复杂条件高危隧道施工灾变工程对策研究

石先火

(中铁十三局集团五公司大广南项目部，湖北 黄石 435000)

1 工程概况

大庆至广州高速公路是国家高速公路网规划中的纵五线之一，规划全长3460 km，湖北段全长约267 km，由麻城至浠水段147 km、鄂东长江公路大桥段13 km、黄石至通山段107 km三段组成。新建大广高速公路黄通段第七合同段位于阳新县境内，合同段内设白人岩隧道穿过白人岩山。由于隧道位于鄂东南山区，地质条件恶劣，施工条件差，安全风险大，环保要求高，在建设过程中将可能会遭遇塌方、溶洞突泥涌水以及大变形等一系列严重影响施工安全与进度的重大难题。

白人岩隧道位于阳新县三溪镇徐立中村附近，起讫里程K218+276～K218+611，全长335 km。设计为双向四车道高速公路，双连拱断面形式，单洞隧道建筑限界为10.75 m(宽)×5.0 m(高)，隧道衬砌后单洞净空面积68 m2。隧道区属构造剥蚀－溶蚀低山丘陵地貌，为低山沟谷地形，切割深度较大，地面相对高差达135 m，山体成条带状，最高自然地面标高198.7 m，属陡坡地形，植被发育。隧道地层含有角砾亚黏土、黏土、断层角砾岩，隧道位于一座向斜构造山体中。不良地质现象主要有岩溶、断裂带、采空区和岩堆体，工区属于亚热带湿润季风气候，降雨集中。地表水丰富，使得整个浅埋段处于饱和富水岩层，隧道开挖后围岩局部被地下水带走，极易发生坍塌和冒顶。

2 隧道施工难点问题分析

白人岩隧道出口段顶部山体为坡积土覆盖层，正洞出口段K218+598～K218+587设计为Ⅴ类围岩、K218+587～K218+582因开挖揭示拱部仍为坡积土，(设计Ⅲ类)变为Ⅳ类围岩加强区进行支护。左线出口端于2010年8月4日进洞，现掌子面里程约为K218+581。由于当年8月下旬到9月中旬雨量较大，特别是9月13、14日出现两次大暴雨，造成隧道出口段出现多处险情和安全隐患。

2.1 仰坡塌陷并伴开裂

K218+581～K218+585段洞身正上方山体仰坡出现两处沉降塌陷并伴开裂，塌陷面积大小各约为15 m2和20 m2，深度影响直达洞身拱顶，具体见图1。

图1 山体仰坡沉降塌陷与开裂

2.2 存在仰坡滑坡隐患

塌陷位置出现横向裂缝，有可能造成坡体向洞口方向滑移。

2.3 破坏围岩稳定、影响结构安全

由于土体下陷引起隧道围岩变形较大，极大程度影响围岩稳定;土体下陷后导致围岩无法形成自然拱，自撑能力大大减弱，致使顶部竖向荷载全部由初期支护承担，初期支护严重变形、K218+585～K218+582段拱架下沉超限较大，结构安全受到极大威胁。

2.4 洞内出现严重突泥突水

K218+581处掌子面出现突泥，土方量约为50 m3。如遇雨水天气仍将会出现突泥突水且有加重的趋势。洞内严重突泥突水如图2所示。

图2 洞内严重突泥突水

2.5 右线二衬混凝土出现裂纹

右线隧道K218+585～K218+597段二衬混凝土拱腰部位出现纵向裂缝，长15 m，宽2 mm，深35 cm。如继续受左线隧道洞口仰坡及洞身围岩较大变形影响，裂缝存在继续扩展的趋势，甚至会贯穿二衬混凝土全部厚度。

3 工程对策与方案

参照隧道工程理论与施工技术［1］－［3］，结合当地地质、断面以及洞口山体等条件，提出了“先稳边仰坡、后加固洞身段、全过程监控”的施工原则，并进一步分析得出了具体工程对策与方案。

3.1 稳定边仰坡

3.1.1 边仰坡截水及临时防水

隧道洞口边仰坡塌陷部位上方位置距征地红线60 cm左右增设一道拦水埂，覆盖左右两个洞口，截水埂为宽24 cm、高50 cm的矩形截面，与原设计截水沟形成完善的截、排水系统，确保洞口及塌陷部位不被暴雨冲蚀。

为防止在边仰坡防护未形成时，边仰坡尤其是已塌陷部位受雨水冲刷，在雨水来临前将拦水埂至洞口的边仰坡全部用防水布覆盖，防水布幅与幅之间横向搭接长度不小于50 cm，并用胶带连接牢固。竖向搭接时上幅需压在下幅之上，防止雨水从接缝处流入仰坡坡体。

3.1.2 地表注浆固结

对仰坡塌陷的两个区域进行加密注浆，间距1.0 m×1.0 m梅花型布置。

施作时先进行塌陷部位的注浆加固。

3.1.3 边仰坡挂网喷混凝土加固

注浆完毕后对仰坡采用挂网喷混凝土加固，钢筋网采用20 cm×20 cm网格形式，钢筋直径8 mm，喷C20混凝土厚度20 cm。

3.1.4 明洞施作提前闭合

为进一步确保仰坡土体不向洞口方向滑移，在处理仰坡的同时进行明洞施作并提前闭合。

靠近洞口两米范围内明洞仰拱基础岩石完整且强度高，为避免因爆破动力影响洞内初期支护的结构安全及洞口附近极弱围岩的稳定，基础部分岩体可不开挖，采用强度高于仰拱的钢支撑替代原定仰拱的作用，具体作法为:

(1)选用H 17型钢作为横向钢支撑代替仰拱，钢支撑两端须与墙身基础钢筋连接，形成闭合，横向钢支撑的弧度根据现场实际情况确定，弧度应有利于钢支撑发挥支撑作用，横向钢支撑间距50 cm。

(2)为使钢支撑不发生位移，在钢支撑位置打入锁固锚杆，其规格为直径22 cm的螺纹钢筋，长度须进入岩石不小于1 m，外露长度须满足固定钢支撑的要求，锚杆间距沿横向间隔1 m。

(3)原定仰拱以上回填部位按原设计施作。

3.2 加固洞身

3.2.1 初期支护稳定段(K218+598～K218+587)加强

该段初期支护未出现大的变形，但由于其基础软弱，已出现明显下沉，同时该段紧邻初期支护变形破坏段，为防止该段因前段的影响发生破坏，对该段采取以下措施进行加固。

(1)增设临时钢支撑。根据初期支护实际情况，增设临时型钢竖向支撑，并增设横向临时钢支撑以稳定初期支护及围岩。

(2)环向小导管注浆。为进一步提高隧道轮廓线周边近距离围岩的支撑能力，采用42注浆小导管沿钢支撑环向布置注浆加强，环向间距1 m，小导管长度3.5 m。小导管环向注浆施工完毕并稳定后，分段开挖下导，施做仰拱，及时封闭成环。

(3)增设锁脚锚管。为增强型钢拱架基础的承载力，对每榀左侧钢拱架基础增设两个斜向下的锁脚注浆锚管，锚管选用42注浆小导管，长3.5 m，斜向下角度45°。

3.2.2 初期支护变形侵限段(K218+587～K218+581)处理

该段初期支护下沉较大，部分下沉已侵限，部分喷混凝土已开裂脱落，该段初期支护须重新施作并加强。

(1)双层超前小导管超前支护。针对本隧道的特点，在该段采用双层42小导管超前支护作为开挖时确保围岩稳定的辅助措施，其参数为:每层导管环向间距30 cm，长度均为4.5 m，角度第一层为15°，第二层为30°，上下两层导管须交错布置，搭接水平投影长度不小于1 m，具体见图3。

图3 双层超前小导管超前支护布置

(2)环向小导管注浆。为进一步提高隧道轮廓线周边近距离围岩的支撑能力，采用42注浆小导管沿钢支撑环向布置注浆加强，环向间距1 m，小导管长度3.5 m。

(3)卸架撬顶。在环向小导管注浆施作完毕且围岩稳定后，按照先卸钢架后撬顶的步骤处理拱顶下沉，直至恢复原设计隧道轮廓线。

(4)重做强支护。在恢复原设计隧道轮廓线后，应及时进行初期支护施作，并且提高初期支护的支撑能力强度，即采用双层型钢支撑纵向叠加，间距0.5 m，其他支护方式及参数同原设计。此步须紧跟卸架撬顶，具体在施作过程中应拆除一榀更换一榀完善一榀。

3.2.3 过渡段(K218+581～K218+571)施工

过渡段洞身加强支护方式及参数与拱架下沉段相同，从掌子面所揭露的岩体及上覆土层关系分析，过渡段长度应从目前掌子面往进口方向不小于10 m，即K218+581～K218+571区段。

过渡段掘进须按照短进尺弱爆破的原则进行，每循环进尺不超过1 m。

图4 白人岩隧道左线出口段山体塌陷及拱顶下沉处理程序

3.3 加强监控量测

(1)边仰坡变形观测。为便于及时发现边仰坡变形，在仰坡塌方区域沿隧道轴向及横向各设置三个变形观测点，每天观测3次，根据观测结果及时处理。

(2)洞身段变形监测。增加左线出口段初期支护段变形观测频率并增设监测点，同时做好右洞出口段衬砌的变形观测。

4 施工组织与工艺

依据隧道工程理论与技术［4］－［7］，为确保能及时、安全地处理好该段存在的险情和隐患，成立专门的处理工班，调遣经验丰富的施工人员组成该工班;同时配置专业的施工机械以满足该段处理施工的需要。白人岩隧道左线出口段山体塌陷及拱顶下沉处理程序见图4。

5 结论

(1)由于地质与山体条件较差，加上暴雨天气的影响，新建大庆至广州高速公路湖北省黄石至通山段白人岩隧道施工中出现了洞口段山体塌陷、边仰坡开裂、洞身段拱顶下沉以及突泥突水等严重险情和安全隐患，一旦处理不及时或不得力则可能造成重大安全事故。

(2)结合隧道地质、断面以及洞口山体等条件提出的“先稳边仰坡、后加固洞身段、全过程监控”的施工原则以及稳定边仰坡、加固洞身段、围岩实时监控和施工组织与工艺等技术很好地稳定了边仰坡、控制洞身段拱顶下沉，并可保证坑内不积水且未引起次生的洞内突水突泥。

［1］关宝树.隧道工程施工要点集［M］.北京:人民交通出版社，2003

［2］陈豪雄，殷杰.隧道工程［M］.北京:人民交通出版社，1995

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