软弱破碎围岩公路隧道塌腔处置技术

软弱破碎围岩公路隧道塌腔处置技术

陈仕军 朱正春 代伟 余崇军 杨镜平

中建八局西南公司，成都， 610041

[摘要]为建设成为交通强国，我国高速公路建设步伐不断加快，公路隧道时常穿越断裂层、软弱破碎围岩等不良地质，施工处置措施失当时，极易造成掌子面塌方、突水突泥、拱顶沉降及周边收敛超限，甚至造成初支破损垮塌及大塌方等安全风险，严重威胁到施工人员的人身安全。本文结合德会高速公路某隧道工程，正常开挖掘进中遇软弱破碎围岩出现掌子面拱顶塌方，采用反压回填、增设管棚、塌腔填充素混凝土、加强初期支护、围岩超前注浆加固的方式，解决隧道施工过程中塌腔问题。为类似隧道工程施工提供一定的参考和借鉴意义。

[关键词]隧道塌腔 反压回填 增设管棚 塌腔填充 超前注浆

0 引言

随着我国高速公路建设从平原地区逐步向西部山区转变，公路隧道时常穿越断裂层、软弱破碎围岩等不良地质，软弱破碎围岩强度低、层间结合差，时常伴有裂隙水发育，爆破开挖轮廓整圆度差，围岩压力分布不规则，易产生应力集中和大变形。造成掌子面及拱顶掉块、局部塌方甚至大塌方。塌方不仅对施工形成安全隐患，同时又制约施工进度、增加施工成本，如处置不当冒然再次施工，极易造成安全事故。

本文结合德会高速公路项目，就隧道穿越软弱破碎围岩塌方原因进行分析，并制定相应处置措施，为类似隧道工程施工提供一定的参考和借鉴意义。

1 工程概况

德会高速公路按双向四车道设计，设计速度为 80Km/h，和平隧道左线长2001m，右线长2007m，主洞建筑限界为10.25×5m，隧道以IV级围岩为主。岩性为强～微风化泥岩及粉砂岩、中～微风化页岩及泥质粉砂岩，岩石基本为软岩，Rc=5～15MPa。地下水类型呈潮湿或点滴状出水。隧道进口右侧约250m附近（K51+370）有益门断裂带通过，为规模较大的主干断层，受断层影响，岩体裂隙发育。

图1-1 左线ZK51+205～ZK51+500地质断面图 图1-2 右线K51+192～K51+490地质断面图

2 拱顶塌腔概述、原因分析、塌腔危害

2.1塌腔概述

和平隧道右线开挖至K51+390处时，在进行超前小导管钻孔施工时，拱部左侧30°～右侧60°范围内出现掉块，掉块区急速扩展，形成塌方，塌穴呈楔形体，环向长度约10m，纵向长度约6m，深度约5m，塌方量约120m³。

2.2塌腔原因分析

塌腔处埋深约54m，掌子面开挖揭示围岩为中风化碳质页岩，岩层产状近陡立，层间结合差，岩体极软，手掰即碎，自稳定性差。此时正值7月雨季，地表降水量大，掌子面处地下水呈点滴状出水，对围岩软化作用明显，同时地面降水通过围岩裂隙流入洞内，水流通过节理面时带走大量岩层细颗粒，使岩层粘结摩阻力进一步降低。加之开挖卸荷扰动引起围岩失稳，导致塌方。

2.3塌腔危害

山岭隧道地质条件多变，岩层走向复杂，加之地质勘察钻探孔位覆盖不足，超前地质预报技术上存在一定的盲区，一旦遇上突变型由好转坏的围岩，隧道掌子面、拱顶往往会发生塌方。围岩条件越差，多变性频率越高，发生塌方的概率也就越大。

（1）隧道塌方形成塌腔后，对开挖后的隧道断面形成应力再次重新分布，塌腔轮廓周围应力集中且较大，可能进一步诱发更大的塌方，造成隧道结构失稳或破坏。

（2）有些塌方在事前没有明显的征兆，是一种突然性的坍塌，如拱部突然掉落大石块。施工人员和机械设备来不及撤离时，会造成人员伤亡和财产损失。

（3）塌腔处置一般都比较麻烦，实施处置方案时，属于危大工程范畴，会增加安全管控风险，同时也会造成施工成本的增加及工期延误。

（4）塌腔处置在质量管控中属于关键工序，如塌腔回填不密实，填充物离析或质量差，围岩离散压力和挤压压力不均匀传递至衬砌上，可能造成局部衬砌应力集中使衬砌产生结构裂纹，影响隧道运营中的耐久性。

3 塌方应急处置措施

（1）立即撤出所有施工人员，停止右线隧道开挖、支护。

（2）对紧邻塌腔区上台阶围岩纵向20m范围内每隔5m设置一组测量观测点，每组观测点环向布置为3个，分别位于拱顶、两侧拱腰，每隔12小时观测一次。观测数据连同塌腔前沉降、收敛数据对比分析，看是否出现突变现象。

（3）因塌腔区围岩压力的重分布，岩层离散压力存在不稳定性，为防止塌腔区向已施作的初支进一步造成破坏，在已施作初支段（K51+385～K51+390）喷射混凝土表面增设I18临时钢架，纵向间距60cm，纵向采用Φ22钢筋连接，钢筋环向间距1m。钢拱架弯曲弧度与初支喷射混凝土不密贴部位采用不同厚度钢板支垫填塞，严禁出现空隙。

（4）为防止塌腔区顶部继续掉块引发围岩进一步失去自稳能力，喷射C20混凝土封闭拱顶坍塌处，喷射厚度为10cm。

（5）为保证掌子面稳定，避免掌子面发生塌方，采用洞碴回填反压，回填高度至拱顶以下1m，回填长度至塌腔区向洞口方向1m。面向洞口方向回填坡度采用1:1，坡脚码砌50cm高沙袋作为护脚。

图3-1 塌方应急处置措施示意图

4 塌方处置技术

经过监控量测，在采取应急处置措施后，塌腔区附近初支未出现变形加速、初支开裂情况，变形速率小于5mm/d。经过现场查看，地表无开裂沉陷发生。结合以上情况，处置措施如下。

4.1 掌子面前方围岩加固

K51+390～K51+410段采用Φ108超前大管棚支护，在拱部120°范围内设置，外插角不大于8°，环向间距40cm，每根长20m，共计33根，管棚穿越塌腔范围并伸入掌子面前方，对管棚注水泥浆液加固塌腔前方掌子面围岩，利用钢棚自身刚度和注浆加固岩体形成拱圈效应，使围岩具有一定的直接稳能力，以保障掌子面操作人员作业安全。管棚上钻注浆孔，孔径15mm，孔间距20cm，呈梅花形布置，塌腔段不钻孔。管棚尾部与I18临时钢架焊接。管棚采用两次注浆，第一次注浆达到1.0Mpa时，保持注浆压力持续注浆15min后停止并关闭止浆阀门，间隔1h后进行第二次补浆，慢慢提升注浆压力，当注浆压力达到1.5Mpa时稳压10min后停止。注浆顺序为从下至上，跳孔注浆，从两侧拱腰往拱顶对称进行。

原设计Φ42超前小导管保留，布置于管棚之间，外插角由原设计10°调整为30°～45°。管壁钻注浆孔，孔径为 8mm，孔间距10cm，呈梅花形布置，尾部30cm不钻注浆孔作为止浆段。注浆时跳孔进行，注浆压力达到1.0MPa继续注浆10min后停止。

4.2 塌腔处置

4.2.1初支施作

在Φ108超前大管棚保护下，开挖反压回填洞碴，上台阶分上下两层开挖，采用预留核心土方法，开挖时采用挖掘机开挖两侧钢拱架作业空间，每次开挖不超过1榀拱架间距。支护类型由原设计AW5c调整为AW5b，工字钢由I18调整为I20b，间距由60cm调整为50cm。开挖完成后及时安装Φ12网格尺寸为10×10cm钢筋网片及I20b钢拱架，拱脚落在夯实的地基上，下垫300×300×12mm钢板扩大受力面积，拱脚上方50cm处两侧各打设1根Φ42mm注浆小导管作为锁脚锚杆，锁脚锚杆注浆后与钢架采用“U”型钢筋焊接牢固。钢架安装后及时喷射初支混凝土，利用钢架背后钢筋网对混凝土的附着，喷射时从下往上分层逐步堆积喷射混凝土，喷射厚度为26cm，使钢筋网、喷射混凝土、钢拱架三者组合形成壳体受力拱圈，施工时从两侧拱脚对称喷射，壳体拱圈为下一步塌腔回填混凝土提供支撑面。

4.2.2 安装排水孔及注浆孔

隧道塌方后，往往会出现较大渗水，在拱脚位置沿隧道纵向埋设Φ100HDPE双壁打孔波纹管排泄地下渗水，避免地下水在塌腔区汇集软化围岩，同时避免塌腔回填混凝土被水浸泡稀释，导致混凝土离析、松散，通过横向排水管将收集的地下水集中汇集排放至洞外。

初支施作时，在初支拱顶沿隧道纵向预留2处Φ150mm钢管作为混凝土泵送回填通道，钢管伸入塌腔内，伸入长度为初支拱顶以上3m，同时在拱顶预留2处Φ42mm钢管作为排气孔，排气孔伸入塌腔顶部。

4.2.3塌腔回填

按设计初支轮廓线施工完成塌腔范围内初支后，在靠近掌子面处喷射混凝土封堵塌腔端头，为塌腔回填混凝土做好准备。待初支混凝土强度达到设计强度的80%时，将混凝土输送管接入预留Φ150mm钢管，混凝土输送管采用“Y”字型管道连接，分叉管分别接入2处Φ150预留钢管同时浇筑。塌腔内采用C20混凝土填充，为避免混凝土自重过大造成初支结构开裂、破坏，混凝土分层分次回填，每次回填厚度为1m，下一次回填应在上一次回填混凝土浇筑24h后进行，当回填至拱顶以上1m时暂停回填，此时可恢复开挖掌子面按正常循环掘进。待塌腔段初支成环并施作仰拱后，再采用泵送混凝土一次全部回填剩余塌腔。

5 恢复开挖

当塌腔混凝土回填至拱顶以上1m待混凝土强度达到要求后可恢复掌子面开挖作业，采用三台阶法进行开挖，每个开挖循环进尺为1榀钢拱架间距，开挖采用挖掘机进行，严禁采用爆破开挖，开挖后及时打设径向锚杆并注浆，施作钢拱架后及时喷射初支混凝土。在通过软弱破碎围岩时，加强监控量测，每5m在围岩上布置一组监控量测点，每天进行点位观测和数据分析，同时加强洞内巡查工作，发现异常情况时，立即组织人员撤离。

6 结语

山岭隧道地质情况复杂多变，实际围岩情况与设计文件时常有出入，在穿越软弱破碎围岩时，依据设计文件支护类型，结合监控量测数据分析，坚持动态设计、动态施工的原则确定具体支护参数，以达到保证安全、节约成本的目的。本文提及的塌方按上述处理技术实施后，安全有效的完成了塌腔处置工作，顺利穿过软弱破碎围岩段，通过现场实践证明该处理技术安全可靠，节约成本，速度较快，本方法可供类似工程参考。

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_{陈仕军（1984-），男，四川成都市人，民族：汉，职称：高级工程师，学历：本科。专业：道路与桥梁。}