体，封闭拱顶塌腔，预留两根中Φ108钢管，作为注浆口和排气口（兼检查回填混凝土是否灌满塌腔），掌子面加固断面图见图4所示；反压材料应采用易与水泥浆固结材料，粒径不宜太大。反压体顶部纵向宽度2m，作为施工作业平台；反压体按1∶1.5放坡，坡面按1.5m×1.5m间距打设小导管注浆加固（水灰比0.5∶1.0），小导管长度为5m，纵向搭接长度不小于2m，梅花型布置；坡面距离底面1m处预埋一排排水孔，排水孔间距2.0m，作为排水通道。

图4 掌子面加固断面图

3.4 塌腔回填

在侵限段、影响段及掌子面临时注浆加固7天后，注浆强度基本达到要求，通过掌子面预留的Φ108钢管输送C25混凝土对塌方腔体进行填充处理，直到预留的排气管流出混凝土时停止输送混凝土，以此保证混凝土灌满整个塌腔。由于塌腔较大，回填泵送过程速度不宜过快，采取分层填充，避免对塌腔体周围造成较大挤压，减小振动，防止腔内再次坍塌[5]。

3.5 影响段二衬加固

K16+205～K16+215影响段初支未侵限，整体未受影响，二衬应及时跟进施工，保证二衬距离掌子面距离＜30m，并对该段二衬加强处理，将原二衬钢筋间距由20cm×25cm调整为20cm×15cm，其余结构与原设计相同。影响段临时加固钢支撑在二衬施工前进行拆除，一次拆除长度不大于每次二衬浇筑长度，拆除后应采用同初支强度的喷射混凝土对凿除的喷射混凝土进行补喷，补喷应保证表面与周围墙面平整。

3.6 侵限段换拱扩挖处理

在二衬施工至K16+210 时，对K16+200～K16+205初支侵限段进行换拱处理，换拱施工工序为：拆除一榀临时钢拱架+初支钢拱架、扩挖一榀间距洞轮廓、支护一榀新初支钢拱架;钢拱架采用间距70cm的工20b型钢加工制作，钢拱架应落底施工，两侧拱脚各采用一根锁脚小导管加固；K16+200～K16+205侵限段换拱过程中按ZDK-1型进行扩挖支护，一次扩挖长度为70cm，与钢拱架间距一致，因此一次换拱不得大于2榀；扩挖应在相邻两榀钢拱架更换完成后，再对相邻两榀拱架之间洞身进行扩挖施工，扩挖至轮廓线后迅速开始挂钢筋网（间距20cm×20cmΦ6 双层钢筋网）、打设锚杆（Φ25 中空注浆锚杆L=350cm、间距100cm×100cm 梅花型布置）、喷射混凝土（28cm厚C25）等初支护工序，快速闭合成环。

3.7 掌子面开挖

待塌腔回填混凝土达到100%强度，侵限段扩挖加固完成后，掌子面先采用F2-2小导管注浆超前支护，小导管纵向布置间距1.8m，环向布置间距加密至15cm，钢管长5m，外插角采用15°、40°交错布设，见图5。注浆采用水灰比0.5∶1.0的水泥浆液，注浆压力0.5～1MPa，单洞每延米注浆量不小于10.59m³。为增强超前支护整体刚度，发挥其最佳支护能力，超前小导管尾端应与钢支撑焊接牢固。

图5 F2-2型小导管注浆断面图

在超前注浆支护完成并达到强度后采用中隔壁开挖法施工（见图6所示），中隔壁开挖法具体工序如下：

图6 中隔壁开挖法

（1）开挖左上导坑；

（2）施工左上导坑初支及临时支护；

（3）开挖左下导坑；

（4）施工左下导坑初支及临时支护；

（5）开挖右上导坑；

（6）施工右上导坑初支及临时支护；

（7）开挖右下导坑；

（8）施工右下导坑初支及临时支护；

（9）拆除中隔壁临时支护；

（10）浇筑仰拱；

（11）铺设洞身环向盲管及防水板，浇筑洞身二衬。

初期支护采用间距70cm工20b钢支撑，挂双层Φ6间距20cm×20cm钢筋网，湿喷28cm厚C25喷射混凝土。临时支护主要是20cm厚C25现浇临时仰拱，中隔壁采用工14临时钢支撑与初支钢支撑闭合，间距为0.7m，与初支钢支撑一致，挂A8型焊接钢筋网，喷射20cm厚C25喷射混凝土，上台阶中隔壁纵向采用Φ22超前砂浆锚杆支护，锚杆长3.5m，纵向间距1.8m。初支及临时钢支撑拱脚采用L=3.5m的锁脚锚杆锁紧，并按要求进行注浆，钢支撑拱脚须位于坚固的基础上，拱脚不得悬空。

整个塌方体开挖采用机械开挖，减小振动影响，左侧上台阶长度不大于5m，每循环开挖长度不大于0.7m。右侧上台阶工作面距离左侧上台阶工作面宜为15～20m，距离左下台阶工作面宜为8～15m，仰拱每3m一个循环进行开挖，应一次性整体浇筑，不应左右侧分开浇筑。

3.8 监控量测

隧道施工过程中应加强监控量测，重点对拱顶沉降、初支变形等进行监测，监测频率2次/d，如有异常情况应及时撤离施工人员。拱顶下沉、周边位移及收敛量测应布置在同一断面，断面间距Ⅳ级围岩不得＞10m、Ⅴ级围岩不得＞5m，每段面布置2～6个点，拱顶沉降监测点布置在拱顶。在塌方处理过程中全程进行拱顶沉降、周边位移及收敛量测。

该隧道周边原来存在采矿施工，需要安排人员重新对洞顶环境进行充分调查，如果发现矿洞要及时上报设计勘察单位，必要时进行补充勘探，了解矿洞走向，然后采用机械进行矿洞回填，对排水进行引流。同时要对发现的矿洞位置进行测量。掌子面开挖时要加强超前地质预报监测，采用地质雷达扫描、超前钻孔及地质素描等方法对隧道地质情况进行分析，如果发现前方存在空洞、地下水等应做好应急措施。