软弱地质浅埋大断面隧道地表塌陷处理研究

高 龙

(中铁十三局集团公司 贵广铁路工程指挥部，广西 贺州 542600)

新建贵广铁路是我国《中长期铁路网规划》的重点项目，设计时速为250 km的国家高速铁路客运专线。因受地形、地质条件限制，隧道占全线比例高达85.42%。由于隧道必须满足高速铁路需要，其开挖断面面积达150 m2以上，属铁路大断面隧道。建设标准高，加上位于西南山区，地质条件恶劣、施工条件差、安全风险大、环保要求高，故在建设过程中将可能会遭遇塌方、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。

东科岭隧道位于广西省贺州市钟山县红花乡境内，起止里程 DK553+830—DK558+710，全长4 880 m，隧道最小埋深20 m左右，最大埋深581 m。隧道进口800 m为全～强风化的花岗岩、出口600 m为灰岩、中部约3 400 m为砂岩夹页岩;隧道上覆盖层为软土、粉质黏土和红黏土。特别是DK554+195到DK554+600共405 m段，地形为小盆地状，上为农田，下伏向斜构造全风化花岗岩堆积体。堆积体上部是卵石土、碎石土，局部夹黏土层形成富水层，埋深为20～41 m。地表有水田和常年流水水沟经过隧道顶部，同时在线路左前侧有一水库和一片沼泽地，使得整个浅埋段处于饱和富水岩层，极易发生坍塌和冒顶。

1 隧道施工与高强支护及其效果

依据隧道工程施工技术，结合地质、断面以及埋深等条件，采用“光面爆破、喷锚紧跟、监控量测、及时反馈和修正”的新奥法施工。同时，选用快速高效的大型机械配套施工，实现开挖出渣机械施工作业线，喷锚机械配套作业线，衬砌台车作业线相配合的一条龙作业。对于软弱围岩地段，坚持“短进尺、弱(不)爆破、快封闭、强支护、勤测量、紧衬砌”原则并及时封闭成环。

1.1 软弱围岩段施工方案

1)浅埋软弱围岩段施工。根据隧道围岩地质情况及断面设计，结合现有技术装备和多年隧道施工经验，洞口浅埋及偏压段采用大拱脚台阶法、CRD法或双侧壁导坑法施工。该段属围岩地质条件较差地段，设计为Ⅴ级围岩加强Ⅱ型支护。支护形式为施作超前小导管注浆进行超前支护，开挖后喷混凝土、架设钢拱架及挂设钢筋网相结合的加强型支护。

2)断层及破碎带施工。破碎带内岩石节理裂隙发育，容易引起掉块和小塌方，对隧道稳定性有一定影响。隧道地下水主要有上层滞水和孔隙潜水，溶洞水，破碎带内含水丰富，对隧道危害极大。施工时根据地质雷达预报掌子面前方及围岩情况，短进尺、弱爆破、强支护以及加快二次衬砌进度，保证仰拱距掌子面距离不超过40 m，二次衬砌距掌子面不超过90 m。

3)超前地质预报与围岩监控量测。高度重视超前地质预报工作。对DK554+221—DK554+321段进行了TSP探测，探测结果判断基岩为灰黑、乳白、淡黄色中～粗粒似斑状花岗岩，强风化，性软;节理不甚发育，掌子面经常渗水;可用镐、锄开挖，锤击后可呈散粒状，属Ⅴ级围岩级别，整个岩体破碎，自稳能力差。DK554+221—DK554+235围岩波速较低，无明显反射界面，围岩泊松比变化。岩体结构破碎，岩石风化严重，富含地下水。

现场监控量测断面按照不超过10 m布置，重点放在对拱顶下沉、型钢拱内力、周边收敛量测项目上。经过一段时间观测发现拱顶下沉量测值随时间推移逐渐增大，并有扩张趋势。

4)隧道防排水。洞口设置防水系统，做好沟渠规划，防止雨水等下灌。对洞顶浅埋段(DK554+221—DK554+321)，在施工至该里程前在地表常年水沟内铺设双层防水塑料布，防止水流下渗引起塌陷。掘进过程中防水措施还采取地质预报，超前探测前方破碎带，再利用超前注浆改善围岩的渗透性，从而确保开挖掘进过程中的安全。

1.2 软弱围岩段施工方案效果分析

隧道进口于2009年3月12日开工，采用上、下台阶开挖386 m，仰拱完成360 m，二次衬砌329 m。隧道出口于2009年4月17日开工，共完成掌子面掘进673 m。东科岭进口2010年1月19日下午16时30分突然发生突泥突水，至2010年1月26日17时40分，连续突水突泥7次，累计突水突泥达9 100 m3，并由此发生隧道顶部地表塌陷(见图1)。

图1 突泥突水后地表塌陷

鉴于东科岭隧道地质条件极差、埋深浅且必须开挖出大断面高标准隧道等因素，在采用最为保守的施工方法并进行最高级别的高强度支护后，仍然不可避免地出现了隧道突泥突水、塌方并引起地表塌陷等事故。由此影响了工程的安全和质量，并造成工程停滞不前等极为严重的后果。

2 工程对策及效果分析

2.1 地表排水改移

按尽量避免水流进入隧道址区范围的原则，地表常年流水水沟改移至远离塌陷区位置，同时在水沟内铺设双层防水板，防止水流下渗引起再次塌陷。另外，用两台水泵昼夜抽排坑内积水，保证坑内无积水，防止引起次生的洞内突水突泥。

2.2 地表塌陷区处理

首先，清除坑壁四周的碎石等松散杂物。其次，对塌坑边坡采用锚喷网防护。采用长度为3 m的φ22 mm砂浆锚杆，间距1 m×1 m梅花形布置，加 φ8 mm钢筋网，网格间距20 cm×20 cm，C25喷射混凝土10 cm厚。最后，塌坑底部采用 φ42 mm竖向钢花管注浆，钢花管长度为8～9 m，间距1 m×1 m梅花形布置，四周采用双排钢花管注浆，长度为8～12 m，间距为1 m，角度为45°至60°。在注浆的过程中采用 φ8 mm钢筋网铺设塌坑底面并与钢管连接，喷射20 cm厚混凝土以避免顺管壁往地面严重返浆现象。塌陷区处理结果如图2所示。

图2 塌陷区处理结果

2.3 旋喷桩处理

除了对塌陷区进行排水及清理与防护外，还对其进行旋喷桩加固处理。

1)旋喷桩加固处理方案。结合隧道地质及实际情况，在DK554+195—DK554+530范围沿隧道拱顶开挖轮廓以内5 m范围，固结洞顶软弱围岩;沿隧道开挖拱角线以外，做双层旋喷桩帷幕止水墙。旋喷桩采用双管工艺施工，成桩直径≥50 cm，间距1.0 m，梅花形布置帷幕止水墙嵌入弱风化层≥1.0 m。

2)旋喷桩试验参数。为检验旋喷桩实际效果，选择卵石土覆盖层和风化花岗岩两个具有代表性的地质区域进行各一组试验。每组两个孔，孔中心距为60 cm，深度8～10 m。参考相同和相似地质条件所做过的高压旋喷工程的资料和本次工程技术措施的要求，确定的施工技术参数列于表1。

表1 水泥喷浆参数

3)旋喷桩试验及效果分析 旋喷过程中，风化花岗岩层的孔口溢浆量略大于覆盖层的溢浆量，成桩的水泥平均耗量为270 kg/m左右。对于深8～10 m桩孔，造孔速度较慢，时间大约为4 d，其主要原因是卵石土自稳性差，卵石土中卵石含量占30%左右，有个别大块漂石。

为分析旋喷结果，分别对覆盖层和花岗岩风化层各一组试验桩进行开挖检测，因条件所限，开挖深度仅为5 m左右。经测量，两组试验桩均成形较好，桩身均匀完整，无凹凸现象。在覆盖层中的桩径达550～600 mm，两桩搭接为2～8 cm;在花岗岩风化层中，桩径为500～550 mm，试验桩结果如图3所示。

图3 全风化岩层中试桩结果

从实际试验结果看，在隧道两侧止水墙桩中心距在0.50 m的前提下，在风化花岗岩地层中的成桩桩径可达500～550 mm，其效果较好。

3 工程方案优化分析

尽管工程对策较为有力且效果较好，但为确保施工安全、质量与工期，还须进一步对工程方案及措施进行优化。借鉴类似工程经验，采用地表旋喷桩止水墙与井点降水联合防排水的方法。

图4 旋喷桩与井点降水结合处理方案(单位:cm)

由于地表水补充量较大，堆积向斜构造岩体破碎极易富水。单采用降水施工周期较长，且补给源太多，效果不一定很好，故应对该段进行旋喷止水墙加固配合井点降水施工。在隧道两侧开挖线以外5 m施工旋喷桩帷幕止水墙，按照间隔1.0 m梅花形双排布置旋喷桩，每隔50～100 m再施工一道隧道横向旋喷帷幕止水墙。降水井沿隧道两侧按照间隔10 m一个布置，隧道横向沿旋喷帷幕止水墙按照6 m一个布置(见图4)。处理范围为DK554+196—DK554+600。

4 结论

1)对于软弱地质、大断面以及浅埋隧道，即使采用“短进尺、弱(不)爆破、快封闭、强支护”进行施工，也会出现突泥突水、塌方和地表塌陷等事故并造成严重后果，在建设中必须高度重视。

2)地表水移离塌陷区能防止水流下渗引起再次塌陷。按先清理、挂网喷浆支护，再注浆防护的工艺进行地表塌陷区处理，可保证坑内不积水并防止次生的洞内突水突泥。

3)由施工结果及检测数据表明，隧道两侧止水墙高压旋喷桩中心距0.50 m时，旋喷桩加固处理后在风化花岗岩地层中的成桩桩径可达500～550 mm，其效果较好，此方法可行。

4)为确保施工安全、质量与工期，还须进一步对诸如地表旋喷桩止水墙加井点降水联合防排水工程进行优化，并对其效果进一步研究。

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